CN1434587A - 正交频分复用调制系统的同步方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正交频分复用调制同步方法及设备，该同步方法包括计算和存储相关峰形成函数；判断相关峰形成函数是否大于预定阈值；计算大于阈值的相关峰形成函数自身的多个差：如果所有差值都大于预定阈值，得到同步点；确定同步点位置是否正确。本发明的正交频分复用调制同步设备包括延迟复数数据并输出延迟的数据信号的多个延迟单元；进行复数共轭算法的多个共轭运算单元；输出相关峰形成函数值的多个相关峰形成模块；比较该相关峰形成函数值与预定阈值的阈值判决器和同步点判决单元。根据本发明的同步方法及设备，能够在已知符号长度和保护间隔范围，但未知其确切值的情况下，正常进行同步工作，对环境变化的适应性提高了，同步过程也简便了。

Description

正交频分复用调制系统的同步方法和设备

技术领域：

本发明涉及宽带通信系统中的正交频分复用(OFDM)调制的通信技术，特别是涉及正交频分复用调制系统的同步方法。

背景技术：

OFDM是一种多载波调制技术，目前已广泛地应用于宽带数字通信系统中，典型地如非对称数字用户线(ADSL)、数字音频广播(DAB-T)、数字视频广播(DVB-T)、无线局域网(WLAN)等。OFDM越来越流行得益于它的几个主要特点或优势：

1.与相同速率的单载波系统相比，OFDM有很长的符号周期，这就使它对脉冲噪声、多径传播和信道快衰落等恶劣条件具有很强的抵抗能力；

2.OFDM支持动态比特率分配，这使不同的子载波可以应用不同的调制方式。受信道干扰较大的频率上的那些子载波可以选择较低阶的调制模式如四相移键控(QPSK)，而那些传播质量较好的子载波可以选择正交幅度调制(QAM)中的16-QAM、64-QAM等高阶调制模式，以提高信道的利用率。或者在恶劣的信道条件下，所有子载波都采用抗干扰能力强的QPSK，信道状况良好的情况下，所有子载波都采用效率更高的16-QAM、64-QAM等调制方式；

3.对于很难处理的频率选择性衰落，一般的单载波系统需要非常复杂的自适应滤波器做信道均衡。而OFDM系统中，接收端只需要很简单的一级复数乘法运算，分别对每一个OFDM子带进行信道补偿即可；

4.高效的快速傅立叶变换(FFT)算法的硬件实现，为大数量子载波OFDM系统提供了实现的可能性。

在传统的串行传输系统中，数据符号一个接一个地顺序发送，每个符号的频谱都占据整个有效带宽。并行数据传输系统提供了减轻串行系统中许多问题的可能性。并行系统把几个串行数据流同时传输，在任一时刻都有多个数据元素被发送。这样的系统中，单个数据元素通常只占用整个有效带宽的一小部分。

并行传输方式的好处是把频率选择性衰落分散到许多数据符号上去，这可以使因信道衰落或脉冲干扰引起的突发错误随机化。也就是说，把突发错误造成的邻近几个符号完全破坏变成了周围很多符号的轻微失真。

OFDM系统不用滤波器分离子频带，所以各子载波在频谱上是互相交叠的，分离子频带是利用子载波之间的正交性。只要选择子载波在频率上的间隔等于有效数据符号周期的倒数，即可保证各子载波的正交性。

只有保持住OFDM信号各子频带的正交性，接收端才能以FFT运算完全分离出发送端的各独立子通道携带的信息符号，这要求不存在符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。但信号通过信道后，多径传播带来的失真会破坏ISI和ICI，前面的两个条件都不能满足。解决问题的方法之一就是在每个有效数据之前添加保护间隔或称循环前缀。

保护间隔/循环前缀是指在每两个OFDM符号之间加上一段时间间隔，不发送有效数据。因为每个OFDM符号都与一个保护间隔对应，可以认为保护间隔是插入在每个OFDM符号之前的。这段间隔的内容就是把有效的OFDM符号的结尾一部分拷贝到符号最前面，填充保护间隔，所以叫做循环前缀。这样，一个OFDM符号的总持续时间T_total等于有效数据时间T_symbol加上保护间隔时间T_guard：

                            T_total＝T_symbol+T_guard如果保护间隔大于信道记忆时间和多径传播延迟时间，那么OFDM符号通过信道后对下一符号的干扰只会影响到保护间隔那一段，不会“污染”有效数据信息。但是，保护间隔的引入降低了有效数据传输效率，所以间隔过大也是不适当的。一般来说，保护间隔不大于有效数据时间的1/4。

用循环前缀填充保护间隔还有另一个重要作用，即OFDM符号同步。因为FFT运算的对象是OFDM符号，而一个OFDM符号可能包括数千个串行传输数据符号。为了正确执行FFT，必须找到OFDM符号的起始位置，它也是一个普通数据符号。由于使用了循环前缀，接收端知道每个OFDM符号持续时间内有两段内容相同，因此可以采用相关方法找到OFDM符号起始点。

具体的实现方法是把收到的数据延迟一个OFDM有效周期后再与其本身做相关运算。发送的有效数据经过扰码随机化后，相关性很小，而循环前缀与OFDM符号结尾部分有极大的相关性。所以相关运算的结果在循环前缀结尾和有效符号的开头处出现明显的峰值，以此可以确定FFT运算的起始点。

定义函数 $\mathrm{\Λ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\underset{k=\mathrm{\θ}-L+1}{\overset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k-N)\right|----\left(1\right)$ 它是相距为N的两段长为L的数据的相关的模值。相关算法确定同步点的公式如下： $\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{m}\mathrm{ax\Λ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{m}\mathrm{ax}\left|\underset{k=\mathrm{\θ}-L+1}{\overset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k-N)\right|----\left(2\right)$

式中

是同步点，argmax是求最大值运算，求和运算外是取模，θ是相关运算终止点，N是以采样点计的OFDM符号长度即FFT运算的长度，L是以采样点计的保护间隔长度，r(k)是输入复数采样数据流，r(k-N)是r(k)延迟N个采样值，*是求复数共轭运算。公式的意思是：使得函数Λ(θ)(即相关运算和式的模)最大的θ的值为同步点，记作

考虑到OFDM符号的构成，只有符号结尾部分和保护间隔(循环前缀)有强相关性，其他部分经扰码处理具有白噪声特性，所以只有N取值正确时才能获得峰均值比很大的相关峰(见图2)，否则是图2底部的白噪声信息。通过阈值判断的方法，就能判断出上面的算法是否有相关峰出现。

事实上，除了简单的相关运算以外，还有很多其他效果更好的同步算法：如ML算法、MNC算法等。这些算法都会得到类似于图2所示的相关峰，而且最终的判决方法都是求使相关峰最大的那个θ点。

经过以上分析，可以看出，无论哪种同步算法，FFT运算长度N和保护间隔长度L都是必须的。但是，对一个真正实用的通信系统来说，N和L在接收端很可能是未知的。因为发送端要根据信道状况来选择合适的N和L，以便获得最好的通信效果。

目前现有的技术都只能在N和L值已知的情况下工作，这要求在通信开始之前双方先约定一系列的N和L。这种约定的主要缺点是：

1.发送方不能根据信道情况即时改变N和L的值，对环境变化的适应性降低；

2.多种模式并存的情况下，接收方如果需要切换到另一套N和L，必须进行人工干预或预存储，在很大程度上失去了自动性和简易性。

发明内容：

本发明所要解决的问题就是克服现有技术中存在的问题，提供一种正交频分复用调制同步设备和OFDM符号同步方法，在正交频分复用调制系统接收端未知N、L确切值的情况下完成符号同步并求得N、L的值。

如果在一个OFDM系统中N的可能值有m个：N₁，N₂，...，N_m，L的可能值有p个，从小到大排列为L₁，L₂，...，L_p。

根据本发明的正交频分复用调制系统的同步方法包括如下步骤：

1.计算m个相关峰形成函数；

2.存储m组连续k个相关峰形成函数的值d_j，i，i＝0，1，...，k-1；j＝1，2，...，m；

3.分别判断相关峰形成函数d_j，0是否大于某个预先确定的阈值t₀，如果d_j，0＞t₀，则N＝N_j；否则回到步骤2；

4.计算k-1个相关峰形成函数差s_j，i；

5.如果所有的相关峰形成函数差s_j，i都大于某个预先定义的阈值t₁，则认为同步点在d_j，0。否则回到步骤2；

6.数出连续两个同步点的间隔y，分别计算|y-(N+L_v)|，v＝1，2，...，p；

7.如果任何一个|y-(N+L_v)|小于某个预先定义的阈值t₂，则认为同步点位置正确，而且还得到了L＝L_v。否则回到步骤2，重新同步程序。

本发明提供一种正交频分复用调制同步设备，包括：多个延迟单元，分别延迟复数数据N₁-N_m个节拍，输出延迟的数据信号；多个共轭运算单元，用于对该延迟信号进行复数共轭算法；多个相关峰形成模块，输出相关峰形成函数的值；一个阈值判决器，用于比较该相关峰形成函数的值与预定的阈值并导出N值；一个同步点判决单元，用于判决同步点并导出L值。

本发明还提供一种正交频分复用调制同步设备，应用于欧洲数字地面视频广播系统DVB-T的同步，包括第一延迟单元，输入的复数数据序列经第一延迟单元延迟2048个采样点，输出延迟的复数数据序列；第二延迟单元，将延迟的复数数据序列再延迟6144个采样点，相当于该数据延迟了8192个采样点；第一运算单元，用于对延迟后的数据分别取共轭，将该共轭运算的输出再与该输入的复数数据相乘，然后进行移动求和运算，其求和长度是L’＜64(可以取L’＝60)，并进行和式取模；第一同步点判决单元，用于对第一运算单元的结果进行同步点判决(其判决方法将在下面详细叙述)；第二运算单元，用于对经第一延迟单元延迟的复数数据序列进行取共轭，与该输入的复数数据相乘，然后进行移动求和运算，并进行和式取模；第二同步点判决单元，用于对第二运算单元的结果进行同步点判决。

根据的本发明的正交频分复用调制系统的同步方法及设备，能够在已知N、L的范围，但未知N、L的确切值的情况下，正常进行同步工作，并计算出N、L值，无需在通信开始之前双方先约定一系列的N和L值，预设或即时手动修改N、L值，就可在切换频道时自动同步。因此对环境变化的适应性提高了，同步过程也简便了。

附图说明：

图1是OFDM符号长度L和保护间隔N的示意图。

图2是相关运算长度等于符号长度L时出现的尖锐峰值情况(已归一化)的示意图。

图3是相关运算长度小于符号长度L时出现的平缓峰值情况(已归一化)的示意图。

图4是实现本发明同步方法的流程图。

图5是本发明的同步方法的同步设备的方框图。

图6是在DVB-T系统中实现本发明同步方法的同步设备的一个实施例的方框图。

实施例：

参见图1，图1是OFDM符号长度N和保护间隔L的示意图。图中阴影的部分内容相同，即标注为保护间隔L的那一块阴影部分是OFDM符号结尾长为保护间隔L的部分的复制。

图2是相关运算长度等于符号长度N时出现的尖锐峰值情况(已归一化)的示意图。图中横座标X是采样点，纵座标Y是相关峰形成函数的输出。

图3是相关运算长度小于符号长度L时出现的平缓峰值情况(已归一化)的示意图。图中横座标X是采样点，纵座标Y是相关峰形成函数的输出。

图4是实现本发明同步方法的流程图。图中的S2到S8分别对应于本发明的正交频分复用调制系统的同步方法的步骤1到步骤7。

公式(1)是形成相关峰的算法之一，只有N和L都正确才会有相关峰出现。将其修改为如下公式： ${\mathrm{\Λ}}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\underset{k=\mathrm{\θ}-L^{\′}+1}{\overset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k-N)\right|---\left(3\right)$ 式中L’＜L，即用保护间隔截短的一部分与OFDM符号结尾的一部分进行相关运算。显然，只要θ处于保护间隔内L-L’的任一点时，都能使Λ’(θ)获得相关峰值。与公式(1)中的算法产生一个尖锐的相关峰相比，公式(3)的算法获得了连续L-L’个相关峰，呈现峰值顶部平缓的特点，如图3所示。也就是说，存在多个θ使Λ’(θ)取最大值。但只有最后一个θ，即相关峰下降前的那个点是同步点。

所以，在未知L时可以选取一个小于L的值L’来作为相关运算的长度，如果N正确的话，同样会出现相关峰，但这种情况下的相关峰顶部平坦，如图3。在OFDM系统中，N的取值个数较少，可以在公式(3)中把所有可能的N值带入，出现相关峰时对应的N值就是要求的N值。

求得了同步点和N之后，利用两个同步点之间得距离是N+L，数出两个同步点之间的距离再减去N就得到了L。

图5是本发明的正交频分复用调制同步方法的同步设备的方框图。本发明的一种正交频分复用调制同步设备包括：多个延迟单元，分别延迟复数数据N₁-N_k个节拍，输出延迟的数据信号；多个共轭运算单元，用于对该延迟信号进行复数共轭算法；多个相关峰形成模块，输出相关峰形成函数的值；一个阈值判决器，用于比较该相关峰形成函数的值与预定的阈值并导出保护间隔N值；一个同步点判决单元，用于判决同步点并导出L值。

图6是根据本发明在DVB-T系统中实现同步方法的同步设备的一个具体实施例。

以欧洲标准数字地面开路视频广播DVB-T为例，分为2K和8K两种模式，对应于FFT运算的帧长N的取值是2048，8192。保护间隔L有4种模式，L/N的取值范围是1/4，1/8，1/16和1/32，L的取值共有6种可能，即64，128，256，512，1024，2048，N和L的组合共有8种可能，见下表1。

请参考图6。本发明的同步设备包括第一延迟单元，用于延迟输入的复数数据序列2048个采样点，并输出延迟的复数数据序列；第二延迟单元，将延迟的复数数据序列再延迟6144个采样点，相当于该输入的复数数据延迟了8192个采样点；第一运算单元，它包括共轭单元1，复数乘法器，移动求和单元1，求模单元1，用于对第一延迟单元延迟后的数据取共轭，将该共轭运算的输出再与该输入的复数数据相乘，然后进行移动求和运算，其求和长度是L’＜64，例如可以取L’＝60，并进行和式取模；第一同步点判决单元，用于对第一运算单元的结果进行同步点判决；第二运算单元，它包括共轭单元2，复数乘法器，移动求和单元2，求模单元2，用于对经第二延迟单元延迟的复数数据序列进行取共轭，与该输入的复数数据相乘，然后进行移动求和运算，并进行和式取模；第二同步点判决单元，用于对第二运算单元的结果进行同步点判决。第一运算单元和第二运算单元具有相同的结构，第一和第二同步点判决单元具有相同的结构。由第一和第二同步点判决单元完成判决后即可分别得到同步点 FFT运算长度N和保护间隔长度L。输入的复数数据序列经过第一同步点判决单元的运算获得同步点时，得到N＝2048；而如果输入的复数数据序列经第二同步点判决单元的运算得到同步点时，则N＝8192。无论在哪个同步点判决单元获得同步结果，另一部个同步点判决单元立即停止工作，只有在系统复位或失步的情况下，两个同步点判决单元才同时工作。

N	L/N	L
			2048	1/4	512
1/8	256
		1/16		128
1/32	64
		8192		1/4	2048
1/8	1024
			1/16	512
1/32	256

                              表1

在OFDM通信系统中符号长度N和保护间隔L都是有其取值范围的。接收端即使没有预先得到N和L的信息，但只要标准确定，符号长度N和保护间隔L的所有可能取值是已知的。根据表1，DVB-T系统中L的最小值是64，那么L’取60即可正确工作在任何一个L可能取值的情况，并计算出正确的L值。

根据本发明在DVB-T系统进行同步的同步方法包括如下步骤：

1.利用公式(3)计算2个相关峰形成函数，即L’取为60，分别取N为2048和8192，计算Λ’(θ)。

2.存储2套连续k个Λ’(θ)的值，记为d_2，0，d_2，1，...，d_2，k-1，以及d_8，0，d_8，1...，d_8，k-1。d_2，i是N取2048时得到的，d_8，i是N取8192时得到的。(i＝0，1，...，k-1)

3.判断d_2，0和d_8，0是否大于某个预先确定的阈值t₀＝0.5，如果d_2，0＞t₀，则N＝2048；如果d_8，0＞t₀，则N＝8192，否则回到步骤1；

4.无论N取2048或8192，以下方法都是一样的。不失一般性，设在步骤3得到N＝2048，计算k-1个差：s_2，i＝d_2，0-d_2，i，i＝1，2，...，k-1；

5.如果所有的s_2，j都大于某个预先定义的阈值t₁＝0.01，则认为同步点在d_2，0。否则回到步骤1；

6.数出连续两个同步点的间隔y，分别计算|y-(N+L_v)|，L_v从表1的L列中取值，N值确定后，有4种可能；

7.如果任何一个|y-(N+L_v)|小于某个预先定义的阈值t₂＝10，则认为同步点位置正确，而且还得到了L的值L＝L_v。否则需要回到步骤1，重新同步程序。

以上步骤就是利用了同步点后的相关数据都小于同步点处数据的性质，可以观察图3以便更清楚地了解上述判定同步点方法。首先取N的所有可能值即2048和8192，分别计算Λ’(θ)，获得2组数据，接着判断每组第一个数据是否大于阈值t₀，比如t₀取0.5，这就将图3底部的噪声部分排除掉了，而且得到了大于阈值的数据所在的组对应的N值。接着观察在某个采样点后是否连续k-1个采样点都比它小，这是同步点的特征。之所以提出了另一个阈值t₁，是为了避免在图中平坦的峰值顶部出现满足条件的情况，比如取0.01，只要峰值顶部的波动不大于此值，就不会造成误判。最后的一步是判断L值，显然，如果同步点的判决正确，同步点之间的距离应是N+L，即FFT运算长度加上保护间隔长度，如果差距过大，则是误判，如果差距小于t₂＝10，可以认为判决正确，残余误差能够在同步以后的处理中解决。

用以上提出的平缓峰值同步判决方法，同步后各同步点的误差不大于t₂个采样点，能够获得非常好的效果。因为OFDM系统中同步误差落在保护间隔内时不会引入ISI，而落在OFDM符号内时会造成ISI，所以判决到同步点后，将其提前t₂个点，作为后面FFT运算的帧起点，就能保证没有ISI影响。这提前的t₂个点不会造成子载波间的相互干扰，只会使相位旋转，这将在完成FFT运算，获得导频信息后解决。

根据表1，DVB-T系统中L的最小值是64，那么L取60即可正确工作在任何一个L可能取值的情况，并计算出正确的L值。

请参考图6，是一种应用于DVB-T系统中的同步设备。输入的复数数据序列延迟2048个采样点进入图中下半部分即第一运算单元，再延迟6144个采样点进入图中上半部分第二运算单元，相当于第二运算单元的数据延迟了8192个采样点。延迟后的数据分别在第一运算单元和第二运算单元中取共轭，再与当前输入数据相乘。然后进行移动求和运算，其求和长度是L’＜64，例如可以取L’＝60。和式取模后进行同步点判决，方法是上述的步骤2-7。完成判决后即可得到同步点 FFT运算长度N和保护间隔长度L。图6中如果经上半部分的运算获得同步点，则N＝8192；如果经下半部分的运算得到同步点，则N＝2048。无论在哪个部分获得同步结果，另一部分立即停止工作，只有在系统复位或失步的情况下两部分才同时工作。

相关峰形成函数可以是公式(3)中Λ’(θ)，它对相关和式求模运算，但无论求模、模的平方、实部、实部绝对值、实部虚部绝对值之和等算法，以及其他相关峰形成算法，本发明列出的同步算法都适用。具体说，都是通过阈值判决确定N值，从相关峰形成函数的平缓峰值判断峰值下降点，从而得到同步点和L值。

Claims (8)

1.一种正交频分复用调制系统的同步方法，包括如下步骤：

(1)计算m个相关峰形成函数；

(2)存储m组连续k个相关峰形成函数的值d_j，i，i＝0，1，...，k-1；j＝1，2，...，m；

(3)分别判断相关峰形成函数d_j，0是否大于第一预先确定的阈值t₀，如果d_j，0＞t₀，则N＝N_j；否则回到步骤(2)；

(4)计算k-1个相关峰形成函数差s_j，i；

(5)如果所有的相关峰形成函数差s_j，i都大于第二预先定义的阈值t₁，则认为同步点在d_j，0。否则回到步骤(2)；

(6)数出连续两个同步点的间隔y，分别计算|y-(N+L_v)|，v＝1，2，...，p；

(7)如果任何一个|y-(N+L_v)|小于第三预先定义的阈值t₂，则认为同步点位置正确，而且还得到了L＝L_v，否则回到步骤(2)，重新同步程序。

2.根据权利要求1的正交频分复用调制系统的同步方法，其特征在于：

所述计算m个相关峰形成函数的步骤是利用下式计算的： ${\mathrm{\Λ}}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\underset{k=\mathrm{\θ}-L^{\′}+1}{\overset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r^{*}(k-N)\right|$

式中θ是相关运算终止点，N是以采样点计的OFDM符号长度即FFT运算的长度，L’是比以采样点计的保护间隔长度L小的一个数值，r(k)是输入复数采样数据流，r(k-N)是r(k)延迟N个采样值，*是求复数共轭运算，| |是复数求模运算。

3.根据权利要求2的正交频分复用调制系统DVB-T系统的同步方法，其特征在于：

在所述计算m个相关峰形成函数步骤，FFT运算长度N为2048或8192，当N＝2048时，保护间隔长度L取512，256，128或64；当N＝8192时，L取2048，1024，512或256。

4.根据权利要求1的正交频分复用调制系统的同步方法，其特征在于：

所述计算m个相关峰形成函数步骤是利用求模、模的平方、实部、实部绝对值或实部与虚部绝对值之和的任一种方法计算的。

5.一种正交频分复用调制同步设备，其特征在于包括：

多个延迟单元，分别延迟复数数据N₁-N_m个节拍，输出延迟的数据信号；

多个共轭运算单元，用于对该延迟信号进行复数共轭算法；

多个相关峰形成模块，输出相关峰形成函数的值；

一个阈值判决器，用于比较该相关峰形成函数的值与预定的阈值并导出符号长度值；

一个同步点判决单元，用于判决同步点并导出保护间隔长度值。

6.一种正交频分复用调制同步设备，其特征在于包括：

第一延迟单元，用于延迟输入的复数数据序列，输出延迟的复数数据序列；

第二延迟单元，将经第一延迟单元延迟的复数数据序列再延迟；

第一运算单元，用于对延迟后的数据分别取共轭，将该共轭运算的输出再与该输入的复数数据相乘，然后进行移动求和运算，并进行和式取模；

第一同步点判决单元，用于对第一运算单元的结果进行同步点判决；

第二运算单元，用于对经第一延迟单元延迟的复数数据序列进行取共轭，与该输入的复数数据相乘，然后进行移动求和运算，并进行和式取模；

第二同步点判决单元，用于对第二运算单元的结果进行同步点判决。

7.根据权利要求6的正交频分复用调制同步设备，其特征在于：

所述第一运算单元和所述第二运算单元分别包括一个共轭单元，一个复数乘法器，一个移动求和单元和一个求模单元。

8.根据权利要求6或7的正交频分复用调制同步设备，其特征在于：

所述第一延迟单元用于延迟输入的复数数据序列2048个采样点；

所述第二延迟单元用于延迟从第一延迟单元输出的复数数据序列6144个采样点，输出共延迟8192个采样点的复数数据。

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