專利名稱：一種頻率粗同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種在OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù))通信中的同步方法，具體涉及接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間載波頻率的整數(shù)倍子載波頻率偏差的獲取。
背景技術(shù)：
DAB系統(tǒng)是由ETSI(European Telecommunications StandardsInstitute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))提出的一種數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)，它采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù))與DQPSK(差分正交相移鍵控調(diào)制)相結(jié)合的調(diào)制方式。OFDM技術(shù)需要可靠的同步技術(shù)，同步技術(shù)包括定時(shí)同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對(duì)系統(tǒng)的影響最大。由于移動(dòng)無線信道存在時(shí)變性，在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)無線信號(hào)的頻率偏移(頻偏)。OFDM系統(tǒng)對(duì)頻偏的敏感程度非常高，OFDM系統(tǒng)中區(qū)分各個(gè)子信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性。但是，由于傳輸中存在的頻偏會(huì)使子信道之間產(chǎn)生干擾，子載波之間的正交性會(huì)遭到破壞，而僅僅1％的頻偏就會(huì)使信噪比下降30dB。造成頻偏的因素主要有多普勒頻移、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)晶振的不穩(wěn)定性等，上述因素都容易造成子載波干擾和誤碼率的增加。為了避免信噪比的嚴(yán)重下降，必須盡可能地減小載波頻率偏差，使載波同步非常精確。
在OFDM系統(tǒng)中，頻率偏差實(shí)際上可分解為兩部分整數(shù)部分和小數(shù)部分。整數(shù)部分和小數(shù)部分都是相對(duì)于子載波間隔而言的。整數(shù)部分是等于子載波間隔整數(shù)倍的那一部分頻率偏差；小數(shù)部分是指小于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(xì)同步(Fine Synchronization)。在粗同步模式中，糾正子載波間隔的整數(shù)倍的那一部分頻率偏差，同步器將參數(shù)的較大初始偏差減小到一個(gè)較小的范圍；在細(xì)同步模式中，糾正小于子載波間隔的那一部分頻率偏差，同步器將參數(shù)的剩余誤差進(jìn)一步減小，提高精度。
現(xiàn)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)后，與本地產(chǎn)生的PRS共軛相乘，然后將相乘的結(jié)果做IFFT變換(快速反傅立葉變換)。當(dāng)相位參考碼元與本地PRS嚴(yán)格對(duì)齊的時(shí)候，會(huì)有峰值出現(xiàn)。
2.將接收到的相位參考碼元PRS與本地產(chǎn)生的經(jīng)過IFFT變換后的PRS相關(guān)。如果接收信號(hào)已經(jīng)時(shí)域同步了，相關(guān)后會(huì)有峰值出現(xiàn)。
以上2種頻率粗同步的方法都存在各自的缺點(diǎn)方法一運(yùn)算量過大。每一次峰值檢測(cè)都需要做共軛相乘并做IFFT。而且，只有當(dāng)相位參考碼元與本地PRS嚴(yán)格對(duì)齊的時(shí)候，才有峰值出現(xiàn)。所以必須遍歷所有的可能頻偏，而不能大步進(jìn)行搜索。因此這種方法功耗較大，不適合硬件實(shí)現(xiàn)。
方法二算法有效的前提條件苛刻。由于這種方法是在時(shí)域上檢測(cè)頻偏信息，因此前提條件是必須先在時(shí)域上要精確同步。這增加了時(shí)域同步的難度。從系統(tǒng)的角度上來講是簡(jiǎn)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。
由于DAB系統(tǒng)所需要的單頻點(diǎn)組網(wǎng)(SFN，Single FrequencyNetwork)的特性會(huì)造成接收機(jī)在時(shí)域上存在較大的多徑延遲和頻域上的深衰落；另外，接收機(jī)需要支持高速移動(dòng)情況下的信號(hào)解調(diào)；以及，由于在測(cè)量整數(shù)倍載波頻偏時(shí)無法得到準(zhǔn)確的時(shí)間同步條件，定時(shí)偏移會(huì)導(dǎo)致載波偏移。
上述問題都造成整數(shù)倍載波頻偏的測(cè)量成為一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)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(yùn)算太過復(fù)雜或耗電量太大。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)頻率粗同步方法算法復(fù)雜和功耗太大的缺陷，本發(fā)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(guān)特性實(shí)現(xiàn)低功耗、搜索快速準(zhǔn)確性高，算法簡(jiǎn)單的發(fā)明目的。
本發(fā)明方法包括如下步驟步驟1通過對(duì)接收到的相位參考碼元進(jìn)行去擾并對(duì)去擾后的數(shù)據(jù)自相關(guān)，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機(jī)性；步驟2利用相位參考碼元相關(guān)特性搜索并確定精確的整數(shù)倍頻偏，完成頻率粗同步。
進(jìn)一步地，所述步驟1具體包括如下步驟步驟1.1對(duì)接收的相位參考碼元進(jìn)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(jìn)行去擾操作；步驟1.3將去擾后的頻域相位參考碼元通過相關(guān)器進(jìn)行自相關(guān)。
進(jìn)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(cè)器進(jìn)行相關(guān)值峰值檢測(cè)，找到最大相關(guān)值峰值；步驟2.2同步判決器判斷對(duì)所述最大相關(guān)值峰值進(jìn)行多次搜索，直到找大最大相關(guān)值，此時(shí)本地PRS的頻域偏移位置即為整數(shù)倍載波頻偏。
最佳地，在本發(fā)明方法中子載波延遲數(shù)取值根據(jù)不同的OFDM系統(tǒng)應(yīng)盡量小。
本發(fā)明方法只需要在頻域而不是在時(shí)域進(jìn)行頻偏檢測(cè)，這樣對(duì)時(shí)間同步的要求不是那么嚴(yán)格，因此算法有效的前提條件容易滿足；本發(fā)明方法無須逐點(diǎn)搜索頻偏，搜索速度快；本發(fā)明方法充分地利用了相位參考碼元的特性進(jìn)行頻偏搜索，因此搜索準(zhǔn)確，算法較其他方法更加精確簡(jiǎn)單。


圖1是本發(fā)明方法的步驟流程圖；圖2是本發(fā)明方法的原理框圖；圖3是鄰近子載波相互相關(guān)的說明示意圖；圖4是本發(fā)明方法寄存器級(jí)的原理圖；圖5是仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。在本實(shí)施例中載波頻偏數(shù)n取16，即搜索范圍為-16～+16，搜索次數(shù)為33次；本實(shí)施例是針對(duì)DAB系統(tǒng)的，延遲子載波數(shù)d取1，即鄰子載波互相相關(guān)。本發(fā)明的構(gòu)造和作用僅僅作為本實(shí)施例進(jìn)行說明，而本發(fā)明所述的技術(shù)思想和核心構(gòu)成及作用并不局限于此。
圖1是本發(fā)明方法的步驟流程圖。如圖1所示，本發(fā)明方法包括如下步驟步驟1，通過對(duì)接收到的相位參考碼元進(jìn)行去擾并對(duì)去擾后的數(shù)據(jù)自相關(guān)，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機(jī)性；步驟2，利用相位參考碼元相關(guān)特性搜索并確定精確的整數(shù)倍頻偏，完成頻率粗同步。
圖2是本發(fā)明的原理框圖，如圖2所示本發(fā)明的實(shí)施原理如下時(shí)域PRS經(jīng)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；將去擾后的頻域PRS延遲d個(gè)子載波，再與所述去擾后的頻域PRS進(jìn)行自相關(guān)；通過峰值檢測(cè)器進(jìn)行相關(guān)值峰值檢測(cè)，找到最大相關(guān)值峰值；同步判決器通過載波頻偏數(shù)n來控制峰值檢測(cè)器的搜索次數(shù)，并經(jīng)過多次搜索確定最大相關(guān)值，此時(shí)本地PRS的頻域偏移位置即為整數(shù)倍載波頻偏。
當(dāng)d取1的時(shí)候，每個(gè)相鄰子載波做自相關(guān)。圖3是鄰近子載波相互相關(guān)的說明示意圖。如圖3所示，子載波1與子載波2做自相關(guān)，子載波2與子載波3做自相關(guān)......子載波14與子載波15做自相關(guān)，子載波15與子載波16做自相關(guān)。這樣增強(qiáng)了抗多徑效應(yīng)的能力。
圖4是本發(fā)明方法寄存器級(jí)的原理圖。如圖4所示，本發(fā)明的寄存器級(jí)具體實(shí)施方式
如下FFT處理后的接收的PRS以直流點(diǎn)位為中心，對(duì)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(shù)加1，截取長度取決于算法要求的性能，例如256+1個(gè)子載波)，去除直流點(diǎn)后同本地存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)長度的本地PRS序列的各個(gè)子載波共軛相乘，即相關(guān)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(diǎn)自左向右逐個(gè)子載波滑動(dòng)，滑動(dòng)搜索的邊界起點(diǎn)/終點(diǎn)取決于頻偏檢測(cè)的范圍，在本實(shí)施例中搜索范圍為-16～+16；PRS相關(guān)去擾處理后形成的序列經(jīng)過一個(gè)長度為32個(gè)子載波跨度的鄰子載波自相關(guān)器，使得每32個(gè)子載波進(jìn)行鄰鄰相關(guān)再疊加，然后求絕對(duì)值，最后通過累加器進(jìn)行累加；當(dāng)所有頻偏搜索點(diǎn)上都計(jì)算完畢，峰值檢測(cè)器進(jìn)行峰值檢測(cè)，對(duì)應(yīng)峰值累加值時(shí)的頻偏搜索位置就是整數(shù)倍頻偏估計(jì)值。
圖5是仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)示意圖。如圖5所示，在模式1中TU-6信道下信噪比SNR＝4dB時(shí)，通過仿真改變載波頻偏數(shù)n(在本實(shí)施例中n取16，即搜索范圍為-16～+16)搜索相關(guān)值M(n)的峰值。仿真思路是引入頻偏為5個(gè)子載波，判斷用本發(fā)明方法是否能最終檢測(cè)出頻偏為5個(gè)子載波。仿真結(jié)果如圖5所示，最大峰值在n＝12時(shí)，實(shí)驗(yàn)得出n＝28時(shí)的峰值為多徑衰落產(chǎn)生干擾造成次峰。由于載波頻偏數(shù)n從-16～+16共取了33個(gè)值，所以如果沒有出現(xiàn)頻偏的話，最大峰值應(yīng)該出現(xiàn)在n＝17的地方。但是最大峰值出現(xiàn)在n＝12的地方，偏離n＝17處5個(gè)子載波，由此驗(yàn)證出應(yīng)用本發(fā)明提供的方法能夠準(zhǔn)確地獲取載波頻率的整數(shù)倍載波頻偏。檢測(cè)正確并且在仿真100000次后沒有發(fā)現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤，而應(yīng)用其它傳統(tǒng)的方法錯(cuò)誤率在0.5％以上。
進(jìn)一步地，本發(fā)明方法的具體算法如下。
在本發(fā)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(jīng)歷FFT變換后的頻域PRS；P為頻域PRS序列矢量；H為信道的頻率響應(yīng)，假設(shè)此處沒有噪聲的干擾；θ為載波頻偏(Carrier Frequency Offset)和定時(shí)偏移(Timing Offset)造成的相移。所述定時(shí)偏移是指采樣樣本由于起點(diǎn)不一致造成的偏差；所述載波頻偏是指載波相位的偏差。對(duì)于每個(gè)子載波，θ可以寫成θk＝(2πk/K)·no+θo(公式2)θo為各個(gè)載波上的初始相移，此處認(rèn)為θo僅由小數(shù)倍載波頻偏產(chǎn)生；(2πk/K)·no為由定時(shí)偏移造成的相移，其中no為定時(shí)偏移采樣數(shù)，k為載波序號(hào)，K為載波數(shù)。
首先將頻域PRSR(k)與本地PRSP(k)的共軛P*(k)相乘。當(dāng)整數(shù)倍載波頻偏位置搜索正確時(shí)，P(k)可被抵消。本地PRS定義為 其中，L代表幀號(hào)；k表示子載波號(hào)； K由i，k，k’，n查表決定。由于PRS每個(gè)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)代表去擾后的信號(hào)。
然后對(duì)去擾后的信號(hào)Dn(k)和延遲d個(gè)載波的載波序列進(jìn)行自相關(guān)，即M(n)=Σk=1KDn(k)·(Dn(k-d))*]]>=Σk=1K(R(k+n)·P*(k))·(R(k+n-d)·P*(k-d))*]]>(公式3)當(dāng)整數(shù)倍載波頻偏位置搜索正確時(shí)，由(公式4)，可把(公式3)繼續(xù)寫成M(n)=Σk=1KDn(k)·(Dn(k-d))*]]>=Σk=1K(R(k+n)·P*(k))·(R(k+n-d)·P*(k-d))*]]>=Σk=1K(H(k+n)exp(2π(k+n)no/K+θo))·(H(k+n-d)exp(2π(k+n-d)no/K+θo))*]]>=Σk=1K(H(k+n)H*(k+n-d)exp(2πdno/K))]]>當(dāng)基帶信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于信道帶寬時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷平衰落；當(dāng)基帶信號(hào)帶寬很大時(shí)，經(jīng)歷頻率選擇性衰落。當(dāng)d足夠小到可使H(k+n)和H(k+n-d)在同一個(gè)平衰落(Flat Fading)的帶寬上，此時(shí)就可避免信道內(nèi)的頻率選擇性衰落，即此時(shí)H(k+n)和H(k+n-d)的值幾乎相等。那么，上式可以寫成M(n)=Σk=1K(|H(k+n)|2exp(2πdno/K))]]>(公式5)從公式5可知對(duì)每一個(gè)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(shí)偏移造成的，它對(duì)每一個(gè)自相關(guān)部分來說為同一值。因此，所述定時(shí)偏移在不同載波上產(chǎn)生的相移以及小數(shù)倍載波頻偏導(dǎo)致的相移θo都可以利用自相關(guān)消除。
綜上所述，通過改變載波頻偏數(shù)n搜索相關(guān)值M(n)的最大值即max{M(n)}，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)整數(shù)倍載波頻偏的估計(jì)。
本發(fā)明方法不局限用于DAB系統(tǒng)，所有使用OFDM技術(shù)的系統(tǒng)本方法均適用。如在DAB系統(tǒng)中，由于PRS占據(jù)所有的有效載波，子載波延遲數(shù)取1最佳。而在DVB系統(tǒng)中，所利用的導(dǎo)頻載波只是有效載波一部分，子載波延遲數(shù)通常被設(shè)為2個(gè)最相近導(dǎo)頻載波之間的間隔最小值。
以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
而已，并不用于限定本發(fā)明。任何對(duì)本發(fā)明作本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟知的步驟的替換、組合、分立均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種頻率粗同步方法，其特征是包括如下步驟步驟1通過對(duì)接收到的相位參考碼元進(jìn)行去擾并對(duì)去擾后的數(shù)據(jù)自相關(guān)，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機(jī)性；步驟2利用相位參考碼元相關(guān)特性搜索并確定精確的整數(shù)倍頻偏，完成頻率粗同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率粗同步方法，其特征在于，所述步驟1進(jìn)一步地包括步驟1.1對(duì)接收的相位參考碼元進(jìn)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(jìn)行去擾操作；步驟1.3將去擾后的頻域相位參考碼元通過相關(guān)器進(jìn)行自相關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率粗同步方法，其特征在于，所述步驟2進(jìn)一步地包括步驟2.1通過峰值檢測(cè)器進(jìn)行相關(guān)值峰值檢測(cè)，找到最大相關(guān)值峰值；步驟2.2同步判決器判斷對(duì)所述最大相關(guān)值峰值進(jìn)行多次搜索，直到找大最大相關(guān)值，此時(shí)本地相位參考碼元的頻域偏移位置即為整數(shù)倍載波頻偏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率粗同步方法，其特征在于根據(jù)不同的正交頻分復(fù)用技術(shù)系統(tǒng)，所述頻率粗同步方法中子載波延遲數(shù)最佳取值應(yīng)最小。
全文摘要
本發(fā)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(duì)接收到的相位參考碼元進(jìn)行去擾并對(duì)去擾后的數(shù)據(jù)自相關(guān)，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機(jī)性；步驟2，利用相位參考碼元相關(guān)特性搜索并確定精確的整數(shù)倍頻偏，完成頻率粗同步。本發(fā)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(dá)到了簡(jiǎn)化算法提高性能的目的。
文檔編號(hào)H04L7/00GK101014031SQ20071003747
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者朱峻杰, 馮顯俊, 王立寧 申請(qǐng)人:鼎芯通訊(上海)有限公司