专利名称：时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法
技术领域：
本发明涉及通信领域中同步技术领域，尤其涉及一种适用于宽带数据分组突发 传输正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系统的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法。
背景技术：
正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)技术因其出色的抗多径能力和很高的频谱利用率在当前宽带无线通信系统及数字广播通信系统中得 到了广泛的应用。例如，无线局域网标准WiFi(802.1 la/g/n)，WiMax(802.16d/e)、LTE 下行链路，数字广播系统DVB、CMMB等都采用了 OFDM技术。
OFDM技术的一个主要缺点是对时间和频率的偏移比较敏感，时间偏移会导致 符号间干扰，对频率偏移比较敏感是OFDM技术的一个主要缺点，频率偏移会破坏子载 波之间的正交性，引起载波间干扰，使得系统性能急剧下降。要想实现OFDM系统数据 解调结果的低误码率性能，需要精确的频率同步。不同的频率同步算法会导致频率同步 实现的复杂度差别巨大，而分组突发的宽带数据传输系统需要同步借助辅助训练数据序 列的作用在很短的时间内完成同步，因而需要同步技术具备低复杂度和实时性的优点， 同步是OFDM接收机设计中的一个研究热点。传统的时频同步联合估计方法采用联合 定时和频偏的同步算法，该算法是T.M.Schmidl所设计的时频同步算法以及对Schmidl的 改进算法[18]，在该方法中使用位于数据帧头的两个训练序列分两步得到时间和频率同 步，其时间同步是通过搜索第一个序列内前后完全相同的两部分的相关性而得到，但该 算法的缺点是在正确的定时点附近存在一个定时测度平台，导致较大的定时方差。同 时，采用该算法的另一缺点是频偏估计范围较小，且往往只能估计小数倍频偏。
OFDM系统中的频率偏移可以分为子载波间隔小数倍的频偏(小数倍频偏ffrJ以及子载波间隔整数倍的频偏(整数倍频偏fmt)，子载波间隔小数倍的频偏会破坏子载波间的正交性，引起子载波间干扰；子载波间隔整数倍的频偏则导致解调后的数据在子载波上的整体偏移；因此OFDM的频率同步包括子载波间隔小数倍及整数倍频偏的估计和补 mte ο
关于OFDM系统的频率同步方法已经有许多文献进行了研究，这些方法可以分 为盲估计算法以及数据辅助估计算法两大类。数据辅助估计算法因其捕获速度快，估计 精度高的特点更适用于突发的数据传输。Moose提出了载波频率偏移的最大似然估计算 法[1]，采用两个连续的相同训练序列，频偏的估计范围为士0.5个子载波间隔，通过缩短 训练序列可以增加频偏的估计范围，但同时会带来估计精度的下降。
相对于传统的时频同步算法，本发明所提出的方法在用于时间同步时，仅用于 时间粗同步，不需对定时测度平台有严格的要求，简化了系统测度函数的硬件设计。采 用长度不同的两个相关器用于定时自相关峰的检测，增加了抵抗噪声的能力。相对于传 统的整数倍频偏估计方法，本发明提出的方法在时域上利用两个长度不同的自相关器对短序列进行相关运算检测峰值，并根据两个自相关器各自估算出的频偏值，通过设计的 频偏取值范围判决器，同时联合估计出小数倍频偏和小于3倍整数频偏的整数倍频偏。发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种时间粗同步和频率精同步的时域联 合估计方法，以解决传统的时频联合估计方法中定时测度平台要求严格从而导致系统测 度函数硬件设计复杂，整数倍频偏估计和符号细同步不准确并且相互影响，时频同步分 别估算小数倍频偏和整数倍频偏所带来的硬件运算开销较大，以及时频同步算法的运算 复杂度导致延时增加的矛盾。
本发明的方法具备抗多径干扰和抗噪声干扰能力强，定时测度运算简单，频率 偏移估计范围大，频率估计精度高，运算复杂度低，运算延迟时间短的优点。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种时间粗同步和频率精同步的时域联合估计 方法，该方法包括
对接收端的基带数据序列并行进行小点数长度的自相关运算和大点数长度的自 相关运算；
实时并行的通过小点数自相关峰值以及通过大点数自相关峰值确定联合确定时 间粗同步位置；
在时间粗同步位置确认点，根据小点数自相关峰值和大点数自相关峰值联合确 定频率检测结果。
上述方案中，该方法包括以下步骤
步骤1 设置小点数自相关运算器和大点数自相关运算器的相关器长度；
步骤2 对接收端的基带数据序列并行进行小点数长度的自相关运算和大点数 长度的自相关运算；
步骤3 根据设置的小点数自相关峰值检测第一时间粗同步位置；
步骤4:在检测到小点数自相关峰值的基础上，根据设置的大点数自相关阈值 门限检测大点数自相关峰值，并根据大点数自相关峰值检测第二时间粗同步位置；
步骤5:根据第一时间粗同步位置和第二时间粗同步位置，联合确定时间粗同 步位置；
步骤6 根据小点数自相关峰值和大点数自相关峰值计算整数倍频偏估计粗值 和小数倍频偏估计粗值；
步骤7 将整数倍频偏估算粗值和小数倍频偏估算粗值通过频偏取值判决器求 出最终准确频偏检测结果。
上述方案中，步骤1中所述设置小点数自相关运算器和大点数自相关运算器的 相关长度，具体包括
根据综合考虑OFDM训练序列长度和系统接收信号频偏值的范围，设定用于第 一时间粗同步位置和整数倍频偏粗值估算的小点数自相关运算器的长度为Dshrat,设定用 于第二时间粗同步位置和小数倍频偏粗值估算的大点数自相关器的长度为Dlrag。
上述方案中，在进行时间粗同步和频率精同步之前，需要进行自动增益控制的 处理，可用于进行自相关运算长度的OFDM短训练序列长度决定了 Dshrat和Dkmg的最大长 度不能超过短训练序列长度的3/4。
上述方案中，根据/Δ二 —。^ arctan(max(z))
权利要求
1.一种时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在于，该方法包括 对接收端的基带数据序列并行进行小点数长度的自相关运算和大点数长度的自相关运算；实时并行的通过小点数自相关峰值以及通过大点数自相关峰值确定联合确定时间粗 同步位置；在时间粗同步位置确认点，根据小点数自相关峰值和大点数自相关峰值联合确定频 率检测结果。
2.根据权利要求1所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤步骤1 设置小点数自相关运算器和大点数自相关运算器的相关器长度； 步骤2 对接收端的基带数据序列并行进行小点数长度的自相关运算和大点数长度 的自相关运算；步骤3 根据设置的小点数自相关峰值检测第一时间粗同步位置； 步骤4:在检测到小点数自相关峰值的基础上，根据设置的大点数自相关阈值门限 检测大点数自相关峰值，并根据大点数自相关峰值检测第二时间粗同步位置；步骤5:根据第一时间粗同步位置和第二时间粗同步位置，联合确定时间粗同步位置；步骤6 根据小点数自相关峰值和大点数自相关峰值计算整数倍频偏估计粗值和小 数倍频偏估计粗值；步骤7 将整数倍频偏估算粗值和小数倍频偏估算粗值通过频偏取值判决器求出最 终准确频偏检测结果。
3.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤1中所述设置小点数自相关运算器和大点数自相关运算器的相关长度，具体包 括根据综合考虑OFDM训练序列长度和系统接收信号频偏值的范围，设定用于第一时 间粗同步位置和整数倍频偏粗值估算的小点数自相关运算器的长度为Dsh。rt，设定用于第 二时间粗同步位置和小数倍频偏粗值估算的大点数自相关器的长度为Dlrag。
4.根据权利要求3所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，在进行时间粗同步和频率精同步之前，需要进行自动增益控制的处理，可用于进行 自相关运算长度的OFDM短训练序列长度决定了 Dshrat和Dkmg的最大长度不能超过短训练 序列长度的3/4。
5.根据权利要求3所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在于，根据
6.根据权利要求3所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在于，Dshrat选择为16，即可估算2倍整数倍频偏大小的频偏估值；Dkmg选择为64，即可估 算0.5倍频偏大小的频偏估值；通过并行使用两个自相关器，可进行宽范围、高精度的 频偏取值估计，其中宽范围是指频偏估算范围大于两倍频偏，高精度是指估计精度误差 < 10_3，信噪比> 5。
7.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤2中所述对接收端的基带数据序列并行进行小点数长度的自相关运算和大点数 长度的自相关运算，是根据
8.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤3中所述根据设置的小点数自相关峰值检测第一时间粗同步位置，具体包括1)、将自相关模值|Zn|简化为实部绝对值与虚部绝对值的和相加
9.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤4中在检测到小点数自相关峰值的基础上，根据设置的大点数自相关阈值门限 检测大点数自相关峰值，具体包括1)、将自相关模值|Zn|简化为实部绝对值与虚部绝对值的和相加
10.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤5中所述根据第一时间粗同步位置和第二时间粗同步位置，联合确定时间粗同 步位置，包括在同时满足
11.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤6中所述根据小点数自相关峰值和大点数自相关峰值计算整数倍频偏估计粗值和小数倍频偏估计粗值，包括确认粗同步成功后，根据小点数自相关峰值计算整数倍频偏估计粗值，根据大点数 自相关峰值计算小数倍频偏估计粗值。
12.根据权利要求11所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤6中所述根据小点数自相关峰值计算整数倍频偏粗值的具体步骤包括确认粗同步成功后，即Coarse_sync_ok = 1的条件基础上，根据fin, =_。j! arctan(max(z/;or)))求得整数倍频偏粗值fint的估计。
13.根据权利要求11所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤6中所述根据大点数自相关峰值计算小数倍频偏粗值的具体步骤包括确认粗同步成功后，即Coarse_sync_ok = 1的条件基础上，根据ffrac = _2 J arctan(max(z/0 g))long s求得小数倍频偏估计粗值ffra。。
14.根据权利要求2所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤7中所述将整数倍频偏估算粗值和小数倍频偏估算粗值通过频偏取值判决器求 出最终准确频偏检测结果，是根据整数频偏估计粗值和根据小数频偏估计粗值，按取值 判决原则确定最终的准确频偏估计值fall—fo6。
15.根据权利要求12所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，步骤7中求取最终的准确频偏估计值fall—foe具体包括步骤1)、根据下述判决原则进行第一步的频偏值估计ffrac >0丄,e 卜α”α2]_ fJrac步骤2)、在步骤1)不满足的条件下，根据下述判决原则进行频偏值估计‘frac > 0' fin, e[a2’Of4]< fm 丨，α3]；‘all _ foe — J frac ■fall _ foe步骤3)、在步骤1)和2)均不满足的条件下，根据下述判决原则进行频偏值估计fJrcc > 0Jinlffrac <0,/w e[-a4,-a2]:J all _ foe 一 J frac J1 ！步骤4)、在步骤1)、2)和3)均不满足的条件下，根据下述判决原则进行频偏值估计fJrac < ^ Jini ^ ("00^3]步骤5)、在步骤1)、2)、3)和4)均不满足的条件下，根据下述判决原则进行频偏值^all _ foe = ffrac _ 2 X估计\ffrac曰[ 4，+)Jall foe 二 J frac + 2 X / ；Λ r Γ、。
16.根据权利要求15所述的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，其特征在 于，所述α π α2, α 3, α 4的取值分别设置为α J = 0.25, α2 = 0.75， α 3 = 1.25, α4=1.75。
全文摘要
本发明公开了一种适用于正交频分复用系统(OFDM)的时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法，该方法包括对接收端的基带数据序列并行进行小点数长度的自相关运算和大点数长度的自相关运算；实时并行的通过小点数自相关峰值以及通过大点数自相关峰值确定联合确定时间粗同步位置；在时间粗同步位置确认点，根据小点数自相关峰值和大点数自相关峰值联合确定频率检测结果。利用本发明，提高了检测精度，解决了传统的时域同步信息不能检测整数倍频偏而影响后续时间细同步精度、时频联合估计方法中整数倍频偏估计和符号细同步不准确并相互影响，以及时频同步延时长，运算开销大的问题。
文档编号H04L27/26GK102025671SQ200910092878
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者吴斌, 周玉梅, 朱勇旭 申请人:中国科学院微电子研究所