CN1855904A - 一种基于ofdm系统的符号定时方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDM系统的符号定时方法，采用同步训练符号的相关性能来估计符号定时。具体包括：A.将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关；B.将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值，将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理；C.将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。该符号定时方法不但对大的载波频偏不敏感，而且也不依赖于信道估计的性能。

Description

一种基于OFDM系统的符号定时方法

技术领域

本发明涉及正交频分复OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，属于信息技术领域。

背景技术

正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术的概念可以追溯到上个世纪的50年代末，主要应用在军事通信中。由于该系统的结构复杂，早期的应用受到了限制。直到80年代中期，随着数字信号处理技术和大规模集成电路的发展，正交频分复用OFDM技术才走向实用化。如今，正交频分复用OFDM在非对称数字用户线路ADSL，甚高速数字用户线路VDSL，数字音频广播DAB，数字视频广播DVB以及无线局域网WLAN中得到了成功的应用，并已逐渐深入到无线信道的宽带传输中。

正交频分复用OFDM技术的原理就是把频域信道分成许多个相互正交的子信道，然后将数据流并行的调制到各个子信道的载波上。由于各个子信道的子载波相互正交，频谱相互交叠，所以大大提高了系统的频谱利用率。同时，各个信道的子载波可以设计成小于信道的相干带宽，这样就把原来的宽带频率选择性信道分割成了多个窄带的平坦衰落信道，大大减小了由于信道的频率选择性衰落带来的符号间干扰。所以正交频分复用OFDM技术具有先天的抗无线信道多径衰落的能力，特别适用于频率选择性衰落信道中的高速数据传输。同时为了克服由信道多径干扰引起的符号间干扰(ISI)以及子信道间干扰(ICI)，在OFDM符号的前面引入了循环前缀，它是将OFDM符号尾部的一部分数据复制后放到OFDM符号的最前面。循环前缀的长度要大于信道的最大延迟扩展长度，这样就使前一个符号的多径副本都落在了后一个符号的循环前缀范围内。这样，接收端接收数据后，在去掉循环前缀的同时，也就去掉了符号间的干扰。而且由于循环前缀的加入，使得原来的线性卷积信道变成了循环卷积信道，从而在接收端经过FFT之后，信道对发送信号的影响，仅相当于对每个子载波上的信号乘上信道衰落因子。所以信道均衡可以直接采用简单的单抽头均衡技术。但是循环前缀的加入，牺牲了OFDM系统的传输效率，因为它本身携带的就是OFDM符号的冗余信息。所以循环前缀的长度不能任意长，一般只要大于信道的最大时延扩展即可。

OFDM符号定时的目的就是估计OFDM符号开始和结束的精确时刻。符号定时的结果将决定FFT变换窗的起始位置。因为当符号经过信道的不同传输时延后，在接收端接收到的就是具有不同时延符号的累加信号。在理论上，对于OFDM系统最理想的符号定时就是将定时锁定在最先到达接收机的符号起始时刻。这样，接收端在去OFDM符号的保护间隔后，提取的有用OFDM符号部分是不存在符号间干扰(ISI)和子信道间干扰(ICI)，即由此定时搜集的OFDM符号能量达到最大。但是实际的情况很难做到完全精确的符号同步，同时，由于在OFDM符号之间插入了循环前缀保护间隔，使得OFDM系统对符号定时的要求相对较为宽松。这在一定程度上就缓解了符号定时的压力。因为只要OFDM符号定时同步的起始时刻在循环前缀内的一定范围内(即大于信道的最大时延扩展区域)，由于循环前缀给OFDM符号引入的周期性，提取的OFDM符号的有用数据经过FFT变换后，除了会产生线性的相位偏转外，是不会造成符号间干扰(ISI)和子信道间干扰(ICI)，而该线性相位是很容易在信道均衡中消除的。而只有当符号定时的FFT变换窗超出了OFDM符号的边界，或者落入了OFDM符号的幅度滚降区间，才会造成ISI和ICI。同时，虽然OFDM符号定时点可以在循环前缀的一定范围内可以任意选择，但是任何符号定时的变化，都会增加OFDM系统对时延扩展的敏感程度。尤其当OFDM系统的循环保护间隔的长度接近信道的最大多径时延扩展的时候，符号定时允许变化的范围就很小，此时，OFDM系统对符号定时的要求就会很高。所以为了减小这种负面影响，需要尽量减小符号定时同步的误差。特别是在瑞利衰落的信道中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。

OFDM系统的符号定时的方法可以大致分为数据辅助型和非数据辅助型。基于数据辅助型的符号定时算法一般需要在传输信号中周期的插入已知的训练符号或导频信号。现有技术中：(1)Schimdl和Cox提出在发射端采用重复结构的训练符号，接收机通过对接收的训练符号的自相关峰值检测来估计符号定时(请参阅：T.M.Schmidle and D.C.Cox，”Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM”IEEE Trans.Commun.Vol.45，No.12，DEC，1997，pp：1613-1621)。虽然这种符号定时方法对符号载波频偏很鲁棒，实现也很简单。但是由于OFDM符号存在循环前缀的重复性，符号定时的自相关曲线会出现平台效应，造成符号定时的很大误差；(2)为了能够精确的符号定时，Tufvesson提出利用PN序列的强自相关性来尖锐符号定时的检测峰值(请参阅：F.Tufvesson，O.Edfors，and M.Faulkner，”Time and frequency synchronization for ofdm using pn-sequence preamble”，Proc.VTC’99，vol.4，pp，2203-2207，1999)；但是接收符号的频率偏移会破坏接收的PN序列的相关性，导致定时检测峰值的明显下降。此外，其所提到的利用训练符号互相关峰值估计符号定时的技术都是基于最大峰值检测或峰值累加和的检测。如果瑞利衰落信道的时延扩展很大，则这种符号定时就很有可能会出现很大的偏差，因为基于最大峰值检测或峰值累加和的检测往往将OFDM的符号定时锁定在信道接收功率最强的路径上，而实际理想的符号定时是应该将定时锁定在信道的第一径上。所以此时符号定时的偏差就与实际信道的接收功率分布有关了；(3)通常为了提高OFDN符号定时在多径衰落信道下的精度，符号定时需要借助信道估计来进一步精细估计粗符号定时的误差(请参阅：B.Yang，K.B.Letaief，R.S.Cheng and Z.Cao，”Timing Recovery for OFDM Transmission”，IEEE Joural on selected areas in communication，Vol.18，No.11，Novemeber，2000)，但是这种实现就增加了符号定时的复杂度，此外在粗符号定时误差很大的情况下，信道估计的性能也是有损伤的；(4)而基于非数据辅助方法通常采用OFDM符号的循环前缀完成符号定时，Van de Beek提出了一种基于循环前缀的最大似然联合估计符号定时和频率偏移的方法(请参阅：J.J van de Beek，M.Sandell and P.O.Brjesson，”ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems，”IEEE Trans. Signal Processing，vol.45，pp1800-1805，July 1997)，虽然这种方法在高斯信道下是接近最优，但是该方法不适合在多径弥散信道应用。

发明内容

本发明的目的是在基于OFDM系统中提供一种比较精确的符号定时方法，该符号定时方法不但对大的载波频偏不敏感，而且也不依赖于信道估计的性能。

一种基于OFDM系统的符号定时方法，采用同步训练符号的相关性能来估计符号定时。

采用具有强自相关性和互相关性的序列作为同步训练符号以获得尖锐的相关峰值；例如采用PN序列和经过FFT变换的PN序列。

在接收端，接收机是通过将接收的同步训练符号和本地产生的参考序列进行互相关后估计符号定时。

包括：

A.将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关；

B.将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值，将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理；

C.将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。C步骤具体包括：

a.先找到最大峰值，分别将最大峰值的幅度V_max和对应的地址D_max记录到计数器C1，C2中；

b.继续在锁定的最大峰值依次往前搜索，判断是否存在幅度大于K·V_max，的峰值；如果存在，则立即更新计数器C2，将对应的地址D₁写入到计数器C2中；如果不存在，则再判断该检测点的幅度是否大于

如果满足要求，则将该峰值点的地址D₂写入到计数器C2中，并立即结束搜索检测，得到的D₂就是定时锁定的位置；其中K满足0＜K＜1，一般实际中常取K＝0.5，0.6；

c.重复步骤b，直到搜索的长度达到L，则停止搜索，所得到的计数器C2的值就是符号定时的估计值；其中L可以根据信道的不同而变化，实际中可以通过仿真测试来确定最佳值，一般L最大不会超过OFDM符号的循环前缀的长度。

例如，正交频分复用OFDM系统采用10M系统带宽，子载波的数目是256，子信道的带宽是44.53KHz；如果实际的载波频率偏移最大为140KHz，则频率捕获需要估计的最大频率范围是(-4，4)；同步训练符号采用IEEE 802.16d的规定的结构形式；仿真信道可采用SUI-1和SUI-4模型；(SUI-1和SUI-4模型是IEEE802.16d中推荐使用的测试信道，其中SUI-1是莱斯信道模型，SUI-4是瑞利衰落信道模型。)

具体包括：

1)将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关；其中本地参考序列为：

$p_i^{\′}\left(m\right)=p_s\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{i}m/256},m=\mathrm{0,2}..63,$

其中f_i就是频率捕获时的搜索频率，f_i∈(-4，-2，0，2，4)，i＝1，2，...5，，

p(n)＝[p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)]，即p_s(m)是同步训练符号p(n)内部的短训练符号块，一般由PN序列或经过FFT变化的PN序列构成。

2)将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值；并将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理，延迟器的长度为64；

3)将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。

附图说明

图1是同步训练符号的一般时域结构示意图；

图2是本发明一种实施例的符号定时的实现框图；

图3是一种实施例并行多路相关器组的内部结构示意图。

具体实施方式

请参阅附图1-3，本发明的符号定时方法，尤其是基于OFDM系统中在瑞利衰落信道下，依靠同步训练符号的相关性能来估计符号定时。为了获得尖锐的相关峰值，通常采用具有强自相关性的PN序列或经过FFT变换的PN序列作为同步训练符号。在接收端，接收机是通过将接收的同步训练符号和本地产生的参考序列进行互相关后估计符号定时。该符号定时方法特别适合应用在突发数据模式下的传输系统，因为这种符号定时在时域就能达到较精确的定时精度。这样符号定时不需要借助信道估计，而且精确的符号定时可以进一步提高信道估计的性能。

一方面，序列的相关性能会受载波频率偏移造成的偏转相位干扰影响：当载波频率偏移较大的时候，如载波的频率偏移为几个整数倍的子载波频率间隔的时候，直接采用接收的同步训练符号和接收端本地产生的训练符号互相关时，由于两个序列存在较大的相位偏差，所以序列的相关是非相干的，这样就会使序列相关后的峰值变得不明显，尤其是在衰落信道下，非相干下的同步序列互相关峰值是很难检测的。所以为了克服载波频偏对符号定时的影响，接收机需要事先对载波频偏进行捕获，尽量减小接收同步训练符号和本地参考序列的相位偏差。另一方面，序列的互相关峰会因多径信道的弥散而扩散成多个尖峰，尖峰的相对时延和幅度大小与信道的接收功率分布有关。尖峰的相对时延就是信道多径的相对时延，而且尖峰的幅度大小也与信道多径在此刻的接收功率成正比。当符号定时采用基于最大峰值检测时，符号的定时就是锁定在接收信道的最强径上。如果信道存在可视路径，则信道的最强径就是接收信道的第一径，此时的符号定时就是最佳的，但是如果信道不存在可视路径，即信道各径的接收功率都是瑞利衰落的，则信道接收功率的最强径可能不是第一径而在其它路径上。可见，此时基于最大峰值检测的符号定时就会存在误差，误差的大小就是最强径的相对时延大小，如果该时延大小超出循环前缀的定时保护间隔，则就会产生ISI和ICI。所以对于瑞利衰落信道且信道多径的各相对时延都很大，则基于最大峰值检测的符号定时性能就会恶化，为此需要采用门限搜索的方法来检测信道第一径对应时间上相关峰值。同时，为了降低噪声干扰的影响，对互相关峰值又采用了延迟共轭相乘的处理技术进一步提高检测的准确性能。

实际OFDM系统中，符号定时一般是发生帧捕获即同步训练符号捕获之后。本发明的符号定时方法的主要实现器件是相关器，比较器，延时器和乘法器，下面将结合具体的实现器件介绍符号定时的实现过程：

1)将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关。本地参考序列是预先经过相位偏转的同步训练符号。其中，同步训练符号由PN序列或进过FFT变换的PN序列构成。偏转的相位是有预先设定的搜索频率而产生的，这些搜索频率主要是为了估计初始的载波频偏。只要搜索频率的范围能够覆盖实际载波频率偏移的最大范围，则总能够在这些搜索频率中找到最接近实际载波频偏的那个频率点。这样由此产生的本地参考序列与接收同步训练符号的相关性是最强的。同时，同步训练符号自身又具备很强的自相关性能，所以无论载波的频率偏移多大，在接收端的多路相关器中至少能找到一路相关器是能检测到相关峰值。此时相关器内部的峰值检测是基于最大峰值检测。

2)将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值。并将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理，即s(n)＝c(n)·c^*(n-M)，其中延迟的时间M就是同步训练符号的周期时间。由于同步训练符号是周期性的，而本地参考序列是基于构成周期性同步训练符号的短训练块。所以训练符号和参考序列的互相关结果也会近似呈现周期性，但是由于噪声是随机的，所以互相关的结果只有在各峰值点上周期性较明显，且周期的长度就是M。而其它点上几乎是随机的。所以通过这种自延迟共轭相乘处理后，可以进一步降低随机噪声对峰值检测的干扰，使得互相关的峰值在检测时更加明晰，便于搜索检测。

3)将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。具体搜索步骤如下：

a)先找到最大峰值，分别将最大峰值的幅度V_max和对应的地址D_max记录到计数器C1，C2中。

b)继续在锁定的最大峰值依次往前搜索，判断是否存在幅度大于K·V_max的峰值，如果存在，则立即更新计数器C2，将对应的地址D₁写入到计数器C2中。如果不存在，则再判断该检测点的幅度是否大于 如果满足要求，则将该峰值点的地址D₂写入到计数器C2中，并立即结束搜索检测。得到的D₂就是定时锁定的位置。

c)重复步骤6)，直到搜索的长度达到L，则停止搜索。计数器C2的值就是符号定时的估计值。

下面就结合具体的实例说明本发明的一个具体应用过程。

假设正交频分复用OFDM系统采用10M系统带宽，子载波的数目是256，则子信道的带宽是44.53KHz。如果实际的载波频率偏移最大为140KHz，则频率捕获需要估计的最大频率范围是(-4，4)。同步训练符号采用IEEE 802.16d的规定的结构形式。仿真信道采用SUI-1和SUI-4模型。

具体的符号定时步骤：

1)将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关。其中本地参考序列为：

$p_i^{\′}\left(m\right)=p_s\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{i}m/256},m=\mathrm{0,2}..63,$

其中f_i就是频率捕获时的搜索频率，f_i∈(-4，-2，0，2，4)，i＝1，2，....5。

p(n)＝[p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)]，即p_s(m)是同步训练符号p(n)内部的短训练符号块。

2)将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值。并将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理，延迟器的长度为64。

将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。(具体如前所作的说明，此不赘述。)

Claims (8)

1、一种基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于采用同步训练符号的相关性能来估计符号定时。

2、根据权利要求1所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于采用具有强自相关性和互相关性的序列作为同步训练符号以获得尖锐的相关峰值。

3、根据权利要求2所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于：在接收端，接收机是通过将接收的同步训练符号和本地产生的参考序列进行互相关后估计符号定时。

4、根据权利要求3所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于：其中本地参考序列为：

$p_i^{\′}\left(m\right)=p_s\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{i}m/256},$ m＝0，2..63，

其中f_i就是频率捕获时的搜索频率，f_i∈(-4，-2，0，2，4)，i＝1，2，...5。

p(n)＝[p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)]，即p_s(m)是同步训练符号p(n)内部的短训练符号块。

5、根据权利要求1所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于采用以下步骤：

A.将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关；

B.将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值，将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理；

C.将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。

6、根据权利要求5所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于：C步骤具体包括：

a.先找到最大峰值，分别将最大峰值的幅度V_max和对应的地址D_max记录到计数器C1，C2中；

b.继续在锁定的最大峰值依次往前搜索，判断是否存在幅度大于K·V_max的峰值；如果存在，则立即更新计数器C2，将对应的地址D₁写入到计数器C2中；如果不存在，则再判断该检测点的幅度是否大于 如果满足要求，则将该峰值点的地址D₂写入到计数器C2中，并立即结束搜索检测，得到的D₂就是定时锁定的位置；

c.重复步骤b，直到搜索的长度达到L，则停止搜索，所得到的计数器C2的值就是符号定时的估计值。

7、根据权利要求6所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于：其中K满足条件：0＜K＜1；L可以根据信道的不同而变化，实际中可以通过仿真测试来确定最佳值。

8、根据权利要求1所述的基于OFDM系统的符号定时方法，其特征在于：正交频分复用OFDM系统采用10M系统带宽，子载波的数目是256，子信道的带宽是44.53KHz；如果实际的载波频率偏移最大为140KHz，则频率捕获需要估计的最大频率范围是(-4，4)；同步训练符号采用IEEE 802.16d的规定的结构形式；具体包括：

1)将接收的同步训练符号并行的输入到多个相关器中与相应的本地参考序列相关；其中本地参考序列为：

$p_i^{\′}\left(m\right)=p_s\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{i}m/256},$ m＝0，2..63，

其中f_i就是频率捕获时的搜索频率，f_i∈(-4，-2，0，2，4)，i＝1，2，....5。

p(n)＝[p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)，p_s(m)]，即p_s(m)是同步训练符号p(n)内部的短训练符号块；

2)将各路的相关器检测到的相关峰值输入到比较器中进行比较后，取得最大值；并将最大相关峰值对应的相关器的输出结果分别送到延时器和乘法器作相关结果的延迟共轭相乘处理，延迟器的长度为64；

4)将互相关的延迟共轭相乘的结果输入到比较器中进行峰值搜索检测。

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