专利名称：Ofdm系统的同步方法
技术领域：
本发明涉及的是一种通信技术领域的方法，具体是一种OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)系统的同步方法。
背景技术：
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，无线信道由于其复杂性，其信道条件比较复杂，其信道的频率响应大多非平坦的，针对这一特点，OFDM技术的主要技术要点就是将频域中将信道分为多个正交的子信道，每个子信道为一个子载波进行调制。这样尽管整个信道上体现出频率选择性，但是对于每个子信道而言，其频率响应是平坦的，对于每个子信道，信号的带宽小于信道的相干带宽，因此可以大大抑制信号波形之间的干扰。在OFDM系统中，同时由于各个子载波之间的相互正交性，可以达到较高的频谱利用率。
OFDM对于无线系统有明显的优点，因此得到了广泛的应用，例如IEEE802.11a/b/g/n无线局域网(Wi-Fi)，IEEE802.16无线城域网(Wi-MAX)，数字音频广播(DAB)，数字电视广播(DVB)，以及3GPP的长期演进计划(LTE)以及LTE_Advanced，同时OFDM技术与MIMO技术的结合已经成为下一代移动通信的关键技术，OFDM技术会在将来的通信系统中起到更加重要的作用。
但是，OFDM技术也有其缺陷和不足，就是OFDM系统各个子载波之间的正交性是其工作重要基础，就必须要有良好的同步技术确保系统中的各个子载波有良好的正交性。那么对于OFDM系统，就要提供更加精确的同步性能。OFDM系统的同步主要包括两个方面一是符号定时估计(下面简称定时同步)，若定时同步与实际位置不一致，就会带来频域的相位偏移，加重符号间干扰(ISI)；二是载波频率偏移估计(下面简称载波同步)，载波偏移产生的原因主要是，发端(TX)与收端(RX)之间的晶振频率不匹配、收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移等。由于OFDM系统中要求各个子载波之间的正交性，而频率偏移会破坏子载波之间的正交性，因此其存在导致子载波间的干扰(ICI)。
到目前为止，已经有大量的OFDM系统同步方法被提出来，包括使用训练序列和循环前缀(CP)，训练序列时在传输数据之前发送一段已知的序列，一般有良好的自相关性，能够用于定时同步和载波同步。采用循环前缀可以进行同步，但是一般来说其性能不如使用训练序列，但是正是其不需要附加的训练序列，因而可以得到更高的频谱利用率。
经对现有文献检索发现，中国的专利申请号为200510040501.3，名称为一种循环前缀OFDM系统同步方法，该技术提出仅利用OFDM符号的循环前缀进行定时和频偏估计。但是该技术在进行定时同步时仅仅利用最大循环前缀能量进行定时判决，未能对数据进行归一化，不利于判决门限的设定，在定时同步频偏估计过程中仅仅采用当前OFDM符号的频偏估计值作为频偏估计结果，没有进行循环迭代与合并，在信噪比较低的情况下会影响估计的稳定性和精确程度；未考虑信道条件的影响，导致同步时间较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种OFDM系统的同步方法。本发明在信道性能良好条件下减少同步的时间；同时通过迭代提高定时同步和频偏估计的精度和稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤 第一步，对接收到的数据进行定时同步估计处理，得到第一个OFDM符号的起始样点是第θ1个 样点，提取第一个OFDM符号中第θ1个样点的相关峰值P1。
所述的定时同步估计处理，包括以下步骤 1)得到接收数据每个OFDM符号中每个样点的相关值，具体是 其中Cori(k)为第i个OFDM符号中第k个样点的相关值，ri(k)为第i个OFDM符号中第k个样点的接收数据，N为每个OFDM符号的FFT长度，B代表估计时的退回长度，*代表共轭，1≤i。
2)对每个样点的相关值进行归一化，具体是
Mi＝2n+1，n∈N+， 其中
为第i个OFDM符号中第k个样点的归一化相关值，Mi为第i个OFDM符号平滑窗的长度，Cori(k+l)是第i个OFDM符号中第(k+l)个样点的相关值。
3)当接收数据中最早出现的OFDM符号中最大的归一化相关值大于判决门限Thr，则该OFDM符号就是第一个OFDM符号，OFDM符号中最大的归一化相关值所对应的样点就是该OFDM符号的起始样点。
第二步，对第一个OFDM符号进行频偏估计处理，得到第一个OFDM符号的频率偏差f1。
所述的频偏估计处理，具体是 fi＝εi□Δ， 其中 fi是第i个OFDM符号的频率偏差，ΔF为OFDM系统的子载波间隔，N为OFDM符号的FFT(快速傅里叶变换)长度，L为OFDM符号循环前缀的长度，θi是第i个OFDM符号的起始样点的位置，εi是第i个OFDM符号的归一化偏差，1≤i，i＝1时r1(k)为第一个OFDM符号的第k个样点的数据，i＞1时ri(k)是第i个OFDM符号第k个样点纠正后的数据。
第三步，根据第一个OFDM符号中起始样点的相关峰值P1的大小，通过查表设定OFDM系统的同步迭代次数T和频偏修正参数K，并对第二个OFDM符号进行频偏纠正，得到纠正后的第二个OFDM符号中每个样点的数据以及第二个OFDM符号纠正后的频率偏差。
所述的频偏纠正，具体是
f′i＝f′i-1+Kfi-1，3≤i≤T， 其中f′2＝f1， r′j(k)是第j个OFDM符号中第k个样点纠正后的数据，rj(k)是第j个OFDM符号中第k个样点纠正前的数据，θj-1是第j-1个OFDM符号的起始样点的位置，N为OFDM符号的FFT长度，B是纠正时退回的样点数目，f′i是第i个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′i-1是第i-1个OFDM符号纠正后的频率偏差，fi-1是第i-1个OFDM符号的频率偏差，f′2是第二个OFDM符号纠正后的频率偏差，f1是第一个OFDM符号的频率偏差，K是频偏修正参数，2≤j≤T。
第四步，采用前三步的方法，得到纠正后的第i个OFDM符号的起始样点是θi，提取第i个OFDM符号中第θi个样点的相关峰值Pi，得到第i个OFDM符号的频率偏差fi，并且得到第i+1个OFDM符号纠正后的频率偏差f′i+1，2≤i≤T+1，T是同步迭代次数。
第五步，对第一个到第T+1个OFDM符号的起始样点和频率偏差进行合并处理，得到整个OFDM系统的起始样点是θ，系统的频率偏差是f。
所述的合并处理，是
f＝f′T+1， 其中f′j+1＝f′j+Kfj，2≤j≤T， f′2＝f1， Pi是第i个OFDM符号起始样点的相关峰值，N是OFDM符号的FFT长度，θi是第i个OFDM符号的起始位置，f′T+1是第T+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′j+1是第j+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′j是第j个OFDM符号纠正后的频率偏差，fj是第j个OFDM符号的频率偏差，f′2是第二个OFDM符号纠正后的频率偏差，f1是第一个OFDM符号的频率偏差，K是频偏修正参数，T是同步迭代次数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是定时判决前对数据进行了归一化处理，便于在各种信道和信噪比条件下设定稳定的判决门限Thr，可以提高定时同步和频偏估计的性能结果；与单个OFDM符号相比，利用多个符号的结果进行综合估计，并且结合信道条件(反映为相关峰值的大小)进行考虑，大大提高了估计的稳定性和准确性；方法简单，仅仅利用OFDM符号及其循环前缀，不需要多余的信息，可以在基本不改变同步性能的条件下减少同步的时间消耗，同时仅仅利用OFDM符号本身的性质，不需要辅助导频，可以提高信道利用率。
图1是分别采用现有技术和实施例方法得到的频偏估计稳定度比较示意图； 图2是分别采用现有技术和实施例方法得到的频偏估计性能比较示意图。
具体实施例方式 以下结合附图对本发明的方法进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例 本实施例中的OFDM系统的信道条件是SCM(副载波调制)信道，信噪比是5dB，每个OFDM符号的循环前缀的长度是72，FFT的长度是1024，OFDM系统的子载波间隔是15kHz，归一化偏差是0.3，具体包括以下步骤 第一步，对接收到的数据进行定时同步估计处理，得到第一个OFDM符号的起始样点是第θ1个样点，提取第一个OFDM符号中第θ1个样点的相关峰值P1。
所述的定时同步估计处理，包括以下步骤 1)得到接收数据每个OFDM符号中每个样点的相关值，具体是 其中Cori(k)为第i个OFDM符号中第k个样点的相关值，ri(k)为第i个OFDM符号中第k个样点的接收数据，N为每个OFDM符号的FFT长度，B代表估计时的退回长度，*代表共轭，1≤i。
2)对每个样点的相关值进行归一化，具体是
Mi＝2n+1，n∈N+， 其中
为第i个OFDM符号中第k个样点的归一化相关值，Mi为第i个OFDM符号平滑窗的长度，Cori(k+l)是第i个OFDM符号中第(k+l)个样点的相关值。
3)当接收数据中最早出现的OFDM符号中最大的归一化相关值大于判决门限Thr，则该OFDM符号就是第一个OFDM符号，OFDM符号中最大的归一化相关值所对应的样点就是该OFDM符号的起始样点。
本实施例中判决门限Thr是0.55。
第二步，对第一个OFDM符号进行频偏估计处理，得到第一个OFDM符号的频率偏差f1。
所述的频偏估计处理，具体是 fi＝εi□ΔF， 其中 fi是第i个OFDM符号的频率偏差，ΔF为OFDM系统的子载波间隔，N为OFDM符号的FFT长度，L为OFDM符号循环前缀的长度，θi是第i个OFDM符号的起始样点的位置，εi是第i个OFDM符号的归一化偏差，1≤i，i＝1时r1(k)为第一个OFDM符号的第k个样点的数据，i＞1时ri(k)是第i个OFDM符号第k个样点纠正后的数据。
第三步，根据第一个OFDM符号中起始样点的相关峰值P1的大小，通过查表设定OFDM系统的同步迭代次数T和频偏修正参数K，并对第二个OFDM符号进行频偏纠正，得到纠正后的第二个OFDM符号中每个样点的数据以及第二个OFDM符号纠正后的频率偏差。
本实施例选用的相关峰值P1、同步迭代次数T和频偏修正参数K的关系如表1所示。
表1 所述的频偏纠正，具体是
f′i＝f′i-1+Kfi-1，3≤i≤T， 其中f′2＝f1， r′j(k)是第j个OFDM符号中第k个样点纠正后的数据，rj(k)是第j个OFDM符号中第k个样点纠正前的数据，θj-1是第j-1个OFDM符号的起始样点的位置，N为OFDM符号的FFT长度，B是纠正时退回的样点数目，f′i是第i个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′i-1是第i-1个OFDM符号纠正后的频率偏差，fi-1是第i-1个OFDM符号的频率偏差，f′2是第二个OFDM符号纠正后的频率偏差，f1是第一个OFDM符号的频率偏差，K是频偏修正参数，2≤j≤T。
第四步，采用前三步的方法，得到纠正后的第i个OFDM符号的起始样点是θi，提取第i个OFDM符号中第θi个样点的相关峰值Pi，得到第i个OFDM符号的频率偏差fi，并且得到第i+1个OFDM符号纠正后的频率偏差f′i+1，2≤i≤T+1，T是同步迭代次数。
第五步，对第一个到第T+1个OFDM符号的起始样点和频率偏差进行合并处理，得到整个OFDM系统的起始样点是θ，系统的频率偏差是f。
所述的合并处理，是
f＝f′T+1， 其中f′j+1＝f′j+Kfj，2≤j≤T， f′2＝f1， Pi是第i个OFDM符号起始样点的相关峰值，N是OFDM符号的FFT长度，θi是第i个OFDM符号的起始位置，f′T+1是第T+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′j+1是第j+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′j是第j个OFDM符号纠正后的频率偏差，fj是第j个OFDM符号的频率偏差，f′2是第二个OFDM符号纠正后的频率偏差，f1是第一个OFDM符号的频率偏差，K是频偏修正参数，T是同步迭代次数。
分别采用现有技术方法和本实施例方法得到的频率估计稳定度如图1所示，其横坐标是OFDM符号数目，纵坐标是残余频偏，从该图中可以看出，本实施例由于采用了循环迭代的频偏估计方法，频偏估计值相对于现有方法更稳定。
分别采用现有技术方法和本实施例方法得到的频偏估计性能比较如图2所示，其横坐标是SNR(信噪比)，纵坐标是频偏估计，从该图可以看出，本实施例方法有更加理想的频偏估计性能。
权利要求
1.一种OFDM系统的同步方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步，对接收到的数据进行定时同步估计处理，得到第一个OFDM符号的起始样点是第θ1个样点，提取第一个OFDM符号中第θ1个样点的相关峰值P1；
第二步，对第一个OFDM符号进行频偏估计处理，得到第一个OFDM符号的频率偏差f1；
第三步，根据第一个OFDM符号中起始样点的相关峰值P1的大小，通过查表设定OFDM系统的同步迭代次数T和频偏修正参数K，并对第二个OFDM符号进行频偏纠正，得到纠正后的第二个OFDM符号中每个样点的数据以及第二个OFDM符号纠正后的频率偏差；
第四步，采用前三步的方法，得到纠正后的第i个OFDM符号的起始样点是θi，提取第i个OFDM符号中第θi个样点的相关峰值Pi，得到第i个OFDM符号的频率偏差fi，并且得到第i+1个OFDM符号纠正后的频率偏差f′i+1，2≤i≤T+1，T是同步迭代次数；
第五步，对第一个到第T+1个OFDM符号的起始样点和频率偏差进行合并处理，得到整个OFDM系统的起始样点是θ，系统的频率偏差是f。
2.根据权利要求1所述的OFDM系统的同步方法，其特征是，所述的定时同步估计处理，包括以下步骤
1)得到接收数据每个OFDM符号中每个样点的相关值，具体是
其中Cori(k)为第i个OFDM符号中第k个样点的相关值，ri(k)为第i个OFDM符号中第k个样点的接收数据，N为每个OFDM符号的FFT长度，B代表估计时的退回长度，*代表共轭，1≤i；
2)对每个样点的相关值进行归一化，具体是
其中
为第i个OFDM符号中第k个样点的归一化相关值，Mi为第i个OFDM符号平滑窗的长度，Cori(k+l)是第i个OFDM符号中第(k+l)个样点的相关值；
3)当接收数据中最早出现的OFDM符号中最大的归一化相关值大于判决门限Thr，则该OFDM符号就是第一个OFDM符号，OFDM符号中最大的归一化相关值所对应的样点就是该OFDM符号的起始样点。
3.根据权利要求1所述的OFDM系统的同步方法，其特征是，所述的频偏估计处理是
其中
fi第i个OFDM符号的频率偏差，ΔF为OFDM系统的子载波间隔，N为OFDM符号的FFT长度，L为OFDM符号循环前缀的长度，θi是第i个OFDM符号的起始样点的位置，εi是第i个OFDM符号的归一化偏差，1≤i，i＝1时r1(k)为第一个OFDM符号的第k个样点的数据，i＞1时ri(k)是第i个OFDM符号第k个样点纠正后的数据。
4.根据权利要求1所述的OFDM系统的同步方法，其特征是，所述的频偏纠正是指
(θj-1+N-B)＜k＜(θj-1+N+N)，
f′i＝f′i-1+Kfi-1，3≤i≤T，
其中f′2＝f1，
r′j(k)是第j个OFDM符号中第k个样点纠正后的数据，rj(k)是第j个OFDM符号中第k个样点纠正前的数据，θj-1是第j-1个OFDM符号的起始样点的位置，N为OFDM符号的FFT长度，B是纠正时退回的样点数目，f′i是第i个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′i-1是第i-1个OFDM符号纠正后的频率偏差，fi-1是第i-1个OFDM符号的频率偏差，f′2是第二个OFDM符号纠正后的频率偏差，f1是第一个OFDM符号的频率偏差，K是频偏修正参数，2≤j≤T。
5.根据权利要求1所述的OFDM系统的同步方法，其特征是，所述的合并处理，是
f＝f′T+1，
其中f′j+1＝f′j+Kfj，2≤j≤T，
f′2＝f1，
Pi是第i个OFDM符号起始样点的相关峰值，N是OFDM符号的FFT长度，θi是第i个OFDM符号的起始位置，f′T+1是第T+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′j+1是第j+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，f′j是第j个OFDM符号纠正后的频率偏差，fj是第j个OFDM符号的频率偏差，f′2是第二个OFDM符号纠正后的频率偏差，f1是第一个OFDM符号的频率偏差，K是频偏修正参数，T是同步迭代次数。
全文摘要
一种通信技术领域的OFDM系统的同步方法，包括以下步骤对接收到的数据进行定时同步估计处理，确定第一个OFDM符号，得到第i个OFDM符号的起始样点位置及其起始样点的相关峰值，得到第i个OFDM符号的频率偏差和第i+1个OFDM符号纠正后的频率偏差，进而得到整个OFDM系统的起始样点和系统的频率偏差，其中2≤i≤T+1，T是同步迭代次数。本发明在信道性能良好条件下减少同步的时间；同时通过迭代提高定时同步和频偏估计的精度和稳定性。
文档编号H04L27/26GK101808071SQ201010169388
公开日2010年8月18日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者姜楠, 俞晖, 徐鹏超, 甘小莺, 徐友云 申请人:上海交通大学