一種頻率粗同步方法

2023-07-28 04:13:36

專利名稱：一種頻率粗同步方法
技術領域：
該發明涉及一種在OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復用技術)通信中的同步方法，具體涉及接收機與發射機之間載波頻率的整數倍子載波頻率偏差的獲取。
背景技術：
DAB系統是由ETSI(European Telecommunications StandardsInstitute，歐洲電信標準協會)提出的一種數字音頻廣播系統，它採用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術)與DQPSK(差分正交相移鍵控調製)相結合的調製方式。OFDM技術需要可靠的同步技術，同步技術包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統的影響最大。由於移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信號的頻率偏移(頻偏)。OFDM系統對頻偏的敏感程度非常高，OFDM系統中區分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。但是，由於傳輸中存在的頻偏會使子信道之間產生幹擾，子載波之間的正交性會遭到破壞，而僅僅1％的頻偏就會使信噪比下降30dB。造成頻偏的因素主要有都卜勒頻移、發射機和接收機晶振的不穩定性等，上述因素都容易造成子載波幹擾和誤碼率的增加。為了避免信噪比的嚴重下降，必須儘可能地減小載波頻率偏差，使載波同步非常精確。
在OFDM系統中，頻率偏差實際上可分解為兩部分整數部分和小數部分。整數部分和小數部分都是相對於子載波間隔而言的。整數部分是等於子載波間隔整數倍的那一部分頻率偏差；小數部分是指小於子載波間隔的那一部分頻率偏差。
載波同步過程分為兩種模式粗同步(Coarse Synchronization)和細同步(Fine Synchronization)。在粗同步模式中，糾正子載波間隔的整數倍的那一部分頻率偏差，同步器將參數的較大初始偏差減小到一個較小的範圍；在細同步模式中，糾正小於子載波間隔的那一部分頻率偏差，同步器將參數的剩餘誤差進一步減小，提高精度。
現有的頻率粗同步方法有以下2種1.將接收到的相位參考碼元(PRS，Phase Reference Symbol)做FFT(快速傅立葉變換)後，與本地產生的PRS共軛相乘，然後將相乘的結果做IFFT變換(快速反傅立葉變換)。當相位參考碼元與本地PRS嚴格對齊的時候，會有峰值出現。
2.將接收到的相位參考碼元PRS與本地產生的經過IFFT變換後的PRS相關。如果接收信號已經時域同步了，相關後會有峰值出現。
以上2種頻率粗同步的方法都存在各自的缺點方法一運算量過大。每一次峰值檢測都需要做共軛相乘並做IFFT。而且，只有當相位參考碼元與本地PRS嚴格對齊的時候，才有峰值出現。所以必須遍歷所有的可能頻偏，而不能大步進行搜索。因此這種方法功耗較大，不適合硬體實現。
方法二算法有效的前提條件苛刻。由於這種方法是在時域上檢測頻偏信息，因此前提條件是必須先在時域上要精確同步。這增加了時域同步的難度。從系統的角度上來講是簡化了某方面的算法，卻大大增加了另一方面的算法難度，得不償失。
由於DAB系統所需要的單頻點組網(SFN，Single FrequencyNetwork)的特性會造成接收機在時域上存在較大的多徑延遲和頻域上的深衰落；另外，接收機需要支持高速移動情況下的信號解調；以及，由於在測量整數倍載波頻偏時無法得到準確的時間同步條件，定時偏移會導致載波偏移。
上述問題都造成整數倍載波頻偏的測量成為一個難點。傳統的頻率同步方法無法解決上述所有的問題或解決上述所有問題的運算太過複雜或耗電量太大。

發明內容
為了解決傳統頻率粗同步方法算法複雜和功耗太大的缺陷，本發明提出一種頻率粗同步方法，在低信噪比條件下利用PRS相關特性實現低功耗、搜索快速準確性高，算法簡單的發明目的。
本發明方法包括如下步驟步驟1通過對接收到的相位參考碼元進行去擾並對去擾後的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2利用相位參考碼元相關特性搜索並確定精確的整數倍頻偏，完成頻率粗同步。
進一步地，所述步驟1具體包括如下步驟步驟1.1對接收的相位參考碼元進行傅立葉變換，得到頻域相位參考碼元；步驟1.2通過將頻域相位參考碼元和本地PRS共軛相乘進行去擾操作；步驟1.3將去擾後的頻域相位參考碼元通過相關器進行自相關。
進一步地，所述步驟2具體包括如下步驟步驟2.1通過峰值檢測器進行相關值峰值檢測，找到最大相關值峰值；步驟2.2同步判決器判斷對所述最大相關值峰值進行多次搜索，直到找大最大相關值，此時本地PRS的頻域偏移位置即為整數倍載波頻偏。
最佳地，在本發明方法中子載波延遲數取值根據不同的OFDM系統應儘量小。
本發明方法只需要在頻域而不是在時域進行頻偏檢測，這樣對時間同步的要求不是那麼嚴格，因此算法有效的前提條件容易滿足；本發明方法無須逐點搜索頻偏，搜索速度快；本發明方法充分地利用了相位參考碼元的特性進行頻偏搜索，因此搜索準確，算法較其他方法更加精確簡單。


圖1是本發明方法的步驟流程圖；圖2是本發明方法的原理框圖；圖3是鄰近子載波相互相關的說明示意圖；圖4是本發明方法寄存器級的原理圖；圖5是仿真結果的數據示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作詳細說明。在本實施例中載波頻偏數n取16，即搜索範圍為-16～+16，搜索次數為33次；本實施例是針對DAB系統的，延遲子載波數d取1，即鄰子載波互相相關。本發明的構造和作用僅僅作為本實施例進行說明，而本發明所述的技術思想和核心構成及作用並不局限於此。
圖1是本發明方法的步驟流程圖。如圖1所示，本發明方法包括如下步驟步驟1，通過對接收到的相位參考碼元進行去擾並對去擾後的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2，利用相位參考碼元相關特性搜索並確定精確的整數倍頻偏，完成頻率粗同步。
圖2是本發明的原理框圖，如圖2所示本發明的實施原理如下時域PRS經過FFT變換，得到頻域PRS；將頻域PRS與本地PRS共軛相乘，去除擾碼；將去擾後的頻域PRS延遲d個子載波，再與所述去擾後的頻域PRS進行自相關；通過峰值檢測器進行相關值峰值檢測，找到最大相關值峰值；同步判決器通過載波頻偏數n來控制峰值檢測器的搜索次數，並經過多次搜索確定最大相關值，此時本地PRS的頻域偏移位置即為整數倍載波頻偏。
當d取1的時候，每個相鄰子載波做自相關。圖3是鄰近子載波相互相關的說明示意圖。如圖3所示，子載波1與子載波2做自相關，子載波2與子載波3做自相關......子載波14與子載波15做自相關，子載波15與子載波16做自相關。這樣增強了抗多徑效應的能力。
圖4是本發明方法寄存器級的原理圖。如圖4所示，本發明的寄存器級具體實施方式
如下FFT處理後的接收的PRS以直流點位為中心，對稱的截取一段固定長度子載波序列(截取長度為32的整倍數加1，截取長度取決於算法要求的性能，例如256+1個子載波)，去除直流點後同本地存儲的對應長度的本地PRS序列的各個子載波共軛相乘，即相關去擾的處理過程；本地PRS序列受同步判決器的控制，每次截取的起點自左向右逐個子載波滑動，滑動搜索的邊界起點/終點取決於頻偏檢測的範圍，在本實施例中搜索範圍為-16～+16；PRS相關去擾處理後形成的序列經過一個長度為32個子載波跨度的鄰子載波自相關器，使得每32個子載波進行鄰鄰相關再疊加，然後求絕對值，最後通過累加器進行累加；當所有頻偏搜索點上都計算完畢，峰值檢測器進行峰值檢測，對應峰值累加值時的頻偏搜索位置就是整數倍頻偏估計值。
圖5是仿真結果的數據示意圖。如圖5所示，在模式1中TU-6信道下信噪比SNR＝4dB時，通過仿真改變載波頻偏數n(在本實施例中n取16，即搜索範圍為-16～+16)搜索相關值M(n)的峰值。仿真思路是引入頻偏為5個子載波，判斷用本發明方法是否能最終檢測出頻偏為5個子載波。仿真結果如圖5所示，最大峰值在n＝12時，實驗得出n＝28時的峰值為多徑衰落產生幹擾造成次峰。由於載波頻偏數n從-16～+16共取了33個值，所以如果沒有出現頻偏的話，最大峰值應該出現在n＝17的地方。但是最大峰值出現在n＝12的地方，偏離n＝17處5個子載波，由此驗證出應用本發明提供的方法能夠準確地獲取載波頻率的整數倍載波頻偏。檢測正確並且在仿真100000次後沒有發現檢測錯誤，而應用其它傳統的方法錯誤率在0.5％以上。
進一步地，本發明方法的具體算法如下。
在本發明方法中，頻域PRS可以寫成R＝P·H·exp(θ)(公式1)R＝[R(1)，...，R(K)]為經歷FFT變換後的頻域PRS；P為頻域PRS序列矢量；H為信道的頻率響應，假設此處沒有噪聲的幹擾；θ為載波頻偏(Carrier Frequency Offset)和定時偏移(Timing Offset)造成的相移。所述定時偏移是指採樣樣本由於起點不一致造成的偏差；所述載波頻偏是指載波相位的偏差。對於每個子載波，θ可以寫成θk＝(2πk/K)·no+θo(公式2)θo為各個載波上的初始相移，此處認為θo僅由小數倍載波頻偏產生；(2πk/K)·no為由定時偏移造成的相移，其中no為定時偏移採樣數，k為載波序號，K為載波數。
首先將頻域PRSR(k)與本地PRSP(k)的共軛P*(k)相乘。當整數倍載波頻偏位置搜索正確時，P(k)可被抵消。本地PRS定義為 其中，L代表幀號；k表示子載波號； K由i，k，k』，n查表決定。由於PRS每個子載波只可能為+1，-1，+j，-j，所以P(k+n)·P*(k)＝1。
因此，由(公式1)和(公式2)可得Dn(k)＝R(k+n)·P*(k)＝P(k+n)H(k+n)exp(2π(k+n)no/K+θo)·P*(k)＝H(k+n)exp(2π(k+n)no/K+θo) (公式4)以上過程被稱為去擾，Dn(k)代表去擾後的信號。
然後對去擾後的信號Dn(k)和延遲d個載波的載波序列進行自相關，即M(n)=k=1KDn(k)(Dn(k-d))*]]>=k=1K(R(k+n)P*(k))(R(k+n-d)P*(k-d))*]]>(公式3)當整數倍載波頻偏位置搜索正確時，由(公式4)，可把(公式3)繼續寫成M(n)=k=1KDn(k)(Dn(k-d))*]]>=k=1K(R(k+n)P*(k))(R(k+n-d)P*(k-d))*]]>=k=1K(H(k+n)exp(2(k+n)no/K+o))(H(k+n-d)exp(2(k+n-d)no/K+o))*]]>=k=1K(H(k+n)H*(k+n-d)exp(2dno/K))]]>當基帶信號帶寬遠小於信道帶寬時，信號經歷平衰落；當基帶信號帶寬很大時，經歷頻率選擇性衰落。當d足夠小到可使H(k+n)和H(k+n-d)在同一個平衰落(Flat Fading)的帶寬上，此時就可避免信道內的頻率選擇性衰落，即此時H(k+n)和H(k+n-d)的值幾乎相等。那麼，上式可以寫成M(n)=k=1K(|H(k+n)|2exp(2dno/K))]]>(公式5)從公式5可知對每一個共軛相乘的部分來說，相移都是exp(2πdno/K)。如前所述，這部分相移是由定時偏移造成的，它對每一個自相關部分來說為同一值。因此，所述定時偏移在不同載波上產生的相移以及小數倍載波頻偏導致的相移θo都可以利用自相關消除。
綜上所述，通過改變載波頻偏數n搜索相關值M(n)的最大值即max{M(n)}，就可實現對整數倍載波頻偏的估計。
本發明方法不局限用於DAB系統，所有使用OFDM技術的系統本方法均適用。如在DAB系統中，由於PRS佔據所有的有效載波，子載波延遲數取1最佳。而在DVB系統中，所利用的導頻載波只是有效載波一部分，子載波延遲數通常被設為2個最相近導頻載波之間的間隔最小值。
以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，並不用於限定本發明。任何對本發明作本技術領域內熟知的步驟的替換、組合、分立均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種頻率粗同步方法，其特徵是包括如下步驟步驟1通過對接收到的相位參考碼元進行去擾並對去擾後的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2利用相位參考碼元相關特性搜索並確定精確的整數倍頻偏，完成頻率粗同步。
2.根據權利要求1所述的一種頻率粗同步方法，其特徵在於，所述步驟1進一步地包括步驟1.1對接收的相位參考碼元進行傅立葉變換，得到頻域相位參考碼元；步驟1.2通過將頻域相位參考碼元和本地相位參考碼元共軛相乘進行去擾操作；步驟1.3將去擾後的頻域相位參考碼元通過相關器進行自相關。
3.根據權利要求1所述的一種頻率粗同步方法，其特徵在於，所述步驟2進一步地包括步驟2.1通過峰值檢測器進行相關值峰值檢測，找到最大相關值峰值；步驟2.2同步判決器判斷對所述最大相關值峰值進行多次搜索，直到找大最大相關值，此時本地相位參考碼元的頻域偏移位置即為整數倍載波頻偏。
4.根據權利要求1所述的一種頻率粗同步方法，其特徵在於根據不同的正交頻分復用技術系統，所述頻率粗同步方法中子載波延遲數最佳取值應最小。
全文摘要
本發明公開了一種頻率粗同步方法，該方法包括如下步驟步驟1，通過對接收到的相位參考碼元進行去擾並對去擾後的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2，利用相位參考碼元相關特性搜索並確定精確的整數倍頻偏，完成頻率粗同步。本發明利用相位參考碼元的特性提出一種能夠快速精確地搜索頻偏的頻率粗同步方法，達到了簡化算法提高性能的目的。
文檔編號H04L7/00GK101014031SQ20071003747
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月13日 優先權日2007年2月13日
發明者朱峻傑, 馮顯俊, 王立寧 申請人:鼎芯通訊(上海)有限公司