专利名称：用于ofdm系统接收机的时间频率同步装置和方法
技术领域：
本发明涉及OFDM通信系统的接收机与基站之间的时间和频率同 步。更具体地说，本发明涉及一种用于OFDM系统接收机的时间频率同 步装置和方法，该时间频率同步装置和方法可以快速可靠地捕获物理层 的同步，避免了频偏补偿对时间同步的影响。
背景技术：
在支持移动的OFDM无线通信系统中，获得同步的速度和可靠性对 移动台初始网络接入以及切换过程的有效实现具有重要意义。移动台要 实现与基站间的有效通信，首先需要捕获基站信号的载频和时钟，艮P， 获得物理层同步，在此基础上才能建立上层的连接，从而最终实现上下 行的有效数据传输。
在OFDM系统中，每帧的开始一般都包含一个共同的训练符号，也 被称为前导符号(Preamble)。前导符号的引入很大程度上是为了便于同 步的实现。
传统的时间同步包括帧定时和符号定时。基于前导符号的帧定时是 利用相邻的两帧进行帧间相关，把对应于相关值最大值的时间作为帧定 时位置。为了进一步提高同步精度，还可以利用基于循环前缀的相关方 法做细定时，这也被称作符号定时。
另一方面，移动台的接收机晶振通常与基站的载波频率存在一定偏 差，需要通过频偏估计和补偿电路进行校正。频偏的补偿方式可以分为 前馈型和反馈型两种。前馈补偿法利用估计到的频偏对接收到的信号通 过相位旋转进行补偿；反馈补偿法通过压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)或数控振荡器(Numerical Controlled Oscillator, NCO)利用 估计到的频偏来进行自动频率控制(Automatic Frequency Control, AFC)。
4比较而言，前馈补偿法需要对每个接收样点进行复数乘法，复杂度较高。 而反馈补偿法只需根据频偏估计值以一定周期调整一次接收机载频或时 钟即可，比如每帧调节一次。
受衰落信道影响，如何判断同步成功与否是一个重要问题。只靠一 帧的检测结果就宣布物理层的同步往往是不可靠的，通常采用连续多次 的判决来宣布同步成功。这样就存在着如何协调频率频偏和时间同步之
间的关系的问题，特别是对于采用AFC的OFDM接收机而言。在一次同 步判决后需要对时钟进行调整以利于提高接续判决的可靠性。但是，对 于时钟调整前后的连续两帧，帧间存在着频率偏差。这种频率偏差会导 致帧间相关系数上带有时变的相位旋转，进而影响正确相关峰值的检出， 从而导致获得正确同步的时间增加。另一方面，对于分数倍频偏估计， 1/2载波频偏所引起的相位模糊是一个需要克服的问题。克服的方法通常 采用的是两次反馈调节AFC，这样的过程同样会影响时间同步的进程。 因此需要提供一种同步装置和方法来解决接收机频率调整和时间同步之 间的矛盾。
下面以TDD-OFDM系统为例来详细说明这个问题。
图1示出了一个典型的时分双工模式(Time Division Duplex, TDD)系 统的帧结构图，图中包括了由前导符号和下行符号DL0， DL1，......，
DLm所构成的下行子帧和由ULO， UL1， ......， ULn构成的上行子帧，
以及上下行转换时隙TTG (Transmit Receive Transition Gap)和RTG (Receive Transmit Transition Gap)。对于移动台接收t几来说，通常利用前 导符号来获得时间同步和符号同步。
图2示出了传统的时间频率同步装置的结构框图。该时间频率同步 装置包括频率调节单元201、帧同步单元202、符号同步单元203、 FCFO (分数倍频偏)估计单元204、 FFT单元205、 ICFO (整数倍频偏)估计 单元206、前导符号检测单元207、门限判决单元208。
帧同步单元202通常利用连续两帧信号来基于前导符号进行相关运 算。以一种归一化相关法为例进行说明。对于接收信号r(O，其样点A处 的绝对相关值为<formula>formula see original document page 6</formula>其中0<&^^—6， A和n均为表示样点序号的自然数，iV，为一个 OFDM符号所含的样点数， ,_为一帧内所含样点数。 相对应的联合平均功率为
<formula>formula see original document page 6</formula>利用尸2(*)做为归一化因子，可求得归一化相关值
<formula>formula see original document page 6</formula> 把s(Q的最大值所对应的时刻作为帧定时^ :
<formula>formula see original document page 6</formula>基于帧同步单元202获得的帧定时，在符号同步单元203中基于循 环前缀(Cyclic prefix, CP)进行相关运算，以获得更为精细的定时，即 符号定时^，相关过程如式(5)所示
<formula>formula see original document page 6</formula>其中<formula>formula see original document page 6</formula> M可取l到6中的一个值，即可以
利用一个或多个符号的CP相关。将幅值最大的p，(;t)所对应的定时位置
作为输出的符号定时<formula>formula see original document page 6</formula>
在OFDM系统中，基站与移动台的载波频率偏移一般以子载波带宽
作为归一化因子。归一化后小于1的频偏称为分数倍频偏，而归一化后
为整数的频偏称为整数倍频偏。
在FCFO估计单元204中利用i^("的相角可以得到FCFO的估计
值，即<formula>formula see original document page 6</formula>
这里&以A/为单位，A/为子载波带宽。 根据r，可以确定FFT窗的位置。
在FFT单元205，通过FFT变换将信号到频域。
此后，在ICFO估计单元206，利用前导符号或导频(Pilot)检测出整数倍频偏。这在现有技术中己有充分的描述，在此不做具体说明。
在前导符号检测单元207中，可以利用接收信号与已知码字序列做 相关分析，来检测出相邻基站所发送的前导符号码和相应接收信号的强 度。
在门限判决单元208中，根据前导符号检测单元207计算出的相关 值的峰均比与预设门限的比较来判定本次定时和频偏估计是否有效，即 判断
及WOA" ^ " 5鹏 (8 )
^皿为针对一前导符号码的相关值，^，为相关值均值。"为预设
门限。若式(8)成立，则认为此次同步过程有效，用记号"OK"表示这一 事件的发生。在下一帧到来之前，可以通过频率调节单元201利用估计 出来的FCFO和ICFO对频偏进行补偿，即
i CFO(") = WCFO(" -1) - FCFO(") - /CFO(") ( 9 )
这里"为帧周期序号，AC,O表示残留频偏。这样，在下一帧到来时，
就认为实现了物理层同步。
但是，在衰落信道环境下，为确保物理层同步的可靠性，在移动台
接入网络时往往需要多次连续OK事件来触发物理层成功同步信号，这
里牵扯到两个问题
1、多次连续OK事件中的频率补偿问题。 一种做法是将时间同步和 频率同步分开，在多次连续OK事件中间不对频偏做出调整，直到满足 连续次数再进行频偏估计和调整。这种做法的缺点是频偏的存在对前导 符号检测的相关峰值产生很大影响，增加误判的几率并且降低获得连续 多次OK的概率，从而增加同步获得的时间。另一种做法是在获得一次 OK后即在下一帧到来之前利用检测到的频偏进行补偿。这时，在补偿前
后的两帧期间就存在着残留频率偏移差Di CFO : mCFO = i C尸Of，-及CFOp^卿 (10)
Di CFO在下一次帧同步中的相关运算中引入了时变相移，如图3所 这样，式(l)中的相关值成为
小'<formula>formula see original document page 8</formula>
时变相位旋转一，w破坏了原始信号的相关特性，降低了同步精度。
2、对于FCFO估计存在着1/2A/相位模糊的问题，即当频偏超过 1/2A/时，相位会出现反转从而导致错误的频偏估计。对于使用AFC的 OFDM系统来说， 一般需要两次反馈调整来克服这个问题。这种必需的 调整同样需要和时间同步过程协调起来。
基于以上分析，需要为OFDM移动台提供一种装置和方法来克服频 偏调整和时间同步之间的矛盾，实现快速可靠的时间同步和频率同步， 从而提高移动台网络接入和切换的速度。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，提出了本发明。本发明的目的在 于提供一种在OFDM系统的移动台的接收机中使用的时间频率同步装置 和方法，来克服频偏调整和时间同步之间的矛盾，实现快速可靠的时间 同步和频率同步，从而提高移动台网络接入和切换的速度。
根据本发明的第一方面，提供了一种在OFDM系统的移动台的接收 机中使用的时间频率同步装置，该时间频率同步装置在所述移动台初始 接入网络或进行切换时实现所述移动台与对应基站之间的时间和频率同 步，
其特征在于，所述时间频率同步装置包括 帧同步控制器，其确定是否对接收信号进行帧同步； 频偏补偿控制器，其确定如何对接收信号进行频偏补偿；以及 同步估计有效计数器，其对确定接收信号的同步估计是否有效进行 计数，
其中，所述同步估计有效计数器的初始值被设为0，若所述同步估计 被判定为有效，则使所述同步估计有效计数器的计数值递增1，否则，将 所述同步估计有效计数器的计数值重置为0，
其中，在所述同步估计有效计数器的计数值为初始值0时，所述帧同步控制器确定对接收信号进行帧同步，
在所述同步估计有效计数器的计数值为1时，所述帧同步控制器确 定不对下一帧接收信号进行帧同步，并且所述频偏补偿控制器确定仅基 于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏对下一帧接收信号进行频率 补偿，并且
在所述同步估计有效计数器的计数值为2时，触发时间同步，并且 所述频偏补偿控制器确定基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏 和整数倍频偏一起对下一帧接收信号进行频率补偿，以实现频率同步。
在第一方面的时间频率同步装置中，通过对前一帧接收信号与当前 帧接收信号进行相关运算，来进行所述帧同步。
在第一方面的时间频率同步装置中，通过对所述接收机中存储的多 个前导符号与所述接收信号进行相关运算，从而计算出多个相关值，并 判断所述多个相关值中的每一个与所述多个相关值的平均值之间的比值' 是否大于或等于预定门限值，若所述比值大于或等于预定门限值，则确 定所述同步估计有效。
根据本发明的第二方面，提供了一种OFDM系统的移动台的接收机， 其特征在于，该接收机包括上述时间频率同步装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种时间频率同步方法，该时间频 率同步方法用于在OFDM系统的移动台初始接入网络或进行切换时实现 所述移动台与对应基站之间的时间和频率同步，
其特征在于，所述时间频率同步方法包括以下步骤
对接收信号进行同步估计；
判定所述同步估计是否有效，并计数；以及
基于所述计数的计数值，确定是否对下一帧接收信号进行帧同步以 及如何对该下一帧接收信号进行频偏补偿，
其中，所述计数值的初始值被设为0，若判定所述同步估计为有效， 则使所述计数值递增l，否则，将所述计数值重置为0，
其中，在所述计数值为初始值0时，确定对接收信号进行帧同步，
在所述计数值为1时，确定不对下一帧接收信号进行帧同步，并且仅基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏对下一帧接收信号进行 频率补偿，并且
在所述计数值为2时，触发时间同步，并且确定基于针对当前帧接 收信号估计出的分数倍频偏和整数倍频偏一起对下一帧接收信号进行频 率补偿，以实现频率同步。
在第三方面的时间频率同步方法中，通过对前一帧接收信号与当前 帧接收信号进行相关运算，来进行所述帧同步。
在第三方面的时间频率同步方法中，通过对所述移动台中存储的多 个前导符号与接收信号进行相关运算，从而计算出多个相关值，并判断 所述多个相关值中的每一个与所述多个相关值的平均值之间的比值是否 大于或等于预定门限值，若所述比值大于或等于预定门限值，则确定所 述同步估计有效。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序，其在被加载到计 算机中并被执行时，使得计算机能够实现如第三方面所述的同步捕获方 法。
根据本发明的第五方面，提供了一种包含上述计算机程序的计算机 可读记录介质。
根据本发明，可以快速可靠地捕获物理层的同步，避免了频偏补偿 对时间同步的影响，通过连续两次有效的同步估计提高了触发正确同步 的可靠性，并且通过连续两次CFO补偿解决了 1/2A/相位模糊问题。
所包括的附图构成了说明书的一部分，并与文字描述一起用来阐释
本发明的原理。在附图中
图1是一种典型的TDD-OFDM系统的帧结构的示意图； 图2是示出现有技术的时间频率同步装置的结构框图； 图3示出了频偏调整对帧同步的影响； 图4是示出本发明的时间频率同步装置的结构框图5示出了利用本发明的时间频率同步装置来实现物理层同步的时
10序；
图6是本发明的时间频率同步方法的流程图；以及
图7是示出利用本发明的一个实例进行仿真的结果图。
具体实施例方式
下面参照图4-7对本发明的实施方式进行说明。
图4为本发明的时间频率同步装置的结构框图。
本发明的时间频率同步装置包括频率调节单元401 、帧同步单元402 、 符号同步单元403、 FCFO估计单元404、 FFT单元405、 ICFO估计单元 406、前导符号检测单元407、门限判决单元408、同步估计有效计数器 409、频偏补偿控制器410、以及帧同步控制器411。其中，频率调节单 元401、帧同步单元402、符号同步单元403、 FCFO估计单元404、 FFT 单元405、 ICFO估计单元406、前导符号检测单元407、门限判决单元 408的功能与前面描述的传统时间频率同步装置中的相应单元的功能相 同。
本发明的不同之处在于，增加了同步估计有效计数器409、频偏补偿 控制器410、以及帧同步控制器411。其中，帧同步控制器411确定是否 对接收信号进行帧同步，频偏补偿控制器410确定如何对接收信号进行 频偏补偿，同步估计有效计数器409对确定接收信号的同步估计是否有 效进行计数。同步估计有效计数器409的初始值被设为0，若同步估计被 判定为有效，则使同步估计有效计数器409的计数值递增1，否则，将同 步估计有效计数器409的计数值重置为0。在同步估计有效计数器409的 计数值为初始值0时，帧同步控制器411确定对接收信号进行帧同步； 在同步估计有效计数器409的计数值为1时，帧同步控制器411确定不 对下一帧接收信号进行帧同步，并且频偏补偿控制器410确定仅基于针 对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏对下一帧接收信号进行频率补 偿。在同步估计有效计数器的计数值为2时，触发时间同步，并且频偏 补偿控制器410确定基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏和整 数倍频偏一起对下一帧接收信号进行频率补偿，以实现频率同步。下面参照图5的时序图和图6的流程图来对本发明的时间频率同步
装置的操作进行详细描述。
帧定时利用前导符号获得，可以采用传统方法。
在步骤601，将同步估计有效计数器初始设置为0。 在步骤602，帧同步单元402利用缓存器中存储的前一帧时段内的信 号样点与当前帧时段接收到的信号进行相关运算，获得帧定时。但并不
仅限于这种方法，也可以采用本领域技术人员公知的其他方法来获得帧 定时。
接着，在步骤603，符号同步单元403基于所获得的帧定时，利用公 知的基于CP的方法来获得符号定时，并且FCFO估计单元404基于该符 号定时获得FCFO的估计。
在步骤604， FFT单元405基于符号同步单元403获得的符号定时进 行FFT，从而将接收信号变换到频域。
接着，在步骤605， ICFO估计单元406利用导频或前导符号来估计 ICFO，前导符号检测单元407对已知前导符号序列和接收信号进行相关 运算，相关结果可用于基站选择及同步成功与否的判定，这在现有技术 中己有充分的说明。
接着，在歩骤606，门限判决单元408采用如式(8)所示的公知的峰 均比判别方法，来判断针对目标基站的相关值与多个相关值的均值之间 的比值是否大于或等于预定门限值a。对于门限判决单元408中的预定门 限值a，优选地，预先通过分析和仿真将其选择为保证第一次判定同步估 计有效对应95%以上的正确同步。
若在步骤606门限判决单元408的判定结果为"否"(步骤606:否)， 则转向步骤611，针对下一帧信号进行处理，进而转向步骤601。
若在步骤606门限判决单元408的判定结果为"否"(步骤606:是)， 则前进到步骤607，在此使同步估计有效计数器409的计数值递增1。
接着，前进到步骤608，同步估计有效计数器409判断其计数值是否 达到2。当同步估计有效计数器409的计数值达到2时，表示连续两帧"同 步估计有效"，即，宣布物理层同步成功。若上述判断的结果为"否"，这意味着实现了第一次有效的同步估计，
即，同步估计有效计数器409的计数值=1，则频偏补偿控制器410确定
仅用针对当前帧估计出的分数倍频偏FCFO通过频率调节单元401来对
下一帧信号进行频偏补偿，补偿后的残余频偏为-
及C尸O(w) = i C尸O(" — 1) — FCFO(w) (12)
这样，避免了反馈错误的IFCO。
在帧同步单元402的缓存器中缓存经FCFO补偿后的一帧长的信号 样点。而帧同步单元402受帧同步控制器411的控制不再做帧定时，艮口， 过程转到步骤603，对这一帧，以同步估计有效计数器的计数值=1所对 应的一帧的帧定时为中心直接做符号定时和FCFO估计，然后接着重复 步骤604-608的操作，这一时序处理过程如图5所示。
由于在基于CP的相关运算中，对应于相关峰的信号(前导符号或前 导符号及其随后几个符号)位于频偏补偿之后的帧长内，因而峰值不受 AFC的影响，从而避免了频偏补偿对定时造成的影响。以这次符号定时 的输出为基准确定FFT窗并做FFT。在频域进行前导符号检测和ICFO 估计。若检测出的最大相关值满足门限要求，则再一次宣布"同步估计有 效"。
两次连续同步估计有效使得同步估计有效计数器的计数值=2 (步骤 608:是)，从而触发同步成功信号。由此，在步骤609，频偏补偿控制器 410确定将将估计到的FCFO和ICFO全部反馈给频率调节单元401来对 下一帧信号进行频偏补偿。补偿后的接收信号为
及CF(9(") = i CFO(" -1) - FC,O(w) - /C尸0(") (13)
这样在连续两次的同步估计有效和两次频偏调整后，在即将到来的 下一帧实现了时间同步和频率同步(步骤610)，这一处理过程的时序图 如图5所示。
利用本发明的时间频率同步装置，最快可以在第3帧开始时实现物 理层同步。若忽略初始存储的一帧，本方法最快仅用两帧的时间即可实 现帧同步。
另外，这里的两次频偏补偿解决了 1/2相位模糊的问题。假设频偏为
130.6A/，由于相位模糊估计值为-0，4A/，则经过一次频偏补偿后为1A/。
这一整数倍频偏可以通过ICFO估计得到并在第二次频偏补偿进行校正。
如果在第一次同步估计有效后，第二次的同步估计有效没有成功，
则将同步估计有效计数器409重置为0。在随后的帧内，利用缓存的一帧 样点继续做帧定时，直到实现连续两次的同步估计有效。
根据本发明，能够快速可靠地捕获物理层的同步，避免了频偏补偿 对时间同步的影响，通过两次连续同步估计有效提高了触发正确同步的 可靠性，并且通过连续两次频偏补偿解决了 1/2A/相位模糊问题。
图7示出了利用本发明方法的一个仿真实例。仿真针对1根发送天 线和2根接收天线的系统，在接收机的移动速度为60 km/h及SNR为-5dB 的条件下，可以看到，本发明可以在4帧内获得同步的概率达到了80%。
需要说明的是，本发明的范围还包括用于执行上述时间频率同步方 法的计算机程序以及记录有该程序的计算机可读记录介质。作为记录介 质，这里可以使用计算机可读的软盘、硬盘、半导体存储器、CD-ROM、 DVD、磁光盘(MO)以及其它介质。
以上参照附图对本发明的优选实施方式进行了详细说明。但本发明 并不限于此，而是可以在不脱离本发明的宗旨和精神的前提下作出各种 变型和修改。本领域技术人员应当理解，本发明将涵盖落入索夫权利要 求书的范围及其等同物内的对本发明的各种修改和变型。
权利要求
1、一种在OFDM系统的移动台的接收机中使用的时间频率同步装置，该时间频率同步装置在所述移动台初始接入网络或进行切换时实现所述移动台与对应基站之间的时间和频率同步，其特征在于，所述时间频率同步装置包括帧同步控制器，其确定是否对接收信号进行帧同步；频偏补偿控制器，其确定如何对接收信号进行频偏补偿；以及同步估计有效计数器，其对确定接收信号的同步估计是否有效进行计数，其中，所述同步估计有效计数器的初始值被设为0，若所述同步估计被判定为有效，则使所述同步估计有效计数器的计数值递增1，否则，将所述同步估计有效计数器的计数值重置为0，其中，在所述同步估计有效计数器的计数值为初始值0时，所述帧同步控制器确定对接收信号进行帧同步，在所述同步估计有效计数器的计数值为1时，所述帧同步控制器确定不对下一帧接收信号进行帧同步，并且所述频偏补偿控制器确定仅基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏对下一帧接收信号进行频率补偿，并且在所述同步估计有效计数器的计数值为2时，触发时间同步，并且所述频偏补偿控制器确定基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏和整数倍频偏一起对下一帧接收信号进行频率补偿，以实现频率同步。
2、 如权利要求1所述的时间频率同步装置，其中，通过对前一帧接 收信号与当前帧接收信号进行相关运算，来进行所述帧同步。
3、 如权利要求1所述的时间频率同步装置，其中，通过对所述接收 机中存储的多个前导符号与所述接收信号进行相关运算，从而计算出多 个相关值，并判断所述多个相关值中的每一个与所述多个相关值的平均 值之间的比值是否大于或等于预定门限值，若所述比值大于或等于预定 门限值，则确定所述同步估计有效。
4、 一种OFDM系统的移动台的接收机，其特征在于，该接收机包 括如权利要求1-3中的任一项所述的时间频率同歩装置。
5、 一种时间频率同步方法，该时间频率同步方法用于在OFDM系 统的移动台初始接入网络或进行切换时实现所述移动台与对应基站之间 的时间和频率同步，其特征在于，所述时间频率同步方法包括以下步骤 对接收信号进行同步估计； 判定所述同步估计是否有效，并计数；以及基于所述计数的计数值，确定是否对下一帧接收信号进行帧同步以 及如何对该下一帧接收信号进行频偏补偿，其中，所述计数值的初始值被设为0，若判定所述同步估计为有效， 则使所述计数值递增l，否则，将所述计数值重置为0，其中，在所述计数值为初始值0时，确定对接收信号进行帧同步，在所述计数值为1时，确定不对下一帧接收信号进行帧同步，并且 仅基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏对下一帧接收信号进行 频率补偿，并且在所述计数值为2时，触发时间同步，并且确定基于针对当前帧接 收信号估计出的分数倍频偏和整数倍频偏一起对下一帧接收信号进行频 率补偿，以实现频率同步。
6、 如权利要求5所述的时间频率同步方法，其中，通过对前一帧接 收信号与当前帧接收信号进行相关运算，来进行所述帧同步。
7、 如权利要求5所述的时间频率同步方法，其中，通过对所述移动 台中存储的多个前导符号与接收信号进行相关运算，从而计算出多个相 关值，并判断所述多个相关值中的每一个与所述多个相关值的平均值之 间的比值是否大于或等于预定门限值，若所述比值大于或等于预定门限 值，则确定所述同步估计有效。
全文摘要
本发明提供一种用于OFDM系统接收机的时间频率同步装置和方法。该时间频率同步装置包括帧同步控制器、频偏补偿控制器以及同步估计有效计数器。在同步估计有效计数器的计数值为0时，帧同步控制器确定对接收信号进行帧同步。在同步估计有效计数器的计数值为1时，帧同步控制器确定不对下一帧接收信号进行帧同步，并且频偏补偿控制器确定仅基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏对下一帧接收信号进行频率补偿。在同步估计有效计数器的计数值为2时，触发时间同步，并且频偏补偿控制器确定基于针对当前帧接收信号估计出的分数倍频偏和整数倍频偏一起对下一帧接收信号进行频率补偿，以实现频率同步。
文档编号H04L27/26GK101582871SQ20081009903
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者昊 王, 昕 王, 军 田, 近藤泰二 申请人:富士通株式会社