一种同步定时的方法

专利名称：一种同步定时的方法
技术领域：
该发明涉及一种在正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)通信中的同步方法，具体涉及接收机与发射机之间符号定时偏差检测的方法。
背景技术：
DAB(Digital Audio Broadcasting，数字音频广播)系统是由ETSI(European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准协会)提出的一种数字音频广播系统，它采用OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)与DQPSK(差分正交相移键控调制)相结合的调制方式。
同步技术包括时间同步(符号同步、帧同步)和频率同步。由于数据是以帧为单位传输的，必须准确地确定每一帧的起始位置，系统才能进行可靠的通信。因此，时间同步作为同步的首要环节，其估计的准确度将直接影响频率同步的准确度。同步定时对于任何数字通信系统来说都是根本的任务，没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。
OFDM系统中的符号定时(Symbol Timing)是指求得单个OFDM符号开始和结束的精确时刻。符号定时的结果将决定FFT的窗口，也就是决定用于计算每一个接收OFDM符号的一组取样值。接收端在对子载波进行解调之前，需要通过符号定时算法在接收到的数据流中找到每个OFDM符号的起点以正确进行FFT解调。在多径信道中，超过保护间隔的符号定时误差会引起码间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)，破坏子载波正交性以及降低系统性能，也就是说符号同步偏差直接影响OFDM系统的抗多径效应能力。
由于在OFDM符号之间插入了循环前缀(Cyclic Prefix，CP)保护间隔，因此OFDM符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成码间干扰ISI和载波间干扰ICI(Inter-CarrierInterference)。只有当FFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成ISI和ICI。因此，OFDM系统对符号定时同步的要求会相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。
在加性白高斯噪声(AWGN)信道条件下，符号同步偏差对FFT输出符号的影响是如果估计到的符号起始位置位于保护间隔内，每个符号内的FFT输出子载波信号会以不同的相角翻转，这个相角和同步偏差成比例。如果估计的符号起始位置位于数据间隔内，那么当前采样的OFDM符号就会包括一些其它OFDM符号采样点。这样，FFT输出的每个符号子载波都会由于符号间干扰而引起相位翻转或分散。符号同步偏差引起的相位翻转可以通过适当地在相位上翻转接收的信号而加以校正，但是由ISI引起的信号星座图的分散产生了误比特率(BER)。另外，还必须考虑信道的影响。由于多径效应，OFDM符号在时间轴上被分散，用来估计符号同步位置的保护间隔由于受到前一符号的干扰，从而影响了同步的估计。
DAB系统所需要的单频点组网(Single Frequency Network，SFN)的特性会造成接收机在时域上存在较大的多径延迟和频域上的深衰落；另外，接收机需要支持高速移动的情况下信号解调；在进行符号定时精确估计的时候，无法得到准确的载波同步条件，因此频率偏移又会导致时域上OFDM符号的相位偏移。以上列举的这些问题都造成符号定时偏移的测量成为一个难点。
传统的时间同步方法无法解决上述所有的问题，或解决上述所有的问题的运算太过复杂或者是耗电量太大。本发明提出的符号定时偏移的测量算法可以克服以上所有的问题，成效卓越、硬件复杂度低并且低功耗。

发明内容
本发明提出一种在低信噪比条件下采用邻载波PRS(PhaseReference Symbol)相关检测实现低功耗、快速符号定时偏移搜索的定时同步方法。本发明利用了PRS的特性，频偏搜索准确性高、算法简单，达到了提高性能的目的。
本发明方法包括如下步骤步骤1通过对接收到的相位参考码元进行去扰并对去扰后的数据自相关，以消除所述接收到的相位参考码元的随机性；
步骤2利用相位参考码元相关特性搜索并确定精确的最大相关值；步骤3对所述最大相关值进行相关数学运算，调整时间基准，完成同步定时。
进一步地，所述步骤1具体包括如下步骤步骤1.1对接收的相位参考码元进行傅立叶变换，得到频域相位参考码元；步骤1.2通过将频域相位参考码元和本地PRS共轭相乘进行去扰操作。
进一步地，所述步骤2具体包括如下步骤步骤2.1通过峰值检测器进行相关值峰值检测，找到最大相关值峰值；步骤2.2同步判决器对所述最大相关值峰值进行多次搜索，直到找到精确的最大相关值。
进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤步骤3.1使能对所述最大相关值求幅角的步骤，通过数学换算将所述最大相关值的相位偏差转换成时间偏差；步骤3.2根据所述时间偏差计算出实际时间基准来对比预设时间基准，如果与预设时间基准对齐，则所述预设时间基准正确，如果比预设时间基准提前或延后，则进行调整，完成同步定时。
根据不同的正交频分复用技术系统，本发明方法中子载波延迟数最佳取值应最小。
本发明方法只需要在频域而不是在时域进行频偏检测，算法有效的前提条件容易满足；本发明方法无须逐点搜索频偏，搜索速度快；本发明方法充分地利用了相位参考码元的特性进行频偏搜索，因此搜索准确，算法较其他方法更加精确简单。


图1是本发明方法的步骤流程图；图2是本发明方法的原理框图；图3是邻近子载波相互相关的说明示意图；图4是本发明方法寄存器级的原理图；图5是应用本发明方法的仿真结果的数据示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。在本实施例中载波频偏数n取16，即搜索范围为-16～+16，搜索次数为33次；本实施例是针对DAB系统的，延迟子载波数d取1，即邻子载波互相相关。本发明的构造和作用仅仅作为本实施例进行说明，而本发明所述的技术思想和核心构成及作用并不局限于此。
图1是本发明方法的步骤流程图。如图1所示，本发明方法包括如下步骤步骤1，通过对接收到的相位参考码元进行去扰并对去扰后的数据自相关，以消除所述接收到的相位参考码元的随机性；步骤2，利用相位参考码元相关特性搜索并确定精确的最大相关值；步骤3，对所述最大相关值进行相关数学运算，调整时间基准，完成同步定时。
图2是本发明的原理框图，如图2所示本发明的实施原理如下时域PRS经过FFT变换，得到频域PRS；将频域PRS与本地PRS共轭相乘，去除扰码；将去扰后的频域PRS延迟d个子载波，再与所述去扰后的频域PRS进行自相关；通过峰值检测器进行相关值峰值检测，找到最大相关值峰值；同步判决器通过载波频偏数n来控制峰值检测器的搜索次数，并经过多次搜索确定最大相关值；若为最大相关值则使能相位检测的步骤，然后通过数学换算将所述最大相关值的相位偏差转换成时间偏差；根据所述的时间偏差计算出实际时间基准来对比预设时间基准，如果与预设时间基准对齐，则所述预设时间基准正确，如果比预设时间基准提前或延后，则进行调整，完成同步定时。
当d取1的时候，每个相邻子载波做自相关。图3是邻近子载波相互相关的说明示意图。如图3所示，子载波1与子载波2做自相关，子载波2与子载波3做自相关......子载波14与子载波15做自相关，子载波15与子载波16做自相关。这样增强了抗多径效应的能力。
图4是本发明方法寄存器级的原理图。如图4所示，本发明的寄存器级具体实施方式
如下FFT处理后的接收的PRS以直流点位为中心，对称的截取一段固定长度子载波序列(截取长度为32的整倍数加1，截取长度取决于算法要求的性能，例如256+1个子载波)，去除直流点后同本地存储的对应长度的本地PRS序列的各个子载波共轭相乘，即相关去扰的处理过程；本地PRS序列受同步判决器的控制，每次截取的起点自左向右逐个子载波滑动，滑动搜索的边界起点/终点取决于频偏检测的范围，在本实施例中搜索范围为-16-+16；PRS相关去扰处理后形成的序列经过一个长度为32个子载波跨度的邻子载波自相关器，使得每32个子载波进行邻邻相关再叠加，然后求绝对值，最后通过累加器进行累加；当所有频偏搜索点上都计算完毕，峰值检测器进行峰值检测，对应峰值累加值时的位置即是最大相关值峰值；同步判决的作用是判别所得的值是否为最大相关值，若为最大相关值则使能对该值求其幅角的步骤；然后将幅角除以2πd/k，将所述最大相关值的相位偏差转换成时间偏差；根据所述的时间偏差计算出实际时间基准来对比预设时间基准，如果与预设时间基准对齐，则所述预设时间基准正确，如果比预设时间基准提前或延后，则进行调整，完成同步定时。
图5是应用本发明方法的仿真结果的数据示意图。由图5所示，在模式1中TU-6信道(typical urban area)下信噪比SNR＝4dB时，每隔3个符号设定一个符号偏移。如图5所示，横轴为设定的符号偏移数，纵轴为检测到的符号偏移数。由图3可见，在11点和14点处检测准确，在17点处出现+1采样点的微小误差。如果每次检测均准确，仿真图应为一条对角直线，仿真检测显示结果几乎接近无差错结果，由此验证出应用本发明提供的方法能够准确地获取符号定时偏差。
进一步地，本发明方法的具体算法如下。
在本发明方法中，频域PRS可以写成R＝P·H·exp(θ) (公式1)R＝[R(1)，...，R(k)]为经历FFT变换后的频域PRS；P为频域PRS序列矢量；H为信道的频率响应，假设此处没有噪声的干扰；θ为载波频偏(Carrier Frequency Offset)和定时偏移(Timing Offset)造成的相移。所述定时偏移是指采样样本由于起点不一致造成的偏差；所述载波频偏是指载波相位的偏差。对于每个子载波，θ可以写成θk＝(2πk/K)·no+θo(公式2)θo为各个载波上的初始相移，此处认为θo仅由小数倍载波频偏产生；(2π/K)·no为由定时偏移造成的相移，其中n0为定时偏移采样数，k为载波序号，K为载波数。
首先将频域PRSR(k)与本地PRSP(k)的共轭P*(k)相乘。当整数倍载波频偏位置搜索正确时，P(k)可被抵消。本地PRS定义为 其中，L代表帧号；k表示子载波号； K由i，k，k’，n查表决定。由于PRS每个子载波只可能为+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)以上过程被称为去扰，Dn(k)代表去扰后的信号。
然后对去扰后的信号Dn(k)和延迟d个载波的载波序列进行自相关，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)当整数倍载波频偏位置搜索正确时，由(公式4)，可把(公式3)继续写成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))]]>当基带信号带宽远小于信道带宽时，信号经历平衰落；当基带信号带宽很大时，经历频率选择性衰落。当d足够小到可使H(k+n)和H(k+n-d)在同一个平衰落(Flat Fading)的带宽上，此时就可避免信道内的频率选择性衰落，即此时H(k+n)和H(k+n-d)的值几乎相等。那么，上式可以写成M(n)=Σk=1K(|H(k+n)|2exp(2πdno/K))]]>(公式5)从公式5可知对每一个共轭相乘的部分来说，相移都是exp(2πdn0/K)。如前所述，这部分相移是由定时偏移造成的，它对每一个自相关部分来说为同一值。因此，所述定时偏移在不同载波上产生的相移以及小数倍载波频偏导致的相移θo都可以利用自相关消除。
通过改变载波频偏数n搜索相关值M(n)的最大值即max{M(n)}，就可实现对最大相关值的估计。
对所述的最大相关值max{M(n)}求幅角arg{max{M(n)}}＝2πdno/K将所述幅角除以2πd/k，所得即为定时偏移采样数nono＝arg{max{M(n)})/(2πd/K)所述max{M(n)}是一个复数，其幅角与同步偏差成一定的比例，所以在得到max{M(n)}之后求其幅角即可到符号偏移的采样数no。当前帧的符号偏移的采样数同前一帧的结果的差值就是当前定时的偏移量，基于该差值进行时间基准的调试，同步定时完成。
本发明方法不局限用于DAB系统，所有使用OFDM技术的系统本方法均适用。如在DAB系统中，由于PRS占据所有的有效载波，子载波延迟数取1最佳。而在PRS只是有效载波一部分的DVB系统中，子载波延迟数通常被设为2个最相近导频载波之间的间隔最小值。
以上所述仅为本发明的具体实施方式
而已，并不用于限定本发明。任何对本发明作本技术领域内熟知的步骤的替换、组合、分立均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种同步定时的方法，其特征是包括如下步骤步骤1通过对接收到的相位参考码元进行去扰并对去扰后的数据自相关，以消除所述接收到的相位参考码元的随机性；步骤2利用相位参考码元相关特性搜索并确定精确的最大相关值；步骤3对所述最大相关值进行相关数学运算，调整时间基准，完成同步定时。
2.根据权利要求1所述的一种同步定时的方法，其特征在于，所述步骤1进一步地包括步骤1.1对接收的相位参考码元进行傅立叶变换，得到频域相位参考码元；步骤1.2通过将频域相位参考码元和本地PRS共轭相乘进行去扰操作；步骤1.3将去扰后的频域相位参考码元通过相关器进行自相关。
3.根据权利要求1所述的一种同步定时的方法，其特征在于，所述步骤2进一步地包括步骤2.1通过峰值检测器进行相关值峰值检测，找到最大相关值峰值；步骤2.2同步判决器对所述最大相关值峰值进行多次搜索，直到找到精确的最大相关值；
4.根据权利要求1所述的一种同步定时的方法，其特征在于，所述步骤3进一步地包括步骤3.1使能对所述最大相关值求幅角的步骤，通过数学换算将所述最大相关值的相位偏差转换成时间偏差；步骤3.2根据所述时间偏差计算出实际时间基准来对比预设时间基准，如果与预设时间基准对齐，则所述预设时间基准正确，如果比预设时间基准提前或延后，则进行调整，完成同步定时。
5.根据权利要求1所述的一种同步定时的方法，其特征在于根据不同的正交频分复用技术系统，所述的同步定时方法中子载波延迟数最佳取值应最小。
全文摘要
本发明公开了一种同步定时的方法，该方法包括如下步骤步骤1，通过对接收到的相位参考码元进行去扰并对去扰后的数据自相关，以消除所述接收到的相位参考码元的随机性；步骤2，利用相位参考码元相关特性搜索并确定精确的最大相关值；步骤3，对所述最大相关值进行相关数学运算，调整时间基准，完成同步定时。本发明利用相位参考码元的特性提出一种能够快速精确地进行同步定时的方法，达到了简化算法提高性能的目的。
文档编号H04L27/26GK101039300SQ200710038008
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者朱骏杰, 冯显俊, 王立宁 申请人:鼎芯通讯(上海)有限公司