CN111865854A - 突发ofdm系统的帧捕获及同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，包括：根据采样时刻对连续的ND组间隔为第一预设值的两个采样点的数据做互相关运算，并对ND个互相关运算的结果进行求和，得到第一结果，根据采样时刻计算ND个采样点的数据的功率并进行求和，得到第二结果；根据M个第一结果以及M个第二结果计算当前的采样时刻n的归一化相关系数ρ；若归一化相关系数ρ满足预设条件，则将当前的采样时刻n记录为第一时刻，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数；若不满足预设条件且第一系数不为0，则记录当前的第一时刻为帧同步时刻。本实施例中提供的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，可以满足宽信噪比范围内的捕获概率和精度要求，并且降低处理时延。
Description
技术领域
本发明是关于OFDM系统，特别是关于一种突发OFDM系统的帧捕获及同步方法。
背景技术
目前，越来越多的通信系统具有突发模式的特征，正交频分复用(英文全称：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，英文缩写：OFDM)是一种多载波调制方式，由于能够抵抗频率选择性衰落信道，并且具有频谱效率高和信道均衡简单等优点，因此被广泛运用到IEEE802.11以及802.15.4g等标准中。对于突发的OFDM系统而言，接收端的首要工作就是检测帧同步。帧同步的作用是在突发系统中检测帧的到来；符号定时同步的作用是找到精确的符号边界，以便正确地解调数据。在突发的OFDM系统中，每一帧的开始都有一个标准的前导。这个前导包含了多个相同的短训练序列STF和多个相同的长训练序列LFT，主要用于帧同步、AGC、载波频偏估计、符号定时同步和信道估计。
现有的突发的OFDM系统常使用重复的短训练序列帮助收端做同步捕获。这种方案使用滑动自相关运算，在一定的初始频率偏差范围内，当接收窗滑动到重复信号的起始位置时，自相关幅度达到最大，此时自相关值的角度可以进行初始的频偏估计。
基于此，本申请的发明人发现，现有的基于短训练序列的同步捕获方法，通常工作在信噪比比较大的情况下，当期望系统工作的信噪比低于0dB以下并兼顾一个宽的信噪比范围如从负几个dB到30dB时，已有方案的捕获概率以及精度难以满足要求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，其能够在宽信噪比范围内提高捕获概率以及精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，包括：对接收机处理后的数据进行采样，得到多个采样点；根据采样时刻n，对连续的ND组间隔为第一预设值的两个采样点的数据做互相关运算，并对所述ND个互相关运算的结果进行求和，得到第一结果，其中，ND为重复的短训练序列的长度，所述第一预设值为ND的倍数，n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…，n0为起始的采样时刻，k为正整数；根据所述采样时刻n，计算所述ND个采样点的数据的功率并进行求和，得到第二结果；重复上述第一结果以及第二结果的计算，得到M个所述第一结果以及M个所述第二结果，M为正整数；根据所述M个第一结果AS(n)以及所述M个第二结果B0S(n)计算当前的采样时刻n的归一化相关系数ρ；若所述归一化相关系数ρ满足预设条件，则将当前的采样时刻n记录为第一时刻nSTF，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数ρSTF，其中预设条件包括：大于预定的阈值ρt且不小于当前的第一系数ρSTF的值，所述第一系数ρSTF的初始值为0；若不满足所述预设条件，且第一系数ρSTF不为0，则记录当前的第一时刻nSTF为帧同步时刻
在一优选的实施方式中，所述根据所述M个第一求和结果以及所述M个第二求和结果计算当前的采样时刻的归一化相关系数ρ包括：根据公式一计算当前的采样时刻的归一化相关系数，所述公式一为：
n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…。
在一优选的实施方式中，所述帧捕获及同步方法还包括：根据所述帧同步时刻
以及公式二进行相位估计，所述公式二为：
其中，Δf为OFDM系统的子载波间隔，N为OFDM系统的FFT序列的长度。
在一优选的实施方式中，所述k为1。
在一优选的实施方式中，所述k为
G为大于1的正整数。
在一优选的实施方式中，所述将当前的采样时刻n记录为第一时刻nSTF，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数ρSTF之后，还包括：当采样时刻的时间间隔为gND时，重复对归一化相关系数ρ的计算，g为一个小于1的正数或大于等于1的整数。
与现有技术相比，根据本发明的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，根据采样时刻n，对连续的ND组间隔为第一预设值的两个采样点的数据做互相关运算，并对ND个互相关运算的结果进行求和，得到第一结果；根据采样时刻n，计算ND个采样点的数据的功率并进行求和，得到第二结果；根据M个第一结果以及M个第二结果计算当前的采样时刻n的归一化相关系数ρ；若归一化相关系数ρ满足预设条件，则将当前的采样时刻n记录为第一时刻，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数；若不满足预设条件，且第一系数不为0，则记录当前的第一时刻为帧同步时刻，可以满足宽信噪比范围内的捕获概率和精度要求，并且降低处理时延。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法的流程图。
图2是根据本发明一实施方式的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法在AWGN下的仿真结果。
图3是根据本发明一实施方式的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法在ETU下的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，其为根据本发明优选实施方式的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法的流程图，包括步骤S1-S6。
步骤S1，接收机对处理后的数据进行采样，得到多个采样点。
具体的，接收机对接收到的信号经过天线、射频前端，载波下变频、AD、数字滤波等处理后，进行下采样到基带数据。采样点为基带数据的采样点。
步骤S2，根据采样时刻n，对连续的ND组间隔为第一预设值的两个采样点的数据做互相关运算，并对所述ND个互相关运算的结果进行求和，得到第一结果A(n)，第一预设值为ND的倍数。
具体的，可以根据以下公式进行计算。
其中，ND为重复的短训练序列的长度，n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…，n0为起始的采样时刻，k为正整数。
步骤S3，根据所述采样时刻n，计算所述ND个采样点的数据的功率并进行求和，得到第二结果B0(n)。
具体的，可以根据以下公式进行计算。
重复上述第一结果以及第二结果的计算，得到M个所述第一结果以及M个所述第二结果，M为正整数。
具体的可以根据以下公式进行计算。
n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…
需要说明的是，为了满足上式有意义，n的初始值可以从n0+2ND+(M-1)ND-1开始。
步骤S4，根据所述M个第一结果AS(n)以及所述M个第二结果B0S(n)计算当前的采样时刻n的归一化相关系数ρ。
根据公式一计算当前的采样时刻的归一化相关系数，所述公式一为：
n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…
需要说明的是，为了满足上式有意义，n的初始值可以从n0+2ND+(M-1)ND-1开始。
本实施例中，步长k可以为1。或者步长k为
G为大于1的正整数。滑动迭代运算每个基带采样时间进行，仅存贮间隔
的基带采样数据时刻的中间变量及运算判决，可节省运算过程的中间数据存贮量。
步骤S5，若所述归一化相关系数ρ满足预设条件，则将当前的采样时刻n记录为第一时刻nSTF，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数ρSTF，其中预设条件包括：大于预定的阈值ρt且不小于当前的第一系数ρSTF的值，所述第一系数ρSTF的初始值为0。
其中，为了减小噪声及干扰的影响，比较时可以在第一系数ρSTF前乘以一个接近于1.0的系数。
步骤S6，若不满足所述预设条件，且第一系数ρSTF不为0，则记录当前的第一时刻nSTF为帧同步时刻
(即STF的正重复序列的尾部)。
步骤S5之后，还可以包括：当采样时刻的时间间隔为gND时，重复S2-S5对归一化相关系数的计算，g为一个小于1的正数或大于等于1的整数。
若采样时刻的时间间隔为gND时的归一化相关系数满足预设条件，则使用当前采样时刻对第一时刻nSTF的值进行更新，使用时刻的归一化相关系数对第一系数ρSTF进行更新。
本实施例中，采用滑动的方式，实现上述方法。具体的，可以通过以下方法进行实现：每次滑动一个数据采样点，重复步骤S2-S4进行计算，重复滑动计算直到得到M*ND个互相关的求和结果以及功率的求和结果。在M*ND个互相关的求和结果中按照时间间隔抽取M个作为第一结果，在M*ND个功率的求和结果中按照ND间隔抽取M个作为第二结果。
计算当前的采样时刻n的归一化相关系数ρ可以通过设置预设条件一和预设条件二进的分别判断。具体的，若所述归一化相关系数ρ满足预设条件一，则判定帧信号检测通过，将当前的采样时刻n记录为第一时刻nSTF(0)，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数ρSTF(0)，同时记录AS(n)以备后续的频偏估计，其中预设条件一包括：大于预定的阈值ρt。
若判定帧信号检测通过，则继续向前滑动，重复上述过程，在记录的第一时刻nSTF(0)+ND采样时刻以同样的方法计算归一化相关系数ρ，并比较此时刻的归一化相关系数ρ跟前一个记录的归一化相关系数ρSTF(0)之间的关系是否满足预设条件二，其中预设条件二包括：大于预定的阈值ρt并不小于前一个记录的第一系数ρSTF(0)乘以一个接近于1.0的系数。
若满足预设条件二，则将当前的采样时刻n记录为更新的第一时刻nSTF(1)，并将此时刻的归一化相关系数记录为更新的第一系数ρSTF(1)，继续向前滑动，重复上述过程，在记录的更新的第一时刻nSTF(i)+ND,i＝0,1,…采样时刻以同样的方法计算归一化相关系数ρ，并比较此时刻的归一化相关系数ρ跟前一个记录的归一化相关ρSTF(i),i＝0,1,…之间的关系是否满足预设条件二；
若不满足所述预设条件二，则中断滑动过程，当前时刻为最后更新记录的第一时刻nSTF(t)+ND,总体判决帧信号检测通过，记录帧同步时刻
为最后更新记录的第一时刻
若不满足所述预设条件一，则继续每次滑动一个数据采样点重复上述计算直到所述归一化相关系数ρ满足预设条件一或者在一直不满足所述预设条件一的情况下滑动一段上层设定的时间，判定无帧信号检测通过，中断滑动过程。
由此，本实施例中提供的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，可以满足宽信噪比范围内的捕获概率和精度要求，并且降低处理时延。
所述帧捕获及同步方法还包括：根据所述帧同步时刻
以及公式二进行相位估计，所述公式二为：
其中，Δf为OFDM系统的子载波间隔，N为OFDM系统的FFT序列的长度。
以下使用仿真数据对本申请的内容进行说明。如图2-3所示，图2为根据本发明优选实施方式的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法在AWGN下的仿真结果，图3为根据本发明优选实施方式的突发OFDM系统的帧捕获及同步方法在ETU下的仿真结果。
典型准静态多径衰落信道ETU，多径幅度服从瑞利分布，最大时延5微秒。当基于802.15.4g中MR-OFDM 1.2M(FFT大小为128，STF包含5个FFT长度的采样数据)系统，合理定义帧同步通过情况下，如果估计的定时偏差在[-N,26]个采样范围内(根据ETU多径信道的最大时延确定)、频偏估计误差在0.25个子载波频率间隔范围内则帧同步正确，否则发生帧同步错误。当定义帧检测概率为本申请中同步通过的统计数量除以总的仿真帧(其中包含同步头和数据，并且同步头在仿真帧中的位置完全随机，接收信号中加入最大预计频率偏差PPM确定的随机频率偏移，并经过多径信道和AWGN白噪声信道)数为同步检测概率，定义帧同步通过情况下，帧同步正确的帧数除以帧同步数为帧同步正确概率，定义帧同步通过并帧同步正确的帧数除以总的仿真帧数为同步检测&正确的概率。可以看到，参考接收机性能良好，检测及正确概率满足设计目标要求，解决了多径信道下的频偏估计正确概率问题，AWGN下可工作在-4dB信噪比和[-4，50]的宽信噪比范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (6)
1.一种突发OFDM系统的帧捕获及同步方法，其特征在于，包括：
对接收机处理后的数据进行采样，得到多个采样点；
根据采样时刻n，对连续的ND组间隔为第一预设值的两个采样点的数据做互相关运算，并对所述ND个互相关运算的结果进行求和，得到第一结果，其中，ND为重复的短训练序列的长度，所述第一预设值为ND的倍数，n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…，n0为起始的采样时刻，k为正整数；
根据所述采样时刻n，计算所述ND个采样点的数据的功率并进行求和，得到第二结果；
重复上述第一结果以及第二结果的计算，得到M个所述第一结果以及M个所述第二结果，M为正整数；
根据所述M个第一结果AS(n)以及所述M个第二结果B0S(n)计算当前的采样时刻n的归一化相关系数ρ；
若所述归一化相关系数ρ满足预设条件，则将当前的采样时刻n记录为第一时刻nSTF，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数ρSTF，其中预设条件包括：大于预定的阈值ρt且不小于当前的第一系数ρSTF的值，所述第一系数ρSTF的初始值为0；
若不满足所述预设条件，且第一系数ρSTF不为0，则记录当前的第一时刻nSTF为帧同步时刻
2.如权利要求1所述的帧捕获及同步方法，其特征在于，所述根据所述M个第一求和结果以及所述M个第二求和结果计算当前的采样时刻的归一化相关系数ρ包括：
根据公式一计算当前的采样时刻的归一化相关系数，所述公式一为：
n＝n0+2ND-1,n0+2ND-1+k,…。
3.如权利要求1所述的帧捕获及同步方法，其特征在于，所述帧捕获及同步方法还包括：根据所述帧同步时刻
以及公式二进行相位估计，所述公式二为：
其中，Δf为OFDM系统的子载波间隔，N为OFDM系统的FFT序列的长度。
4.如权利要求1所述的帧捕获及同步方法，其特征在于，所述k为1。
5.如权利要求1所述的帧捕获及同步方法，其特征在于，所述k为
G为大于1的正整数。
6.如权利要求1所述的帧捕获及同步方法，其特征在于，所述将当前的采样时刻n记录为第一时刻nSTF，并将该时刻的归一化相关系数记录为第一系数ρSTF之后，还包括：当采样时刻的时间间隔为gND时，重复对归一化相关系数ρ的计算，g为一个小于1的正数或大于等于1的整数。
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