CN111541638A

CN111541638A - 基于ofdm符号同步算法低复杂度实现及同步更新方法

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Publication number: CN111541638A
Application number: CN202010645944.XA
Authority: CN
Inventors: 朱江; 胡登鹏; 杨虎; 高凯; 杨军; 朱立; 王新建
Original assignee: Hunan Guoke Ruicheng Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Guoke Ruicheng Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: CN111541638B

Abstract

本发明提供了一种基于OFDM符号同步算法低复杂度实现及同步更新方法，包括基于迭代的OFDM信号延时相关函数的延时计算方法和基于对OFDM符号起始位置估计平滑处理的同步估计结果稳定更新方法。在计算时延上，

次复数乘法可同时计算，和1次复数乘法相同，

个样点复数相乘值的累加所需的

‑1次加法，时延为

‑1个时钟周期，2次加法时延为2个时钟周期，该方法将

‑1个时钟周期变为2个时钟周期，大大减少了算法时延。由于受到噪声等因素的影响，位置偏差值

是随机变化的，其分布情况与延时相关函数的幅度峰值分布有关。通过迭代运算对

进行低通滤波实现平滑处理，通过系数来控制适用于真实位置变化快慢的情况。

Description

基于OFDM符号同步算法低复杂度实现及同步更新方法

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，是无线通信中的OFDM系统非数据辅助同步，特别是基于OFDM符号同步算法低复杂度实现及同步更新方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术是一种特殊的多载波调制技术,由于可有效对抗多径衰落影响、频谱利用率高、容易实现、易于与其他多种接入方法结合使用等优点,受到了广泛的应用,是下一代移动通信的关键技术不同于单载波系统,OFDM系统对同步技术的要求很高,因为同步错误引入的符号间干扰和子载波间干扰,会导致子载波间的正交性受到破坏,影响系统性能。因此，需要对OFDM系统进行同步^[1]。

符号定时同步是为了得到每个OFDM符号的正确起始点，以便去除为了抵抗信道多径在每个OFDM符号前加入的循环前缀，从而通过FFT得到OFDM频域信号。当符号定时同步不理想时，将可能使所得的OFDM频域信号中产生符号间干扰(ISI)及载波间干扰(ICI)，从而降低OFDM系统的误码率性能。

OFDM系统同步的方法主要可以分为数据辅助法和非数据辅助法。数据辅助法通过设计具有特殊结构的导频序列，在接收端利用导频信号的特殊结构对系统进行同步，如利用训练序列的Schmidl算法^[2]。一般情况下，这种方法较为简单，实现较为容易。非数据辅助法则是通过从信号本身提取信息，对系统进行同步，所以这类方法大多比较复杂，且估计精度一般情况下不如前者。但是由于非数据辅助算法能有效提高频谱效率，且在非协作通信中只能使用非数据辅助算法。

为了消除多径对OFDM系统带来的影响，在每个OFDM符号前通常需要加入循环前缀。当信道的最大时延小于循环前缀长度时，在OFDM系统中将存在冗余循环前缀。因此，可利用冗余循环前缀进行OFDM系统同步。Beek等人在文献[3]中利用循环前缀的最大似然算法进行OFDM定时同步和小数频偏同步,计算量小,冗余度低,算法实现简单。该算法只适用于高斯信道和平坦衰落信道,在频率选择性衰落信道下,由于ISI的影响,循环前缀受到影响,导致算法性能有所下降。文献[4-7]在该算法基础上，提出了改进算法，对定时度量函数和搜索方式进行了改进，增加了基于循环前缀的OFDM符号定时算法使用范围，提高了算法的性能。

该类算法的核心是通过对OFDM系统的循环前缀进行运算处理，得到OFDM符号的开始位置。主要采用的运算处理方法是延时相关运算，由于信号的循环前缀为OFDM符号的后面部分信号的复制，因此相关结果中每个OFDM符号会有一个峰值，该峰值所对应的位置为OFDM符号的起始位置。通过对峰值的最大值进行搜索，即可实现对OFDM符号的定时。

基于循环前缀的OFDM符号同步算法广泛用于无帧同步头及非数据辅助的OFDM系统，在实现同步和结果更新时，不仅需要考虑算法实现的结果准确，还需要考虑低资源消耗及低时延、同步结果更新稳定性的问题。

基于循环前缀的OFDM系统符号同步算法的主要运算量在计算延时相关函数部分。本方法对延时相关函数的实现过程进行分析，公开了一种基于FPGA的低复杂度实现方法，且具有较小的延时。

另外，对于OFDM系统定时同步来说，其主要目的是确定每个OFDM的起始点，即确定去除循环前缀的位置。循环前缀用于抵抗多径干扰，只需保证去除循环前缀的位置为无符号间干扰位置即可。但是需要注意的是，虽然去除了循环前缀的OFDM符号中无符号间干扰，但是不是发端原来的符号起始位置，将使经过FFT变换得到的信号发生相位旋转，需要通过插入已知的数据进行去除。一般情况下，为了减少系统资源的损失，这种已知数据会间隔多个OFDM符号插入一个符号。这些已知数据符号之间的OFDM符号的去除循环前缀位置应该相同，且在下一次更新时确保不会引入符号间干扰。因此，如何使同步算法得到的参数估计值代入系统，并使结果稳定地更新是另一个需要考虑的问题。本专利通过对参数更新过程进行分析，公开了一种稳定有效低复杂度的符号定时同步估计值更新的实现方法。

其中参考文献：

[1] 胡登鹏．OFDM系统中的非数据辅助同步及PAPR抑制技术研究[D]．湖南：国防科学技术大学，2010．

[2] Schmidl T M,Cox D C.Robust Frequency and Timing Synchronization forOFDM [J].IEEE Trans on Communications,1997,45(12):1613-1621.

[3] BeekJJ,SandellM,BorjessonP.ML Estimation of Time and Frequency Offsetin OFDM Systems[J].IEEETrans on Signal Processing,1997,45(7):1800-1805.

[4] MaShaodan, PanXinyue, YangGuanghua, etal. Blind SymbolSynchronization Based on CyclicPrefix for OFDM Systems [J].IEEE Trans onVehicular Technology, 2009, 58(4):1746-1751.

[5] LiWenxiu, YuanChaowei, ShenJie. A Reduced Symbol SynchronizationAlgorithm for OFDM Systems[C]//2010 International Conference onCommunications and Intelligence Information Security. Nanning:IEEE,2010:139-142.

[6] LiuXueyong, Pan Ke, Zuo Yong, etal. Blind Symbol Synchronization forOFDM Systems in Multipath Fading Channels [C]//2010 6^th InternationalConferenceon Wireless Communications, Networking and Mobile Computing.Chengdu: IEEE, 2010: 1-4.

[7] 汪涵,朱磊基,施玉松,邢涛,王营冠.利用循环前缀的OFDM系统定时同步算法[J],西安电子科技大学学报(自然科学版),2013,40(1):141-147。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于OFDM符号同步算法低复杂度实现及同步更新方法，包括以下方法：

基于迭代的OFDM信号延时相关函数的延时计算方法；

基于对OFDM符号起始位置估计平滑处理的同步估计结果稳定更新方法。

所述基于对OFDM符号起始位置估计平滑处理的同步估计结果稳定更新方法，包括以下步骤：

B1：设

为OFDM符号的长度，

为循环前缀长度，由于多径及噪声的影响，需要将去除循环前缀的位置在循环前缀的真正起始时刻前移一定位置，可以将其向前移循环前缀长度的一半，即

；又由FFT的性质可知，由于在一帧信号内，对于每个去除循环前缀的OFDM符号的相对起始时刻不同，在FFT后所得的频域信号上相乘的频率分量就不同；故对于OFDM符号同步的实现，需结合帧结构进行；

B2：对去除循环前缀的OFDM符号结合帧结构；

B3：计算前后两个OFDM符号之间的位置偏差；正常情况下，前后两个OFDM符号的起始位置应为OFDM符号的长度

加上循环前缀

,即

；当存在误差时，前后两个OFDM符号之间的位置偏差为

其中

为第n个符号的起始位置估计下标；其中，n为整数；

B4：对OFDM符号的位置偏差

进行平滑处理，得到位置偏差

的均值估计值作为OFDM符号去除循环前缀位置更新时所采用的偏差值；在进行去除循环前缀时，可以根据每次估计的位置偏差进行调整，要使同步结果稳定更新，即对偏差进行处理，使位置偏差保持在一个小范围内，使得去除循环前缀时OFDM符号中引入的相位旋转可以通过插入已知数据被有效去除。假设间隔多个OFDM符号插入一个已知数据符号,则已知数据符号之间的OFDM符号的去除循环前缀位置相同，即不更新位置偏差值，这之间的位置偏差值将进行累积至在下一个已知数据符号，需要确保每个去除循环前缀的OFDM符号中不会引入符号间干扰；由于受到多径和噪声等因素的影响，位置偏差值

是随机变化的，其分布情况与延时相关函数的幅度峰值分布有关。当噪声为高斯噪声时，

也是服从以真实位置为均值的高斯分布，因此可以通过对每个OFDM符号的位置偏差

进行平滑处理，得到位置偏差

的均值估计值作为OFDM符号去除循环前缀位置更新时所采用的偏差值。

所述平滑处理通过对多个位置偏差

求平均，或者通过迭代运算对

进行低通滤波实现；其迭代运算表达式为：

其中α为迭代运算时乘的序数，取值越小，更新越慢，输出更平滑，对数据的变化越不敏感，适用于真实位置变化较慢的情况；反之更新越快，适用于真实位置变化较快的情况。

作为上述方案的进一步改进：

本发明还公开了一种基于迭代的OFDM信号延时相关函数的延时计算方法，包括以下步骤：

A1：在OFDM系统中，发射端将信息比特经过星座映射为QPSK系统所需的调制样式，然后通过子载波分配将信息数据分配到有用的子载波上，再经过逆快速傅里叶变换(IFFT)和加入循环前缀后，得到OFDM基带信号；

A2：在接收端，OFDM系统首先经过模数转换器进行采样；然后经过正交下变频将信号变换到基带；再通过去循环前缀、FFT及解映射后，得到信息比特；

A3：根据所述信息比特计算完成延时相关函数计算后，通过搜索OFDM符号内的最大值的下标，即可确定OFDM符号的起始位置，完成OFDM符号起始位置估计。

进一步地；所述OFDM符号的起始位置通过以下方法获得：

设接收信号为r(n)，N为子载波个数，

为循环前缀长度，延时为M，相关长度为

的延时相关函数可表示为：

则

的模为：

因此，

在一个OFDM符号内的最大值为：

该最大值所对应的下标

即为该OFDM符号的起始位置；其中，n为整数，k为0～

的整数。

可以看出，算法实现时的主要计算量在计算延时相关函数的滑动相关部分。计算延时为M相关长度为

的延时相关函数时，按照表达式，当数据更新一个样点时，应进行

次复数乘法计算，

-1次复数加法，并需要存储前

个信号样点数据。计算延时主要为计算

次复数乘法产生的延时。

通过观测函数的计算公式发现，第n次计算是在第n-1次计算结果上进行滑动的结果，可表示为：

其中

为

延时

的结果，因此可以将前

次信号相乘的结果存储并编号，在第n次计算时，首先读出第n-1次的相关累加值，加入当前信号样点与延时

的信号样点复共轭相乘计算值，减去第

次的样点复共轭相乘计算值，即得到第n次的滑动相关结果。

该方法需要将前

次样点的计算结果进行存储，利用2次复数乘法和2次复数加法代替了

次复数乘法和

-1次复数加法，大大减小了算法实现的运算量。在计算时延上，

次复数乘法可同时计算，和1次复数乘法相同，

个样点复数相乘值的累加所需的

-1次加法，时延为

-1个时钟周期，2次加法时延为2个时钟周期，该方法将

-1个时钟周期变为2个时钟周期，大大减少了算法时延。

本发明与现有技术相比具有如下优势；

1、本发明只需要将前

次复数乘法和

-1次复数加法，大大减小了算法实现的运算量。

2、在计算时延上，

次复数乘法可同时计算，和1次复数乘法相同，

个样点复数相乘值的累加所需的

-1次加法，时延为

-1个时钟周期，2次加法时延为2个时钟周期，该方法将

-1个时钟周期变为2个时钟周期，大大减少了算法时延。

3、由于受到噪声等因素的影响，位置偏差值

是随机变化的，其分布情况与延时相关函数的幅度峰值分布有关。通过对每个OFDM符号的位置偏差

进行平滑处理，得到位置偏差

的均值估计值作为OFDM符号去除循环前缀位置更新时所采用的偏差值，通过迭代运算对

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为归一化的接收信号的延时相关函数仿真结果，其中N=512,

=128，M=512。

图2为系统进行数据传输时的数据帧结构。

图3为接收端进行OFDM符号同步的处理流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

一种基于OFDM符号同步算法低复杂度实现及同步更新方法，包括以下方法：

一种基于迭代的OFDM信号延时相关函数的延时计算方法，包括以下步骤：

A1：发射端将信息比特经过星座映射为QPSK系统所需的调制样式，然后通过子载波分配将信息数据分配到有用的子载波上，再经过IFFT和加入循环前缀后，得到OFDM基带信号；

A3：根据信息比特计算完成延时相关函数计算后，通过搜索OFDM符号内的最大值的下标，即可确定OFDM符号的起始位置，完成OFDM符号起始位置估计。

进一步地；OFDM符号的起始位置通过以下方法获得：

设接收信号为

，

为子载波个数，

为循环前缀长度，延时为

，相关长度为

的延时相关函数可表示为：

则

的模为：

因此，

在一个OFDM符号内的最大值为：

该最大值所对应的下标

即为该OFDM符号的起始位置；其中，n为整数，k为0～

的整数。

进一步地；OFDM系统的子载波数N为512，循环前缀长度

为128，则OFDM符号长度N+

为640，基带调制样式为QPSK。数据帧结构如图2所示，每一个数据帧由一个符号的帧头和15个符号的数据两部分组成，共为16个OFDM符号。帧头为一帧数据的起始符号，用来进行帧起始同步、信道估计及传输系统参数设置信息等。

进一步地；在接收端，设无采样频率偏差，首先进行预处理，经过正交下变频、低通滤波后，按每个子载波一个采样点进行抽样。OFDM符号同步采用基于循环前缀的非数据辅助同步算法，进行OFDM符号同步的处理流程如图3所示。延时相关函数的延时M为512，相关长度为128。设置延时相关计算信号存储器长度为640，每更新一个采样点计算一次延时相关函数，然后求得新得到的延时相关函数的模，与前面所得的模值进行比较，若大于存储的临时最大值，则将临时最大值更新为当前值，并记录位置下标，否则不更新。当比较完一个OFDM符号长度640时，将临时最大值记为该符号的最大值，并将临时最大值清零，所记录的位置下标即为该符号的起始位置估计值，与前一帧数据去除循环前缀的位置之差即为位置估计误差，进行平滑处理后可得到下一帧去除循环前缀的位置。

一种基于对OFDM符号起始位置估计平滑处理的同步估计结果稳定更新方法，包括以下步骤：

B1：设N为OFDM符号的长度，

为循环前缀长度，由于多径及噪声的影响，去除循环前缀的一半，即

/2；

B2：对去除循环前缀的OFDM符号结合帧结构；

B3：计算前后两个OFDM符号之间的位置偏差，位置偏差为

其中I_n为第n个符号的起始位置估计下标；其中，n为整数；

B4：对OFDM符号的位置偏差

进行平滑处理，得到位置偏差

的均值估计值作为OFDM符号去除循环前缀位置更新时所采用的偏差值，平滑处理通过对多个位置偏差

求平均，或者通过迭代运算对

进行低通滤波实现；其迭代运算表达式为：

其中α为迭代运算时乘的序数，取值越小，更新越慢，输出更平滑，对数据的变化越不敏感，适用于真实位置变化较慢的情况；反之更新越快，适用于真实位置变化较快的情况。平滑处理采用迭代的方式，取α=1/16，将前一个符号所得的估计值乘于15后，与当前的位置误差相加，再将所得的值通过右移4位进行除于16操作，得到当前符号的位置估计值。

经过在频域进行帧同步确定帧头位置后，在帧头处更新下一帧去除循环前缀的位置。由于OFDM符号起始位置前移所引入的相位旋转将在经过信道参数校正时一并去除。

以上仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。