CN108449300B - 一种ofdm***帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM***帧同步方法，对接收信号进行自相关运算，并对运算结果进行归一化，得到自相关度量；对自相关度量进行上升沿检测，如果自相关度量大于预定门限，则检测成功，并统计自相关度量大于预定门限的次数cnt_ok和自相关度量小于等于预定门限的次数cnt_ng；对自相关度量进行平台检测，检测成功后，对自相关度量进行下降沿检测，如果自相关度量小于预定门限，则检测成功，进行最低点检测，并根据检测到的最低点位置，计算OFDM符号同步位置。本发明可以有效地对抗载波频率偏差，有效降低噪声干扰，上升沿、平台、下降沿、最低点的搜索判决策略有效地提高了帧同步检测的可靠性和OFDM符号定时同步的准确性；可以抵抗严重噪声干扰信道下自相关波形的严重变形，改善帧同步性能。

Description

一种OFDM***帧同步方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种OFDM***帧同步方法。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种多载波并行技术，其具有频率利用率高、抵抗频率选择性衰落，多径干扰以及窄带干扰能力强的优点，成为了通信技术研究的热点。

近年来，OFDM技术被广泛应用于宽带无线通信，微功率无线通信以及电力线载波通信等领域；但是，OFDM***对同步误差很敏感，同步技术通常分为帧同步和频率同步，帧同步首先进行帧检测，确定帧信号的到来，接着进行定时同步，确定OFDM符号的起始位置；帧同步关系到数据传输的可靠性和正确性，是OFDM接收机的关键技术。

现有帧同步方法通常采用相关算法，包括互相关算法和自相关算法；互相关算法是接收信号序列与本地已知的训练系列进行相关，具有相关峰值尖锐，抗噪声能力强等特点，但是，在输入信号的载波频率偏差较大的场合，互相关算法检测损耗很大乃至无法正常工作；当通信频道的载波频率较高，并且采用低成本的普通晶体振荡器时，载波频率偏差都很大；更进一步，帧同步属于接收机同步中的第一个环节，无法估计载波频率偏差并进行补偿。综上所述，在很多应用场合，互相关算法并不适合于帧同步。

自相关是利用重复的短训练序列，进行延时自相关运算，该算法能够有效抵抗载波频率偏差；然而，自相关函数在重复的短训练序列出现位置呈平台特性，导致了无法准确地估计帧同步位置，在重复的短训练序列后部，对短训练序列进行符号反转，并通过检测自相关函数中的符号反转点来确定符号同步位置，有助于提高同步位置估计的准确度；然而，在低信噪比时，由于噪声干扰的原因，自相关函数波形有时候会出现严重变形，从而导致估计错误。

发明内容

基于此，针对上述问题，有必要提出一种能有效抵抗载波频率偏差和噪声干扰的高性能OFDM***帧同步方法。

本发明的技术方案是：

一种OFDM***帧同步方法，包括以下步骤：

a、对接收信号进行自相关运算，并对运算结果进行归一化，得到自相关度量；

b、对自相关度量进行上升沿检测，判断自相关度量是否大于预定门限，如果是，则检测成功，得到上升沿位置，进入步骤c；如果否，则检测失败，重新进入步骤b；

c、统计自相关度量大于预定门限的次数cnt_ok和自相关度量小于等于预定门限的次数cnt_ng，并对自相关度量进行平台检测；

d、平台检测成功后，对自相关度量进行下降沿检测，判断自相关度量是否小于预定门限，如果是，则检测成功，进入步骤e；如果否，则检测失败，重新进入步骤d；

e、进行最低点检测，并根据检测到的最低点位置，计算OFDM符号同步位置。

在本技术方案中，计算得到自相关度量后进入帧同步判决策略流程；第一步，进行上升沿检测，当帧信号到来时，在短训练序列开始的位置，自相关函数波形会形成一个上升沿，因此，当自相关度量大于预定门限时，便认为检测到了上升沿；否则的话，继续进行上升沿检测；上升沿上升到顶点位置，便进入平台，接下来进行平台检测，在此检测期间，对自相关度量大于和小于等于预定门限的次数分别进行统计计数；当自相关度量大于门限时，计数器cnt_ok累加1；否则的话，计数器cnt_ng累加1；同时，当计数器cnt_ng大于预定的次数门限时，则认为平台并未出现，之前的上升沿并不是真正的上升沿，转而对计数器cnt_ok和cnt_ng进行复位，并重新进入上升沿检测；而当计数器cnt_ok大于预定的次数门限时，则表明平台检测成功；进入下降沿的检测，当自相关度量小于预定门限时，便认为下降沿检测成功；否则的话，继续下降沿检测；成功后进行最后的最低点检测，可以计算出帧同步位置，完成帧同步检测；可以有效地对抗载波频率偏差，有效降低噪声干扰，上升沿、平台、下降沿、最低点的搜索判决策略有效地提高了帧同步检测的可靠性和OFDM符号定时同步的准确性。

具体的，所述步骤a包括以下步骤：

a101、利用单自相关器，接收输入信号，并输入信号延迟L，对延迟后的信号和输入信号进行差分检测，其中，L为短训练序列长度；

a102、对差分检测后的输出信号进行长度为m1×L的移动平均，并对平均后的信号求取模平方，得到自相关函数C(n)，其中，

L为短训练序列长度，m1为整数；

a103、对输入信号求取模平方，并进行长度为m2×L的移动平均，得到输入信号功率E(n)，其中，

L为短训练序列长度，m2为整数，且m2＞m1；

a104、当输入信号功率延迟m2×L后，对自相关函数C(n)进行归一化，得到自相关度量R(n)；其中R(n)＝C(n)/E(n-m2·L)。

在本技术方案中，采用单自相关器，进行共轭相乘的差分检测，在发送信号时，在重复的短训练序列结构中，重复多次(20次)后，最后两次对符号进行反转；对输出的信号先进行长度为m1×L的移动平均后再取模平方，得到自相关函数C(n)，同时，对输入的信号先取模平方后再进行长度为m2×L的移动平均，且通常m2＞m1，进而求取到输入信号功率E(n)，最终根据自相关函数C(n)和输入信号功率E(n)求取自相关度量R(n)；其计算数据可靠，提高对自相关度量R(n)计算的有效性和准确性，能进行准确、可靠的后续基于OFDM***的帧同步，有效抵抗相应信号载波频率偏差。

作为上述方案的进一步优化，所述步骤a包括以下步骤：

a101、利用双自相关器，接收输入信号，其中，第一自相关器的信号延迟为L，第二自相关器的信号延迟为2L，对延迟后的信号和输入信号进行差分检测，其中，L为短训练序列长度；

a102、分别对第一自相关器和第二自相关器差分检测后的输出信号进行长度为m1×L的移动平均，并对平均后的信号求取模平方，得到自相关函数C(n)和C′(n)，其中，

L为短训练序列长度，m1为整数；

a103、对输入信号求取模平方，并进行长度为m2×L的移动平均，得到输入信号功率E(n)，其中，

L为短训练序列长度，m2为整数，且m2＞m1；

a104、当输入信号功率延迟m2×L后，对自相关函数C(n)和C′(n)进行归一化，得到自相关度量R(n)和R′(n)；其中，R(n)＝C(n)/E(n-m2·L)，R′(n)＝C′(n)/E(n-m2·L)。

在本技术方案中，采用双自相关器，其中，第一自相关器的延迟为L，第二自相关器的延迟为2L，然后分别进行共轭相乘的差分检测，在发送信号时，在重复的短训练序列结构中，重复多次(20次)后，最后两次对符号进行反转；再分别对第一自相关器和第二自相关器的输出信号进行长度为m1×L的移动平均后再取模平方，得到自相关函数C(n)和C′(n)，同时，对输入的信号先取模平方后再进行长度为m2×L的移动平均，且通常m2＞m1，进而求取到输入信号功率E(n)，最终根据自相关函数C(n)、C′(n)和输入信号功率E(n)求取自相关度量R(n)和R′(n)；其计算数据可靠，提高对自相关度量计算的有效性和准确性，能进行准确、可靠的后续基于OFDM***的帧同步，有效抵抗相应信号载波频率偏差；其与单自相关器的不同之处在于采用了差分检测的延迟长度为2L的第二自相关器，该自相关器仅仅进行上升沿检测，并把检测到的上升沿位置输入到帧同步判决策略，所得到的上升沿位置是第一自相关器和第二自相关器检测到的上升沿位置的中间位置；如此一来，可以提高上升沿位置检测的准确度，从而提升帧同步检测的可靠性以及改善定时误差性能，可以抵抗严重噪声干扰信道下自相关波形的严重变形，进一步改善帧同步性能。

具体的，所述步骤b包括以下步骤：

如果为单自相关器，则对自相关度量R(n)进行上升沿检测，并在检测成功后，得到上升沿位置；

如果为双自相关器，则分别对自相关度量R(n)和R′(n)进行上升沿检测，并在检测成功后，计算两个自相关器所检测的上升沿位置的平均值，该平均值为最终的上升沿位置。

本技术方案，根据不同的自相关器得到不同的上升沿位置，其中，利用双自相关器进行帧同步，可以提高上升沿位置检测的准确度，从而提升帧同步检测的可靠性以及改善定时误差性能，可以抵抗严重噪声干扰信道下自相关波形的严重变形，进一步改善帧同步性能。

具体的，所述步骤c和步骤d之间还包括以下步骤：

当平台检测成功后，延时M个时刻，对自相关度量R(n)进行下降沿检测；其中，M＝(o-1)L-α，L为短训练序列长度，p为短训练序列中符号为正的训练序列个数，α为冗余范围。在本技术方案中，M由平台宽度所决定，α为提供一定的冗余范围而设，且通常可以取8左右的值。

具体的，所述步骤e包括以下步骤：

进行最低点检测，判断自相关度量R(n)是否大于自相关度量R(n+1)，如果是，则继续进行最低点检测；如果否，则判定自相关度量R(n)为最低点，并根据该最低点位置，计算出OFDM符号同步位置u；其中，u＝n+(m-1)L+1，L为短训练序列长度，m为短训练序列中符号为负的短训练序列个数。

本发明的有益效果是：

1、本发明可有效地对抗载波频率偏差，上升沿、平台、下降沿、最低点的搜索判决策略有效地提高了帧同步检测的可靠性和OFDM符号定时同步的准确性。

2、本发明采用双自相关器的帧同步方法，可以提高上升沿位置检测的准确度，从而提升帧同步检测的可靠性以及改善定时误差性能，可以抵抗严重噪声干扰信道下自相关波形的严重变形，进一步改善帧同步性能。

3、本发明在差分检测后对信号进行移动平均和取模平方，使输入信号载波频率偏差减少，计算的数据更精确、可靠，提高后续基于OFDM***的帧同步的有效性和准确性，以及实现了高性能同步。

4、综合峰值点位置和最低点位置，计算出帧同步位置，完成帧同步检测，避免计算误差带来的影响，进一步提高了同步准确性。

附图说明

图1是本发明实施例所述的短训练系列结构示意图；

图2是本发明实施例1所述计算自相关函数度量R(n)的流程示意图；

图3是本发明实施例1所述帧同步判决策略的流程示意图；

图4是本发明实施例2所述计算自相关函数度量R(n)的流程示意图；

图5是本发明实施例3所述计算自相关函数度量R(n)的流程示意图；

图6是本发明实施例3所述帧同步判决策略的流程示意图；

图7是本发明实施例2中第一自相关器和第二自相关器的自相关波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示为重复的短训练序列结构，短训练序列符号为“s”，重复了20次，最后的两次对符号进行反转成为“-s”。

如图2所示为本实施例的结构框图；首先，输入信号延迟L(L为短训练序列长度)，延迟后的信号与输入信号进行共轭相乘实现差分检测；接着，乘法器输出信号进行长度为m1×L的移动平均(m1为整数)，平均后的信号再求取模平方，得到自相关函数C(n)。

另一方面，输入信号首先求取模平方，并进行长度为m2×L的移动平均(m2为整数，通常m2＞m1)，以求取输入信号功率E(n)。

输入信号功率延迟m2×L后，对自相关函数进行归一化，得到自相关函数的度量R(n)。

R(n)＝C(n)/E(n-m2·L)

自相关度量R(n)被送入图3所示的帧同步判决策略流程；第一步，进行上升沿检测，当帧信号到来时，在短训练序列开始的位置，自相关函数波形会形成一个上升沿，因此，当度量值大于预定门限时，便认为检测到了上升沿；否则的话，继续进行上升沿检测。

上升沿上升到顶点位置，便进入平台，接下来进行平台检测；在此检测期间，对度量值大于和小于等于预定门限的次数分别进行统计计数。当度量值大于门限时，计数器cnt_ok累加1；否则的话，计数器cnt_ng累加1；同时，当计数器cnt_ng大于预定的次数门限时，则认为平台并未出现，之前的上升沿并不是真正的上升沿，转而对cnt_ok和cnt_ng进行复位，并重新进入上升沿检测；而当计数器cnt_ok大于预定的次数门限时，则表明平台检测成功。

平台检测成功后，延迟M个时刻后(M由平台宽度所决定)，进入下降沿检测阶段。

M＝(p-1)L-α

式中p为短训练序列中符号为正的训练序列个数，α为提供一定的冗余范围而设，可以取8左右的值。

当度量值小于预定门限时，便认为下降沿检测成功；否则的话，继续下降沿检测。

最后，进行最低点检测；在下降沿阶段，度量值通常满足R(n)＞R(n+1)；当检测到R(n)≤R(n+1)，便认为当前点R(n)为最低点；进一步，根据此最低点的位置，可以计算出帧同步位置，完成帧同步检测。计算出OFDM符号同步位置u：

u＝n+(m-1)L+1

式中m为短训练序列中符号为负的短训练序列个数。

实施例2

如图4所示，本实施例采用了双自相关器，该双自相关器的自相关波形图如图7所示；第二自相关器与第一自相关器结构相同，不同之处在于第二自相关器差分检测的延迟长度为2L；第二自相关器仅仅进行上升沿检测，并把检测到的上升沿位置输入到帧同步判决策略；判决策略的算法如图3所示，不同之处在于，上升沿位置是两个自相关器检测到的上升沿位置的中间位置；如此一来，可以提高上升沿位置检测的准确度，从而提升帧同步检测的可靠性以及改善定时误差性能。

实施例3

如图5所示，本实施例第二自相关器的结构与图2实施例1的自相关器结构相比，不同之处在于本实施例中第二自相关器差分检测的延迟长度为2L。

本实施例的帧同步判决策略如图6所示，到最低点为止的处理流程与图3所示的流程相同，这里不再重复叙述；在本实施例中，在找到最低点位置后，在往后的2L范围内，寻找峰值点，并且从该峰值点位置，可以计算出帧同步位置，完成帧同步检测。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种OFDM***帧同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对接收信号进行自相关运算，并对运算结果进行归一化，得到自相关度量，接收信号可利用单自相关器或双自相关器；

b、对自相关度量进行上升沿检测，判断自相关度量是否大于预定门限，如果是，则检测成功，得到上升沿位置，进入步骤c；如果否，则检测失败，重新进入步骤b，如果为单自相关器，则对自相关度量R(n)进行上升沿检测，并在检测成功后，得到上升沿位置；

如果为双自相关器，则分别对自相关度量R(n)和R′(n)进行上升沿检测，并在检测成功后，计算两个自相关器所检测的上升沿位置的平均值，该平均值为最终的上升沿位置；

c、统计自相关度量大于预定门限的次数cnt_ok和自相关度量小于等于预定门限的次数cnt_ng，并对自相关度量进行平台检测；

d、平台检测成功后，对自相关度量进行下降沿检测，判断自相关度量是否小于预定门限，如果是，则检测成功，进入步骤e；如果否，则检测失败，重新进入步骤d；

e、进行最低点检测，并根据检测到的最低点位置，计算OFDM符号同步位置。

2.根据权利要求1所述的OFDM***帧同步方法，其特征在于，所述步骤a包括以下步骤：

a101、利用单自相关器，接收输入信号，并输入信号延迟L，对延迟后的信号和输入信号进行差分检测，其中，L为短训练序列长度；

a102、对差分检测后的输出信号进行长度为m1×L的移动平均，并对平均后的信号求取模平方，得到自相关函数C(n)，其中，

L为短训练序列长度，m1为整数；

a103、对输入信号求取模平方，并进行长度为m2×L的移动平均，得到输入信号功率E(n)，其中，

L为短训练序列长度，m2为整数，且m2＞m1；

a104、当输入信号功率延迟m2×L后，对自相关函数C(n)进行归一化，得到自相关度量R(n)；其中R(n)＝C(n)/E(n-m2·L)。

3.根据权利要求1所述的OFDM***帧同步方法，其特征在于，所述步骤a包括以下步骤：

a101、利用双自相关器，接收输入信号，其中，第一自相关器的信号延迟为L，第二自相关器的信号延迟为2L，对延迟后的信号和输入信号进行差分检测，其中，L为短训练序列长度；

a102、分别对第一自相关器和第二自相关器差分检测后的输出信号进行长度为m1×L的移动平均，并对平均后的信号求取模平方，得到自相关函数C(n)和C′(n)，其中，

L为短训练序列长度，m1为整数；

a103、对输入信号求取模平方，并进行长度为m2×L的移动平均，得到输入信号功率E(n)，其中，

L为短训练序列长度，m2为整数，且m2＞m1；

a104、当输入信号功率延迟m2×L后，对自相关函数C(n)和C′(n)进行归一化，得到自相关度量R(n)和R′(n)；其中，R(n)＝C(n)/E(n-m2·L)，R′(n)＝C′(n)//E(n-m2·L)。

4.根据权利要求1所述的OFDM***帧同步方法，其特征在于，所述步骤c包括以下步骤：

c101、统计自相关度量大于预定门限的次数cnt_ok和自相关度量小于等于预定门限的次数cnt_ng；

c102、判断cnt_ng是否大于次数门限，如果是，则重新进入步骤b；如果否，则进入步骤c103；

c103、判断cnt_ok是否大于次数门限，如果是，则进入步骤d；如果否，则重新进入步骤c102。

5.根据权利要求1所述的OFDM***帧同步方法，其特征在于，所述步骤c和步骤d之间还包括以下步骤：

当平台检测成功后，延时M个时刻，对自相关度量R(n)进行下降沿检测；其中，M＝(p-1)L-α，L为短训练序列长度，p为短训练序列中符号为正的训练序列个数，α为冗余范围。

6.根据权利要求1所述的OFDM***帧同步方法，其特征在于，所述步骤e包括以下步骤：

进行最低点检测，判断自相关度量R(n)是否大于自相关度量R(n+1)，如果是，则继续进行最低点检测；如果否，则判定自相关度量R(n)为最低点，并根据该最低点位置，计算出OFDM符号同步位置u；其中，u＝n+(m-1)L+1，L为短训练序列长度，m为短训练序列中符号为负的短训练序列个数。

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