CN102113284B

CN102113284B - Ofdm帧同步方法及***

Info

Publication number: CN102113284B
Application number: CN200880130539.1A
Authority: CN
Inventors: 安东尼奥·莫利富列达·三·朱利安; 乔斯·阿百德·莫利纳
Original assignee: Gigle Semiconductor SL
Current assignee: Broadcom Networks Spain SL
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: US8750446B2; ATE545260T1; US20110249780A1; HK1158403A1; EP2329630A1; CN102113284A; WO2010012313A1; EP2329630B1

Abstract

本发明涉及OFDM帧同步方法，其中前导码的符号加载有代码。对所述代码的检测使得能够在低SNR情况下进行帧同步。

Description

OFDM帧同步方法及***

技术领域

本发明涉及一种用于OFDM同步的方法、***和计算机程序，更具体地说，涉及OFDM帧同步。

背景技术

正交频分复用(OFDM)将高数据速率输入的数据流细分为一定数量的数据速率降低的并行子流，其中对每个子流进行调制并在分开的正交子载波上同时进行发射。参考图1，OFDM发射器10包括符号映射器16，所述符号映射器16组合输入串行数据14以形成符号。通过离散傅立叶逆变换(DFT)18用基带子载波调制所述符号，然后对其序列化以形成临时OFDM符号。由从临时OFDM符号的尾端选择的几个采样构成循环前缀。该循环前缀连接到对应的临时OFDM符号的始端。所述循环前缀和临时OFDM符号共同形成OFDM符号，其中循环前缀形成该OFDM符号的始端，临时OFDM符号形成剩余部分。随后，OFDM符号传输至数模转换器(DAC)20，在其中转换成模拟形式。

发射第一OFDM符号之前，发射器10发射被称为前导码的特殊信号，以用于同步目的。因此，OFDM帧包括前导码信号及紧接其后的多个OFDM符号。收到OFDM帧后，OFDM接收器24以逆序执行OFDM发射器10的逆操作。然而，在能采用任意接收器算法之前，接收器24的***时钟必须与发射器10的同步。符号定时指的是用于确定各个OFDM符号开始和结束的精确时刻的处理操作。该时刻用于定位接收器的DFT窗口(即，用于计算每个接收OFDM符号的DFT的采样组)，从而解调该接收OFDM符号的子载波。而上层OFDM协议(例如，OFDM介质访问控制(MAC)策略)对OFDM符号的开始提供一些粗略指引，不提供其确切指示。另外，只有接收的OFDM符号已经预先同步和解码，才能操作接收器中的MAC协议；因为MAC层的同步机制更侧重于跟踪参考时钟信号的波动。

传统同步方法依赖于对前导码的检测。参考图2，前导码包括只用在前导码信号中的短OFDM符号(或前导码符号)30。具体而言，前导码只包括从短快速傅立叶逆变换(IFFT)的输出获得的一组采样；而不包括循环前缀。前导码符号通常比用在其余OFDM帧中的OFDM符号短。短前导码符号的使用使发射前导码的开销(对整体发射效率)最小化；而且能够简化前导码的实施。符号同步的问题能被分为两个步骤，即：

-定时同步，包含确定发射的前导码符号与接收器DFT窗口之间的时移(shift)；和

-帧同步，包含确定接收的OFDM信号的有效载荷(或前导码中最后一个符号)的开始点。

可通过时域中的信号相关(T.M.Schmidl and D.C.Cox，IEEE Trans.OnCommun.，1997(45)，1613-1621)或频域中的相位相关(即，接收器的DFT操作之后)获得定时同步。相位相关包含确定训练DFT和来自互相关峰的前导码符号之间的相移。相移可通过角旋转表示，其中角度的大小提供相移范围的指示。当存在较强窄带—带间干扰时相位相关提供更好的性能。具体而言，因为前导码符号在定时同步过程中保持相同，即使对于具有较低取值(负的)信噪比(SNR)的信号，取平均数个符号允许DFT窗口被对齐。一旦获得定时同步，则假定接收器的DFT窗口与各个前导码符号对齐。

帧同步连续相关连续的前导码符号以检测最后的前导码符号，其中通常取反(sign inverted)至少一个最后的前导码符号。相关的形成可在时域中(即，DFT之前)或频域中(即，DFT之后)执行。相关处理是基于观察，即如果两个连续的前导码符号一摸一样，则获得最大相关值。然而，如果符号是异号的，则获得最小相关值。因此，使用中，检查相关的输出以找出其中的突变。然而，当信号被噪声高度损坏而导致信噪比(SNR)为负值时，不能在这种方式下处理前导码符号，因为被取反符号的位置已丢失(K.Shi，E.Serpedin，IEEETrans.On Commun.，2004，3(4)，1271-1284)。

通过IEEE802.11a/Hyper-LAN-II标准(IEEE802.11a“第11部分：无线局域网(LAN)介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范：5GHz频带中的高速物理层”，1999年7月，以及ETSI DTS/BRAN 030003-1，“宽带无线接入网络(BRAN)；HYPERLAN类型2功能规范。第1部分-物理(PHY)层”，1999年6月)，重复结构已经包含在前导码中。更具体地说，这些标准采用后接两个长符号(L)的一系列短符号(S)形成诸如[S S S S S S S S L L]的前导码。无线局域网(WLAN)(IEEE802.11a)定义短符号为短FFT的输出(即具有比数据符号所使用的FFT更少数量的点)，但是不包括循环前缀。类似地，定义长符号为与数据符号上所用的相同的FFT的输出，但是不包括循环前缀。依据该标准长符号和短符号都是固定的。

长符号和短符号用于精细时间/频率同步和信道估计。更具体地说，短符号用于定时对齐，长符号用于帧同步。然而，HiperLAN的设计是在正SNR的信号状态下工作；而且很难将这个方法用于与低SNR值的信号同步，因为同步的可靠性被高度恶化(即，存在很高的几率不能正确同步)。类似地，HomePlug-AV***(家庭插电电力线联盟，“HomePlugAV基线规范”1.1版，2007年5月)采用[S S S S S S S S-S S]形式的前导码。

这种情况中，通过在前导码中寻找负的符号获得帧同步。然而，已经设计这些方法是在正SNR的信号状态下工作；而且很难用于与低SNR值的信号同步。

发明内容

依据本发明提供了OFDM帧同步的方法，包括如下步骤：

(a)接收发射的包含前导码的OFDM帧，所述前导码包括预定数量的前导码符号，所述前导码符号用以形成已知前导码码字；

(b)将所述接收帧中的连续符号对互相关(cross-correlating)，以生成互相关输出(cross-correlation output)；

(c)从多个预定的码字中选择与从所述互相关输出中选择的数量互相关值最接近地匹配的码字；

(d)将所选码字与所述前导码码字相比较；

(e)在所选码字与所述前导码码字相匹配的情况下，决定已经获得同步；和

(f)在所选码字与所述前导码码字不匹配的情况下，执行以下步骤：

-获取额外符号；

-将所述额外符号与前一接收符号(immediately preceding receivedsymbol)互相关，以生成进一步互相关值；

-将所述进一步互相关值连接于所述互相关输出；

-从所述互相关输出中删除相反的(opposing)互相关值；和

-重复步骤(c)到(f)直到达到预定的停止标准。

本发明的有益效果：

当前在信道编码中使用纠错码来减少数据通信中的误码率。与之不同地，本发明对同步使用纠错码。具体而言，本发明使用纠错码来补偿接收的同步模式(pattern)中的错误。

本发明的一个具体的优势方面是在用于同步的前导码中使用短符号。具体而言，有可能在前导码中使用较长的符号(会使较低SNR的信号更具鲁棒性(robust))，尽管如此，这个方法具有一些不足之处。具体而言，较长的前导码信号的生成在通信***的整体发射效率上增加了同步处理的开销。另外，定时同步变得相当地更加复杂。类似地，使用取平均能获得更加简单的定时同步和使较低SNR信号具有鲁棒性(robustness)，尽管如此，取平均不能用于帧同步(因为当取平均提高了SNR时，会丢失执行帧同步所需的定时参考)。

相比而言，本发明能够在使用较短的符号的情况下，使较低SNR值下的帧同步具有鲁棒性。另外，本发明在不使用符号取平均的情况下可能提高帧同步的可靠性。具体而言，本发明对帧同步利用纠错码。

附图说明

以下参考附图对本发明的实施例进行描述，附图中：

图1是OFDM发射器与OFDM接收器通信的框图；

图2是OFDM流中前导码的框图；

图3是优选实施例的***的框图；和

图4是优选实施例的方法的流程图。

具体实施方式

与一些现有技术方法的共同点是，优选实施例通过将接收的前导码中的连续符号相关联来执行帧同步。然而，优选实施例然后将得到的互相关值转换成二进制序列。更具体地说，优选实施例将最大相关值转换成值“1”，并将最小相关值转换成值“-1”。如以上所讨论的，当OFDM信号被噪声损坏时，互相关输出可以是最大值和最小值之间的任意值。这种情况中，用于确定是将给定互相关值转换成二进制“1”还是二进制“0”的阈值设置在最大值和最小值之间的中点处。作为选择，还可定义两个阈值，使得一些值接近0的数字不会被分配比特位(该情况中，比特值对于解码器是未知的)。而且，***可使用软解码处理，该软解码处理使用互相关输出值本身作为解码器的输入。

与以上处理并行(并支持以上处理)，优选实施例在前导码中嵌入预定的纠错码。具体而言，优选实施例用一组前导码符号构成的编码前导码替代传统OFDM帧的前导码，定义所述前导码符号的正负号(sign)使得从以上所描述的处理(将互相关处理的输出转换成二进制形式)中得到的二进制序列是纠错码的码字。在接收信号噪声很强的情况中，相关处理的输出被高度恶化；并且从中获得的二进制序列被损坏。然而，正交发射的前导码中已知纠错码所包含的内容使得被损坏的比特位能够得以检测和纠正。另外，一旦接收了完整的纠错码，则获得帧同步。

更具体地说，优选实施例采用分为两部分的前导码。第一部分包括多个具有相同正负号的的短符号(即，[S S S S S...S])。前导码的第二部分包括预定数量(N)的短符号，其正负号通过比特位序列[a(0)a(1)...a(N-1)]确定，其中a(i)可以为+1或-1。换句话说，码字的第二部分包括符号[a(0)·S a(1)·Sa(2)·S...a(N-1)·S]。

使用以下机制建立比特位序列a(i)：

从给定纠错码的一组码字选择长度为N的码字，其中所选码字的比特位表示为[b(0)b(1)...b(N)]，给定比特位b(i)能取值+1或-1；

设置前导码第二部分中的第一符号a(0)以匹配所选码字中的第一比特位(即，设置a(0)＝b(0))；和

依据递归表达式a(i)＝b(i)*a(i-1)，i＝1，2，...N-1，设置符号a(i)的剩余部分。

因此，有效设置前导码第二部分中的短符号的正负号，使得连续短符号对的重复互相关生成所选码字。应当了解，循环码在优选实施例中有特别用处，因为循环码的一个主要性质是码字的循环移位也是码字。尽管如此，应当理解的是，优选实施例不限于循环码，还可以使用其它类型的码来替代。

参考图4，优选实施例的接收器70包括DFT模块72，所述DFT模块72连续地应用训练DFT到输入信号。来自连续DFT操作的符号被发送到互相关模块74，互相关模块74计算符号之间的互相关性。具体而言，相关模块74输出正的最大值(例如，+1)指示两个完全匹配的连续符号、输出0指示不相关的符号(即，噪声)、以及输出负的最小值(例如，-1)指示异号(opposite sign)的两个匹配连续符号。

互相关模块74的输出被发送到解码器76，所述解码器76可采用任意类型的解码处理(包括硬解码和软解码)。解码器76计算来自互相关模块74的输出和一组已知码字(一组已知的、固定的海明距离)之间的海明(Hammingdistance)距离(或其它距离度量)。具体而言，解码器76将来自互相关模块74的输出与其码字中最类似的相匹配；和输出相关匹配码字。在发射的前导码具有可能已被信道上的噪声等导致失真的码字的情况下，采用这个方法。因此，解码器76有效地尝试纠正这个失真。输出码字被发送到决定模块78，其中将输出码字与已知前导码码字进行比较。如果输出码字与前导码码字相匹配，判断同步已发生。否则，应用训练DFT到下一个输入信号，并重复上述处理步骤直到获得同步。

更具体地参考图4，当使用硬解码器时，优选实施例包括步骤：

(a)接收包含前导码的OFDM帧，所述前导码包括预定数量的前导码符号，所述前导码符号用以形成已知前导码码字；

(b)将所述接收帧中的连续符号对互相关84，以生成互相关输出；

(c)将所述互相关输出转换成二进制序列；

(d)从所述二进制序列选择第一数量的连续比特位，其中所选数量与前导码符号的数量相匹配；

(e)从多个预定的码字选择与所选数量的比特位最接近地匹配的码字；

(f)将所选码字与所述前导码码字相比较90；

(g)在所选码字与所述前导码码字充分匹配的情况下，决定92已经获得同步；和

(h)在所选码字与所述前导码码字不充分匹配的情况下，执行以下步骤：

(i)获取额外符号；

(j)将所述额外符号与前一接收符号(immediately preceding receivedsymbol)互相关，以生成互相关值；

(k)将所述互相关值转换成第一二进制值；

(l)将所述第一二进制值连接成所述二进制序列；

(m)从所述二进制序列中删除相反的二进制值；和

(n)重复步骤(e)到(m)直到达到预定的停止标准(例如同步)。

当然应了解的是，软解码器也能用于分析互相关值。具体而言，软解码器直接作用于互相关值(以生产解码的码字)，不需要将互相关值转换成二进制序列。

虽然在优选实施例中，是参考前导码放置在OFDM帧始端来描述的，应意识到，优选实施例中的码字也能放置在OFDM的尾端。具体而言，前导码的相关放置是不重要的，只要提前建立相关放置并且不改变该放置。

优选实施例的描述侧重于循环码的使用，因为它们更易于实施，因为没有必要找出已经嵌入的前导码所具有的具体代码。具体而言，如果检测到另一个代码，已知该代码例如距离所需代码有两个步骤(或循环迭代)，则没有必要执行进一步的DFT和互相关操作，因为OFDM帧的相关开始点同样地两个位置远。尽管如此，应了解的是，优选实施例不限于循环码的使用。具体而言，优选实施例能采用任意其它的二进制纠错码。然而，意识到其它代码可能具有更强的纠正能力，尽管如此，这些其它代码通常具有更加复杂的实施。

可在不脱离本发明的范围的情况下对上述实施例做出替代和修改。

Claims

1.一种OFDM帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

（a）接收发射的包含前导码的OFDM帧，所述前导码包括预定数量的前导码符号，所述前导码符号用以形成已知前导码码字；

（b）将所述接收帧中的连续符号对互相关（84），以生成互相关输出；

（c）从多个预定的码字中选择码字，其中所选码字与从所述互相关输出中选择的一定数量的互相关值最接近地匹配；

（d）将所选码字与所述前导码码字相比较（90）；

（e）在所选码字与所述前导码码字相匹配的情况下，决定（92）已经获得同步；和

（f）在所选码字与所述前导码码字不匹配的情况下，执行以下步骤：

-获取额外符号；

-将所述额外符号与前一接收的符号互相关，以生成进一步互相关值；

-将所述进一步互相关值连接到所述互相关输出；

-从所述互相关输出中删除相反的互相关值；和

-重复步骤（c）到（f）直到达到预定的停止标准。

2.根据权利要求1所述的OFDM帧同步方法，其特征在于，其中有关从多个预定的码字中选择码字的步骤中包括以下步骤：

-将所述互相关输出转换成二进制序列；

-从所述二进制序列中选择第一数量的连续比特位，其中所选数量与所述前导码符号的数量相匹配；和

-从多个预定的码字中选择与所选比特位的数量最接近地匹配的码字；和

有关将所述进一步互相关值连接到所述互相关输出的步骤以及有关从所述互相关输出中删除相反的互相关值的步骤包括以下步骤：

-将所述互相关值转换成第一二进制值；

-将所述第一二进制值连接到所述二进制序列；和

-从所述二进制序列中删除相反的二进制值。

3.根据权利要求1或2所述的OFDM帧同步方法，其特征在于，在接收包含前导码的OFDM帧的步骤之前，包括以下步骤：

-提供具有相同正负号的第一多个短符号；

-提供第二多个短符号，设置该短符号的正负号使得每个连续短符号的一个或多个对的一个或多个互相关生成预选择的纠错码字；

-连接所述第一和第二多个短符号以形成前导码；和

-发射之前提供具有所述前导码的所述OFDM帧。

4.根据权利要求3所述的OFDM帧同步方法，其特征在于，其中有关提供第二多个短符号的步骤包括以下步骤：

（1）提供具有相同正负号的第三多个短符号；

（2）选择其比特位的数量与所述第三多个中所述短符号的数量相同的二进制纠错码；

（3）使用所述第三多个中的第一短符号以形成所述第二多个中的所述第一短符号；

（4）设置所述第二多个中的第一短符号的正负号，以与所选码字中的第一比特位的正负号相匹配；

（5）使用所述第三多个中的下一个短符号以形成所述第二多个中的下一个短符号；

（6）设置所述第二多个中的下一个短符号的正负号，以匹配所选码字中对应的比特位与所述第二多个中的前一短符号的正负号相乘的正负号；及

（7）重复步骤（5）和（6），直到完成所述第二多个短符号。

5.根据权利要求1所述的OFDM帧同步方法，其特征在于，其中有关从多个预定的码字中选择的步骤包括有关从多个预定的循环码字中选择的步骤。