一種改進型的OFDM系統幀同步檢測算法

戴 佳，陳曉曙，高曉兵，李 權

（1.南京正保通信網絡技術有限公司，江蘇 南京 210018；2.東南大學，江蘇 南京 210096）

一種改進型的OFDM系統幀同步檢測算法

戴 佳1，陳曉曙2，高曉兵1，李 權1

（1.南京正保通信網絡技術有限公司，江蘇 南京 210018；2.東南大學，江蘇 南京 210096）

提出了一種新改進的正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系統時域幀同步檢測方法。該方法使用門限機制的延時相關幀檢測原理，利用訓練序列的互相關信息共同完成系統的幀同步檢測。給出了在不同信道和不同信噪比環境下所進行的仿真結果，仿真結果表明，該方法解決了Schmidl＆Cox定時同步算法出現的峰值平臺和H.Minn算法的多個高旁峰值問題，提高了同步的精確度，可以對抗較大的頻偏，適應性增強，且易于實現。

正交頻分復用；訓練序列；幀同步

0 引言

正交頻分復用OFDM技術具有數據傳輸速率快、頻譜利用率高和抗多徑衰落能力強等優點成為目前無線移動通信的研究熱點之一［1］，并成為第4代移動通信的關鍵技術之一［2］。但是，其對定時偏移和載波頻率偏移也很敏感。由定時錯誤引進的符號間干擾ISI和頻率偏移帶來的載波間干擾ICI會導致OFDM系統性能急劇下降［3，4］。

目前的OFDM系統的幀同步算法大多采用T Schmidl＆D.Cox［5］算法和H.Minn算法［6］及改進算法［7，8］。T.Schmidl＆D.Cox算法是基于［A，A］訓練符號結構的查找前后兩個部分自相關峰值的定時算法，其定時測度函數在正確定時點附近有一個平臺，即定時測度平臺，這個平臺導致幀起始的模糊，增大了估計器的方差。

H.Minn等提出了一種改進的基于［A，A，－A，－A］訓練符號結構的定時算法，這個方法的最大優點是在定時時刻定時測度表現為一個單點的峰值，但是在錯誤時刻也很容易出現較大的多個尖峰，對判決門限的選取帶來困難，尤其子載波數目小的突發系統中，往往錯誤時刻的峰值還超過正確時刻的峰值，導致估計錯誤。

1 算法介紹

1.1 OFDM系統幀結構

OFDM系統是多載波調制系統，對發送數據經N點IFFT變換后輸出的發送信號為：

式中，N為系統子載波數目，L為循環前綴點數，x（n）為第n個采樣點的時域數據，X（k）為第k個子載波上的頻域數據。

T.Schmidl＆D.Cox算法和H.Minn算法都是采用數據輔助方法即需要前導序列，來尋找幀同步的檢測方法。本文同步算法的OFDM前導序列幀結構如圖1所示，采用H.Minn算法的幀結構，每個傳輸幀由用于定時同步的訓練符號和用于傳輸數據的OFDM符號組成，其中訓練符號又由4個參考符號組成，第1個參考符號由PN序列調制后形成的N／4個數據經IFFT處理后得到，用A表示，其余的第2、3、4參考符號為第1個參考符號的重復或者重復求負值，分別表示為A－A－A。在此幀結構中，由于前一部分（AA）與后一部分（－A－A）只相差一個負號，此幀結構與T.Schmidl＆D.cox算法中的幀結構相類似（只差一個負號）。

圖1 訓練序列幀結構

1.2 幀同步的估計

利用前導訓練符號的周期性和自相關性，可以采用延遲自相關算法獲得幀檢測最佳定時和符號起始時刻。這樣在進行相關運算時會出現尖峰，為了避免多峰值的出現，采用了相關累積的方法如圖2所示，對其多個相關值進行累加，這樣在正確的定時刻就會出現一個單點的峰值。

圖2 延遲自相關算法

在延遲自相關算法中，考慮到在時域前導序列4部分第1部分和第2部分除了有子載波的頻率頻移引起的相位漂移外是相同的，同理，第3部分與第4部分，第1和第2部分的結合與第3和第4部分的結合的取負除了相位漂移外也是相同的，在接收端，用前面部分抽樣的共軛乘以后面部分相應的抽樣，信道的影響就可以消除。

其中相關窗口對接收訓練序列的多個相關值累計求和，表達式為：

式中，d表示抽樣窗口中第1個抽樣的時間系數，當接收端在搜索窗口搜尋訓練序列的時候，該窗口在時域滑動。

其中，能量窗口對接收訓練序列的能量表達式為：

這樣就對得到該算法定時測度的表達式即延遲自相關輸出為：

定時測度最大值對應的時刻即為正確的同步時刻，即：

其定時測度與原H.Minn算法比較如圖3所示。

圖3 原H.Minn算法與改進算法的定時測度

從圖中可以看出（仿真參數見第3部分），該算法相對H.minn算法，由多個相關值進行累加，能產生單點的峰值，消除了H.minn同步算法產生定時測度平臺問題和多峰值問題。圖中顯示原H.minn算法在錯誤時刻也很容易出現較大的多個尖峰，對判決門限的選取帶來困難，當頻偏較大時錯誤時刻的峰值還超過正確時刻的峰值，導致估計錯誤，仿真顯示其定時精度高于原算法。

2 仿真性能分析

為了給出改進算法與原H.Minn算法的性能比較，對2種算法進行matlab計算機仿真，仿真參數為：每幀數據的FFT點數和子載波個數為256，循環前綴長度為32點，調制方式采用QPSK，噪聲采用加性高斯噪聲。對于每個傳輸幀，第1個符號為用于定時同步的訓練符號，后面跟用戶OFDM數據符號，其中訓練符號和OFDM數據符號均包含32點循環前綴和256點子載波，所以仿真中準確的定時時刻為第321點樣本點。

2.1 噪聲的影響

由圖4可以看出，由于噪聲與訓練序列具有較好的互相關性，加上同步算法是多個相關項的累加，因此受到的噪聲干擾也相對較小，算法在信噪比較低的情況下也可以較好地完成定時估計。而且在較低信噪比和較高信噪比下，改進算法相較原H.minn同步算法均能消除定時測度的多個高峰值問題。

圖4 不同SNR幀同步算法比較

2.2 頻偏的影響

由于P（d）表達式的第3部分頻偏影響的系數與第1和第2部分頻偏影響的系數不一樣，取模后，頻偏的干擾不能去掉，因此該算法相對會受到頻偏的影響。

2.3 在不同信道條件下仿真

圖5分別在高斯、瑞利、賴斯信道環境下，選取一定的多徑數及多徑時延分布，仿真其在不同信道環境下的適應性，仿真結果顯示在高斯信道、瑞利信道、萊斯信道下均能正確地完成幀同步檢測。而且不同信道下改進算法也均能消除定時測度的多個高峰值問題。

圖5 不同信道下幀同步算法比較

3 結束語

基于OFDM系統，本文提出一種新改進的時域幀同步檢測方法。該方法消除了以往定時算法定時測度峰值平臺和多個高旁峰值的問題，提高了同步的精確度，可以對抗較大的頻偏，適應性增強。仿真結果表明，在較低SNR和高斯信道、瑞利信道、萊斯信道下均能正確地完成幀同步檢測，具有更強應用適應性。該幀同步檢測適用于一切在數據幀前加訓練序列的OFDM系統。

［1］冷建華，李萍，王良紅.數字信號處理［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［2］Wang Z，Giannakis G B.Wireless Multicarrier Communi-cation-Where Fourier Meets Shnnon［J］.IEEE Signal Pro-cessing Magazine，2000，17（3）：29－48.

［3］尹長川，羅濤，樂光新.多載波寬帶無線通信技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2004.

［4］王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

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［9］東南大學.聯合訓練序列互相關信息的正交頻分復用接收幀同步技術〔P〕.中國，CN201210581288.2013. 04.03.

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An Improved Frame Synchronization Detection Algorithm for OFDM Systems

DAI Jia1，CHEN Xiao-shu2，GAO Xiao-bing1，LI Quan1
（1.Nanjing Champion Communication Network Technology Co.Ltd.，Nanjing Jiangsu 210018，China；2.Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China）

A method of newly improved time-domain OFDM frame synchronization is presented，which uses the detection principle associated with frame delay of a threshold mechanism to complete the frame synchronization detection by using the inter-related informa-tion of a training sequence.This paper presents the simulation results under different channels and different SNRs.Simulation results show that the new method solves the problem of peak platform appeared in Schmidl＆Cox timing synchronization algorithm and the multiple high peak in H.Minn algorithm.It can improve the accuracy of synchronization，mitigates large frequency offsets，and provides more adaptability.Additionally，it can be implemented easily.

orthogonal frequency division multiplexing；a training sequence；frame synchronization algorithm

TN91

A

1003－3114（2015）06－32－3

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.08

戴 佳，陳曉曙，高曉兵，等.一種改進型的OFDM系統幀同步檢測算法［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：32－34.

2015－05－08

戴 佳（1976―），男，工程師，主要研究方向：通信與信息系統。陳曉曙（1963―），男，教授，通信網理論與技術、分布式自組無線移動通信網、寬帶無線移動接入與IP互聯認知無線電技術。