CN110224968B - 一种ofdm通信***中的帧定时同步方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种OFDM通信***中的帧定时同步方法及装置，本发明的方法，首先计算接收到的基带数据信号与本地参考前导符号序列的滑动互相关值及接收信号在滑动窗内的功率值，接着将得到的滑动互相关值及滑动窗内接收信号功率值分别进行延迟相关累加，基于两者延迟相关累加结果、本地前导符号序列的功率值以及预设的一帧中前导序列OFDM符号总数计算门限值，将获得的门限值与预设的峰值门限进行比较并进行峰值旁瓣搜索，再根据峰值搜索结果进行同步判决，输出帧定时同步指示，该方法计算复杂度低，便于硬件实现，在接收到前导序列的有效OFDM符号数较少情况下也能精确同步，适用于各种复杂的电力线信道环境。
Description
技术领域
本发明涉及OFDM无线通信/电力线载波通信技术领域，特别是一种OFDM通信***中的帧定时同步方法与装置。
背景技术
正交频分复用(OFDM)技术作为一种多载波调制技术，具有抗多径干扰能力强，频谱利用率高等优点。但OFDM技术也存在一些缺点，其中一个主要缺点是对同步误差十分敏感。OFDM***在发送端采用傅里叶反变换将并行数据调制到子载波上，在接收端使用傅里叶变换把数据从子载波上解调下来，所以接收端OFDM符号位置的确定会影响到***性能。
在OFDM***中，由于OFDM符号之间***了循环前缀(CP)，降低了对接收端定时估计的要求，但是当定时估计点落在CP之外时，仍然会带来符号间干扰(ISI)，同时在多径衰落环境下，定时偏差会增加OFDM***对多径时延扩展的敏感程度，因此为了获得最佳***性能，OFDM***同样需要较精确的定时同步。
传统OFDM***中的定时同步方法主要有三种：第一种是基于导频的定时同步方法，即利用发射机OFDM信号形成时在频域上所***的导频数据来进行同步估计；第二种是基于循环前缀的定时同步方法，即利用将OFDM符号中的一部分复制到符号前作为循环前缀的数据与OFDM符号中后半部分信号完全相同的特性进行同步计算；第三种是基于训练序列的定时同步方法，即发送端在要发送的数据之前添加一段特定序列，接收端利用该序列自身的特性进行同步估计。高速电力线载波通信***中采用基于训练序列的定时同步方法。高速电力线载波通信标准采用13个前导符号作为训练序列，它们具有非常好的相关特性。利用该特性进行符号定时同步，精度较高。而基于训练符号的定时同步算法，主要有延时自相关算法和基于本地序列的互相关算法。延时自相关算法具有一段峰值平台，不利于准确的定时同步。传统的基于本地序列互相关法在高信噪比下精度较高，但低信噪比下的同步精度较低。
此外，在OFDM通信***中，OFDM符号的时域波形具有动态范围大、峰均比高的特点，而且电力线信道对信号衰减严重，接收机收到的信号幅值很小，一般需要先经过可靠的AGC调整以保证输入到数字基带解调器的信号功率的稳定性，从而减小量化噪声或信号限幅削顶对接收性能的影响。高速电力线载波通信***中的AGC调整也是基于接收到的前导序列进行。当信道条件比较恶劣时，经AGC调整稳定后进一步可用于后续帧定时同步及信道估计的有效的前导OFDM符号数将会将减少，这将降低帧定时同步的准确性。
发明内容
为解决现有技术在帧定时同步方面同步精度低、计算复杂度高，接收前导序列有效OFDM符号数较少情况下较难获得准确同步的问题，本发明提出了一种OFDM通信***中的帧定时同步方法和装置。
一种OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，包括：
第一步：将OFDM通信***的基带采样接收序列r，经过一个相关检测窗C和一个能量检测窗P，即对同一个基带采样接收序列r，进行本地互相关计算和能量值计算，这两种计算可并行执行，其中相关检测窗C和能量检测窗P是随输入的每个采样点数据取L点最新的采样接收序列r数据进行计算，L可配置，根据OFDM***的FFT点数进行选择，相关检测窗C是采用滑动窗的方法，计算滑动窗内的数据序列与本地所存储的同步序列的互相关性，相关检测窗C的输出结果记为C1(n)，对于相关检测窗C，每个输入的采样点都能计算得到一个相关值C1，因此C1(n)是一组数据组成的序列；能量检测窗P计算窗口P内数据序列的功率值，能量检测窗P的输出结果记为E1(n)，对于能量检测窗P，每个输入采样点都能计算得到一个能量值E1，因此E1(n)是一组数据组成的序列；这里，n是滑窗内输入数据的序号，即输入滑窗的第几个数据，0＜n＜L；L是滑动窗的窗长；
第二步：将相关检测窗C的结果C1(n)进行延迟相关累加处理，得到C2(n)，将能量检测窗P的结果E1(n)进行延迟相关累加处理，得到E2(n)；
第三步：依据每次上述两个滑动窗的延迟相关累加处理的结果C2(n)和E2(n)、以及本地前导符号序列功率值Es，和一帧中前导序列完整的OFDM符号数目N，计算帧定时同步判断值Q(n)，所述的每次指的是每个采样点均要计算，相邻次之间的间隔就是一个采样时间间隔；
第四步：将帧定时同步判断值Q(n)与预设的峰值门限T比较，并在预设的搜索窗中进行峰值旁瓣搜索，这里峰值搜索窗的长度设为Ls点；
第五步：将峰值搜索结果与预设的帧定时同步判决条件相比较，输出帧定时同步状态指示：如果峰值搜索结果满足预设的帧定时同步判决条件，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出成功状态指示；否则，帧定时同步状态输出信号输出失败状态指示。
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第一步包含如下步骤：
步骤1-1：相关检测窗C计算接收到的基带数字信号序列r与本地存储的特征序列s(k)的互相关值，计算方法如下式所示：
k是接收序列与本地同步序列进行互相关计算过程的数据序号；
m为计算过程中所统计的OFDM符号的序号；
s(k)为本地前导序列SYNC的符号序列，即s(k)为本地前导序列SYNC数据的正负号指示，当前导序列数据为非负数时，相应的s(k)＝1，当前导数据为负数时，相应的s(k)＝-1；
步骤1-2：能量检测窗P计算接收到的基带数字信号序列r在窗口P内的功率值，计算方法如下式所示：
其中，L为相关检测窗C和能量检测窗P的大小，取值为一个前导OFDM符号的采样点数，0＜n＜L，0＜m＜M，M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数。
进一步地，所述的步骤1-1中的互相关检测方法，其中，所述的本地存储的特征序列s(k)为本地前导序列SYNC的符号序列，即s(k)为本地前导序列SYNC数据的正负号指示，当前导序列SYNC数据为非负数，即SYNC(k)≥0时，相应的s(k)＝1；当前导序列SYNC数据为负数，即SYNC(k)＜0时，相应的s(k)＝-1，SYNC(k)为本地前导序列SYNC的第k个数据；其中SYNC可为SYNCP或SYNCM符号，SYNCP即为SYNC的正向序列，即等同于SYNC序列，而SYNCM即为SYNC序列的反向序列，SYNCM＝-SYNCP，k＝0,...,L-1；
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第二步包含如下步骤：
步骤2-1：对相关检测窗C的输出结果C1(n)进行延迟相关累加处理计算，公式如下：
其中，winMaxPeakSign为输入到延迟相关累加窗的当前C1(n+m·L)序列的最大值的符号指示，即：当
时，winMaxPeakSign＝-1；当
时，winMaxPeakSign＝1；如果峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且当前序列C1(n+m1·L)对应的winMaxPeakSign值与前一序列C1(n+m0·L)对应的winMaxPeakSign值相反，则设置peakSignFlipFlag＝1，这里，0＜n＜L，0＜m0＜M,0＜m1＜M,m1＝m0+1；m0、m1与前述的m意义一样，均为OFDM符号的序号，m1代表当前的OFDM符号的序号，m0代表前一个OFDM符号的序号；峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag用来指示当前序列C1(n+m1·L)与前一序列C1(n+m0·L)的winMaxPeakSign的值是否相同，若两者的winMaxPeakSign的值相同，则peakSignFlipFlag＝0，否则peakSignFlipFlag＝1。peakSignFlipFlag的初始值置为0；
步骤2-2：对能量检测窗P的输出结果E1(n)进行延迟相关累加处理计算，方法如下：
这里M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数。
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第三步包括，依据每次两个滑动窗的延迟相关累加处理的结果C2(n)和E2(n)、以及本地前导符号功率值Es和一帧中前导序列完整的OFDM符号数目N，计算帧定时同步判断值Q(n)，公式如下：
其中，Es为本地前导符号序列的功率值，
本地前导序列的符号序列s(k)是已知的固定序列；N为基于OFDM的通信标准中规定的前导OFDM符号的个数；M为接收机***帧定时同步模块实际接收到的完整和有效的前导OFDM符号个数，M小于等于N。
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第四步包含如下步骤：
步骤4-1：将所述帧定时同步判断值Q(n)与预设的峰值门限T进行比较，当满足Q(n)≥T时，记录当前采样点的位置tempPos以及相应的检测值tempPeak，其中tempPeak＝Q(n)；
步骤4-2：进行峰值旁瓣搜索；若当前点检测到的是第一个峰值，则记录峰值位置peakPos[0]＝tempPos，峰值peakValue[0]＝tempPeak，峰值计数peakNum＝1；若已经存在有效峰值，则将当前点的tempPos与所存储的前一个峰值点的位置peakPos[peakNum-1]相比较：当tempPos-peakPos[peakNum-1]＜Ls时，如果tempPeak＞peakValue[peakNum-1]，那么设置peakPos[peakNum-1]＝tempPos，peakValue[peakNum-1]＝tempPeak，峰值计数peakNum值不变；当tempPos-peakPos[peakNum-1]＝L时，则记录峰值位置peakPos[peakNum]＝tempPos，峰值peakValue[peakNum]＝tempPeak，峰值计数peakNum值累加1；其中，Ls为峰值旁瓣搜索窗大小，Ls<L；L为一个前导OFDM符号的采样点数，采样点数与符号长度意义一样。
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第五步中帧定时同步判决过程为：当检测到峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝1且峰值计数peakNum不为0，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示。
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第五步中帧定时同步判决过程为：当已经存在有效峰值，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且超过L点不再检测到新的有效峰值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示。
进一步地，所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其中，所述的第五步中帧定时同步判决过程为：当前峰值计数peakNum达到预设的预期值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示；设正向前导SYNCP的符号数为X个，则可将峰值计数预设的预期值设置为X+1。
一种OFDM通信***中的帧定时同步装置，其中，所述装置包括：相关检测模块、延迟累加模块、峰值搜索模块和同步判决模块，其中，
所述相关检测模块，用于计算接收到的前导符号与本地存储序列的滑动互相关值C1(n)和接收到的前导符号在滑动窗口中的能量值E1(n)；
所述延迟累加模块，用于计算所述滑动互相关值C1(n)的延迟相关累加处理结果C2(n)，以及计算所述滑动窗接收信号能量值E1(n)的延迟相关累加处理结果E2(n)；
所述峰值搜索模块，用于根据所述延迟相关累加处理结果C2(n)及E2(n)、本地存储符号序列的功率值Es、一帧中前导序列的完整OFDM符号总数N和预设的峰值门限值T进行峰值判决及峰值旁瓣搜索；
所述同步判决模块，用于将所述的峰值搜索结果与预设的帧定时同步判决条件相比较，输出帧定时同步状态指示：如果峰值搜索结果满足预设的帧定时同步判决条件，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出成功状态指示；否则，帧定时同步状态输出信号输出失败状态指示；
所述相关检测模块，具体用于将接收到的基带数字信号序列r，经过一个相关检测窗C和一个能量检测窗P，其中，相关检测窗C计算接收到的基带数字信号序列r与本地存储的特征序列s的互相关值，计算方法如下式所示：
能量检测窗P计算接收到的基带数字信号序列r在窗口P内的能量值，计算方法如下式所示：
其中，L为相关检测窗C和能量检测窗P的长度，这里取为一个前导OFDM符号的采样点数，0＜n＜L，0＜m＜M，M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数；
所述延迟累加模块，具体包括：
计算所述滑动互相关值的延迟相关累加处理，方法如下：
其中，winMaxPeakSign为输入到延迟相关累加窗的当前C1(n+m·L)序列的最大值的符号，即，当
时，winMaxPeakSign＝-1；当
时，winMaxPeakSign＝1；如果峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且当前序列C1(n+m1·L)对应的winMaxPeakSign值与前一序列C1(n+m0·L)对应的winMaxPeakSign值相反，则设置peakSignFlipFlag＝1。这里，0＜n＜L，0＜m0＜M,0＜m1＜M,m1＝m0+1，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag用来指示当前序列C1(n+m1·L)与前一序列C1(n+m0·L)的winMaxPeakSign的值是否相同，若两者的winMaxPeakSign的值相同，则peakSignFlipFlag＝0，否则peakSignFlipFlag＝1；peakSignFlipFlag的初始值置为0)；
计算所述滑动窗能量值的延迟相关累加处理，方法如下：
这里M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数；
所述峰值搜索模块，具体还包括峰值判决模块和旁瓣搜索模块，其中，
峰值判决模块首先计算帧定时同步判断值，公式如下：
其中，Es为对应本地前导符号序列的功率值，
本地前导序列的符号序列s(k)是已知的固定序列，因此Es可预先计算并储存；N为一帧中前导序列完整的OFDM符号数目；
将所述帧定时同步判断值Q(n)与预设的峰值门限T进行比较，当满足Q(n)≥T时，记录当前点的位置tempPos以及相应的检测值tempPeak，其中tempPeak＝Q(n)；
旁瓣搜索模块进行峰值旁瓣搜索，若当前点检测到的是第一个峰值，则记录峰值位置peakPos[0]＝tempPos，峰值peakValue[0]＝tempPeak，峰值计数peakNum＝1；若已经存在有效峰值，则将当前点的tempPos与所存储的前一个峰值点的位置peakPos[peakNum-1]相比较。当tempPos-peakPos[peakNum-1]＜Ls时，如果tempPeak＞peakValue[peakNum-1]，那么设置peakPos[peakNum-1]＝tempPos，peakValue[peakNum-1]＝tempPeak，峰值计数peakNum值不变；否则，当tempPos-peakPos[peakNum-1]＝L时，则记录峰值位置peakPos[peakNum]＝tempPos，峰值peakValue[peakNum]＝tempPeak，峰值计数peakNum值累加1；其中，Ls为峰值旁瓣搜索窗大小，可由仿真确定；L为一个前导OFDM符号的采样点数；
所述同步判决模块，其输入为峰值搜索输出结果，输出为帧定时同步状态输出信号，当检测到峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝1且峰值计数peakNum不为0，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示；
所述同步判决模块，还可以设置为：其输入为峰值搜索输出结果，输出为帧定时同步状态输出信号，当已经存在有效峰值，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且超过L点不再检测到新的有效峰值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示；
所述同步判决模块，还可以设置为：其输入为峰值搜索输出结果，输出为帧定时同步状态输出信号，当前峰值计数peakNum达到预期值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示。
本发明提供的一种OFDM通信***中的帧定时同步方法和装置，首先计算接收到的基带数据信号与本地参考前导符号序列的滑动互相关值及接收信号在滑动窗内的功率值，接着将得到的滑动互相关值及滑动窗内接收信号功率值分别进行延迟相关累加，基于两者延迟相关累加结果、本地前导符号序列的功率值以及一帧中前导序列完整的OFDM符号总数计算帧定时同步判断值，将获得的帧定时同步判断值与预设的峰值门限进行比较并进行峰值旁瓣搜索，再根据峰值搜索结果进行同步判决，输出帧定时同步状态指示。相比现有技术，本发明帧定时同步方案计算复杂度低，便于硬件实现，在接收到前导序列的有效OFDM符号数较少情况下也能精确同步，适用于各种复杂的电力线信道环境。
附图说明
图1为本发明实施例中前导帧格式示意图；
图2为本发明实施例中帧定时同步计算方法原理框图；
图3为本发明实施例中帧定时同步方法的流程图；
图4为本发明实施例中帧定时同步装置组成结构示意图；
图5为本发明实施例中帧定时同步峰值搜索流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
在高速电力线载波通信***中，前导帧格式如图1所示。前导序列包含有10.5个SYNCP符号和2.5个SYNCM符号。SYNCM＝-SYNCP。每个前导SYNCP时域点数(FFT长度)L＝1024。其中，前导开始的0.5个SYNCP是SYNCP的后半部分，最后的0.5个SYNCM是SYNCM的前半部分。
OFDM***中，定时同步通常包括帧同步和符号定时同步。而基于OFDM调制的高速电力线载波通信***中的帧符号格式是固定的，因此，帧同步等同于符号定时同步。高速电力线载波通信协议中设计的前导具有良好的相关性，可以用来做帧定时同步。对于接收端来说，前导是已知的，可以将接收到的基带数据与本地已知的SYNCP符号序列进行滑动互相关计算，得到一个互相关值C1(n)，同时计算滑动窗内的接收信号能量值E1(n)，再将所述滑动互相关值C1(n)和滑动窗接收信号能量值E1(n)分别进行延迟相关累加，得到C2(n)和E2(n)。基于C2(n)、E2(n)、本地前导序列SYNCP的符号序列的功率值Es以及预设的一帧中前导序列的OFDM符号总数N，进行门限值计算，得到Q(n)。将门限值Q(n)与预设的峰值门限T比较，并在预设的搜索窗中进行峰值旁瓣搜索，最后根据峰值搜索结果进行定时同步判决；峰值门限T是根据仿真技术得到的经验值；根据本发明一实施方式的帧定时同步计算方法框图如图2所示。
图3是根据本发明一实施方式的帧定时同步方法流程示意图。具体过程如下：
第一步：接收到的基带数字信号序列r，经过两个滑动窗C和P，其中滑动窗C和P窗口大小均为L，L的取值为一个前导OFDM符号的点数，即L＝1024，其中，
滑动窗C计算接收到的基带数字信号序列r与本地存储的序列s的互相关值，计算方法如下式(1)所示：
这里，本地存储的序列s(k)为本地前导序列SYNCP的符号序列，即，当SYNCP(k)＜0时，s(k)＝-1；当SYNCP(k)≥0时，s(k)＝1。其中k＝0,...,L-1。
滑动窗P计算接收到的基带数字信号序列r在窗口P内的能量值，计算方法如下式(2)所示：
这里L为滑动窗C和P的大小，这里取为一个前导OFDM符号的FFT点数，即L＝1024，0＜n＜L，0＜m＜M，M为当前接收帧中前导OFDM符号的有效符号数，其具体取值由实际情况而定。
第二步：将所述滑动互相关值C1(n)和滑动窗接收信号能量值E1(n)分别进行延迟相关累加，得到C2(n)和E2(n)，具体地，
对相关检测窗C的输出结果C1(n)进行延迟相关累加计算，方法如下：
其中，winMaxPeakSign为输入到延迟相关累加窗的当前C1(n)序列的最大值的符号，即当
时，winMaxPeakSign＝-1；当
时，winMaxPeakSign＝1。如果峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且当前窗与前一个窗的winMaxPeakSign值相反，则设置peakSignFlipFlag＝1；峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag用来指示当前序列C1(n+m1·L)与前一序列C1(n+m0·L)的winMaxPeakSign的值是否相同，若两者的winMaxPeakSign的值相同，则peakSignFlipFlag＝0，否则peakSignFlipFlag＝1。peakSignFlipFlag的初始值置为0。
对能量检测窗P的输出结果E1(n)进行延迟相关累加计算，方法如下：
这里M为当前接收帧中前导OFDM符号的有效符号数，其具体取值由实际情况而定。
第三步：基于所述C2(n)、E2(n)、本地前导序列SYNCP的符号序列的功率值Es以及预设的一帧中前导序列的OFDM符号总数N，进行门限值计算，公式如下：
其中，Es为本地前导序列SYNCP的符号序列的功率值，
本地前导序列的符号序列s(k)是已知的固定序列，因此Es可预先计算并存好。N取一帧中前导序列的完整的OFDM符号总数，即N＝12。
第四步：将所述门限值Q(n)与预设的峰值门限T进行比较，当满足Q(n)≥T时，记录当前点的位置tempPos以及相应的检测值tempPeak，其中tempPeak＝Q(n)。T为峰值门限，可由仿真确定，这里取T＝0.02。否则，进行帧定时同步判决。
第五步：根据所述检测到的峰值，进行峰值旁瓣搜索。若当前点检测到的是第一个峰值，则记录峰值位置peakPos[0]＝tempPos，峰值peakValue[0]＝tempPeak，峰值计数peakNum＝1；若已经存在有效峰值，则将当前点的tempPos与所存储的前一个峰值点的位置peakPos[peakNum-1]相比较。当tempPos-peakPos[peakNum-1]＜Ls时，如果tempPeak＞peakValue[peakNum-1]，那么设置peakPos[peakNum-1]＝tempPos，peakValue[peakNum-1]＝tempPeak，峰值计数peakNum值不变；否则，当tempPos-peakPos[peakNum-1]＝L时，则记录峰值位置peakPos[peakNum]＝tempPos，峰值peakValue[peakNum]＝tempPeak，峰值计数peakNum值累加1。其中，Ls为峰值旁瓣搜索窗大小，可由仿真确定，这里可取Ls＝250，即最大多径时延为10us所对应的时域点数；L为一个前导OFDM符号的FFT点数，这里L＝1024。
第五步：判断峰值搜索输出结果是否满足预设的帧定时同步判决条件，优选地，可包括以下一种或几种方法的组合：
方法一：当检测到峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝1且峰值计数peakNum不为0，则判定帧定时同步成功，输出帧定时同步成功指示；
方法二：当已经存在有效峰值，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且超过L点不再检测到新的有效峰值，则判定帧定时同步成功，输出帧定时同步成功指示。
方法三：当前峰值计数peakNum达到预期值，则判定帧定时同步成功，输出帧定时同步成功指示。
如图4所示，实现上述OFDM通信***中的帧定时同步方法的装置，包括：相关检测模块、延迟累加模块、峰值搜索模块和同步判决模块，其中，
所述相关检测模块，用于计算接收到的前导符号与本地存储序列的滑动互相关值C1(n)和接收到的前导符号在滑动窗口中的能量值E1(n)；
所述延迟累加模块，用于计算所述滑动互相关值C1(n)的延迟相关累加值C2(n)，以及计算所述滑动窗接收信号能量值E1(n)的延迟相关累加值E2(n)；
所述峰值搜索模块，用于根据所述延迟相关累加值C2(n)及E2(n)、本地存储符号序列的功率值Es、预设的一帧中前导序列的OFDM符号总数N和预设的峰值门限值T进行峰值判决及峰值旁瓣搜索；
如图5所示，所述峰值搜索模块，具体还包含峰值判决模块和旁瓣搜索模块。
所述同步判决模块，用于将所述的峰值搜索结果与预设的帧定时同步判决条件相比较，如果峰值搜索结果满足预设的帧定时同步判决条件，则判定帧定时同步成功，输出帧定时同步成功指示。
本发明在接收前导序列有效OFDM符号数比较少的情况下仍可实现准确的定时同步，具有定时同步精确度高，实现复杂度低的特点，在OFDM***中具有很高的应用价值。
本技术方案的原理具体说明如下：
OFDM***中，定时同步通常包括帧同步和符号定时同步。而基于OFDM调制的高速电力线载波通信***中的帧符号格式是固定的，因此，帧同步等同于符号定时同步。高速电力线载波通信协议中设计的前导具有良好的相关性，可以用来做帧定时同步。而协议中设计的前导符号，对接收端来说是已知的，因此，可以将接收到的基带数字信号与本地已知的前导符号做互相关，当接收到的前导数据在滑动窗口部分与本地前导SYNCP符号恰好对齐的时候，便会出现一个尖峰。找到互相关的峰值点，就可以确定一帧中前导符号的结束位置，从而实现帧定时同步。
由于噪声的干扰，接收的数据信号会出现幅度的衰减，互相关值的峰值变化较大，定时门限不好确定，会造成定时不准确。此外，在高信噪比情况下，互相关值的峰值非常明显，同步精度会比较高；而在低信噪比情况下，互相关值的峰值与旁瓣差距不大，同步精度会比较低。
为解决这一问题，可将一次互相关的结果，再进行延迟相关累加，由于噪声的相互抵消，相对得到了抑制，所得到的峰值比一次互相关峰值更加稳定。
高速电力线载波通信协议中的前导包含有10.5个SYNCP符号与2.5个SYNCM符号，SYNCM＝-SYNCP。一般地，在接收机侧，接收信号经过AGC调整稳定后再送入数字基带解调器进行信号解调。高速电力线载波通信***中的AGC调整也是基于接收到的前导序列进行。当信道条件比较恶劣时，经AGC调整稳定后的可用于后续帧定时同步及信道估计的接收前导序列的有效OFDM符号数将会比较少。可以根据当前输入到延迟相关累加窗的序列最大值的符号，判断当前进行延迟相关累加的是SYNCP符号还是SYNCM，并设置峰值符号翻转标志。最终通过峰值符号翻转或峰值计数，找到最后一个前导符号的结束点，就可以找到有效数据的开始位置。
当电力线信道情况恶劣，信号失真较为严重时，峰值旁瓣可能会变得很大，超过初始设定的峰值门限，影响峰值的计数。采用搜索旁瓣的方法，在峰值旁边Ls个点附近即使有多个值超过门限值，峰值计数只增加1。理想情况下，是每L点出现一个峰值。通过搜索旁瓣周边的Ls个点的方法，排除了旁瓣的干扰，极大提高了峰值计数的准确性。
本发明帧定时同步方案计算复杂度低，便于硬件实现，在接收到前导序列的有效OFDM符号数较少情况下也能精确同步，适用于各种复杂的电力线信道环境。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种OFDM通信***中的帧定时同步方法，其特征在于，包括：
第一步：将OFDM通信***的基带采样接收序列r，经过一个相关检测窗C和一个能量检测窗P，即对同一个基带采样接收序列r，进行本地互相关计算和能量值计算，这两种计算可并行执行，其中相关检测窗C和能量检测窗P是随输入的每个采样点数据取L点最新的采样接收序列r数据进行计算，L可配置，根据OFDM***的FFT点数进行选择，相关检测窗C是采用滑动窗的方法，计算滑动窗内的数据序列与本地所存储的同步序列的互相关性，相关检测窗C的输出结果记为C1(n)，对于相关检测窗C，每个输入的采样点都能计算得到一个相关值C1，因此C1(n)是一组数据组成的序列；能量检测窗P计算窗口P内数据序列的功率值，能量检测窗P的输出结果记为E1(n)，对于能量检测窗P，每个输入采样点都能计算得到一个能量值E1，因此E1(n)是一组数据组成的序列；这里，n是滑窗内输入数据的序号，即输入滑窗的第几个数据，0＜n＜L；L是滑动窗的窗长；
所述的第一步包含如下步骤：
步骤1-1：相关检测窗C计算接收到的基带数字信号序列r与本地存储的特征序列s(k)的互相关值，计算方法如下式所示：
k是接收序列与本地同步序列进行互相关计算过程的数据序号；
m为计算过程中所统计的OFDM符号的序号；
所述的本地存储的特征序列s(k)为本地前导序列SYNC的符号序列，即s(k)为本地前导序列SYNC数据的正负号指示，当前导序列SYNC数据为非负数，即SYNC(k)≥0时，相应的s(k)＝1；当前导序列SYNC数据为负数，即SYNC(k)＜0时，相应的s(k)＝-1，SYNC(k)为本地前导序列SYNC的第k个数据；其中SYNC可为SYNCP或SYNCM符号，SYNCP即为SYNC的正向序列，即等同于SYNC序列，而SYNCM即为SYNC序列的反向序列，SYNCM＝-SYNCP，k＝0,...,L-1；
步骤1-2：能量检测窗P计算接收到的基带数字信号序列r在窗口P内的功率值，计算方法如下式所示：
其中，L为相关检测窗C和能量检测窗P的大小，取值为一个前导OFDM符号的采样点数，0＜n＜L，0＜m＜M，M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数；
第二步：将相关检测窗C的结果C1(n)进行延迟相关累加处理，得到C2(n)，将能量检测窗P的结果E1(n)进行延迟相关累加处理，得到E2(n)；
所述的第二步包含如下步骤：
步骤2-1：对相关检测窗C的输出结果C1(n)进行延迟相关累加处理计算，公式如下：
其中，winMaxPeakSign为输入到延迟相关累加窗的当前C1(n+m·L)序列的最大值的符号指示，即：当
时，winMaxPeakSign＝-1；当
时，winMaxPeakSign＝1；如果峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且当前序列C1(n+m1·L)对应的winMaxPeakSign值与前一序列C1(n+m0·L)对应的winMaxPeakSign值相反，则设置peakSignFlipFlag＝1，这里，0＜n＜L，0＜m0＜M,0＜m1＜M,m1＝m0+1；m0、m1与前述的m意义一样，均为OFDM符号的序号，m1代表当前的OFDM符号的序号，m0代表前一个OFDM符号的序号；峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag用来指示当前序列C1(n+m1·L)与前一序列C1(n+m0·L)的winMaxPeakSign的值是否相同，若两者的winMaxPeakSign的值相同，则peakSignFlipFlag＝0，否则peakSignFlipFlag＝1；peakSignFlipFlag的初始值置为0；
步骤2-2：对能量检测窗P的输出结果E1(n)进行延迟相关累加处理计算，方法如下：
这里M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数；
第三步：包括，依据每次两个滑动窗的延迟相关累加处理的结果C2(n)和E2(n)、以及本地前导符号功率值Es和一帧中前导序列完整的OFDM符号数目N，计算帧定时同步判断值Q(n)，公式如下：
所述的每次指的是每个采样点均要计算，相邻次之间的间隔就是一个采样时间间隔；
Es为本地前导符号序列的功率值，
本地前导序列的符号序列s(k)是已知的固定序列；N为基于OFDM的通信标准中规定的前导OFDM符号的个数；M为接收机***帧定时同步模块实际接收到的完整和有效的前导OFDM符号个数，M小于等于N；
第四步：将帧定时同步判断值Q(n)与预设的峰值门限T比较，并在预设的搜索窗中进行峰值旁瓣搜索，这里峰值搜索窗的长度设为Ls点；
所述的第四步包含如下步骤：
步骤4-1：将所述帧定时同步判断值Q(n)与预设的峰值门限T进行比较，当满足Q(n)≥T时，记录当前采样点的位置tempPos以及相应的检测值tempPeak，其中tempPeak＝Q(n)；
步骤4-2：进行峰值旁瓣搜索；若当前点检测到的是第一个峰值，则记录峰值位置peakPos[0]＝tempPos，峰值peakValue[0]＝tempPeak，峰值计数peakNum＝1；若已经存在有效峰值，则将当前点的tempPos与所存储的前一个峰值点的位置peakPos[peakNum-1]相比较：当tempPos-peakPos[peakNum-1]＜Ls时，如果tempPeak＞peakValue[peakNum-1]，那么设置peakPos[peakNum-1]＝tempPos，peakValue[peakNum-1]＝tempPeak，峰值计数peakNum值不变；当tempPos-peakPos[peakNum-1]＝L时，则记录峰值位置peakPos[peakNum]＝tempPos，峰值peakValue[peakNum]＝tempPeak，峰值计数peakNum值累加1；其中，Ls为峰值旁瓣搜索窗大小，Ls<L；L为一个前导OFDM符号的采样点数，采样点数与符号长度意义一样；
第五步：将峰值搜索结果与预设的帧定时同步判决条件相比较，输出帧定时同步状态指示：如果峰值搜索结果满足预设的帧定时同步判决条件，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出成功状态指示；否则，帧定时同步状态输出信号输出失败状态指示。
2.根据权利要求1所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其特征在于，所述的第五步中帧定时同步判决过程为：当检测到峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝1且峰值计数peakNum不为0，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示。
3.根据权利要求1所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其特征在于，所述的第五步中帧定时同步判决过程为：当已经存在有效峰值，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且超过L点不再检测到新的有效峰值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示。
4.根据权利要求1所述的OFDM通信***中的帧定时同步方法，其特征在于，所述的第五步中帧定时同步判决过程为：当前峰值计数peakNum达到预设的预期值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示；设正向前导SYNCP的符号数为X个，则可将峰值计数预设的预期值设置为X+1。
5.一种OFDM通信***中的帧定时同步装置，其特征在于，所述装置包括：相关检测模块、延迟累加模块、峰值搜索模块和同步判决模块，其中，
所述相关检测模块，用于计算接收到的前导符号与本地存储序列的滑动互相关值C1(n)和接收到的前导符号在滑动窗口中的能量值E1(n)；
所述延迟累加模块，用于计算所述滑动互相关值C1(n)的延迟相关累加处理结果C2(n)，以及计算所述滑动窗接收信号能量值E1(n)的延迟相关累加处理结果E2(n)；
所述峰值搜索模块，用于根据所述延迟相关累加处理结果C2(n)及E2(n)、本地存储符号序列的功率值Es、一帧中前导序列的完整OFDM符号总数N和预设的峰值门限值T进行峰值判决及峰值旁瓣搜索；
所述同步判决模块，用于将所述的峰值搜索结果与预设的帧定时同步判决条件相比较，输出帧定时同步状态指示：如果峰值搜索结果满足预设的帧定时同步判决条件，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出成功状态指示；否则，帧定时同步状态输出信号输出失败状态指示；
所述相关检测模块，具体用于将接收到的基带数字信号序列r，经过一个相关检测窗C和一个能量检测窗P，其中，相关检测窗C计算接收到的基带数字信号序列r与本地存储的特征序列s的互相关值，计算方法如下式所示：
能量检测窗P计算接收到的基带数字信号序列r在窗口P内的能量值，计算方法如下式所示：
其中，L为相关检测窗C和能量检测窗P的长度，这里取为一个前导OFDM符号的采样点数，0＜n＜L，0＜m＜M，M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数；
所述延迟累加模块，具体包括：
计算所述滑动互相关值的延迟相关累加处理，方法如下：
其中，winMaxPeakSign为输入到延迟相关累加窗的当前C1(n+m·L)序列的最大值的符号，即，当
时，winMaxPeakSign＝-1；当
时，winMaxPeakSign＝1；如果峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且当前序列C1(n+m1·L)对应的winMaxPeakSign值与前一序列C1(n+m0·L)对应的winMaxPeakSign值相反，则设置peakSignFlipFlag＝1；这里，0＜n＜L，0＜m0＜M,0＜m1＜M,m1＝m0+1，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag用来指示当前序列C1(n+m1·L)与前一序列C1(n+m0·L)的winMaxPeakSign的值是否相同，若两者的winMaxPeakSign的值相同，则peakSignFlipFlag＝0，否则peakSignFlipFlag＝1；peakSignFlipFlag的初始值置为0)；
计算所述滑动窗能量值的延迟相关累加处理，方法如下：
这里M为当前接收帧中完整和有效的前导OFDM符号的个数；
所述峰值搜索模块，具体还包括峰值判决模块和旁瓣搜索模块，其中，
峰值判决模块首先计算帧定时同步判断值，公式如下：
其中，Es为对应本地前导符号序列的功率值，
本地前导序列的符号序列s(k)是已知的固定序列，因此Es可预先计算并储存；N为一帧中前导序列完整的OFDM符号数目；
将所述帧定时同步判断值Q(n)与预设的峰值门限T进行比较，当满足Q(n)≥T时，记录当前点的位置tempPos以及相应的检测值tempPeak，其中tempPeak＝Q(n)；
旁瓣搜索模块进行峰值旁瓣搜索：若当前点检测到的是第一个峰值，则记录峰值位置peakPos[0]＝tempPos，峰值peakValue[0]＝tempPeak，峰值计数peakNum＝1；若已经存在有效峰值，则将当前点的tempPos与所存储的前一个峰值点的位置peakPos[peakNum-1]相比较；当tempPos-peakPos[peakNum-1]＜Ls时，如果tempPeak＞peakValue[peakNum-1]，那么设置peakPos[peakNum-1]＝tempPos，peakValue[peakNum-1]＝tempPeak，峰值计数peakNum值不变；否则，当tempPos-peakPos[peakNum-1]＝L时，则记录峰值位置peakPos[peakNum]＝tempPos，峰值peakValue[peakNum]＝tempPeak，峰值计数peakNum值累加1；其中，Ls为峰值旁瓣搜索窗大小，可由仿真确定；L为一个前导OFDM符号的采样点数；
所述同步判决模块，其输入为峰值搜索输出结果，输出为帧定时同步状态输出信号，当检测到峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝1且峰值计数peakNum不为0，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示；
所述同步判决模块，其输入为峰值搜索输出结果，输出为帧定时同步状态输出信号，当已经存在有效峰值，峰值符号翻转标志peakSignFlipFlag＝0且超过L点不再检测到新的有效峰值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示；
所述同步判决模块，其输入为峰值搜索输出结果，输出为帧定时同步状态输出信号，当前峰值计数peakNum达到预期值，则判定帧定时同步成功，帧定时同步状态输出信号输出同步成功状态指示。
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