專利名稱：一種低復(fù)雜度ofdm快速同步的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信或有線通信領(lǐng)域，它特別涉及OFDM同步的方法。
背景技術(shù)：
OFDM由于具有數(shù)據(jù)傳輸速率高，抗多徑干擾能力強，頻譜效率高等優(yōu)點，越來越受到重視。它已成功用于有線、無線通信。如DAB(Digital Audio Broadcasting)、DVB、IEEE802.11a及HyperLAN/2中。OFDM這種新的調(diào)制技術(shù)也可用于新一代的移動通信系統(tǒng)中。使用OFDM技術(shù)將大大提高新一代移動通信系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)率和頻譜效率，且具有很好的抗多徑能力，見文獻Bingham，J.A.C.，“Multicarriermodulation for data transmissionan idea whosetime has come”，IEEE Communications Magazine，Volume28 Issue5，May 1990，Page(s)5-14和文獻YunHee Kim；Iickho Song；Hong Gil Kim；Taejoo Chang；Hyung Myung Kim，“Performance analysis of a coded OFDMsystem in time-varying multipath Rayleigh fading channels”，Vehicular Technology，IEEE Transactions on，Volume48 Issue5，Sept.1999，Page(s)1610-1615所述。
OFDM技術(shù)的弱點之一是對時間和頻率同步的要求比單載波系統(tǒng)要高得多。一般要求采用OFDM技術(shù)的系統(tǒng)在接收端頻率偏移不超過其子載波間隔的2％見文獻van de Beek，J.J.；Sandell.M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume45 Issue7，July 1997，Page(s)1800-1805所述。
在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，從而減小了多徑衰落的影響。
由于OFDM技術(shù)的弱點之一是對同步誤差很敏感。一般來說，同步分為時間同步和頻率同步。在多徑環(huán)境下，OFDM對時間同步要求很高，頻率同步方面，由頻偏所引入的ICI會惡化每個子載波的信噪比，從而惡化整個OFDM通信系統(tǒng)的性能，見文獻Moose，P.H，“Atechnique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction”，IEEE TRANSACTIONS ONCOMMUNICATIONS，volume 42，Issue 10，Oct.1994 Page(s)2908-2914。OFDM系統(tǒng)中，同步模塊的位置見圖1中的模塊7。時間同步的目的是在收到的串行數(shù)據(jù)流中找出各個OFDM符號的邊界；而頻率同步的目的是求出并糾正收端的頻率偏移。
常規(guī)的進行時間同步的方法有兩種
1)利用訓(xùn)練序列進行自相關(guān)的方法見文獻Timothy M.Schmidl，Donald C.Cox，“RobustFrequency and Timing Synchronization for OFDM”，IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS，VOL.45，NO.12，DECEMBER 1997，Page(s)1613-1621所述在OFDM技術(shù)中，其基本原理如下(如圖2所示)發(fā)端在OFDM符號中放置兩段相同的訓(xùn)練序列，然后在收端對接收信號不斷搜索此已知的訓(xùn)練序列，從而得到OFDM的時間同步信息。收端搜索的實現(xiàn)方式是按照下式求相關(guān)γ[n]=Σm=1Ntr[m+Nt+n]·r*[m+n]---(1)]]>其中，r[n]為接收信號，Nt為訓(xùn)練序列的長度，m表示接收序列中數(shù)據(jù)的相對位置。
2)利用訓(xùn)練序列進行互相關(guān)的方法見文獻Tufvesson，F(xiàn).；Edfors，O.；Faulkner，M.，“Time andfrequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles，”Vehicular Technology Conference，1999.VTC 1999-Fall.IEEE VTS 50th，Volume4，1999，Page(s)2203-2207所述在OFDM技術(shù)中，其基本原理如下(如圖3所示)發(fā)端在OFDM符號中放置訓(xùn)練序列，然后在收端對接收信號不斷搜索此已知的訓(xùn)練序列，從而得到OFDM的時間同步信息，實現(xiàn)同步。收端搜索的實現(xiàn)方式是按照下式求相關(guān)β[n]=Σm=1Ntr[n-m]·t*[m]---(2)]]>其中，r[n]為接收信號，Nt為訓(xùn)練序列的長度，m為接收序列相對本地訓(xùn)練序列滑動，t[n]為訓(xùn)練序列。
實際工程中，一般并不是通過遍歷搜索的方法來找到相關(guān)函數(shù)的峰值，而是采用設(shè)定檢測門限的方法來找到該點，為了提高檢測概率和降低虛警概率，通常要求相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性。
通常，訓(xùn)練序列由一個不重復(fù)的已知序列構(gòu)成。在采用T.M.Schmidl的方法進行時間同步的時候，圖1中的信號經(jīng)過模塊7后的輸出值如圖4所示。由于信道的影響，并不是如預(yù)期的是一個尖銳的峰值，所以不容易準確的找到同步；而采用Tufvesson的方法進行時間同步的時候，實現(xiàn)起來比較困難，同步速度較慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低復(fù)雜度OFDM快速同步的方法，它具有的特點是收端無需通過逐位進行自相關(guān)就能找到時間同步的大致位置，而后從此位置進行互相關(guān)，實現(xiàn)同步，因此采用本發(fā)明方法可以降低實現(xiàn)復(fù)雜度并且提高了接收機的時間同步速度。
為了方便地描述本文的內(nèi)容，首先作一下術(shù)語定義加PN序列選擇一段PN序列，將兩段相同的PN序列放置在已調(diào)制過的數(shù)據(jù)之中構(gòu)成數(shù)據(jù)序列去PN序列按照加PN序列的方法對應(yīng)去掉數(shù)據(jù)序列中的PN序列FFT/IFFT快速傅立葉變換/快速傅立葉逆變換循環(huán)前綴(CP)OFDM符號為了消除由于多徑造成的ICI，在其保護間隔內(nèi)填入的信號，是OFDM符號本身的后面部分信號的復(fù)制。
自相關(guān)運算一個給定序列同它自身滯后若干長度的序列的逐位共扼相乘，并將一定數(shù)量的共扼相乘進行求和運算互相關(guān)運算兩個給定序列之間的逐位共扼相乘，并將一定數(shù)量的共扼相乘進行求和運算本發(fā)明提供了一種低復(fù)雜度OFDM時間同步的方法，它包含下列步驟發(fā)端對發(fā)射信號的處理步驟如下步驟1將輸入數(shù)據(jù)進行調(diào)制2和加PN序列11，形成一個長度為N的數(shù)據(jù)序列d[k]k∈
，對數(shù)據(jù)序列d[k]依次進行串并轉(zhuǎn)換1、IFFT3，并串轉(zhuǎn)換4和加CP5后，得到發(fā)射數(shù)據(jù)s[k]，其中，N為OFDM系統(tǒng)中的FFT點數(shù)，PN序列m[n]n∈
取值為復(fù)數(shù)形式，即m[n]∈{1+j，-1-j}；步驟2發(fā)射數(shù)據(jù)s[k]經(jīng)過信道6、去CP8、串并轉(zhuǎn)換1、FFT9和并串轉(zhuǎn)換4后得到接收數(shù)據(jù)信號r[k]；其特征在于它還包括收端對接收信號的處理步驟步驟3對于步驟2中的接收數(shù)據(jù)信號r[k]，當收端收到L個接收數(shù)據(jù)信號r[k]，k＝0，1，...，L-1后，將接收數(shù)據(jù)信號r[k]和滯后接收數(shù)據(jù)信號Nm長度的序列r[k+Nm]進行長度為Nm的自相關(guān)運算，得到r[k]的自相關(guān)值Q[l]；
計算公式為Q[l]=Σk=0Nm-1r[k+Nm+l]·r*[k+l],l=0,L,2L,...---(3)]]>其中，Nm是PN序列的長度，L＜2Nm，N是OFDM符號的長度。L、N和Nm均為正整數(shù)，*表示求共扼運算。
步驟4對步驟3中得到的自相關(guān)值Q[l]進行求模和歸一化的操作，得到的相關(guān)輸出歸一化幅度 計算公式如下Q~[l]=Q[l]|Q[l+L]|,l=0,L,2L,...---(4)]]>其中，Nm為訓(xùn)練序列的長度；l為接收序列中接收數(shù)據(jù)信號r[k]的相對位置；步驟5設(shè)定判決門限為 如圖7所示；步驟6當步驟4中接收數(shù)據(jù)信號r[k]的相關(guān)輸出歸一化幅度 大于步驟5中的門限 時，即認為實現(xiàn)了OFDM的時間粗同步，此時相關(guān)輸出歸一化幅度 對應(yīng)的接收數(shù)據(jù)信號r[k]的相對位置l令為 步驟7當k=l~-Lg]]>時，將接收到的信號數(shù)據(jù)r[k]與本地PN序列t[n]進行長度為Nm的互相關(guān)運算，得到接收到的數(shù)據(jù)信號r[k]和本地PN序列t[n]的互相關(guān)值E[a]；計算公式為E[a]=Σk=l~-Lgl~-Lg+Nmr[k+a]·t*[k]a=0,1,...,M---(5)]]>其中，t[n]為本地的PN序列，它與發(fā)端的PN序列m[n]n∈
是完全一樣的，r[k]為接收信號，Nm為PN序列的長度，a為接收序列相對本地訓(xùn)練序列滑動距離，*表示求共扼運算，L≤Lg<l~,]]>M≥2L，L是步驟3中提到的參數(shù)，Lg和M均為正整數(shù)；步驟8將步驟7中得到的接收到的數(shù)據(jù)信號r[k]和本地PN序列t[n]的互相關(guān)值E[a]進行共扼相乘運算，得到互相關(guān)值E[a]的共扼相關(guān)值
計算公式如下E~[a]=E*[a]E[a+1]a=0,1,...,M-1---(6)]]>其中，*表示求共扼運算。
步驟9求出步驟8中互相關(guān)值E[a]的共扼相關(guān)值 的幅度M[a]；計算公式如下M[a]=|E~[a]|a=0,1,...,M-1---(7)]]>其中，||表示求模運算。
步驟10找到第一個超過門限的幅度M[a]所對應(yīng)的接收序列相對本地訓(xùn)練序列的滑動距離 ，即實現(xiàn)了時間精同步；步驟11將實現(xiàn)了時間精同步的數(shù)據(jù)進行去PN序列14和解調(diào)10。
經(jīng)過以上步驟，就可以達到OFDM快速同步。
需要說明的是步驟3、4、6實現(xiàn)了圖5中粗同步模塊12的功能，步驟7、8、9、10實現(xiàn)了圖5中精同步模塊13的功能。
這種設(shè)計方法的依據(jù)是1)由于訓(xùn)練序列m[k]k∈
，已知，當選擇的訓(xùn)練序列m[k]k∈
具有優(yōu)良自相關(guān)特性時，易于實現(xiàn)OFDM的時間和頻率同步。
2)由于訓(xùn)練序列中包含了連續(xù)兩個相同的PN序列，因此可以滿足PN序列所要求的當收到L個數(shù)據(jù)的時候進行的自相關(guān)運算和互相關(guān)運算。收端接收到L個數(shù)據(jù)后進行自相關(guān)運算，得到相關(guān)值的歸一化幅度，此歸一化幅度超過門限就判定粗同步；然后開始進行與本地PN序列的互相關(guān)運算，得到M+1個互相關(guān)值；將相鄰的兩個互相關(guān)值共扼相乘，得到M個共扼相關(guān)值；找出這M個共扼相關(guān)值中第一個超過門限的值，即實現(xiàn)了時間同步。
3)一般來說，選擇的L值較大，這可以減少自相關(guān)的次數(shù)，從而降低實現(xiàn)難度，同時提高同步速度。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，粗同步時，利用了圖8所示的自相關(guān)的對稱性，當接收到L個數(shù)據(jù)才進行一次自相關(guān)代替圖2所示的方法，從而估計出時間同步的大致位置；從此位置開始，按照圖9所示的方法進行互相關(guān)，最后找到第一個超過門限值的，即可得到準確的時間同步點從而實現(xiàn)時間精同步。
本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，具有以下特點1、發(fā)端使用的兩段相同的連續(xù)PN序列；2、收端先將接收數(shù)據(jù)隔L點進行自相關(guān)運算，得到粗略的同步位置 3、再將接收數(shù)據(jù)從k=l~-Lg]]>開始，與本地PN序列進行M+1次共軛相關(guān)，再將結(jié)果作共扼相關(guān)。
本發(fā)明的實質(zhì)是一種利用訓(xùn)練序列的自相關(guān)和互相關(guān)進行OFDM快速同步的方法，其特征在于發(fā)端將某個PN序列重復(fù)一次；收端每接收到L個數(shù)據(jù)就進行一次自相關(guān)，找到超過門限的第一個值所在的位置，再從此位置之前的某個位置開始進行M+1次互相關(guān)，并對相鄰兩個互相關(guān)值進行共扼相乘，最后在這M個共扼乘積的模中找到第一個超過門限的值所在的位置，從而得到時間同步的準確位置。之后，將數(shù)據(jù)送往去PN序列模塊和解調(diào)模塊。
本發(fā)明的有益效果是1、由于本發(fā)明中收端在尋找時間同步點時避免進行復(fù)雜的每接收到一個數(shù)據(jù)就進行一次自相關(guān)運算，而是每接收到L個數(shù)據(jù)才進行一次，因此不需要對全部N點數(shù)據(jù)都進行處理，降低了實現(xiàn)復(fù)雜度；2、由于本發(fā)明中收端在尋找時間同步點時避免進行復(fù)雜的最值搜索，而采用簡單的門限設(shè)定和判決即可，這樣的處理方法也可以降低了實現(xiàn)復(fù)雜度，同時還可以縮短同步時間；3、由于收端對訓(xùn)練序列信號已知，還可利用它進行信道估計或其它用途。


圖1為現(xiàn)有的OFDM系統(tǒng)框圖其中，1為串并轉(zhuǎn)換模塊，2為調(diào)制模塊，3為IFFT變換模塊，4為并串轉(zhuǎn)換模塊，5為加循環(huán)前綴CP模塊，6為信道模塊，7為同步模塊，8為去循環(huán)前綴CP模塊，9為FFT模塊，10為解調(diào)模塊；圖2為現(xiàn)有的利用接收數(shù)據(jù)進行時間同步的原理中，收端把接收數(shù)據(jù)和前m個接收數(shù)據(jù)進行對應(yīng)的共軛相乘，其中m為訓(xùn)練序列的長度，n表示接受序列數(shù)據(jù)的編號，m、n均為正整數(shù)；圖3為現(xiàn)有的利用本地訓(xùn)練序列進行時間同步的原理中，收端把接收數(shù)據(jù)和本地訓(xùn)練序列數(shù)據(jù)進行對應(yīng)位的共軛相乘，其中m為訓(xùn)練序列的長度，n表示接受序列數(shù)據(jù)的編號，m、n均為正整數(shù)；圖4為理想情況下采用T.M.Schmidl的方法進行相關(guān)計算得到的目標函數(shù)值隨l值變化的函數(shù)中，N為整個符號的長度，橫坐標l表示接收數(shù)據(jù)中所含的訓(xùn)練序列與理想同步點的偏移點數(shù)，縱坐標表示相關(guān)計算得到的函數(shù)值，從圖中可以看出，隨l的變化，目標函數(shù)值呈一緩變過程，不具有良好的尖銳特性，因此采用此方法，很難設(shè)定一個較好的峰值監(jiān)測門限；圖5為本發(fā)明所采用的OFDM系統(tǒng)框圖其中，1為串并轉(zhuǎn)換模塊，2為調(diào)制模塊，3為IFFT變換模塊，4為并串轉(zhuǎn)換模塊，5為加循環(huán)前綴CP模塊，6為信道模塊，8為去循環(huán)前綴CP模塊，9為FFT模塊，11為加PN序列模塊，12為粗同步模塊，13為精同步模塊，14為去PN序列模塊；圖6為本發(fā)明的訓(xùn)練序列在OFDM發(fā)射符號中的位置示意中，Ti是采樣時間，Ng是CP的長度，Nm是訓(xùn)練序列的長度，N是IFFT的點數(shù)，在發(fā)射數(shù)據(jù)中，保護間隔中的數(shù)據(jù)為OFDM原始數(shù)據(jù)中后Ng點的數(shù)據(jù)搬移，后面的數(shù)據(jù)為訓(xùn)練序列數(shù)據(jù)與OFDM原始數(shù)據(jù)；圖7為本發(fā)明的OFDM接收信號的粗同步處理流程示意中，Nm是接收端訓(xùn)練序列的長度，收端的接收序列每收到L個數(shù)據(jù)，對接收序列進行長度為Nm的自相關(guān)運算，得到接收序列的自相關(guān)值；并對自相關(guān)值進行求模運算，得到接收序列自相關(guān)輸出的幅度，超過門限即判為時間粗同步點；圖8為本發(fā)明收端時間粗同步中，得到的相關(guān)峰示意圖其中，曲線表示由步驟4得到的歸一化的相關(guān)峰 ，幅值0.8表示硬判門限值；圖9為本發(fā)明的OFDM接收信號的精同步處理流程示意中，Nm是接收端訓(xùn)練序列的長度，收端從時間粗同步點倒退一段距離，將接收序列通過一個大小為Nm的窗口，將窗口中的數(shù)據(jù)與本地PN序列求相關(guān)，得到E[a]；然后，將相鄰的兩段相關(guān)值共扼相乘，得到 ；求得 的幅度 ，最后找出中第一個超過門限的 所在的位置。
圖10為本發(fā)明的OFDM接收信號的處理流程示意圖其中，r[k]是接收端接收到的數(shù)據(jù)信號。
具體實施例方式
下面給出一個具體的OFDM配置下本專利的實施方法。需要說明的是下例中的參數(shù)并不影響本專利的一般性。
此實施方法采用了仿真工具cossap，設(shè)OFDM有用符號長度為N＝4096。
一、發(fā)端PN序列選擇長度為511的Gold序列，記為m[n]n∈
，m[n]∈{1+j，-1-j}。將PN序列m[n]和調(diào)制過的數(shù)據(jù)組成一個長為4096的OFDM符號，經(jīng)過IFFT變換后，在每個OFDM原始符號中加入長度為864的循環(huán)前綴，發(fā)射出去。
二、收端收端每次接收到800個數(shù)據(jù)后就按照公式(3)和(4)計算相關(guān)輸出值，當相關(guān)輸出值大于預(yù)設(shè)門限0.22后，即取得時間粗同步點 ，然后從k=l~-800]]>開始將數(shù)據(jù)通過一個大小為511的窗口，在此窗口內(nèi)按照公式(5)、(6)和(7)計算目標函數(shù)，當函數(shù)值大于預(yù)設(shè)門限28000所對應(yīng)的接收序列相對本地訓(xùn)練序列的滑動距離 ，即取得了時間精同步。
權(quán)利要求
1.一種低復(fù)雜度OFDM時間同步的方法，它包含下列步驟發(fā)端對發(fā)射信號的處理步驟如下步驟1將輸入數(shù)據(jù)進行調(diào)制(2)和加PN序列(11)，形成一個長度為N的數(shù)據(jù)序列d[k]k∈
，對數(shù)據(jù)序列d[k]依次進行串并轉(zhuǎn)換(1)、IFFT(3)，并串轉(zhuǎn)換(4)和加CP(5)后，得到發(fā)射數(shù)據(jù)s[k]，其中，N為OFDM系統(tǒng)中的FFT點數(shù)，PN序列m[n]n∈
取值為復(fù)數(shù)形式，即m[n]∈{1+j，-1-j}；步驟2發(fā)射數(shù)據(jù)s[k]經(jīng)過信道(6)、去CP(8)、串并轉(zhuǎn)換(1)、FFT(9)和并串轉(zhuǎn)換(4)后得到接收數(shù)據(jù)信號r[k]；其特征在于它還包括收端對接收信號的處理步驟步驟3對于步驟2中的接收數(shù)據(jù)信號r[k]，當收端收到L個接收數(shù)據(jù)信號r[k]，k＝0，1，...，L-1后，將接收數(shù)據(jù)信號r[k]和滯后接收數(shù)據(jù)信號Nm長度的序列r[k+Nm]進行長度為Nm的自相關(guān)運算，得到r[k]的自相關(guān)值Q[l]；Q[l]=Σk=0Nm-1r[k+Nm+l]·r*[k+l],l=0,L,2L,...]]>(3)其中，Nm是PN序列的長度，L＜2Nm，N是OFDM符號的長度；L、N和Nm均為正整數(shù)，*表示求共扼運算；步驟4對步驟3中得到的自相關(guān)值Q[l]進行求模和歸一化的操作，得到的相關(guān)輸出歸一化幅度 Q~[l]=Q[l]|Q[l+L]|,l=0,L,2L,...]]>(4)其中，Nm為訓(xùn)練序列的長度；l為接收序列中接收數(shù)據(jù)信號r[k]的相對位置；步驟5設(shè)定判決門限為 步驟6當步驟4中接收數(shù)據(jù)信號r[k]的相關(guān)輸出歸一化幅度 大于步驟5中的門限 時，即認為實現(xiàn)了OFDM的時間粗同步，此時相關(guān)輸出歸一化幅度 對應(yīng)的接收數(shù)據(jù)信號r[k]的相對位置l令為 步驟7當k=l~-Lg]]>時，將接收到的信號數(shù)據(jù)r[k]與本地PN序列t[n]進行長度為Nm的互相關(guān)運算，得到接收到的數(shù)據(jù)信號r[k]和本地PN序列t[n]的互相關(guān)值E[a]；E[a]=Σk=l-Lgl~-Lg+Nmr[k+a]·t*[k],a=0,1,...,M]]>(5)其中，t[n]為本地的PN序列，它與發(fā)端的PN序列m[n]n∈
是完全一樣的，r[k]為接收信號，Nm為PN序列的長度，a為接收序列相對本地訓(xùn)練序列滑動距離，*表示求共扼運算，L≤Lg<l~,]]>M≥2L，L是步驟3中提到的參數(shù)，Lg和M均為正整數(shù)；步驟8將步驟7中得到的接收到的數(shù)據(jù)信號r[k]和本地PN序列t[n]的互相關(guān)值E[a]進行共扼相乘運算，得到互相關(guān)值E[a]的共扼相關(guān)值 E~[a]=E*[a]E[a+1],a=0,1,...,M-1]]>(6)其中，*表示求共扼運算；步驟9求出步驟8中互相關(guān)值E[a]的共扼相關(guān)值 的幅度M[a]；M[a]=|E~[a]|,a=0,1,...,M-1]]>其中，||表示求模運算；步驟10找到第一個超過門限的幅度M[a]所對應(yīng)的接收序列相對本地訓(xùn)練序列的滑動距離 即實現(xiàn)了時間精同步；步驟11將實現(xiàn)了時間精同步的數(shù)據(jù)進行去PN序列(14)和解調(diào)(10)；經(jīng)過以上步驟，就可以達到OFDM快速時間同步。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低復(fù)雜度OFDM快速同步的方法，其特征在于發(fā)端將某個PN序列重復(fù)一次；收端每接收到L個數(shù)據(jù)就進行一次自相關(guān)，找到超過門限的第一個值所在的位置，再從此位置之前開始進行M+1次互相關(guān)，并對相鄰兩個互相關(guān)值進行共扼相乘，最后在這M個共扼乘積的模中找到第一個超過門限的值所在的位置，得到時間同步的準確位置，從而實現(xiàn)快速時間同步。采用本發(fā)明方法可以降低實現(xiàn)復(fù)雜度并且提高了接收機的時間同步速度。
文檔編號H04J11/00GK101083645SQ20061002107
公開日2007年12月5日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者肖悅, 易巧, 雷霞, 李少謙 申請人:電子科技大學