專利名稱：一種改進的時間同步方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，特別涉及在無線通信領域中的時間同步問題。
背景技術：
在通信系統中時間同步模塊用來找出有用信號的起始位置，是系統可靠運行的首要步驟。無線信道的信道質量相對較差，不僅存在著嚴重的多徑衰落現象還有較大的噪聲干擾，典型的如短波通信信道，信噪比可以低到-3dB。另外由于發射機和接收機的載波頻率以及信號的采樣率不可能完全一致，導致變頻后的信號中還存在一定程度的頻率偏移。在利用本地序列同步時，頻率偏移對同步性能的影響很大。
常用的時間同步方法主要有兩類(1)利用接收信號自身的相關性進行同步。在發送信號前先發送兩段重復或者相關性很強的序列作為訓練序列，接收端對輸入信號作前后相關，尋找相關峰。比如OFDM系統，可以利用OFDM符號的循環前綴和符號本身的重復性做同步。這類同步算法由于利用了信號自身前后的相關性，抵消了固定頻偏對相關性的影響。但是由于參與相關運算的兩段信號本身都經過了信道，疊加了大量的噪聲，所以在信道質量較差的情況下，特別是在遠距離無線信道中，同步的性能比較差。而且由于部分相關的存在，這種方法求得的相關性曲線是緩慢變化的，給尋找準確的相關峰帶來難度。
(2)利用接收信號和存儲在本地的信號的相關性進行同步。在發送信號前先發送一段特定的訓練序列，并將序列存儲在本地，接收端將接收信號和本地存儲的訓練序列作相關運算，求出相關峰的位置。這種方法由于本地序列沒有疊加噪聲，所以即使在低信噪比的情況下，也能取得較大的相關峰。但此方法對固定頻偏非常敏感。頻偏會使接收信號和本地序列的相位差隨著時間逐漸變大，從而導致同步頭整體的相關性急劇下降，當相位差的變化范圍達到2π時，相關性基本消失。
發明內容
本發明針對第2類方法的優缺點，提出了一種改進的時間同步算法，并針對該算法的運算量做了優化。
同步頭部分將原來一段同步序列分割成N個等長的小段。接收端實現同步的原理是將接收信號分別和N段短本地序列作相關然后找到共同的相關峰從而確定同步位置。由于是和本地序列作相關運算，所以仍然可以克服較大的噪聲干擾對同步性能的影響。同時每段的本地序列長度都很短，所以固定頻偏在每段中引起的相位偏差的變化范圍不會很大，只要變化范圍小于π，每段數據和本地序列仍能保持較大的相關性。
但如果直接按照這種方法實施，接收信號要和本地序列作N次相關，運算量會相當大。考慮到與N段本地序列作相關的都為同一接收序列，于是采用簡化算法。做法如下首先在接收端存儲本地序列的頻域數據和每段數據的能量值。分別將N段長度為M的本地序列取共軛再反轉，然后補零作FFT后保存。其中反轉是為了將相關運算等效成卷積運算，補零是為了滿足用圓周卷積代替線性卷積對序列長度的要求。然后求出每段本地序列的能量值，存儲在接收端，用來參與歸一化運算。這些工作可以事先完成，所以不需要消耗系統運行時的計算量。
接收端接收到信號后，先將信號按L點分段。按照重疊保留法的思想，將每一段的L點數據和前一段末尾的M點數據一起做L+M點FFT(保證L+M是2的冪，第1段數據在前面補M個零)。將FFT的結果分別和本地的N段頻域數據相乘，最后將相乘結果再作IFFT，舍棄前面M個點，就得到了N段長為L的相關值。
然后求輸入數據各點的平方，用遞推的方法求出每個相關點對應輸入數據的能量值，將輸入數據能量和本地序列能量求幾何平均，得出用來歸一化的能量值。用前面求得的相關值除以能量，就得到歸一化的相關值。
再求N段歸一化相關值的平均值，由于N段同步序列是依次發送的，所以和每一段本地序列作相關時峰值也是依次出現的，于是將每一段相關值延時不同的點數，第1段相關值延時M*(N-1)點，第2段延時M*(N-2)點，依次類推，將延時后的相關值相加后求平均，就能得到最后的相關值。
最后設定門限，對相關值進行峰值檢測，找出峰值的位置，進而求出同步頭的起始位置，完成時間同步。
本發明的優點在于1，本同步算法將本地序列設計成很多長度較短的小段，既保留了和本地序列作相關可以抗噪聲的優點，又解決了因頻偏引的整體相關值急劇下降的問題。2，對于輸入信號和N段數據的相關運算部分，本發明將其轉化為1次FFT運算和N次IFFT運算，這樣就可以利用統一的FFT模塊來大大提高系統的同步效率。對于相關值的歸一化運算，本發明先計算好輸入數據各點的平方，然后利用遞推的方法計算每個相關點對應滑動窗內的能量，可以避免對能量值的重復計算
圖1是本發明的基本原理2是本發明的具體實施框3是接收信號前后作相關的方法和本發明的仿真對比圖(信噪比-3dB)圖4是接收信號與本地作相關的方法和本發明的仿真對比圖(頻偏80Hz)圖5是本發明的仿真結果圖(信噪比-3dB頻偏80Hz)具體實施方法本發明已在一個用于短波通信的OFDM系統中得到驗證，下面給出系統同步部分的參數具體配置，并闡述本發明的具體實現步驟。
同步頭參數采樣率40.96KHz信號帶寬12KHz每段同步序列長度256點同步序列段數8段接收序列分段點數1792點首先將8段256點同步序列反轉取共軛然后補零成2048點再做FFT，存儲在本地接收端，同時存儲本地序列各段的平方和。
同步過程分成如下步驟步驟1將接收序列按照1792點分成一段，每段數據再和前一段數據的末尾256點組成2048點序列(第1段數據前面補零)。
步驟2將分段后的2048點序列作FFT后分別和8段本地序列相乘，再將相乘結果分別作IFFT，舍去前面256點，就得到8段1792點的相關曲線。
步驟3計算輸入數據每點的平方，用遞推的方法求出每點相關值對應滑動窗內的能量值，再分別和本地序列的能量值相乘開方求出相關值對應的能量值。將相關曲線用求得的能量值歸一化，得到歸一化的相關值。
步驟4將每一段歸一化相關值存儲，然后延時相加求平均。第1段同步序列對應的相關值延時256*(8-1)點，第2段同步序列對應的相關值延時256*(8-2)點，依次類推，求平均值后就得到最終的相關值曲線。
步驟5設定門限為0.16，尋找峰值點，完成同步。
下面給出仿真結果圖5是仿真結果圖。仿真條件是信噪比0dB，兩徑，延時2ms，多普勒擴展1Hz，頻偏80Hz。仿真結果表明，在信道條件很差的情況下，仍能得到較大的相關峰。
權利要求
1.一種無線通信的時間同步方法，包括如下步驟(1)、將同步序列分成N個小段，把每段數據共軛反轉后作FFT，并把FFT的結果和每段數據的能量值預先存儲在接收端，(2)、根據重疊保留法，將接收數據分段作FFT，段與段之間有一定重疊。將FFT的結果和本地N段數據分別相乘后再作IFFT就得到接收序列和本地N段數據的相關值，(3)、根據接收序列的能量和本地序列的能量，用遞推的方法算出對應每一相關值的能量值。然后用步驟(2)中算出的相關值除以能量值得到歸一化的相關值，(4)、把得到的N段相關值分別延時再相加求平均，用峰值檢測的方法找出相關峰，找出信號的起始位置。
2.根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于將本地同步序列分成N個等長的小段，計算接收序列和N個小段的相關值，找出它們共同的峰值。
3.根據權利要求1所述的時間同步方法，其特征在于接收序列和N個小段求相關值時結合了快速卷積的重疊保留法的思想，將N次相關運算轉化為1次FFT運算和N次IFFT運算。
全文摘要
本發明涉及通信技術領域的時間同步問題。本發明針對信號中的噪聲和頻偏對同步性能的影響，提出將同步序列設計成多個長度較短的小段，接收信號分別和各個小段進行相關運算，將由此產生的多條相關曲線延時相加，找到相關峰，完成同步。該方法可以很好地克服噪聲和固定頻偏對同步性能的影響。同時，針對本方法的結構，設計出了切實可行的簡化運算量的方法。
文檔編號H04L27/26GK101094517SQ20071002451
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月21日 優先權日2007年6月21日
發明者徐大專, 王磊 申請人:南京航空航天大學