移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步方法
2023-05-03 19:02:16
專利名稱：移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步方法
技術領域：
本發明屬於正交頻分復用(OFDM)移動通信技術領域，特別是涉及典型移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步的實現方法。
背景技術：
為了在有限的頻譜帶寬上實現更高的傳輸速率，新一代蜂窩移動通信系統中大都採用了正交頻分復用技術。雖然正交頻分復用及相關技術在無線區域網(WLAN)領域已經得到了成功的應用，但對於典型的移動環境，由於信道環境的變化，高速數據傳輸的正交頻分復用系統還面臨很多急需解決的問題，其中，幀檢測與幀同步是正交頻分復用系統最為基本也是最為關鍵的技術之一。
美國專利5,732,113公開了一種常規的正交頻分復用幀檢測與幀同步方法，該方法構造設計了一種較為特殊的導引(Preamble)，通過由自相關值產生一個峰值來進行幀檢測與幀同步。專利公開號CN1355971A提出的「獲得與正交頻分復用信號的碼元定時和頻率同步的設備和方法」，用接收到的數據進行一段延時與自身相關，通過產生的峰值平頂進行幀檢測，並利用匹配相關產生的峰值來進行幀同步。這兩種方法在無線區域網等信道較好的領域中是行之有效的，但在典型的移動環境下，由於多徑以及衰落的影響，這種判決值的峰值或峰值平臺將變得更加不明顯，並會出現更大的隨機起伏，可能無法準確地進行幀檢測與幀同步。另外，對於幀檢測，由於峰值門限必須依據具體電路進行調整，一旦系統參數發生變化，則必須重新設定門限，硬體調試較為複雜。
技術內容本發明提出一種在典型的移動環境下正交頻分復用系統可以準確地進行幀檢測與幀同步的方法，以克服現有技術的上述缺陷。
這種在移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步方法，包括幀檢測與幀同步；其特徵在於所述幀檢測，採取門限與比例聯合檢測的方法即將其接收的包括由戈德(Gold)碼產生的至少三個相同導引信號的接收數據經過二級延時器，將第一級延時器前後的信號互相關值減去第二級延時器前後的信號互相關值，並進行累計得到互相關參考信號；將第一級延時器前的信號自相關值減去第一級延時器後的信號自相關值，並進行累計得到第一級的自相關參考信號；在出現互相關參考信號大於一個預先設定的較低的閥值後，當比較器發現第一級自相關信號大於互相關信號的一個設定的倍數時，即檢測到了正交頻分復用幀信號；所述幀同步，包含與上述幀檢測方法同樣的二級延時器，將第二級延時器前的信號自相關值減去第二級延時器後的信號自相關值，並進行累計得到第二級的自相關參考信號；在檢測到了正交頻分復用幀信號之後，當比較器發現第二級自相關信號大於互相關信號的一個設定的倍數時，即作為正交頻分復用幀信號前面的導引部分結束的標誌。
本發明是根據判決變量的這些差距來進行幀檢測與幀同步的。
本發明將接收到的包含至少三個由戈德序列產生的相同的導引的正交頻分復用幀信號，利用二級延時器構造出三個判決變量，分別作為互相關參考信號、第一級的自相關參考信號和第二級自相關參考信號，由於這三個判決變量在正交頻分復用幀信號傳輸的過程中上升與下降的順序不同，即使是在信道條件較差的時候，這三個判決變量之間的上升與下降順序差異依然是十分明顯的；尤其是在接收到幀信號的導引以及導引結束時，判決變量的差距最為明顯。
對於幀檢測，與上述美國專利5,732,113以及專利公開號CN1355971A等提出的方法不同，本發明中的這個門限值可以設置得較低，相對最高值有一定的冗餘量且相對穩定而不用進行多次調整。因為導引的相關性，如果接收的信號不是重複的導引，則互相關參考信號的值將相對很小，不會超過門限；而當正交頻分復用幀信號的導引到來的時候，互相關參考信號的值將逐漸升高，這個門限的作用主要是防止出現互相關參考信號與第一級自相關參考信號都很小時，第一級自相關參考信號也可能達到互相關參考信號的這一預先設定的倍數，從而出現虛警的情況。由於第一級自相關參考信號與互相關參考信號在正交頻分復用幀信號到達的時候，上升的順序差異明顯，在理想信道條件下甚至在第一級自相關參考信號達到峰值頂點時，互相關參考信號的值依然還處於低谷，故而它們之間的幀檢測判決比例也可以較為穩定地設定。這種聯合檢測的方法既通過設定門限防止了噪聲值起伏帶來的虛警，又通過第一級自相關參考信號與互相關參考信號的升降順序的明顯差異而較為準確地檢測到正交頻分復用幀信號的到來，因此本發明可以實現在移動環境下進行幀檢測。
對於幀同步，在檢測到了正交頻分復用幀信號之後，由於此時互相關參考信號與第二級的自相關參考信號均累加超過了一定的值，但互相關參考信號將先於第二級的自相關參考信號下降，而且在理想的信道條件下，當第二級的自相關參考信號還處於峰值平頂時，互相關參考信號已經降到了低谷。因此，一旦第二級的自相關參考信號達到互相關參考信號的某一設定的倍數時，就可以判定正交頻分復用幀信號的重複導引結束了。
即使在信道環境惡劣時，由於互相關參考信號與第二級的自相關參考信號的值依然會出現非常明顯的下降順序，而且導引後面的數據前端加了一定長度的循環前綴，這個比例也可以較為穩定地設定。因此，本發明這種幀同步方法可以實現在典型的移動環境下準確地進行幀同步。
附圖1為本發明在移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步方法的原理圖。
附圖2為本發明中的三個判決變量即第一級的自相關參考信號、互相關參考信號和第二級自相關參考信號在時域上的變化示意圖。
具體實施例方式以下結合
本方法的實施例。
實施例1在本實施例中，假定接收到的信號首先是2048個採樣的噪聲，接著是三個完全相同的長度為256點的導引信號，導引由8位的戈德序列產生。後面的數據的循環前綴為320個採樣。正交頻分復用幀信號具有2048個子載波，其中有用載波為1860個，採樣位數為12比特。
信號經由包括兩個延時器、三個共軛器、五個相乘器、三個相減器、三個相加器、一個門限監測器以及兩個比較器在內的接收系統，按附圖1所示的結構來進行幀檢測與幀同步將接收到的信號通過一級256點的延時器1，並將第一級延時器前的信號x(i)與自身通過共軛器2而得到的x*(i)，送至相乘器3而得到的自相關值，再送到相減器4；將第一級延時器後的信號x(i-256)與其自身通過共軛器5而得到的x*(i-256)，送至相乘器6而得到的自相關值，也送到相減器4；將相減器4輸出的信號送至累加器7進行累計，從而得到第一級的自相關參考信號Q(i)＝Q(i-1)+x(i)·x*(i)-x(i-256)·x*(i-256)。將第一級延時器前的信號通過共軛器2而得到的x*(i)與第一級延時器之後的信號x(i-256)，送至相乘器8而得到的互相關值，再送至相減器9；將第一級延時器1之後的信號x(i-256)送至第二級256點的延時器10，並將第二級延時器10前的信號通過共軛器5而得到的x*(i-256)與第二級延時器之後的信號x(i-512)，送至相乘器11而得到的互相關值，也送至相減器9；將相減器9輸出的信號送至累加器12並進行累計，從而得到互相關參考信號R(i)＝R(i-1)+x*(i)·x(i-256)-x*(i-256)·x(i-512)。將第二級延時器前的信號x(i-256)與其自身通過共軛器5而得到的x*(i-256)，送入相乘器6而得到的自相關值，再送至相減器13；將第二級延時器後的信號x(i-512)與其自身通過共軛器14而得到的x*(i-512)，送至相乘器15而得到的自相關值，也送至相減器13；將相減器輸出的信號送至累加器16進行累計，從而得到第二級的自相關參考信號P(i)＝P(i-1)+x(i-256)·x*(i-256)-x(i-512)·x*(i-512)。
將互相關參考信號R(i)送至門限監測器17進行實時檢測，同時也將R(i)與第一級的自相關參考信號Q(i)分別送至比較器18；另外，也將第二級的自相關參考信號P(i)與互相關參考信號R(i)分別送至比較器19。在R(i)出現超過300000的情況後，一旦比較器18發現第一級的自相關參考信號Q(i)大於互相關參考信號R(i)的32倍時，就判定檢測到了正交頻分復用幀信號；在此之後，如果比較器19檢測到第二級的自相關參考信號P(i)大於互相關參考信號R(i)的32倍時，就判定正交頻分復用幀信號中的導引部分結束了。
由於正交頻分復用幀信號中三個完全相同的由戈德序列產生的導引信號，它們具有良好的自相關與互相關特性，所以將接收到的第一級的自相關參考信號Q(i)、互相關參考信號R(i)以及第二級自相關參考信號P(i)在時域上作圖，就會得到圖2。圖2中橫坐標為時間上的採樣點，縱坐標為計算的結果值。曲線Q(i)為第一級的自相關參考信號，曲線R(i)為互相關參考信號，而曲線P(i)為第二級自相關參考信號。當導引信號到來的時候，就出現首先是第一級的自相關參考信號Q(i)快速上升，在Q(i)上升到最高點時，互相關參考信號R(i)以及第二級自相關參考信號P(i)也開始迅速上升。而在導引信號結束時，則首先是第一級的自相關參考信號Q(i)以及互相關參考信號R(i)迅速下降，在它們下降至最低時，第二級自相關參考信號P(i)才開始迅速下降。
由於對變量R(i)設定了一個門限，因此可有效防止在變量R(i)與變量Q(i)均很小時變量Q(i)也有可能達到變量R(i)的預先設定倍數而造成的虛警。因為在理想情況下，變量Q(i)將比變量R(i)達到峰值要早256個採樣點，所以即使由於移動環境造成了變量Q(i)與R(i)有較大的起伏，由於採用門限與比例聯合檢測的方法，可靠性依然很高。
在檢測到了正交頻分復用幀信號之後，必須進行幀同步。變量P(i)與變量R(i)是同時開始攀升的，但變量P(i)將滯後於變量R(i)開始下降，其差距也是256個採樣點。在理想情況下，當變量R(i)已經下降到最低點的時候，變量P(i)還處於峰值並剛剛開始下降。因此，在移動環境下，雖然變量P(i)與R(i)的值將出現一定的起伏，但由於它們在下降時的差距十分明顯，故而幀同步的偏差不會超出循環前綴的保護。
在性能試驗模擬中，本實施例選取的信道模型為典型6徑的TU模型。各徑的平均功率分別為0.1897、0.3785、0.2388、0.0951、0.06與0.0379，用來模擬典型的移動信道環境。試驗的接收模塊由一片現場可編程門陣列(FPGA)來完成，型號為Altera(阿特拉)公司的EP20K600C-3。本實施例進行了5000次試驗，性能結果如表1及表2所示。
表1正確的幀檢測率與信噪比之間的試驗結果
表2幀同步性能與信噪比之間的試驗結果(其中3dB與5dB時均為正確進行了幀檢測後的幀同步試驗結果)
上列試驗結果表明本發明方法能夠在典型的移動信道條件下準確地進行幀檢測與幀同步。在信噪比大於7dB時幀檢測的正確率就可達100％，而且甚至在更低的信噪比條件下，只要能準確地進行幀檢測，則可做到準確的幀同步，即同步的最大偏差不超過320個採樣，在循環前綴的保護之內。
權利要求
1.一種在移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步方法，包括幀檢測與幀同步；其特徵在於所述幀檢測，將包括由戈德碼產生的至少三個相同導引信號的接收數據經過二級延時器，將第一級延時器前後的信號互相關值減去第二級延時器前後的信號互相關值，並進行累計得到互相關參考信號；將第一級延時器前的信號自相關值減去第一級延時器後的信號自相關值，並進行累計得到第一級的自相關參考信號；在出現互相關參考信號大於一個預先設定的較低的閥值後，當比較器發現第一級自相關信號大於互相關信號的一個設定的倍數時，即檢測到了正交頻分復用幀信號；所述幀同步，將第二級延時器前的信號自相關值減去第二級延時器後的信號自相關值，並進行累計得到第二級的自相關參考信號；在檢測到了正交頻分復用幀信號之後，當比較器發現第二級自相關信號大於互相關信號的一個設定的倍數時，即作為正交頻分復用幀信號前面的導引部分結束的標誌。
全文摘要
本發明為移動環境下正交頻分復用系統的幀檢測與幀同步方法，其特徵是將包括由戈德碼產生的至少三個相同導引信號的接收數據經過二級延時器，得到三個判決變量，分別為互相關參考信號、第一級自相關參考信號以及第二級自相關參考信號；根據判決變量的差距來進行幀檢測與幀同步的在出現互相關參考信號大於一個預先設定的較低的閥值後，當比較器發現第一級自相關信號大於互相關信號的一個設定的倍數時，即檢測到了正交頻分復用幀信號；在檢測到了幀信號之後，當比較器發現第二級自相關信號大於互相關信號的一個設定的倍數時，即作為正交頻分復用幀信號前面的導引部分結束的標誌。本發明能夠在典型的移動環境下實現準確的幀檢測與幀同步。
文檔編號H04J11/00GK1534909SQ0311309
公開日2004年10月6日 申請日期2003年3月28日 優先權日2003年3月28日
發明者胡宏林, 朱近康 申請人:中國科學技術大學