CN101094517A - 一种改进的时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域的时间同步问题。本发明针对信号中的噪声和频偏对同步性能的影响，提出将同步序列设计成多个长度较短的小段，接收信号分别和各个小段进行相关运算，将由此产生的多条相关曲线延时相加，找到相关峰，完成同步。该方法可以很好地克服噪声和固定频偏对同步性能的影响。同时，针对本方法的结构，设计出了切实可行的简化运算量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及在无线通信领域中的时间同步问题。
背景技术
在通信***中时间同步模块用来找出有用信号的起始位置，是***可靠运行的首要步骤。无线信道的信道质量相对较差，不仅存在着严重的多径衰落现象还有较大的噪声干扰，典型的如短波通信信道，信噪比可以低到-3dB。另外由于发射机和接收机的载波频率以及信号的采样率不可能完全一致，导致变频后的信号中还存在一定程度的频率偏移。在利用本地序列同步时，频率偏移对同步性能的影响很大。
常用的时间同步方法主要有两类：
(1)利用接收信号自身的相关性进行同步。在发送信号前先发送两段重复或者相关性很强的序列作为训练序列，接收端对输入信号作前后相关，寻找相关峰。比如OFDM***，可以利用OFDM符号的循环前缀和符号本身的重复性做同步。这类同步算法由于利用了信号自身前后的相关性，抵消了固定频偏对相关性的影响。但是由于参与相关运算的两段信号本身都经过了信道，叠加了大量的噪声，所以在信道质量较差的情况下，特别是在远距离无线信道中，同步的性能比较差。而且由于部分相关的存在，这种方法求得的相关性曲线是缓慢变化的，给寻找准确的相关峰带来难度。
(2)利用接收信号和存储在本地的信号的相关性进行同步。在发送信号前先发送一段特定的训练序列，并将序列存储在本地，接收端将接收信号和本地存储的训练序列作相关运算，求出相关峰的位置。这种方法由于本地序列没有叠加噪声，所以即使在低信噪比的情况下，也能取得较大的相关峰。但此方法对固定频偏非常敏感。频偏会使接收信号和本地序列的相位差随着时间逐渐变大，从而导致同步头整体的相关性急剧下降，当相位差的变化范围达到2π时，相关性基本消失。
发明内容
本发明针对第2类方法的优缺点，提出了一种改进的时间同步算法，并针对该算法的运算量做了优化。
同步头部分将原来一段同步序列分割成N个等长的小段。接收端实现同步的原理是将接收信号分别和N段短本地序列作相关然后找到共同的相关峰从而确定同步位置。由于是和本地序列作相关运算，所以仍然可以克服较大的噪声干扰对同步性能的影响。同时每段的本地序列长度都很短，所以固定频偏在每段中引起的相位偏差的变化范围不会很大，只要变化范围小于π，每段数据和本地序列仍能保持较大的相关性。
但如果直接按照这种方法实施，接收信号要和本地序列作N次相关，运算量会相当大。考虑到与N段本地序列作相关的都为同一接收序列，于是采用简化算法。做法如下：
首先在接收端存储本地序列的频域数据和每段数据的能量值。分别将N段长度为M的本地序列取共轭再反转，然后补零作FFT后保存。其中反转是为了将相关运算等效成卷积运算，补零是为了满足用圆周卷积代替线性卷积对序列长度的要求。然后求出每段本地序列的能量值，存储在接收端，用来参与归一化运算。这些工作可以事先完成，所以不需要消耗***运行时的计算量。
接收端接收到信号后，先将信号按L点分段。按照重叠保留法的思想，将每一段的L点数据和前一段末尾的M点数据一起做L+M点FFT(保证L+M是2的幂，第1段数据在前面补M个零)。将FFT的结果分别和本地的N段频域数据相乘，最后将相乘结果再作IFFT，舍弃前面M个点，就得到了N段长为L的相关值。
然后求输入数据各点的平方，用递推的方法求出每个相关点对应输入数据的能量值，将输入数据能量和本地序列能量求几何平均，得出用来归一化的能量值。用前面求得的相关值除以能量，就得到归一化的相关值。
再求N段归一化相关值的平均值，由于N段同步序列是依次发送的，所以和每一段本地序列作相关时峰值也是依次出现的，于是将每一段相关值延时不同的点数，第1段相关值延时M*(N-1)点，第2段延时M*(N-2)点，依次类推，将延时后的相关值相加后求平均，就能得到最后的相关值。
最后设定门限，对相关值进行峰值检测，找出峰值的位置，进而求出同步头的起始位置，完成时间同步。
本发明的优点在于：1，本同步算法将本地序列设计成很多长度较短的小段，既保留了和本地序列作相关可以抗噪声的优点，又解决了因频偏引的整体相关值急剧下降的问题。2，对于输入信号和N段数据的相关运算部分，本发明将其转化为1次FFT运算和N次IFFT运算，这样就可以利用统一的FFT模块来大大提高***的同步效率。对于相关值的归一化运算，本发明先计算好输入数据各点的平方，然后利用递推的方法计算每个相关点对应滑动窗内的能量，可以避免对能量值的重复计算
附图说明
图1是本发明的基本原理图
图2是本发明的具体实施框图
图3是接收信号前后作相关的方法和本发明的仿真对比图(信噪比：-3dB)
图4是接收信号与本地作相关的方法和本发明的仿真对比图(频偏：80Hz)
图5是本发明的仿真结果图(信噪比：-3dB频偏：80Hz)
具体实施方法
本发明已在一个用于短波通信的OFDM***中得到验证，下面给出***同步部分的参数具体配置，并阐述本发明的具体实现步骤。
同步头参数：
采样率：40.96KHz
信号带宽：12KHz
每段同步序列长度：256点
同步序列段数：8段
接收序列分段点数：1792点
首先将8段256点同步序列反转取共轭然后补零成2048点再做FFT，存储在本地接收端，同时存储本地序列各段的平方和。
同步过程分成如下步骤：
步骤1：将接收序列按照1792点分成一段，每段数据再和前一段数据的末尾256点组成2048点序列(第1段数据前面补零)。
步骤2：将分段后的2048点序列作FFT后分别和8段本地序列相乘，再将相乘结果分别作IFFT，舍去前面256点，就得到8段1792点的相关曲线。
步骤3：计算输入数据每点的平方，用递推的方法求出每点相关值对应滑动窗内的能量值，再分别和本地序列的能量值相乘开方求出相关值对应的能量值。将相关曲线用求得的能量值归一化，得到归一化的相关值。
步骤4：将每一段归一化相关值存储，然后延时相加求平均。第1段同步序列对应的相关值延时256*(8-1)点，第2段同步序列对应的相关值延时256*(8-2)点，依次类推，求平均值后就得到最终的相关值曲线。
步骤5：设定门限为0.16，寻找峰值点，完成同步。
下面给出仿真结果：
图5是仿真结果图。仿真条件是信噪比0dB，两径，延时2ms，多普勒扩展1Hz，频偏80Hz。仿真结果表明，在信道条件很差的情况下，仍能得到较大的相关峰。
Claims (3)
1、一种无线通信的时间同步方法，包括如下步骤：
(1)、将同步序列分成N个小段，把每段数据共轭反转后作FFT，并把FFT的结果和每段数据的能量值预先存储在接收端，
(2)、根据重叠保留法，将接收数据分段作FFT，段与段之间有一定重叠。将FFT的结果和本地N段数据分别相乘后再作IFFT就得到接收序列和本地N段数据的相关值，
(3)、根据接收序列的能量和本地序列的能量，用递推的方法算出对应每一相关值的能量值。然后用步骤(2)中算出的相关值除以能量值得到归一化的相关值，
(4)、把得到的N段相关值分别延时再相加求平均，用峰值检测的方法找出相关峰，找出信号的起始位置。
2、根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于将本地同步序列分成N个等长的小段，计算接收序列和N个小段的相关值，找出它们共同的峰值。
3、根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于接收序列和N个小段求相关值时结合了快速卷积的重叠保留法的思想，将N次相关运算转化为1次FFT运算和N次IFFT运算。
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