CN102801683B - 一种ofdm系统帧同步与频率同步联合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，针对一帧原始OFDM信号，通过同一个长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列作为前导码，联合实现了针对该原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步。本发明所提及的这种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，相比于传统方法来说，更加节省进行同步时所占用的资源，且准确性更高、稳定性更好。

Description

一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法

技术领域

本发明涉及一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法。

背景技术

未来移动通信系统正致力于研究通用移动通信系统(UMTS，Universal MobileTelecommunication System)无线接入技术，其中，最为核心的技术之一是OFDM调制技术，该技术因其具有较宽的带宽、较高的频谱利用率、能够对抗频率选择性衰落的特性，已应用到很多通信标准中，如数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、局域网标准(IEEE802.11)以及WiMAX(IEEE 802.16)中。

为了能够准确恢复OFDM符号，在通信接收端，需要准确检测一帧OFDM信号的起始位置，进而获得该OFDM信号帧中各OFDM符号快速傅里叶变换(FFT)开窗的准确位置，这个过程即为一个OFDM信号帧的帧同步过程。如果检测到的起始点位置过早或过晚，则前一帧或者后一帧OFDM信号中的部分OFDM符号数据就会进入到当前OFDM信号帧中，从而造成符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。因此，帧同步过程对OFDM系统来说是非常必要的。

此外，在OFDM解调过程中，会受到载波频率偏差(CFO)的影响，从而影响OFDM系统性能。载波频率偏差的主要来源是多普勒频移和通信发送端与通信接收端本地振荡器的频率偏差。因此，在OFDM解调之前进行载波频率偏差的估计和补偿非常重要，该过程即为一个OFDM信号帧的频率同步过程。

帧同步与频率同步可以在时域或者频域上通过利用循环前缀(CP)、前导码(Preamble)、训练序列(Training Sequence)或导频(Pilot tones)来实现。在基于OFDM调制技术的通信或广播系统中，同步技术通常是基于前导码或者导频的，例如，在DVB-T和DVB-H系统中，利用导频进行同步和信道估计。而在移动WiMAX系统中，通常是在时域上利用前导码进行下行信道的同步算法设计。此外，为了设计帧同步和频率同步算法，还需要考虑到算法的准确度、复杂度、稳定性以及资源占用率等因素。

传统的帧同步算法，如差分算法、最大似然估计算法、平方算法等，一般来说要用到一个OFDM符号长度以上的冗余部分来实现；而传统的频率同步算法，如Classen算法、Moose算法、CP算法等，一般来说要用到两个OFDM符号长度以上的冗余部分来实现，这样便需要2-3个OFDM符号长度的冗余部分来分别实现帧同步和频率同步，这样会大量占用资源。

此外，传统的帧同步和频率同步方法的准确度，特别是一次性同步的准确度无法得到保证，尤其在信道条件较差的情况下，如信噪比较低的情况下，其同步方法的准确度无法得到保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为OFDM系统提供一种准确度高、复杂度较低、稳定性好且资源占用少的帧同步与频率同步联合方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，分别针对每一帧原始OFDM信号利用前导码实现帧同步与频率同步，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码通过在伪随机序列的开头或末尾添加0或1实现，并且前导码的长度等于OFDM调制子载波数；

步骤2.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧，进行发送；

步骤3.在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差。

作为本发明的一种优选技术方案：所述实现原始OFDM信号帧的帧同步方法中，在通信接收端，利用一个长度等于OFDM调制子载波数的滑动窗口对新的OFDM信号帧中的符号进行逐符号位滑动，依次计算滑动窗口内的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该新的OFDM信号帧上对应此时滑动窗口末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步。

本发明还涉及一种OFDM系统调制解调方法，包括首先在通信发送端对比特流进行调整，接着对比特流进行数字调制、快速傅里叶逆变换得到多组OFDM符号，构成一帧原始OFDM信号，然后在通信发送端和通信接收端，利用前导码实现原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步；紧接着，通信接收端对该原始OFDM信号帧中的符号进行快速傅里叶变换得到比特流，最后对比特流进行数字解调和比特流判决操作；其特征在于，所述利用前导码实现原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步的过程包括如下步骤：

步骤1.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码为长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列；

步骤2.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧，进行发送；

步骤3.在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差；

步骤4.在通信接收端，针对已实现了帧同步和频率同步的一帧新的OFDM信号帧，去除该新的OFDM信号帧的前导码。

本发明还涉及一种OFDM调制解调系统，包括通信发送端和通信接收端，所述通信发送端依次包括比特流调整模块、数字调制模块、快速傅里叶逆变换模块和前导码加载模块；所述通信接收端依次包括同步模块、快速傅里叶变换模块、数字解调模块和比特流判决模块，其特征在于，所述前导码加载模块的工作包括如下步骤：

步骤a.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码为长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列；

步骤b.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧；

所述同步模块的工作包括如下步骤：

步骤ⅰ.通信发送端对新的OFDM信号帧进行发送，在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差；

步骤ⅱ.在通信接收端，针对已实现了帧同步和频率同步的一帧新的OFDM信号帧，去除该新的OFDM信号帧的前导码。

终上，本发明所述一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提出的帧同步与频率同步联合方法，针对一帧OFDM信号，只需一个长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列作为前导码来实现帧同步和频率同步，其资源占用量大大降低，且复杂度较低、稳定性好；

(2)本发明提出的帧同步与频率同步联合方法，能够大幅提高OFDM系统帧同步和频率同步的准确度，具有一次性同步准确度高的优点，且能够应对信道条件较差的情况，适合应用到OFDM调制系统中。

附图说明

图1为本发明加入伪随机序列前导码进行OFDM系统帧同步和频率同步的系统示意图；

图2为加入一个长度为OFDM调制子载波数的伪随机序列作为前导码构成新的OFDM信号帧的结构示意图；

图3为本发明中帧同步时滑动窗口的滑动示意图；

图4-1为在归一化载波频率偏差为0情况下，不同信噪比下本发明中帧同步方法与传统方法的一次性同步错误率的对比示意图；

图4-2为在归一化载波频率偏差为0.5情况下，不同信噪比下本发明中帧同步方法与传统方法的一次性同步错误率的对比示意图；

图5-1为在信噪比为0dB情况下，不同归一化载波频率偏差下本发明中帧同步方法与传统方法的一次性同步错误率的对比示意图；

图5-2为在信噪比为10dB情况下，不同归一化载波频率偏差下本发明中帧同步方法与传统方法的一次性同步错误率的对比示意图；

图6-1为在归一化载波频率偏差为0.02情况下，不同信噪比下本发明中归一化载波频率偏差估计方法与传统方法的均方误差(MSE)的对比示意图；

图6-2为在归一化载波频率偏差为0.8情况下，不同信噪比下本发明中归一化载波频率偏差估计方法与传统方法的均方误差(MSE)的对比示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，分别针对每一帧原始OFDM信号利用前导码实现帧同步与频率同步，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码通过在伪随机序列的开头或末尾添加0或1实现，并且前导码的长度等于OFDM调制子载波数；

步骤2.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧，进行发送；

步骤3.在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差。

本发明提出的一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，由于伪随机序列具有极好的相关特性，因此针对一帧OFDM原始信号，只需一个长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列作为前导码来实现帧同步和频率同步，其资源占用量大大降低，且复杂度较低、稳定性好。

如图2所示加入一个长度为OFDM调制子载波数的前导码构成新的OFDM信号帧的结构示意图，其中N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，由于前导码的长度等于OFDM调制子载波数，即N_P＝N_FFT，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，p(n)为前导码，n为前导码序数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述实现原始OFDM信号帧的帧同步方法中，在通信接收端，利用一个长度等于OFDM调制子载波数的滑动窗口对新的OFDM信号帧中的符号进行逐符号位滑动，依次计算滑动窗口内的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该新的OFDM信号帧上对应此时滑动窗口末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，也就能找到该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧中各符号快速傅里叶变换(FFT)开窗的准确位置，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步。

如图3所示，在本发明中，在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号，一个长度等于OFDM调制子载波数的滑动窗口W₁对该新OFDM信号帧进行逐符号位滑动，滑动窗口末端的起始点位置N_S可以在前一个OFDM信号帧的任意位置，随着滑动的进行，同时计算滑动窗口内的符号与事先确定所加入的前导码的互相关性，找到互相关值最大点的位置；如图3所示，得到互相关值最大时，记录此时对应W₁滑动窗口末端的位置N_E，从而能够计算出该新的OFDM信号帧的帧偏差σ，如式(1)所示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=N_E-N_S\\ =i\left|\max \right[\underset{k=0}{\overset{N_P-1}{\mathrm{\Σ}}}P\left(k\right)R(i+k)]-N_S\\ i=N_S,N_S+1,...,N_S+N_{\mathrm{FFT}}-1\end{array}---\left(1\right)$

其中R代表该新OFDM信号帧中原始OFDM信号帧中的符号。

如图4-1和图4-2所示，对比了在归一化载波频率偏差分别为0和0.5情况下，不同信噪比下本发明中帧同步方法与传统方法的一次性同步错误率的对比示意图；以及如图5-1和图5-2所示，对比了在信噪比分别为0dB和10dB情况下，不同归一化载波频率偏差下本发明中帧同步方法与传统方法的一次性同步错误率的对比示意图，从以上图中可以看出本发明中帧同步方法在各种条件下准确率极高。

其中，在图4-2中，由于差异算法错误率过高而没有在图4-2中显示。

由于事先确定所加入的前导码的长度等于OFDM调制子载波数，即N_P＝N_FFT，所以通信接收端接收到的该新OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之前的相位偏差关系能够实现如下转化：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)/N_{\mathrm{FFT}}}=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_{\mathrm{FFT}}/2)/N_{\mathrm{FFT}}}=p_{1,r}\left(n\right)e^{\mathrm{j\π\ϵ}}---\left(3\right)$

所述归一化载波频率偏差ε为f_d和Δf的比值，其中，f_d为载波频率偏差，Δf为OFDM调制子载波的间距。从式(3)中可以得到估计的归一化载波频率偏差为：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg \left[\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{2,r}\left(n\right)\·p(n+N_{\mathrm{FFT}})}{p_{1,r}\left(n\right)\·p\left(n\right)}\right]---\left(4\right)$

因为伪随机序列为0或1的数值(在实际系统中为-1或1的数值)，因此数值之间的乘法等同于除法，因此，式(4)可以改写为：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg [\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{2,r}\left(n\right)\·p(n+N_{\mathrm{FFT}})\·p_{1,r}\left(n\right)\·p\left(n\right)]---\left(5\right)$

归一化载波频率偏差的估计结果即可通过式(5)估计得到，如图6-1和图6-2所示，对比了在归一化载波频率偏差分别为0.02和0.8情况下，不同信噪比下本发明中归一化载波频率偏差估计方法与传统方法的均方误差(MSE)对比示意图，从图中可以看出本发明中频率同步方法中归一化载波频率偏差的估计结果较为准确。

利用得到的归一化载波频率偏差估计结果对该新OFDM信号帧中原始OFDM信号帧中的的采样值r(n)按接收时间顺序逐一进行载波频率偏差补偿：

$r^{*}\left(n\right)=e^{-j\frac{2\mathrm{\πn}{f}_d}{B_S}}\·r\left(n\right)=e^{-j\frac{2\mathrm{\πn\ϵ}}{N_{\mathrm{FFT}}}}\·r\left(n\right)---\left(6\right)$

其中，B_s为OFDM调制信号带宽，B_s＝N_FFT·Δf。

如图1所示，本发明还涉及一种OFDM系统调制解调方法，包括首先在通信发送端对比特流进行调整，接着对比特流进行数字调制、快速傅里叶逆变换得到多组OFDM符号，构成一帧原始OFDM信号，然后在通信发送端和通信接收端，利用前导码实现原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步；紧接着，通信接收端对该原始OFDM信号帧中的符号进行快速傅里叶变换得到比特流，最后对比特流进行数字解调和比特流判决操作；其特征在于，所述利用前导码实现原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步的过程包括如下步骤：

步骤1.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码为长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列；

步骤2.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧，进行发送；

步骤3.在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差；

步骤4.在通信接收端，针对已实现了帧同步和频率同步的一帧新的OFDM信号帧，去除该新的OFDM信号帧的前导码。

本发明还涉及一种OFDM调制解调系统，包括通信发送端和通信接收端，所述通信发送端依次包括比特流调整模块、数字调制模块、快速傅里叶逆变换模块和前导码加载模块；所述通信接收端依次包括同步模块、快速傅里叶变换模块、数字解调模块和比特流判决模块，其特征在于，所述前导码加载模块的工作包括如下步骤：

步骤a.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码为长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列；

步骤b.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧；

所述同步模块的工作包括如下步骤：

步骤ⅰ.通信发送端对新的OFDM信号帧进行发送，在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差；

步骤ⅱ.在通信接收端，针对已实现了帧同步和频率同步的一帧新的OFDM信号帧，去除该新的OFDM信号帧的前导码。

本发明设计的一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，针对一帧原始OFDM信号，通过同一个长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列作为前导码，联合实现了针对该原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步。

本发明提出的帧同步与频率同步联合方法，能够大幅提高OFDM系统帧同步和频率同步的准确度，具有一次性同步准确度高的优点，且能够应对信道条件较差的情况，适合应用到OFDM调制系统中。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，分别针对每一帧原始OFDM信号利用前导码实现帧同步与频率同步，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码通过在伪随机序列的开头或末尾添加0或1实现，并且前导码的长度等于OFDM调制子载波数；

步骤2.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧，进行发送；

步骤3.在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差。

2.根据权利要求1所述一种OFDM系统帧同步与频率同步联合方法，其特征在于：所述实现原始OFDM信号帧的帧同步方法中，在通信接收端，利用一个长度等于OFDM调制子载波数的滑动窗口对新的OFDM信号帧中的符号进行逐符号滑动，依次计算滑动窗口内的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该新的OFDM信号帧上对应此时滑动窗口末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步。

3.一种OFDM系统调制解调方法，包括首先在通信发送端对比特流进行调整，接着对比特流进行数字调制、快速傅里叶逆变换得到多组OFDM符号，构成一帧原始OFDM信号，然后在通信发送端和通信接收端，利用前导码实现原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步；紧接着，通信接收端对该原始OFDM信号帧中的符号进行快速傅里叶变换得到比特流，最后对比特流进行数字解调和比特流判决操作；其特征在于，所述利用前导码实现原始OFDM信号帧的帧同步与频率同步的过程包括如下步骤：

步骤1.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码为长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列；

步骤2.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧，进行发送；

步骤3.在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差；

步骤4.在通信接收端，针对已实现了帧同步和频率同步的一帧新的OFDM信号帧，去除该新的OFDM信号帧的前导码。

4.一种OFDM调制解调系统，包括通信发送端和通信接收端，所述通信发送端依次包括比特流调整模块、数字调制模块、快速傅里叶逆变换模块和前导码加载模块；所述通信接收端依次包括同步模块、快速傅里叶变换模块、数字解调模块和比特流判决模块，其特征在于，所述前导码加载模块的工作包括如下步骤：

步骤a.通信发送端与通信接收端建立连接，并且双方确定所添加的前导码，所述前导码为长度等于OFDM调制子载波数的伪随机序列；

步骤b.在通信发送端，针对一帧OFDM原始信号，在该OFDM原始信号帧之前加入所述前导码，构成一帧新的OFDM信号帧；

所述同步模块的工作包括如下步骤：

步骤ⅰ.通信发送端对新的OFDM信号帧进行发送，在通信接收端，针对接收到的一帧新的OFDM信号帧，通过如下方法实现原始OFDM信号帧的帧同步：计算该新的OFDM信号帧中每一组连续的、且长度等于OFDM调制子载波数的符号与所述前导码的互相关值，计算得到互相关值最大时，该组符号末端的下一个符号位置，即为该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的起始点，进而实现原始OFDM信号帧的帧同步；以及通过如下方法实现原始OFDM信号帧的频率同步：利用该新的OFDM信号帧中前导码的前一半符号与后一半符号之间的相位偏差关系：

$p_{2,r}\left(n\right)=p_{1,r}\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π\ϵ}(N_P/2)N_{\mathrm{FFT}}}$

计算得到该新的OFDM信号帧传输时所处环境的归一化载波频率偏差，并利用该归一化载波频率偏差对该新的OFDM信号帧中原始OFDM信号帧的符号进行载波频率偏差补偿，实现原始OFDM信号帧的频率同步，其中，N_FFT为OFDM调制子载波数，N_P为前导码的长度，e为指数函数下标，j为虚数单位，p_1,r(n)、p_2,r(n)分别为前导码的前一半部分和后一半部分，长度均为N_P/2，ε为归一化载波频率偏差；

步骤ⅱ.在通信接收端，针对已实现了帧同步和频率同步的一帧新的OFDM信号帧，去除该新的OFDM信号帧的前导码。