一种新的OFDM时间、频率同步方法 【技术领域】
本发明属于无线通信或有线通信领域，它特别涉及OFDM系统中的时频同步技术。
背景技术
OFDM由于具有数据传输速率高，抗多径干扰能力强，频谱效率高等优点，越来越受到重视。它已成功用于有线、无线通信。如：DAB(Digital Audio Broadcasting)、DVB、EEE802.11a及HyperLAN/2中，在目前正在制定的IEEE802.16中，也大量涉及了OFDM技术。OFDM这种新的调制技术也可用于新一代的移动通信系统中。使用OFDM技术将大大提高新一代移动通信系统的传输数据率和频谱效率，且具有很好的抗多径能力、同信道干扰和冲击噪音能力，见文献：Bingham，J.A.C.，“Multicarrier modulation for data transmission：an idea whosetime has come，”IEEE Communications Magazine，Volume：28 Issue：5，May 1990，Page(s)：5-14；和文献：YunHee Kim；Iickho Song；Hong Gil Kim；Taejoo Chang；Hyung Myung Kim，“Performance analysis of a coded OFDMsystem in time-varying multipath Rayleigh fading channels，”Vehicular Technology，IEEE Transactions on，Volume：48 Issue：5，Sept.1999，Page(s)：1610-1615所述。
OFDM同步分为时间同步和频率同步。同步模块的位置见图1中的模块11。时间同步的目的是在收到地串行数据流中找出各个OFDM符号的边界；而频率同步的目的是求出并纠正收端的频率偏移。OFDM技术的弱点之一是对时间和频率同步的要求特别是频率同步要求比单载波系统要高得多。一般要求采用OFDM技术的系统在接收端频率偏移不超过其子载波间隔的2％，见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time andfrequency offset in OFDM systems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805所述。OFDM的同步技术之一是利用保护间隔的冗余性进行时间和频率同步，见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDMsystems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805所述。
在OFDM技术中，为消除符号间干扰和同信道干扰，一般在每个OFDM符号前加入保护间隔。保护间隔长度一般要求大于信道冲击响应长度的2倍或4倍。保护间隔内容一般是OFDM符号的一部分。
常规OFDM的同步方法有两种：
1)利用保护间隔与OFDM符号间的相关性，可以实现时间和频率同步。参见文献vande Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDMsystems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805。按照图2中的方式放置保护间隔。由于保护间隔中的数据17与OFDM有用数据中的后Ng个数据19相同，在收端按下式计算接收信号的差分相关性以取得时间和频率同步：
P(θ^)=argmaxθ(Σk=1Ngr*[k+θ]r[k+N+θ])---(1)]]>
ϵ^=12π·tan-1(P(θ^))---(2)]]>
其中，表示估计的时间同步点，表示估计的频率偏移值，r[k]为接收信号，Ng为保护间隔长度，N为一个OFDM符号抽样的点数。
2)发端用训练序列填充OFDM符号，可以有如下两种方式：a)将训练序列20放在OFDM的保护间隔中(如图3所示)；b)将训练序列22放在OFDM的保护间隔前(如图4所示)。收端把接收信号和已知的训练序列根据下式求相关来进行时间同步：
γ[a]=Σk=1Ntr[k-a]·t[k]---(3)]]>
其中，r[k]为接收信号，Nt为训练序列的长度，a为接收序列相对本地训练序列对齐时滑动的点数，t[k]为训练序列。
3)发端把训练序列叠加在OFDM有用数据上，参见文献Tufvesson，F.；Edfors，O.；Faulkner，M.，“Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles，”VehicularTechnology Conference，1999.VTC 1999-Fall.IEEE VTS 50th，Volume：4，1999，Page(s)：2203-2207。
按照图5的方式放置保护间隔，即将训练序列28和30叠加在OFDM有用数据29和31上，然后将30和31搬移至26和27中，形成保护间隔，收端利用上面所述的两个公式求相关来进行时间同步。
然而，上述OFDM保护间隔的设计方法都有缺点，方法(1)的缺点就是收端的相关峰值不明显，而且其频偏估计的范围只有OFDM系统子载波间隔的1/2。方法(2)的缺点在于训练序列与OFDM原始数据之间为时分(或者频分)复用形式，造成数据传输效率的下降；此外，当训练序列的位置为图3中所示时，会降低信道估计的性能。方法(3)的缺点是训练序列对数据干扰过大，以及发射数据的能量效率较低。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于OFDM系统时间和频率同步的方法，使得OFDM系统具有同步性能好和训练序列对数据的干扰小的优点。
本发明的创新之处在于：1)发端只在OFDM符号的保护间隔内放置训练序列，此训练序列由一个选定的PN序列连续重复多次构成，收端对此序列进行相应的检测和处理，来实现OFDM的同步。由于训练序列只放置于保护间隔中，因此它对数据的干扰比常规的训练序列的放置方法小，同时由于训练序列与OFDM原始数据之间为点对点带权叠加，因此没有造成数据传输效率的下降。2)收端综合利用OFDM保护间隔中的数据与OFDM原始数据中后Ng点的数据之间的相关性以及训练序列引入的相关性，采用融合算法实现时间和频率同步，性能优于传统方法。
本发明是一种新的OFDM时间、频率同步方法，其特征在于发端将OFDM原始数据的后面Ng个点上的数据和训练序列点对点带权叠加构成保护间隔，OFDM原始数据保持不变；OFDM系统的收端采用融合算法，综合利用OFDM保护间隔中的数据与OFDM原始数据中后Ng点的数据之间的相关性以及训练序列引入的相关性，对接收数据进行处理来实现时间和频率同步。
按照本发明的一种新的OFDM时间、频率同步方法，其特征在于它包含下列步骤(如图6所示)：
一、发端：
1)选择一个长度为NPN的PN序列，记为PN[k]，注意，此时的PN[k]取值为复数形式，即m[k]∈{1+j，-1-j}；
2)将上述PN序列连续重复放置多次，截去后面多余的数据，构成长为Ng的训练序列(如图7所示)，记为t[k]，其数学表达式为：
t[k]＝m[k mod NPN] k∈[0，Ng-1] (4)
3)如图6所示，将训练序列与OFDM原始数据后面Ng个点上的数据点对点带权叠加后，放置于保护间隔中；OFDM原始数据不变。于是，OFDM发射数据的数学表达式如下：
其中，s[k]代表OFDM发射数据，d[k]代表OFDM有用数据，t[k]为训练序列，ρ代表加权值，其物理意义是在保护间隔中，训练序列的能量相对于发射数据能量的归一化值。
二、收端：
1)时间粗同步：利用保护间隔中的数据33与OFDM原始数据中的后Ng个数据35相同，采用传统同步方法(1)，按照公式(1)可以找到时间同步点的大概范围。
2)时间精同步：在上述范围内，利用保护间隔中叠加的训练序列找到时间同步点的精确位置，具体方法如下：设L为训练序列中含有的PN序列的完整个数，收端设置一个大小为NPN·L的检测窗口，对接收数据进行移位操作，然后按照下式求相关：
γ[k,a]=Σl=0L-1[(Σn=0NPN-1PN*[k-n-a]r[k-n-lNPN])]]>
·(Σn=0NPN-1PN*[k-n-a]r[k-n-(l+1)NPN])*]---(6)]]>
其中，r[k]为接收信号，a为接收序列相对本地PN序列滑动的点数。
3)当γ[k，a]取得峰值或者超过一定门限(此门限可根据实际系统设定)时，即实现时间的同步。
4)频率粗同步：在上述时间同步的基础上，首先利用保护间隔中叠加的训练序列，根据下式进行频偏粗估计：
ϵ^=N2π·NPN·arg(γ[k,a])---(7)]]>
5)频率精同步：然后利用保护间隔中的数据33与OFDM原始数据中的后Ng个数据35相同，采用传统同步方法(1)，按照公式(2)可以进行频偏精估计。
6)根据上面的频偏估计，对接收数据作出频偏补偿。
这种设计方法的依据是：
1)由于训练序列已知，因此提供了一定的相关性，因此易于实现OFDM的时间和频率同步；
2)与在全部OFDM符号中放置训练序列的方法相比，本发明采用的只在保护间隔中放置训练序列的方法可以降低训练序列对原始数据的干扰，同时提高了能量效率；
3)由于在保护间隔中，训练序列与OFDM原始数据之间为点对点带权叠加，因此没有造成数据传输效率的下降；
4)点对点带权叠加时的加权值ρ对不同的OFDM符号可以不同，但在同一个OFDM符号内，ρ的值不变。为保证准确实现同步，可以在捕获阶段通过提高ρ值来提高保护间隔中训练序列成分的信号功率，而在跟踪阶段降低ρ值。调节ρ可以实现最佳时间和频率同步。当ρ＝1时，所有保护间隔部分信号用PN序列信号代替；当ρ＝0时，保护间隔结构与常规保护间隔(前面所述的方法一，即保护间隔信号为OFDM有用信号的一部分相同)结构相同。ρ值的选择以及PN序列的设计都是这种保护间隔结构设计的关键技术之一。
5)收端在利用训练序列进行时间精同步和频率粗同步时，首先将接收数据分段与本地PN序列作相关，然后再进行差分相关计算，这种处理方法可以将信道冲击响应的影响抵消，从而提高同步性能。
6)由于本发明综合利用了OFDM保护间隔中的数据33与OFDM原始数据中后Ng点的数据35的相关性以及训练序列引入的相关性这二者进行时间和频率同步(这称为融合算法)，因此，性能优于传统方法。
7)由于收端对训练序列信号已知，还可利用它进行信道估计或其它用途。
本发明具有以下特征：
1、OFDM保护间隔中的数据由OFDM有用信号后面Ng个点上的数据和训练序列点对点带权叠加而成，OFDM原始数据不变；
2、点对点带权叠加时的加权值为ρ，不同的OFDM符号所取的ρ可以不同，但在同一个OFDM符号内，ρ的值不变。通过调整此权值来对传输的有效性和训练序列用于同步估计的可靠性之间做出折衷；
3、用于同步的训练序列由连续放置的多个相同的具有良好相关特性的PN序列或是具有其它特征的序列构成(如图7所示)；
4、收端进行时间和频率同步时，采用融合算法，即综合利用了OFDM保护间隔中的数据33与OFDM原始数据中后Ng点的数据35的相关性以及训练序列引入的相关性。
5、收端在利用训练序列进行时间精同步和频率粗同步计算时，首先将接收数据分段与本地PN序列作相关，然后再进行差分相关计算的处理方法。
【附图说明】
图1为一般的OFDM系统框图
图中，11为同步模块；
图2为采用常规同步方法(1)的OFDM符号的结构
图中，将OFDM原始数据中的后面Ng个点的数据19复制到OFDM有用数据的前面17处，构成长度为Ng的保护间隔，OFDM原始数据18、19不变，由于无法保证随机数据的相关性能，也就是说收端用于时间同步搜索而计算出的目标函数的尖锐性无法保证，因此这种方法的时间同步性能不好；
图3为采用常规同步方法(2)的将训练序列放在OFDM的保护间隔中的OFDM符号的结构
图中，OFDM发射符号的保护间隔中的数据20为用于同步的训练序列，不含有任何OFDM原始数据，OFDM原始数据21不变；
图4为采用常规同步方法(2)的将训练序列22放在OFDM的保护间隔前的OFDM符号的结构
图中，先将OFDM原始数据的后Ng个点的数据25复制到OFDM原始数据的前面23处，然后再将用于同步的训练序列22放在23前面，其他OFDM原始数据24、25不变，显然，由于训练序列独占了一部分传输时间，造成了数据传输率的下降；
图5为采用常规同步方法(3)的OFDM符号的结构
图中，先将用于同步的训练序列30叠加在OFDM原始数据的后Ng个点的数据31上，然后将得到的序列中的后Ng个点的数据30、31复制到OFDM前面26、27，构成保护间隔，由于每个OFDM原始数据都参与了与训练序列数据的点对点带权叠加，因此受到训练序列的干扰较大；
图6为采用本专利说明的同步方法的OFDM符号的结构
图中，序列33为OFDM原始数据的后面Ng个点上的数据35的拷贝，序列33和训练序列32点对点带权叠加构成保护间隔，OFDM原始数据34、35不变，其中，训练序列32的内容见图7，由于训练序列数据只在保护间隔中与OFDM原始数据进行叠加，因此对其他部分的OFDM原始数据没有干扰；
图7为本专利说明的OFDM符号的保护间隔中训练序列的内部结构
图中，训练序列由某个PN序列连续放置构成，其中，36、37、38、…、39为同一个PN序列的拷贝，40可能是一个完整的该PN序列，也可能是经过截尾的该PN序列，最终得到的训练序列的长度为Ng，PN序列具有的良好相关特性可以保证本专利所述方法的时间频率同步性能；
图8为本专利说明的发端实施步骤框图
图9为本专利说明的收端实施步骤框图
需要说明的是，在说明书附图中，N为FFT的点数，Ng为保护间隔点数，Ts为抽样间隔。
【具体实施方式】
下面以给出一个具体的OFDM配置下，本专利的实现步骤。需要说明的是：下例中的参数并不影响本专利的一般性。
设OFDM有用符号长度为N＝4096，保护间隔长度为Ng＝512。取ρ＝0.5，表示保护间隔中训练序列的能量占总能量的50％。PN序列选择为周期为NPN＝31的m序列，记为PN[i]i∈[0，30]，则训练序列中m序列的重复次数为L＝Ng/NPN＝512/31＝17。
发端将m序列按照公式4连续重复17次(最后一个m序列会被截尾)构成训练序列，将其按照公式5与OFDM原始数据进行点对点带权叠加后发射出去。
收端首先根据公式1进行时间粗同步，确定时间同步点的大概位置，然后根据公式6进行时间精同步，计算时间同步点的精确位置，取得时间同步，即：
γ[k,a]=Σl=016-1[(Σn=031-1PN*[k-n-a]r[k-n-lNPN])]]>
·(Σn=031-1PN*[k-n-a]r[k-n-(l+1)NPN])*]]]>
假设当a为18时，γ[k，a]即γ[k，18]取得峰值，则取得时间同步。
取得时间同步后，首先根据公式7进行频偏粗估计，即：
ϵ^=40962π·31·arg(γ[k,18])]]>
然后，根据公式2开始频偏精估计。最后，进行频偏补偿，取得频率同步。