一种帧同步方法
技术领域
本发明属于无线通信领域,它特别涉及一种帧同步技术。
背景技术
在无线通信***中,帧同步是一项关键技术,帧同步的目的是在收到的串行数据流中找出数据帧的边界。精确的同步能使载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)影响最小,各种后续的解调解码过程都依赖于帧同步算法完成的优劣,参见文献:A.R.S.Bahai,B.R.Saltzberg,M.Ergen,Multi-Carrier Digital Communications:Theory and Applications of OFDM 2nd edition,Springer Inc.New York,2004,ISBN:387225757所述。
现有的帧同步方法是在时域进行,它们都是利用了相同数据之间的相关性,通过检测相关峰的位置来确定帧同步点。
常规的帧同步方法有两种:
1)用于同步的数据有重复部分,利用重复数据之间的相关性,通过延迟相关可以实现帧同步。参见文献:T.M.Schmidl,D.C.Cox,“Robust frequency andtiming synchronization for OFDM,”IEEE Transactions on Communications,volume 45,No.12,December 1997,pp.1613-1621。发端在时域连续放置两段相同的训练序列,在收端按式(1)-(3)计算接收信号的相关性,通过相关峰取得帧同步的位置:
其中,d为检测的时间点,rd为接收信号,L为每段训练序列的长度。当M(d)取得峰值时的d为训练序列的起始位置。
2)发端发送训练序列,将接收信号序列与已知的训练序列进行相关运算,通过相关峰取得帧同步。参见文献:F.Tufvesson,O.Edfors,M.Faulkner,“Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles,”Proceedings of IEEE VTC,September 19-22,1999,pp.2203-2207。发端在时域发送多个重复的PN序列,收端先将接收信号与已知的训练序列进行相关运算,而后再做延迟相关,如式(4)所示:
其中,k为检测的时间点,r[k]为接收信号,c[k]为已知的PN序列,L为训练序列中完整的PN序列的个数,K为单个PN序列的长度。帧同步点由|γ[k]|的最大峰值确定。
上述的帧同步方法都是在时域完成,当信道中存在干扰,特别是单音干扰、多音干扰或窄带干扰等带内干扰时,这些方法的性能将迅速下降。
发明内容
本发明利用恒模零自相关(CAZAC)序列特性以及频于消除干扰的性能高特性,提供一种将CAZAC序列作为训练寻序列并在频域进行帧同步检测的帧同步方法,该方法包括在通信***的发端和收端产生相同CAZAC序列作为训练序列,并在接收端将接收信号首先在频域中进行干扰处理,然后在通过与接收端产生的CAZAC序列进行相关处理通过判断相关峰来获取。同步信息由于在频域中可以方便地将单音干扰、多音干扰或窄带干扰滤除,因此本方法当信道存在带内干扰时,仍能取得良好的性能。
本发明提供的帧同步方法具体包括在通信***的发射端和接收端两部分处理过程。
其中发射端包含下列步骤:
步骤1:按照式(5)构建一个长度为N的CAZAC序列,其中N为2的整数次幂:
步骤2:将序列
经N阶IFFT变换后得到长度为N的时域CAZAC序列
步骤3:重复步骤1、步骤2所构建的时域CAZAC序列L次(L取从2开始的整数值),通过本步骤重复后的序列就是在时域中的训练序列,训练序列结构如图1所示;
步骤4:将步骤3所取得的训练序列放在数据帧之前,然后一同发送出去。
接收端包含下列步骤:
步骤5:接收端在本地也按照步骤1的方法产生与发送端训练序列
完全相同的长度为N的训练序列
步骤6:按照与发端发送训练序列相同的采样时间,将接收信号r(t)依次采样得到接收信号序列
步骤7:从步骤6所得到的接收序列
中的m位开始依序取出N个数据(r[m]~r[m+N-1]),并对所述的N个数据进行N阶FFT变换得到频域信号{R[k],k∈[0,N-1]};
步骤8:对步骤7中所得到的频域信号{R[k],k∈[0,N-1]}进行带内干扰消除,得到消除干扰后的频域信号{R′[k],k∈[0,N-1]};
步骤9:将步骤8所消除干扰后的频域信号序列
循环移位后与步骤5中得到的训练序列
进行共轭相关取模运算,其中将序列
分别循环移位0,1,...,N-1次(或者将序列
分别循环移位0,1,...,N-1次),得到N个相关值{γ[a],a∈[0,N-1]},a为循环移位时的移动次数;
步骤10:将步骤9中得到的N个相关值{γ[a],a∈[0,N-1]}中的最大值与给定门限Th1进行比较,如果max{γ[a]}<Th1,则认为没有捕获到同步序列,令m=m+N,返回步骤7进行下N个数据的检测;如果max{γ[a]}≥Th1,则认为捕获到一个或部分训练序列,设此时使得γ[a]取得最大值时的a为。由于信道噪声的影响及FFT检测窗口位置的随机性,在此得到的同步位置不一定是训练序列中的第一个CAZAC序列,此时FFT窗口的可能位置有三种情况,分别如图2,图3或图4所示。
步骤11:令m=m+a,然后按照步骤7至步骤8进行处理,得到序列{R1′[k],k∈[0,N-1]},
步骤12:将步骤11得到的序列{R1′[k],k∈[0,N-1]}与进行相关取模运算得到γ1,
步骤13:将步骤12得到的γ1与给定门限Th2(Th2<Th1)进行比较,如果γ1<Th2,则m+为训练序列后数据帧的起始位置,帧同步过程结束;如果γ1≥Th2,则令m=m+N,返回步骤11,直到判决条件γ1<Th2得到满足,满足该条件时的m+为训练序列后数据帧的起始位置。
接收端的实施步骤框图如图5所示。
本发明的依据是:
1)CAZAC序列良好的自相关性能使得它适于作为帧同步的训练序列;
2)周期长度为N的CAZAC序列在做N阶FFT变换后仍为一个周期长度为N的CAZAC序列;
3)对于如式(5)所示的CAZAC序列,当时域序列由于时间偏移产生a位的移位,其对应的FFT变换后的频域序列也会产生a位的循环移位,这样就可以在频域实现对时间偏移的估计;
4)在频域可以方便地将带内干扰滤除。
本发明的有益效果:
传统的帧同步方法通常都是在时域进行,然而当信道中存在带内干扰时,无法直接从时域将其滤除,当干扰较大时,同步性能下降明显。而本发明方法利用CAZAC序列的特性,在频域完成帧同步,可以方便地滤除带内干扰,取得良好的同步性能。
附图说明
图1为训练序列结构,训练序列由依照步骤1~3产生的L段(L取从2开始的整数值)长为N的相同的CAZAC序列构成;
图2为在检测到训练序列时FFT窗口的位置在第1个序列之前;
图3为在检测到训练序列时FFT窗口的位置在任意2个序列之间;
图4为在检测到训练序列时FFT窗口的位置在最后1个序列之后;
图5为在接收端的实施步骤框图;
图6为在具体实施方式实例中,FFT窗口处于两CAZAC序列之间时,频域相关值γ的波形。由图中可看到,尖锐的相关峰使得我们很容易找到准确的同步位置。
实施例:
设信道为AWGN信道,SNR=0dB;信道中存在窄带干扰,此干扰的带宽与传输***带宽的比值为0.1,信干比为SIR=-5dB。
一、发端
按照发明内容中步骤1,根据式(5)产生一个长度为512的CAZAC序列
按照发明内容中步骤2,对序列
进行512阶的IFFT变换。将变换后得到的序列重复一次得到长度为1024的同步训练序列,将同步序列在数据帧之前发送到存在干扰的AWGN信道中。
二、收端
按照发明内容中步骤5,根据式(5)产生一个长度为512的与
相同的序列
然后在接收信号序列中顺序取出512个数据(r[m]~r[m+511]),对其进行512阶的FFT变换将其转换为频域数据{R[k],k∈[0,511]};
对频域数据序列{R[k],k∈[0,511]}进行带内干扰消除,带内干扰消除可采用方法为:首先计算序列{R[k],k∈[0,511]}的功率:
将序列{R[k],k∈[0,511]}中能量大于3*P/512的置为零,得到消除干扰后的频域序列{R′[k],k∈[0,511]};
按照发明内容中步骤9,将消除带内干扰后的频域数据序列.与训练序列所对应的频域序列进行循环移位相关运算,可采用如式(7)所示方法:
按照发明内容中步骤10,将最大相关值与门限30比较,如果最大相关值小于门限30,则从发明内容中步骤6开始重复,检测下512个数据;如果最大相关值达到或超过门限30,则进行后述步骤,设取得最大相关值时频域序列循环移位的次数为。图4所示为FFT窗口处于两CAZAC序列之间时,频域相关值γ的波形,由图中可看到,尖锐的相关峰使得我们很容易找到准确的同步位置。
按照发明内容中所述的步骤11,将接收信号序列中的r[m+]~r[m++511]取出按照发明内容中所述的步骤7至步骤8的操作,得到序列{R1′[k],k∈[0,511]},
将序列{R
1′[k],k∈[0,511]}.与
进行相关取模运算得到γ
1,此相关取模运算可表示为:
将γ1与门限20进行比较,如果γ1<20,则m+为训练序列后数据帧的起始位置,帧同步过程结束。如果γ1≥20,则令m=m+512,从发明内容中步骤11开始重复,直到判决条件γ1<20得到满足,满足该条件时的m+为训练序列后数据帧。