CN101242259A - 正交频分复用***中帧同步检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明正交频分复用***中帧同步检测方法包括：取数据信号序列中一数据信号前后共轭相关窗口内的数据信号进行共轭相关计算，累加得相关计算累加结果；计算所述前后共轭相关窗口内的数据信号平均能量；取该一数据信号的度量值为该相关计算累加结果与该平均能量比值，在检测时段，如1.5帧的长度内，根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻。该方法基于采用BPSK调制的前导共轭对称的特点进行帧同步检测，解决正交频分复用***中的同步问题。

Description

正交频分复用***中帧同步检测方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通讯领域中的数据传输技术，特别是指一种正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称“OFDM”)***中的帧同步检测方法及装置。

背景技术

在无线通信技术的发展历程中，无线频谱资源的缺乏和无线信道的多径及时变特性引起的传输信号衰落的问题始终限制着无线通信技术的进一步发展。与之对应，OFDM技术由于其频谱利用率高、以及能够很好地克服无线信道的多径特性的特点，因此成为无线通信技术研究的热点。

OFDM技术在20世纪60年代中期被首次提出，当时主要用于军用的无线高频通信***。该技术提出用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，简称“DFT”)实现多载波调制。在发送端，待传输的数据经过编码后分成多路并行数据，然后分别调制在多个正交的子载波上，最后将这多路调制信号相加发送出去；在接收端首先对接收信号进行采样，然后使用多个相同的子载波进行多路解调，再将这多路解调信号并串输出，复现发送的信号。但由于当时遇到了很多难以解决的问题，未形成大规模的应用。此后，人们对DFT算法提出优化，使得OFDM技术中的调制和解调可分别由逆快速离散傅立叶变换(InverseFast Discrete Fourier Transform，简称“IFFT”)和快速离散傅立叶变换(FastDiscrete Fourier Transform，简称“FFT”)完成。到了20世纪80年代，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，OFDM技术开始趋于实用化，得到推广。目前，OFDM主要应用于数字音频广播(Digital Audio Broadcasting，简称“DAB”)、数字视频广播(Digital Video Broadcasting，简称“DVB”)、高速率数字用户环线(High-rate Digital Subscriber Loop，HDSL)、非对称数字用户环线(Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL)、无线局域网(Wireless Local Area Network，简称“WLAN”)802.11以及无线城域网(WirelessMetropolis Area Network，简称“WMAN”)802.16等领域中，人们已将它列为第4代移动无线通信中的核心技术，用来实现超过2Mbps的移动无线多媒体和数据通信。

图1所示为OFDM通信***的各组成部分。发送端首先将数据进行编码，并进行数字调制。通常的调制方法有：双相移相键控(Binary Phase Shift Keying，简称“BPSK”)、四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，简称“QPSK”)和正交幅度调制(Quadra ture amplitude modulation，简称“QAM”)。数据流经过调制后分段进行串并转换，每段数据经过IFFT，将将经过编码的待传输数据作为频域信息，将频域信息调制为时域信息。时域信号分段进行调制，并在每段信号的前面加上循环前缀(Cyclic Prefix，简称“CP”)，之后通过发送模块发送到通信信道。接收端则进行相应的反操作。其中。加上CP的处理即为将每段时域信号的最后一小段复制到前面，使得多径时延在小于循环前缀的长度前提下避免符号间干扰(Inter Symbol Interference，简称“ISI”)，大大减少OFDM通信***对同步错误的敏感性，有效地抵抗多径时延的损害。

由于OFDM采用的是一种特殊的多载波调制方式，要求所有子载波必须满足正交，如果正交性恶化，则整个***的性能会严重下降，产生OFDM特有的子载波间串扰。而在实际工作中，由于无线衰落信道的时变性，往往会造成频率弥散，引起多普勒频移效应，从而影响载波频率正交性，因此如何实现子载波的精确同步成了OFDM技术中的一个难点。

在OFDM同步技术中，帧同步检测，即判断OFDM帧何时到来，是整个同步过程的第一个环节，剩下的定时同步(包括符号同步和采样时钟同步)和载波同步都依赖于帧同步检测完成的优劣。

一般来说，帧同步检测有两种方法：一种是利用接收信号的能量实现帧同步检测，比较典型的方法是双滑动窗口能量检测法；另一种是利用前导结构实现帧同步检测，比较典型的方法是利用前导(Preamble)的重复性结构的延迟自相关检测方法。

由于通信***，如802.16e中设有专门的前导，因此可采用利用前导结构实现帧同步检测的方法。在802.16e***中，前导占据一个OFDM符号，由于前导频域的独特结构造成了它在时域具有三段伪周期特性。因此现有技术中提出利用前导的三段伪周期特性结合延迟自相关的方法实现下行帧检测。这种方法在不考虑扇区间干扰的情况下确实有比较好的性能，但是在扇区干扰比较明显的时候，由于扇区干扰破坏了前导的三段伪周期特性，这种方法的检测性能会大大降低，在极端情况下甚至失效。

鉴于上述原因，本发明提出一种新的帧同步检测的方法及装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出利用前导共轭对称特性实现帧检测方法及装置，该方法及装置在扇区干扰存在的情况下依然可以获得良好的性能。

本发明一种OFDM***中帧同步检测方法，该方法包括取数据信号序列中一数据信号前后对称的数据信号进行共轭相关计算，累加得相关计算累加结果；计算该对称的数据信号能量；取该一数据信号的度量值为该相关计算累加结果与该能量比值，在检测时段内，根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻。

该方法进一步包括设置共轭相关窗口大小，取该数据信号序列中该一数据信号前后共轭相关窗内对称的数据信号进行共轭相关计算并累加，计算所述前后共轭相关窗内对称的数据信号能量。

该共轭相关计算并累加的公式为

$C\left(d\right)=\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}r(d-i)r(d+i)$

其中，r(n)为所述数据信号序列，W为所述共轭相关窗口大小，C(d)为所述相关计算累加结果。

计算该前后共轭相关窗内对称的数据信号能量为计算数据信号平均能量，公式为

$P\left(d\right)=0.5\left[\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}({\left|r(d-i)\right|}^2+{\left|r(d+i)\right|}^2\right]$

其中，r(n)为所述数据信号序列，W为所述共轭相关窗口大小，P(d)为前后共轭相关窗内所述数据信号平均能量。

在检测时段内根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻的公式为 $d_{\mathrm{frame}\_\mathrm{start}}=\arg \underset{d}{\max }\left[M\left(d\right)\right],$ 其中M(d)为所述一数据信号的度量值。

本发明还提供一种OFDM***中帧同步检测装置，该装置包括数据存储单元，存储用于帧同步检测的数据信号序列；运算单元，从数据存储模块读取所述数据信号序列中一数据信号前后对称的数据信号进行共轭相关计算、累加得相关计算累加结果，计算该对称的数据信号能量，取该一数据信号的度量值为该相关计算累加结果与该能量比值，在检测时段内根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻。

其中，该装置进一步包括一参数设置单元，该参数设置单元设置共轭相关窗口大小，运算单元取所述数据信号序列中所述一数据信号前后共轭相关窗内对称的数据信号进行共轭相关计算并累加，计算所述前后共轭相关窗内对称的数据信号能量。

进一步地，该数据存储单元包括第一数据存储子单元和第二数据存储子单元，第一数据存储子单元中存储所述一数据信号及其前后共轭相关窗内的数据信号，第二数据存储子单元存储以所述一数据信号对称轴的镜像对称的第一数据存储子单元中存储的数据信号。

本发明为OFDM***的帧同步检测提供一种新的方法。该方法基于采用BPSK调制的前导的固有特性，利用前导共轭对称的特点进行帧同步检测，因此在扇区间干扰严重的情况下仍能很好的工作，从而实现OFDM帧同步，解决OFDM***中的同步问题。

附图说明

通过以下对本发明一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1所示为OFDM通信***结构示意图；

图2所示为本发明帧同步检测方法的流程图；

图3所示为本发明实施例中接收缓冲器结构示意图；

图4所示为本发明帧同步检测装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

在无线通信***，如802.16e***中，协议规定前导信号采用BPSK调制，根据调制技术的原理可得，前导信号在频域是实数，因此在经过IFFT变换后，前导信号在时域具有共轭对称性。由于协议同时规定，数据信号中只有前导信号采用BPSK调制方式，而其他数据信号不采用这种调制方式，因此这种共轭对称结构是前导信号所特有。本发明即利用此特点进行帧同步检测。

如图2所示，本发明OFDM***中帧同步检测方法对OFDM数据信号进行相关运算累加，计算共轭对称窗口内数据信号能量，并根据相关运算累加结果和数据信号能量值进行数据信号的度量，根据度量结果进行峰值检测，找到帧起始位置。

本发明帧同步检测方法的具体步骤描述如下：

步骤a、接收OFDM数据信号，记为序列r(n)。取W为共轭相关窗口的大小，w ≤(FFT_size)/2。该共轭相关窗口的大小W可以根据需要随意调节。

步骤b、取OFDM数据信号序列r(n)中一信号r(d)为对称中心，

如公式(1)所示，对序列r(n)中以r(d)为对称中心、以W大小为范围的前后数据信号作共轭相关计算，并累加得共轭相关计算累加结果C(d)。

$C\left(d\right)=\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}r(d-i)r(d+i)---\left(1\right)$

步骤c、计算共轭相关窗内数据信号的能量P(d)。通常，以较佳的方式而言，如公式(2)所示，该步骤中计算的能量为两个共轭对称窗口的平均能量。

$P\left(d\right)=0.5\left[\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}({\left|r(d-i)\right|}^2+{\left|r(d+i)\right|}^2\right]---\left(2\right)$

步骤d、如公式(3)所示，根据数据信号能量P(d)和相关计算累加结果C(d)计算度量值M(d)。

M(d)＝C(d)/P(d)                            (3)

步骤e、根据度量值M(d)进行峰值检测。如公式(4)所示，在一定检测时段内，计算OFDM数据信号的度量值，度量值最大的数据信号所对应时刻即为帧起始时刻。

$d_{\mathrm{frame}\_\mathrm{start}}=\arg \underset{d}{\max }\left[M\left(d\right)\right]---\left(4\right)$

需要说明的是步骤b与步骤c，通常而言，在流程上没有先后关系，实际处理中可以先计算共轭相关窗内数据信号的能量P(d)，再计算相关计算累加结果C(d)，或者采用之前描述的顺序处理，都可以实现本发明的发明目的。

实现本发明的途径有很多，可以采用现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA)进行硬件实现，也可以采用数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)进行软件实现，或者采用FPGA和DSP结合实现。下面结合这三种情况分别对本发明做进一步描述。

实施例一：利用FPGA实现基于前导共轭对称特性的帧同步检测。

如图3所示，设置两个接收缓冲器Rx Buff1和Rx Buff2，长度均为2w+1(w为共轭相关窗口大小，满足w≤(FFT_size)/2)。

OFDM数据信号经由模数转换器(AD Converter，简称ADC)转换后串行输入接收缓冲器Rx Buff1。当Rx Buff1填充满以后，取缓冲器中数据r(d)为对称轴作镜像对称操作，将操作后的数据存储至Rx Buff2。通常，由于实际的运算仅用到缓冲区一半或者更少的数据，因此，本发明中的缓冲器Rx Buff2也可以利用Rx Buff1的剩余部分取代。本发明中为了描述方便，仍然采用两个缓冲器。

利用缓冲器Rx Buff1和Rx Buff2中的数据进行帧同步检测运算，具体过程如下：

取Rx Buff1和Rx Buff2中的前一半，即Rx Buff1中数据r(d-w)至r(d-1)与Rx Buff2中数据r(d+w)至r(d+1)进行对应相乘并求和，计算得到了公式(1)中的相关计算累加结果C(d)。

取Rx Buff1和Rx Buff2的前一半，将每个数据取模的平方求和并除以2，这样就得到公式(2)中的共轭对称窗口的平均能量P(d)。

利用公式(3)计算得到度量值M(d)。

在一定的搜索范围内(比如1.5帧的长度内)利用公式(4)，计算度量值最大的数据信号所对应的时刻，该时刻即为帧起始时刻，故此即可实现帧同步检测。

本实施例中的整个操作过程通常是以来自ADC串行数据的时钟为单位的，举例来说，在Rx Buff 1填充满的时候，每进来一个数据就需要进行一次上述的操作。这样可以做到实时的对数据进行处理，但是对硬件资源的需求比较大。

实施例二：利用DSP实现基于前导共轭对称特性的帧同步检测。

OFDM数据信号由ADC转换后放置在存储器中，每次计算的时候从存储器中取出2w+1长度的数据放置在寄存器Rx Buff1中，然后对Rx Buff1进行以中间数据为对称轴的镜像操作并将操作后的数据存放在Rx Buff2中。寄存器Rx Buff1和Rx Buff2结构与图3所示接收缓冲器结构相同。

然后利用Rx Buff1和Rx Buff2中的数据依据公式(1)-(4)进行下行帧检测运算，具体过程与实施例一相同，故不赘述。

需要注意的是，实施例二中计算方法和实施例一中利用FPGA计算的方法的区别主要在于FPGA可以进行并行运算，因此可以实现实时的运算(每个串行数据进来后就可以完成一次度量函数的运算)。而利用DSP的方法不能实现这样的并行运算，因此也就无法实现实时的搜索。对于采用DSP的方法，可以考虑将一定搜索范围内的数据(比如1.5帧的数据)全部缓存到存储器中，然后进行非实时的运算，这样就可以在该搜索范围内确定帧的起始位置。

实施例三：利用FPGA+DSP实现基于前导共轭对称特性的帧同步检测。

利用FPGA+DSP实现基于前导共轭对称特性的帧检测可以实现搜索速度和硬件资源消耗的一个折衷。采用这种方法的运算过程和上面两种方法相同，这里的关键在于对FPGA+DSP任务的划分。具体的划分可以根据需要来实施，这里仅给出一个例子。

读取一定搜索范围的数据放置在存储器中，由DSP进行窗口数据Rx Buff1和Rx Buff2的准备。然后将这些数据传递给FPGA按照公式(1)-(4)进行具体的运算，并把运算结果反馈给DSP。这样就可以在该搜索范围内确定帧的起始位置。

总而言之，就本发明OFDM帧同步检测的实现而言，一种正交频分复用***中帧同步检测装置，如图4所示，通常至少包括一数据存储单元和一运算单元。数据存储单元存储用于帧同步检测的数据信号序列。运算单元，从数据存储模块读取所述数据信号序列中一数据信号前后共轭相关窗口内的数据信号进行共轭相关计算、累加得相关计算累加结果，计算所述前后共轭相关窗口内的数据信号能量，取该一数据信号的度量值为该相关计算累加结果与该能量比值，在检测时段内根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻。

该装置还可以进一步包括一参数设置单元和数据接收单元，该参数设置单元可设置共轭相关窗口大小，数据存储单元从数据接收单元中接收数据并存储。

另外，数据存储单元包括第一数据存储子单元和第二数据存储子单元，第一数据存储子单元中存储该一数据信号及其前后共轭相关窗内的数据信号，第二数据存储子单元存储以该一数据信号对称轴的镜像对称的第一数据存储子单元中存储的数据信号。

本发明为OFDM***的帧同步检测提供一种新的方法。该方法基于采用BPSK调制的前导的固有特性，利用前导共轭对称的特点进行帧同步检测，因此在扇区间干扰严重的情况下仍能很好的工作，从而实现OFDM帧同步，解决OFDM***中的同步问题。

可以理解的是，本发明不仅适用于802.16e***的帧同步检测，还可以广泛应用于所有采用BPSK调制的前导或者说具有共轭对称性的前导的OFDM***的帧同步检测。对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1. 一种正交频分复用***中帧同步检测方法，其特征在于，该方法包括：取数据信号序列中一数据信号前后对称的数据信号进行共轭相关计算，累加得相关计算累加结果；计算所述对称的数据信号能量；取该一数据信号的度量值为该相关计算累加结果与该能量比值，在检测时段内，根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻。

2. 如权利要求1所述的正交频分复用***中帧同步检测方法，其特征在于：该方法进一步包括设置共轭相关窗口大小，取所述数据信号序列中所述一数据信号前后共轭相关窗内对称的数据信号进行共轭相关计算并累加，计算所述前后共轭相关窗内对称的数据信号能量。

3. 如权利要求2所述的正交频分复用***中帧同步检测方法，其特征在于：所述共轭相关计算并累加的公式为

$C\left(d\right)=\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}r(d-i)r(d+i)$

其中，r(n)为所述数据信号序列，W为所述共轭相关窗口大小，C(d)为所述相关计算累加结果。

4. 如权利要求2所述的正交频分复用***中帧同步检测方法，其特征在于：所述计算所述前后共轭相关窗内对称的数据信号能量为计算数据信号平均能量，公式为

$P\left(d\right)=0.5[\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|r(d-i)|}^2+{\left|r(d+i)\right|}^2]$

其中，r(n)为所述数据信号序列，W为所述共轭相关窗口大小，P(d)为前后共轭相关窗内所述数据信号平均能量。

5. 如权利要求1所述的正交频分复用***中帧同步检测方法，其特征在于：所述在检测时段内根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻的公式为 $d_{\mathrm{frame}\_\mathrm{start}}=\arg \underset{d}{\max }\left[M\left(d\right)\right],$ 其中M(d)为所述一数据信号的度量值。

6. 如权利要求1所述的正交频分复用***中帧同步检测方法，其特征在于：该方法可通过FPGA进行硬件实现，或者可以采用DSP进行软件实现，或者采用FPGA和DSP结合实现。

7. 一种正交频分复用***中帧同步检测装置，其特征在于：该装置包括数据存储单元，存储用于帧同步检测的数据信号序列；运算单元，从数据存储模块读取所述数据信号序列中一数据信号前后对称的数据信号进行共轭相关计算、累加得相关计算累加结果，计算所述对称的数据信号能量，取该一数据信号的度量值为该相关计算累加结果与该能量比值，在检测时段内根据度量值最大的数据信号确定帧起始时刻。

8. 如权利要求7所述的正交频分复用***中帧同步检测装置，其特征在于：该装置进一步包括一参数设置单元，该参数设置单元可设置共轭相关窗口大小，运算单元取所述数据信号序列中所述一数据信号前后共轭相关窗内对称的数据信号进行共轭相关计算并累加，计算所述前后共轭相关窗内对称的数据信号能量。

9. 如权利要求8所述的正交频分复用***中帧同步检测装置，其特征在于：所述数据存储单元包括第一数据存储子单元和第二数据存储子单元，第一数据存储子单元中存储所述一数据信号及其前后共轭相关窗内的数据信号，第二数据存储子单元存储以所述一数据信号对称轴的镜像对称的第一数据存储子单元中存储的数据信号。

10. 如权利要求7所述的正交频分复用***中帧同步检测装置，其特征在于：该装置进一步包括数据接收单元，所述数据存储单元从数据接收单元中接收数据并存储。

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