魏國慶，楊 凡，程 剛，張 波，冉明昊

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引 言

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，可以有效抵抗信道的頻率選擇性衰落和脈沖噪聲，且具有較高的頻譜利用率。但是，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步的誤差問題較為敏感。實(shí)際系統(tǒng)中，由于受到采樣率、同步碼長、FFT長度、低信噪比、大信號(hào)功率等因素的影響，容易產(chǎn)生誤同步，造成符號(hào)間的干擾，影響系統(tǒng)性能。因此，準(zhǔn)確的定時(shí)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵[1-2]。目前，已有大量文獻(xiàn)對(duì)OFDM定時(shí)同步技術(shù)進(jìn)

行了研究，也從不同角度提出了多種解決方法[3-5]。文獻(xiàn)[3]提出了一種Schmidl&Cox同步算法，其具有良好的自相關(guān)特性，通過延遲相關(guān)，檢測相關(guān)結(jié)果的峰值位置，確定數(shù)據(jù)幀的起始位置進(jìn)行快速同步，但算法對(duì)DSP硬件資源需求大，導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間變慢。文獻(xiàn)[4]在Schmidl&Cox算法基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)門限的幀同步。該算法需要重新定義幀頭結(jié)構(gòu)，沒有通用性。

本文在Schmidl&Cox同步算法基礎(chǔ)上，提出了一種新的自適應(yīng)同步改進(jìn)算法。通過信噪比、場強(qiáng)與接收射頻信號(hào)幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)整下幀信號(hào)的同步計(jì)算的變量，可以有效減小小信號(hào)的同步虛警率，方法簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)，且同步動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了100 dB。

1 自適應(yīng)同步算法

1.1 系統(tǒng)模型

自適應(yīng)同步在OFDM接收端的處理流程，如圖1所示。

發(fā)端源比特流經(jīng)過一系列信號(hào)處理、組幀，通過天線發(fā)出；接收端接收到的射頻信號(hào)，經(jīng)過了同步、FFT、信道估計(jì)、解映射、譯碼等信號(hào)處理，同時(shí)計(jì)算出當(dāng)幀信號(hào)的場強(qiáng)和信噪比SNR，反饋?zhàn)鳛橄乱粠盘?hào)質(zhì)量的判決量，自適應(yīng)地決定下一幀同步信號(hào)處理的變量。

1.2 自適應(yīng)同步算法

Schmidl&Cox的算法原理是基于ZC序列，具有良好的自相關(guān)特性。通過延遲自相關(guān)，檢測相關(guān)結(jié)果的峰值位置確定數(shù)據(jù)幀的起始位置進(jìn)行快速同步[6]。信號(hào)衰減過程中，接收的信號(hào)幅度不一致，計(jì)算出的相關(guān)峰值需要進(jìn)行歸一化處理。這需要使用除法運(yùn)算。1 ms子幀，7 680個(gè)采樣點(diǎn)，需要執(zhí)行7 680次除法運(yùn)算，導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行效率下降。針對(duì)上述問題，在Schmidl&Cox的算法基礎(chǔ)上，本文提出一種自適應(yīng)同步算法處理，如式（1）～式（3）所示，即增加一個(gè)可調(diào)節(jié)的同步因子corr_ gain，計(jì)算信號(hào)的信噪比和場強(qiáng)。可以看出，同步因子的設(shè)置可以調(diào)節(jié)相關(guān)函數(shù)和能量函數(shù)的幅度，同時(shí)DSP中處理不需要進(jìn)行除法運(yùn)算，只需要進(jìn)行移位處理。

通過計(jì)算當(dāng)前子幀的信噪比、場強(qiáng)等變量，可以知道當(dāng)前幀的信號(hào)質(zhì)量，預(yù)判下一幀信號(hào)的質(zhì)量，自適應(yīng)地決定下幀信號(hào)相關(guān)函數(shù)的變量因子corr_ gain的值，將其作為下幀同步相關(guān)函數(shù)歸一化處理的變量。如圖2所示，自適應(yīng)同步處理流程圖。

圖2 自適應(yīng)同步處理

滑動(dòng)相關(guān)過程需要隨時(shí)計(jì)算接收數(shù)據(jù)的相關(guān)值。一個(gè)子幀14個(gè)符號(hào)，需要計(jì)算14個(gè)符號(hào)的相關(guān)值，占用CPU執(zhí)行時(shí)間?？梢愿耐讲呗?，在滑動(dòng)相關(guān)得出的同步位置基礎(chǔ)上，正確解析數(shù)據(jù)信號(hào)的同步位置，作為初始同步位置初始狀態(tài)，并根據(jù)初始同步位置判斷下一幀的同步信號(hào)范圍：

設(shè)置搜索窗口W，幀長為frame_len，在窗口之內(nèi)進(jìn)行同步相關(guān)計(jì)算，窗口之外不執(zhí)行同步相關(guān)計(jì)算。如圖3所示，當(dāng)前幀一旦同步成功，后續(xù)子幀的同步搜索窗口內(nèi)只需要執(zhí)行不到3個(gè)符號(hào)時(shí)間的相關(guān)計(jì)算。

圖3 同步-搜索窗口

根據(jù)時(shí)分多址技術(shù)TDMA和組網(wǎng)配置，以網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為8為例，100 ms中共發(fā)出2幀，10 ms數(shù)據(jù)取平均值，可以作為有效信號(hào)的門限值判斷，如式（5）所示：

其中，engy_rssi為搜索窗口內(nèi)的信號(hào)能量場強(qiáng)；sig_threshold有效信號(hào)場強(qiáng)的門限值，用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和噪聲信號(hào)；N為統(tǒng)計(jì)的幀數(shù)目。判斷當(dāng)前幀的同步因子corr_ gain的值是否合適，根據(jù)搜索窗口內(nèi)場強(qiáng)和SNR聯(lián)合判決確定，如表1所示。

表1 同步因子與信噪比和場強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表1可以看出，根據(jù)信噪比和場強(qiáng)的限制，在一定范圍內(nèi)，如接收信號(hào)幅度在[800:1 400]，同步因子設(shè)置為corr_gain=9，可以保證接收信號(hào)的同步正確率。在進(jìn)行快速同步過程中，需要檢測同步峰值位置，從而判斷幀頭位置。其中，自相關(guān)函數(shù)峰值判決流程圖如圖4所示，自相關(guān)函數(shù)的門限值corr_threshold=30 000，根據(jù)噪聲的干擾相關(guān)統(tǒng)計(jì)得出。

2 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證算法的正確性和有效性，仿真采樣單發(fā)單收的系統(tǒng)。采樣率為7.68 MHz，OFDM有效子載波數(shù)為180，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)，CP長度為40、36兩種，幀長5 ms，包含5個(gè)子幀，每個(gè)子幀1 ms，符號(hào)個(gè)數(shù)為14，仿真結(jié)果圖5所示。

圖4 同步峰值判決流程

圖5 SNR=8 dB時(shí)同步位置與方差

圖6 為不同信噪比下的丟包率情況。當(dāng)信噪比SNR≥10 dB時(shí)，丟包率為0，自適應(yīng)同步算法很好地適應(yīng)了接收信號(hào)幅度的變化。當(dāng)信噪比SNR＜10 dB，同時(shí)相關(guān)峰值門限值小時(shí)，丟包率高，此時(shí)受到噪聲干擾影響大，造成虛警率大；相關(guān)峰值門限值大，丟包率小，同步虛警率小。相關(guān)峰值門限小，同步動(dòng)態(tài)范圍大，但丟包率大。因此，工程實(shí)現(xiàn)中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取舍。

圖6 不同信噪比下丟包率情況

比較滑動(dòng)相關(guān)固定門限同步和自適應(yīng)相關(guān)同步兩種方式下的系統(tǒng)靈敏度和同步執(zhí)行時(shí)間。自適應(yīng)同步中，1幀時(shí)間只需要執(zhí)行不到3個(gè)符號(hào)的時(shí)間同步，符號(hào)4～13不占用CPU時(shí)間，提高了DSP執(zhí)行效率，同時(shí)靈敏度提高8 dB，同步動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100 dB；而滑動(dòng)相關(guān)同步需要執(zhí)行14個(gè)符號(hào)的同步時(shí)間，同步動(dòng)態(tài)范圍只有92 dB。

3 結(jié) 語

討論了幾種OFDM系統(tǒng)同步的方法[7-8]，并對(duì)其方法進(jìn)行改進(jìn)，將一種新的自適應(yīng)同步方式引入到粗同步算法方案中，通過計(jì)算當(dāng)前子幀的信噪比、場強(qiáng)等變量，可以知道當(dāng)前幀的信號(hào)質(zhì)量，聯(lián)合預(yù)判下一幀信號(hào)的質(zhì)量，自適應(yīng)地決定下幀信號(hào)相關(guān)函數(shù)的變量因子的值。根據(jù)實(shí)際情況，在滿足丟包率情況下，統(tǒng)計(jì)相關(guān)峰值門限值，減小同步虛警率和誤警率，解決了同步算法因接收信號(hào)幅度變化而靈敏度不達(dá)標(biāo)的問題，靈敏度提高了7%。同時(shí)，在減少系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，保證了同步信號(hào)的快速性和準(zhǔn)確性。

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