CN107872418A - 一种用于ofdm通道的时频同步方法 - Google Patents

一种用于ofdm通道的时频同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于OFDM通道的时频同步方法，根据发射端的同步信号Zadoff‑Chu序列完成符号和频率同步，包括：符号粗同步，分数倍频偏粗同步，整数倍频偏同步和符号细同步，及分数倍频偏细同步。本发明的时频同步方法能够快速准确的实现OFDM通道的符号同步和频率同步，具有较高的同步精度，适于VDES***下的应用。

Description

一种用于OFDM通道的时频同步方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于VDES***的OFDM时频同步算法。
背景技术
VDES***是VHF频段数据交换***，是海上通信产业领域在AIS基础上发展起来的新一代数据通信***，通过引入ASM和VDE全面强化了船舶通信的数据传输能力。与AIS和ASM相比，VDE通道具有更加强大的功能，具备更快速的数据交换能力，能够传输多种结构的信息，VDE数据交换支持“实时”通讯和信息确认回传，信息接收具有高可靠性。
正交频分复用(OFDM)技术具有抗多径衰落和频谱资源利用率高的优点，在当前的宽带无线通信***中得到广泛的应用，例如WLAN、LTE等。VDES***的VDE通道也采用这一技术，OFDM技术对接收机的同步要求特别高，需要精确完成时频同步，否则将引起***性能的大幅度下降。
传统的时频同步算法是T.M.Schmidl的所设计的算法以及各种变型，该类算法存在时间同步测度平台，定时方差较大，而且频偏估计范围较小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于OFDM通道的时频同步方法，根据发射端的同步信号Zadoff-Chu序列完成符号和频率同步，包括：符号粗同步，分数倍频偏粗同步，整数倍频偏同步和符号细同步，及分数倍频偏细同步。
可选的，所述符号粗同步包括：在频域上，从接收信号中滑动提取接收信号，将其与本地同步序列做互相关，以获得粗符号同步点。
可选的，所述符号粗同步包括：在时间和频域两个维度进行搜索，纠正整数频偏对符号同步的影响；将求得的最大互相关值与门限值进行比较，当最大值超过门限值时，向前继续滑动FreqTimeThr个的点，如若滑动区间内仍为最大值，则得到所述粗符号同步点。
可选的，所述符号粗同步包括：采用Zadoff-Chu序列作为同步信号，从接收信号中依次滑动提取与采样点FFT-num(FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度)等长的数据r(n)，其中FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度；信号r(n)经FFT变换到频域信号Rk；频域内的本地同步序列为Zk，将Zk与Rk作互相关运算，选取绝对值的最大项ν(m)；当ν(m)大于门限值时，且保证向前继续滑动FreqTimeThr个粒度的过程中此ν(m)仍为最大值，循环结束，并记录当前最大值所处的位置，得到符号粗同步点。
可选的，所述分数倍频偏粗同步包括：完成符号粗同步后，根据接收的同步信号和本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，以求得分数倍频偏粗估计值。
可选的，所述在时域内逐点作相关，还包括得到一个新的序列Xk，将Xk分成两部分分别作相关得到P(Tfind)，其中：
则可计算得到分数倍频偏估计值：
可选的，所述整数倍频偏同步和符号细同步包括:在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列，以得到整数倍频偏估计和符号细同步位置。
可选的，在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列；在粗符号同步点前后各一个循环前缀区间内，将新序列在频域上与本地同步序列按一个粒度作滑动互相关取最大值，获得整数倍频偏估计和符号细同步位置。
可选的，所述分数倍频偏细同步包括：在所述在符号细同步点完成整数倍频偏补偿后，接收信号与本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，得到新序列，以求得分数倍频偏精估计。
可选的，在完成符号精同步和整数倍频偏补偿后，从接收数据中提取出接收的同步信号，根据其与本地同步信号的强相关性，在时域内逐点作相关，得到一个新的序列Xk，将Xk分成等长的两部分作相关得到P(Tfind)，其中：
最终求得分数倍频偏精估计：
本发明的时频同步方法能够快速准确的实现OFDM通道的符号同步和频率同步，具有较高的同步精度，适于VDES***下的应用。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一个实施例的OFDM***的帧结构；
图2是符号粗同步搜索和判决流程图；
图3分数倍频偏估计时域结构示意图。
具体实施方式
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此，本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
本发明要解决的技术问题是提供一种用于OFDM通道的时频同步方法，根据发射端的同步信号Zadoff-Chu序列完成符号和频率同步，其特征在于，包括：符号粗同步，分数倍频偏粗同步，整数倍频偏同步和符号细同步，及分数倍频偏细同步。
可选的，所述符号粗同步包括：在频域上，从接收信号中滑动提取接收信号，将其与本地同步序列做互相关，以获得粗符号同步点。
可选的，所述符号粗同步包括：在时间和频域两个维度进行搜索，纠正整数频偏对符号同步的影响；将求得的最大互相关值与门限值进行比较，当最大值超过门限值时，向前继续滑动FreqTimeThr个的点，如若滑动区间内仍为最大值，则得到所述粗符号同步点。
可选的，所述符号粗同步包括：采用Zadoff-Chu序列作为同步信号，从接收信号中依次滑动提取与采样点FFT-num(FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度)等长的数据r(n)，其中FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度；信号r(n)经FFT变换到频域信号Rk；频域内的本地同步序列为Zk，将Zk与Rk作互相关运算，选取绝对值的最大项ν(m)；当ν(m)大于门限值时，且保证向前继续滑动FreqTimeThr个粒度的过程中此ν(m)仍为最大值，循环结束，并记录当前最大值所处的位置，得到符号粗同步点。
可选的，所述分数倍频偏粗同步包括：完成符号粗同步后，根据接收的同步信号和本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，以求得分数倍频偏粗估计值。
可选的，所述在时域内逐点作相关，还包括得到一个新的序列Xk，将Xk分成两部分分别作相关得到P(Tfind)，其中：
则可计算得到分数倍频偏估计值：
可选的，所述整数倍频偏同步和符号细同步包括:在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列，以得到整数倍频偏估计和符号细同步位置。
可选的，在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列；在粗符号同步点前后各一个循环前缀区间内，将新序列在频域上与本地同步序列按一个粒度作滑动互相关取最大值，获得整数倍频偏估计和符号细同步位置。
可选的，所述分数倍频偏细同步包括：在所述在符号细同步点完成整数倍频偏补偿后，接收信号与本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，得到新序列，以求得分数倍频偏精估计。
可选的，在完成符号精同步和整数倍频偏补偿后，从接收数据中提取出接收的同步信号，根据其与本地同步信号的强相关性，在时域内逐点作相关，得到一个新的序列Xk，将Xk分成等长的两部分作相关得到P(Tfind)，其中：
最终求得分数倍频偏精估计：
本发明的时频同步方法能够快速准确的实现OFDM通道的符号同步和频率同步，具有较高的同步精度，适于VDES***下的应用。
参考ITU-R M.1371-5、ITU-R M.2092-0建议书的技术特性，设计基于OFDM技术的VDES***下的VDE通道，本发明旨在提供一种用于OFDM通道的时频同步方法，算法复杂度低且可以快速精确地完成符号同步和频率同步。如图1所示是本发明一个实施例的OFDM***的帧结构。
同步方案根据发射端的同步信号Zadoff-Chu序列完成符号和频率同步，分以下步骤完成：
1)在频域上，从接收信号中滑动提取接收信号，将其与本地同步序列做互相关，这个过程本质上是同时在时间和频域两个维度进行搜索，目的是尽可能的纠正整数频偏对符号同步的影响(频域上的搜索根据VDES***实际场景设置，可极大地减少搜索空间)。将求得的最大互相关值与门限值进行比较，当最大值超过门限值时，向前继续滑动FreqTimeThr个点，如若滑动区间内仍为最大值，则得到粗符号同步点。
2)完成符号粗同步后，根据接收的同步信号和本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，得到一个新的序列，将新序列的前后两部分，进行互相关计算，从而求得分数倍频偏粗估计值。
3)在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列。在粗符号同步点前后各一个循环前缀区间内，将新序列在频域上与本地同步序列按一个粒度作滑动互相关取最大值(此时频两维的搜索过程同步骤1)，则得到整数倍频偏估计和符号细同步位置。
4)在符号细同步点完成整数倍频偏补偿后，同步骤2，接收信号与本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，得到新序列，将新序列的前后两部分作相关，最终求得分数倍频偏精估计。
下面结合附图对本发明的一个实施例进行说明。
VDES***的OFDM通道的时频同步方案包括以下几个步骤：符号粗同步，分数倍频偏粗同步，整数倍频偏同步和符号细同步，分数倍频偏细同步。
1)根据接收信号与本地同步序列在频域做互相关，最大限度地减少整数倍频偏对符号同步以及后续同步步骤带来的误差，流程如图2所示为符号粗同步搜索和判决流程图，具体如下：
(1)采用Zadoff-Chu序列作为同步信号，从接收信号中依次滑动提取与采样点FFT-num(FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度)等长的数据r(n)；
(2)将信号r(n)经FFT变换到频域信号Rk；
(3)频域内的本地同步序列为Zk，将Zk与Rk作互相关运算，选取绝对值的最大项ν(m)，其中：
其中d为由于整数倍频偏造成的频域数据循环移位量的搜索范围，L位同步数据占用子载波的个数。因为我们提供的同步算法具有较强的频偏估计能力，所以实际***中可以根据需求进行简化。对于VDES***而言，可根据船舶的航行速度以及VDES通道工作频点来估计最大的多普勒频偏范围，这里d分别取值为-2、-1、0、1、2即可，即互相关只取5次对应点乘，然后寻找最大值。
(4)当ν(m)大于门限值时，且保证向前继续滑动FreqTimeThr个粒度的过程中此ν(m)仍为最大值，循环结束，并记录当前最大值所处的位置，得到符号粗同步点Tfind，其中：
2)完成符号粗同步后，从接收数据中提取出同步信号，根据其与本地时域同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，得到一个新的序列Xk，将Xk分成两部分分别作相关得到P(Tfind)，如图3所示为分数倍频偏估计时域结构示意图。
其中：
则可计算得到分数倍频偏估计值：
3)以上步骤完成了符号粗同步和分数倍频偏粗同步，下面进行整数倍频偏同步和符号细同步，具体如下：
(1)将接收到的数据s(n)进行分数倍频偏估计ε的补偿，即：
(2)在符号粗同步点Tfind前后各一个循环前缀区间内，从中滑动提取与采样点FFT_num等长的数据r(n)，并将其变换到频域，得Rk。
(3)同符号粗同步步骤，将本地同步序列Zk与Rk作互相关运算，得到并选取绝对值的最大项ν(m)，其中：
从而，得到最终的符号细同步位置：
以及整数倍频偏造成的频域数据循环移位量：d
4)在完成符号精同步和整数倍频偏补偿后，从接收数据中提取出接收的同步信号，根据其与本地同步信号的强相关性，在时域内逐点作相关，得到一个新的序列Xk，将Xk分成等长的两部分作相关得到P(Tfind)，其中：
最终求得细频偏估计值：
综上所述，本发明的时频同步方法能够快速准确的实现OFDM通道的符号同步和频率同步，具有较高的同步精度，适于VDES***下的应用。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于OFDM通道的时频同步方法，根据发射端的同步信号Zadoff-Chu序列完成符号和频率同步，其特征在于，包括：符号粗同步，分数倍频偏粗同步，整数倍频偏同步和符号细同步，及分数倍频偏细同步。
2.如权利要求1所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述符号粗同步包括：在频域上，从接收信号中滑动提取接收信号，将其与本地同步序列做互相关，以获得粗符号同步点。
3.如权利要求2所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述符号粗同步包括：在时间和频域两个维度进行搜索，纠正整数频偏对符号同步的影响；将求得的最大互相关值与门限值进行比较，当最大值超过门限值时，向前继续滑动FreqTimeThr个的点，如若滑动区间内仍为最大值，则得到所述粗符号同步点。
4.如权利要求2所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述符号粗同步包括：采用Zadoff-Chu序列作为同步信号，从接收信号中依次滑动提取与采样点FFT-num(FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度)等长的数据r(n)，其中FFT-num为OFDM符号内不包括循环前缀的采样长度；信号r(n)经FFT变换到频域信号Rk；频域内的本地同步序列为Zk，将Zk与Rk作互相关运算，选取绝对值的最大项ν(m)；当ν(m)大于门限值时，且保证向前继续滑动FreqTimeThr个粒度的过程中此ν(m)仍为最大值，循环结束，并记录当前最大值所处的位置，得到符号粗同步点。
5.如权利要求1所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述分数倍频偏粗同步包括：完成符号粗同步后，根据接收的同步信号和本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，以求得分数倍频偏粗估计值。
6.如权利要求5所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述在时域内逐点作相关，还包括得到一个新的序列Xk，将Xk分成两部分分别作相关得到P(Tfind)，其中：
<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mfrac> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msup> <mi>x</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
则可计算得到分数倍频偏估计值：
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7.如权利要求1所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述整数倍频偏同步和符号细同步包括:在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列，以得到整数倍频偏估计和符号细同步位置。
8.如权利要求7所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，在符号粗同步点对接收信号序列进行分数倍频偏估计补偿，得到新序列；在粗符号同步点前后各一个循环前缀区间内，将新序列在频域上与本地同步序列按一个粒度作滑动互相关取最大值，获得整数倍频偏估计和符号细同步位置。
9.如权利要求1所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，所述分数倍频偏细同步包括：在所述在符号细同步点完成整数倍频偏补偿后，接收信号与本地同步序列的强相关性，在时域内逐点作相关，得到新序列，以求得分数倍频偏精估计。
10.如权利要求9所述的一种用于OFDM通道的时频同步方法，其特征在于，在完成符号精同步和整数倍频偏补偿后，从接收数据中提取出接收的同步信号，根据其与本地同步信号的强相关性，在时域内逐点作相关，得到一个新的序列Xk，将Xk分成等长的两部分作相关得到P(Tfind)，其中：
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最终求得分数倍频偏精估计：
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