專利名稱：一種同步定時的方法
技術領域：
該發明涉及一種在正交頻分復用(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)通信中的同步方法，具體涉及接收機與發射機之間符號定時偏差檢測的方法。
背景技術：
DAB(Digital Audio Broadcasting，數字音頻廣播)系統是由ETSI(European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標準協會)提出的一種數字音頻廣播系統，它采用OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術)與DQPSK(差分正交相移鍵控調制)相結合的調制方式。
同步技術包括時間同步(符號同步、幀同步)和頻率同步。由于數據是以幀為單位傳輸的，必須準確地確定每一幀的起始位置，系統才能進行可靠的通信。因此，時間同步作為同步的首要環節，其估計的準確度將直接影響頻率同步的準確度。同步定時對于任何數字通信系統來說都是根本的任務，沒有精確的同步算法就不能對傳送的數據進行可靠的接收。
OFDM系統中的符號定時(Symbol Timing)是指求得單個OFDM符號開始和結束的精確時刻。符號定時的結果將決定FFT的窗口，也就是決定用于計算每一個接收OFDM符號的一組取樣值。接收端在對子載波進行解調之前，需要通過符號定時算法在接收到的數據流中找到每個OFDM符號的起點以正確進行FFT解調。在多徑信道中，超過保護間隔的符號定時誤差會引起碼間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)，破壞子載波正交性以及降低系統性能，也就是說符號同步偏差直接影響OFDM系統的抗多徑效應能力。
由于在OFDM符號之間插入了循環前綴(Cyclic Prefix，CP)保護間隔，因此OFDM符號定時同步的起始時刻可以在保護間隔內變化，而不會造成碼間干擾ISI和載波間干擾ICI(Inter-CarrierInterference)。只有當FFT運算窗口超出了符號邊界，或者落入符號的幅度滾降區間，才會造成ISI和ICI。因此，OFDM系統對符號定時同步的要求會相對較寬松，但是在多徑環境中，為了獲得最佳的系統性能，需要確定最佳的符號定時。
在加性白高斯噪聲(AWGN)信道條件下，符號同步偏差對FFT輸出符號的影響是如果估計到的符號起始位置位于保護間隔內，每個符號內的FFT輸出子載波信號會以不同的相角翻轉，這個相角和同步偏差成比例。如果估計的符號起始位置位于數據間隔內，那么當前采樣的OFDM符號就會包括一些其它OFDM符號采樣點。這樣，FFT輸出的每個符號子載波都會由于符號間干擾而引起相位翻轉或分散。符號同步偏差引起的相位翻轉可以通過適當地在相位上翻轉接收的信號而加以校正，但是由ISI引起的信號星座圖的分散產生了誤比特率(BER)。另外，還必須考慮信道的影響。由于多徑效應，OFDM符號在時間軸上被分散，用來估計符號同步位置的保護間隔由于受到前一符號的干擾，從而影響了同步的估計。
DAB系統所需要的單頻點組網(Single Frequency Network，SFN)的特性會造成接收機在時域上存在較大的多徑延遲和頻域上的深衰落；另外，接收機需要支持高速移動的情況下信號解調；在進行符號定時精確估計的時候，無法得到準確的載波同步條件，因此頻率偏移又會導致時域上OFDM符號的相位偏移。以上列舉的這些問題都造成符號定時偏移的測量成為一個難點。
傳統的時間同步方法無法解決上述所有的問題，或解決上述所有的問題的運算太過復雜或者是耗電量太大。本發明提出的符號定時偏移的測量算法可以克服以上所有的問題，成效卓越、硬件復雜度低并且低功耗。
發明內容
本發明提出一種在低信噪比條件下采用鄰載波PRS(PhaseReference Symbol)相關檢測實現低功耗、快速符號定時偏移搜索的定時同步方法。本發明利用了PRS的特性，頻偏搜索準確性高、算法簡單，達到了提高性能的目的。
本發明方法包括如下步驟步驟1通過對接收到的相位參考碼元進行去擾并對去擾后的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；
步驟2利用相位參考碼元相關特性搜索并確定精確的最大相關值；步驟3對所述最大相關值進行相關數學運算，調整時間基準，完成同步定時。
進一步地，所述步驟1具體包括如下步驟步驟1.1對接收的相位參考碼元進行傅立葉變換，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共軛相乘進行去擾操作。
進一步地，所述步驟2具體包括如下步驟步驟2.1通過峰值檢測器進行相關值峰值檢測，找到最大相關值峰值；步驟2.2同步判決器對所述最大相關值峰值進行多次搜索，直到找到精確的最大相關值。
進一步地，所述步驟3具體包括如下步驟步驟3.1使能對所述最大相關值求幅角的步驟，通過數學換算將所述最大相關值的相位偏差轉換成時間偏差；步驟3.2根據所述時間偏差計算出實際時間基準來對比預設時間基準，如果與預設時間基準對齊，則所述預設時間基準正確，如果比預設時間基準提前或延后，則進行調整，完成同步定時。
根據不同的正交頻分復用技術系統，本發明方法中子載波延遲數最佳取值應最小。
本發明方法只需要在頻域而不是在時域進行頻偏檢測，算法有效的前提條件容易滿足；本發明方法無須逐點搜索頻偏，搜索速度快；本發明方法充分地利用了相位參考碼元的特性進行頻偏搜索，因此搜索準確，算法較其他方法更加精確簡單。
圖1是本發明方法的步驟流程圖；圖2是本發明方法的原理框圖；圖3是鄰近子載波相互相關的說明示意圖；圖4是本發明方法寄存器級的原理圖；圖5是應用本發明方法的仿真結果的數據示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作詳細說明。在本實施例中載波頻偏數n取16，即搜索范圍為-16～+16，搜索次數為33次；本實施例是針對DAB系統的，延遲子載波數d取1，即鄰子載波互相相關。本發明的構造和作用僅僅作為本實施例進行說明，而本發明所述的技術思想和核心構成及作用并不局限于此。
圖1是本發明方法的步驟流程圖。如圖1所示，本發明方法包括如下步驟步驟1，通過對接收到的相位參考碼元進行去擾并對去擾后的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2，利用相位參考碼元相關特性搜索并確定精確的最大相關值；步驟3，對所述最大相關值進行相關數學運算，調整時間基準，完成同步定時。
圖2是本發明的原理框圖，如圖2所示本發明的實施原理如下時域PRS經過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個子載波，再與所述去擾后的頻域PRS進行自相關；通過峰值檢測器進行相關值峰值檢測，找到最大相關值峰值；同步判決器通過載波頻偏數n來控制峰值檢測器的搜索次數，并經過多次搜索確定最大相關值；若為最大相關值則使能相位檢測的步驟，然后通過數學換算將所述最大相關值的相位偏差轉換成時間偏差；根據所述的時間偏差計算出實際時間基準來對比預設時間基準，如果與預設時間基準對齊，則所述預設時間基準正確，如果比預設時間基準提前或延后，則進行調整，完成同步定時。
當d取1的時候，每個相鄰子載波做自相關。圖3是鄰近子載波相互相關的說明示意圖。如圖3所示，子載波1與子載波2做自相關，子載波2與子載波3做自相關......子載波14與子載波15做自相關，子載波15與子載波16做自相關。這樣增強了抗多徑效應的能力。
圖4是本發明方法寄存器級的原理圖。如圖4所示，本發明的寄存器級具體實施方式
如下FFT處理后的接收的PRS以直流點位為中心，對稱的截取一段固定長度子載波序列(截取長度為32的整倍數加1，截取長度取決于算法要求的性能，例如256+1個子載波)，去除直流點后同本地存儲的對應長度的本地PRS序列的各個子載波共軛相乘，即相關去擾的處理過程；本地PRS序列受同步判決器的控制，每次截取的起點自左向右逐個子載波滑動，滑動搜索的邊界起點/終點取決于頻偏檢測的范圍，在本實施例中搜索范圍為-16-+16；PRS相關去擾處理后形成的序列經過一個長度為32個子載波跨度的鄰子載波自相關器，使得每32個子載波進行鄰鄰相關再疊加，然后求絕對值，最后通過累加器進行累加；當所有頻偏搜索點上都計算完畢，峰值檢測器進行峰值檢測，對應峰值累加值時的位置即是最大相關值峰值；同步判決的作用是判別所得的值是否為最大相關值，若為最大相關值則使能對該值求其幅角的步驟；然后將幅角除以2πd/k，將所述最大相關值的相位偏差轉換成時間偏差；根據所述的時間偏差計算出實際時間基準來對比預設時間基準，如果與預設時間基準對齊，則所述預設時間基準正確，如果比預設時間基準提前或延后，則進行調整，完成同步定時。
圖5是應用本發明方法的仿真結果的數據示意圖。由圖5所示，在模式1中TU-6信道(typical urban area)下信噪比SNR＝4dB時，每隔3個符號設定一個符號偏移。如圖5所示，橫軸為設定的符號偏移數，縱軸為檢測到的符號偏移數。由圖3可見，在11點和14點處檢測準確，在17點處出現+1采樣點的微小誤差。如果每次檢測均準確，仿真圖應為一條對角直線，仿真檢測顯示結果幾乎接近無差錯結果，由此驗證出應用本發明提供的方法能夠準確地獲取符號定時偏差。
進一步地，本發明方法的具體算法如下。
在本發明方法中，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，假設此處沒有噪聲的干擾；θ為載波頻偏(Carrier Frequency Offset)和定時偏移(Timing Offset)造成的相移。所述定時偏移是指采樣樣本由于起點不一致造成的偏差；所述載波頻偏是指載波相位的偏差。對于每個子載波，θ可以寫成θk＝(2πk/K)·no+θo(公式2)θo為各個載波上的初始相移，此處認為θo僅由小數倍載波頻偏產生；(2π/K)·no為由定時偏移造成的相移，其中n0為定時偏移采樣數，k為載波序號，K為載波數。
首先將頻域PRSR(k)與本地PRSP(k)的共軛P*(k)相乘。當整數倍載波頻偏位置搜索正確時，P(k)可被抵消。本地PRS定義為 其中，L代表幀號；k表示子載波號； K由i，k，k’，n查表決定。由于PRS每個子載波只可能為+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。
然后對去擾后的信號Dn(k)和延遲d個載波的載波序列進行自相關，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)當整數倍載波頻偏位置搜索正確時，由(公式4)，可把(公式3)繼續寫成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))]]>當基帶信號帶寬遠小于信道帶寬時，信號經歷平衰落；當基帶信號帶寬很大時，經歷頻率選擇性衰落。當d足夠小到可使H(k+n)和H(k+n-d)在同一個平衰落(Flat Fading)的帶寬上，此時就可避免信道內的頻率選擇性衰落，即此時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可知對每一個共軛相乘的部分來說，相移都是exp(2πdn0/K)。如前所述，這部分相移是由定時偏移造成的，它對每一個自相關部分來說為同一值。因此，所述定時偏移在不同載波上產生的相移以及小數倍載波頻偏導致的相移θo都可以利用自相關消除。
通過改變載波頻偏數n搜索相關值M(n)的最大值即max{M(n)}，就可實現對最大相關值的估計。
對所述的最大相關值max{M(n)}求幅角arg{max{M(n)}}＝2πdno/K將所述幅角除以2πd/k，所得即為定時偏移采樣數nono＝arg{max{M(n)})/(2πd/K)所述max{M(n)}是一個復數，其幅角與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號偏移的采樣數no。當前幀的符號偏移的采樣數同前一幀的結果的差值就是當前定時的偏移量，基于該差值進行時間基準的調試，同步定時完成。
本發明方法不局限用于DAB系統，所有使用OFDM技術的系統本方法均適用。如在DAB系統中，由于PRS占據所有的有效載波，子載波延遲數取1最佳。而在PRS只是有效載波一部分的DVB系統中，子載波延遲數通常被設為2個最相近導頻載波之間的間隔最小值。
以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，并不用于限定本發明。任何對本發明作本技術領域內熟知的步驟的替換、組合、分立均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種同步定時的方法，其特征是包括如下步驟步驟1通過對接收到的相位參考碼元進行去擾并對去擾后的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2利用相位參考碼元相關特性搜索并確定精確的最大相關值；步驟3對所述最大相關值進行相關數學運算，調整時間基準，完成同步定時。
2.根據權利要求1所述的一種同步定時的方法，其特征在于，所述步驟1進一步地包括步驟1.1對接收的相位參考碼元進行傅立葉變換，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器進行自相關。
3.根據權利要求1所述的一種同步定時的方法，其特征在于，所述步驟2進一步地包括步驟2.1通過峰值檢測器進行相關值峰值檢測，找到最大相關值峰值；步驟2.2同步判決器對所述最大相關值峰值進行多次搜索，直到找到精確的最大相關值；
4.根據權利要求1所述的一種同步定時的方法，其特征在于，所述步驟3進一步地包括步驟3.1使能對所述最大相關值求幅角的步驟，通過數學換算將所述最大相關值的相位偏差轉換成時間偏差；步驟3.2根據所述時間偏差計算出實際時間基準來對比預設時間基準，如果與預設時間基準對齊，則所述預設時間基準正確，如果比預設時間基準提前或延后，則進行調整，完成同步定時。
5.根據權利要求1所述的一種同步定時的方法，其特征在于根據不同的正交頻分復用技術系統，所述的同步定時方法中子載波延遲數最佳取值應最小。
全文摘要
本發明公開了一種同步定時的方法，該方法包括如下步驟步驟1，通過對接收到的相位參考碼元進行去擾并對去擾后的數據自相關，以消除所述接收到的相位參考碼元的隨機性；步驟2，利用相位參考碼元相關特性搜索并確定精確的最大相關值；步驟3，對所述最大相關值進行相關數學運算，調整時間基準，完成同步定時。本發明利用相位參考碼元的特性提出一種能夠快速精確地進行同步定時的方法，達到了簡化算法提高性能的目的。
文檔編號H04L27/26GK101039300SQ200710038008
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者朱駿杰, 馮顯俊, 王立寧 申請人:鼎芯通訊(上海)有限公司