OFDM系統自適應同步研究與DSP實現

摘要：為減少無線通信技術中OFDM的同步相關歸一化演算法的複雜度和系統同步虛警率、誤警率，提高系統靈敏度，在Schmidl&Cox同步演算法的基礎上，提出了一種以場強和信噪比為門限判決的自適應同步改進演算法。演算法根據接收信號場強和信噪比結果統計，反饋給當前子幀判斷信號的相關鋒值。模擬結果表明：新演算法在原有演算法基礎上，減小了系統複雜度，降低了虛警率和誤警率，且同步信號動態範圍提高8 dB，達到了100 dB，同時不增加硬體資源，工程上易於實現。

正文內容：

0 引言

正交頻分復用（OFDM）是一種多載波調製技術，可以有效抵抗信道的頻率選擇性衰落和脈衝雜訊，且具有較高的頻譜利用率。但是，OFDM系統對同步的誤差問題較為敏感。實際系統中，由於受到採樣率、同步碼長、FFT長度、低信噪比、大信號功率等因素的影響，容易產生誤同步，造成符號間的干擾，影響系統性能。因此，準確的定時估計是實現OFDM系統的關鍵[1-2]。

目前，已有大量文獻對OFDM定時同步技術進行了研究，也從不同角度提出了多種解決方法[3-5]。文獻[3]提出了一種Schmidl&Cox同步演算法，其具有良好的自相關特性，通過延遲相關，檢測相關結果的峰值位置，確定數據幀的起始位置進行快速同步，但演算法對DSP硬體資源需求大，導致系統執行時間變慢。文獻[4]在Schmidl&Cox演算法基礎上，提出了一種自適應門限的幀同步。該演算法需要重新定義幀頭結構，沒有通用性。

本文在Schmidl&Cox同步演算法基礎上，提出了一種新的自適應同步改進演算法。通過信噪比、場強與接收射頻信號幅度的對應關係，調整下幀信號的同步計算的變數，可以有效減小小信號的同步虛警率，方法簡單，易於工程實現，且同步動態範圍達到了100 dB。

1　自適應同步演算法

1.1　系統模型

自適應同步在OFDM接收端的處理流程，如圖1所示。

發端源比特流經過一系列信號處理、組幀，通過天線發出；接收端接收到的射頻信號，經過了同步、FFT、信道估計、解映射、解碼等信號處理，同時計算出當幀信號的場強和信噪比SNR，反饋作為下一幀信號質量的判決量，自適應地決定下一幀同步信號處理的變數。

1.2　自適應同步演算法

Schmidl&Cox的演算法原理是基於ZC序列，具有良好的自相關特性。通過延遲自相關，檢測相關結果的峰值位置確定數據幀的起始位置進行快速同步[6]。信號衰減過程中，接收的信號幅度不一致，計算出的相關峰值需要進行歸一化處理。這需要使用除法運算。1 ms子幀，7 680個採樣點，需要執行7 680次除法運算，導致系統執行效率下降。針對上述問題，在Schmidl&Cox的演算法基礎上，本文提出一種自適應同步演算法處理，如式（1）～式（3）所示，即增加一個可調節的同步因子corr_gain ，計算信號的信噪比和場強。可以看出，同步因子的設置可以調節相關函數和能量函數的幅度，同時DSP中處理不需要進行除法運算，只需要進行移位處理。

通過計算當前子幀的信噪比、場強等變數，可以知道當前幀的信號質量，預判下一幀信號的質量，自適應地決定下幀信號相關函數的變數因子corr_gain 的值，將其作為下幀同步相關函數歸一化處理的變數。如圖2所示，自適應同步處理流程圖。

滑動相關過程需要隨時計算接收數據的相關值。一個子幀14個符號，需要計算14個符號的相關值，佔用CPU執行時間。可以更改同步策略，在滑動相關得出的同步位置基礎上，正確解析數據信號的同步位置，作為初始同步位置初始狀態，並根據初始同步位置判斷下一幀的同步信號範圍：

設置搜索窗口W ，幀長為frame_len ，在窗口之內進行同步相關計算，窗口之外不執行同步相關計算。如圖3所示，當前幀一旦同步成功，後續子幀的同步搜索窗口內只需要執行不到3個符號時間的相關計算。

根據時分多址技術TDMA和組網配置，以網路中節點數為8為例，100 ms中共發出2幀，10 ms數據取平均值，可以作為有效信號的門限值判斷，如式（5）所示：

其中，engy_rssi 為搜索窗口內的信號能量場強；sig_threhold 有效信號場強的門限值，用來區分數據信號和雜訊信號；N 為統計的幀數目。判斷當前幀的同步因子corr_gain 的值是否合適，根據搜索窗口內場強和SNR聯合判決確定，如表1所示。

從表1可以看出，根據信噪比和場強的限制，在一定範圍內，如接收信號幅度在[800:1 400]，同步因子設置為corr_gain=9 ，可以保證接收信號的同步正確率。在進行快速同步過程中，需要檢測同步峰值位置，從而判斷幀頭位置。其中，自相關函數峰值判決流程圖如圖4所示，自相關函數的門限值corr_threhold=30000 ，根據雜訊的干擾相關統計得出。

2　模擬結果

為了驗證演算法的正確性和有效性，模擬採樣單發單收的系統。採樣率為7.68 MHz，OFDM有效子載波數為180，FFT點數為512點，CP長度為40、36兩種，幀長5 ms，包含5個子幀，每個子幀1 ms，符號個數為14，模擬結果圖5所示。

圖6為不同信噪比下的丟包率情況。當信噪比SNR≥10 dB時，丟包率為0，自適應同步演算法很好地適應了接收信號幅度的變化。當信噪比SNR＜10 dB，同時相關峰值門限值小時，丟包率高，此時受到雜訊干擾影響大，造成虛警率大；相關峰值門限值大，丟包率小，同步虛警率小。相關峰值門限小，同步動態範圍大，但丟包率大。因此，工程實現中，需要根據實際情況進行取捨。

比較滑動相關固定門限同步和自適應相關同步兩種方式下的系統靈敏度和同步執行時間。自適應同步中，1幀時間只需要執行不到3個符號的時間同步，符號4～13不佔用CPU時間，提高了DSP執行效率，同時靈敏度提高8 dB，同步動態範圍達到100 dB；而滑動相關同步需要執行14個符號的同步時間，同步動態範圍只有92 dB。

3　結　語

討論了幾種OFDM系統同步的方法[7-8]，並對其方法進行改進，將一種新的自適應同步方式引入到粗同步演算法方案中，通過計算當前子幀的信噪比、場強等變數，可以知道當前幀的信號質量，聯合預判下一幀信號的質量，自適應地決定下幀信號相關函數的變數因子的值。根據實際情況，在滿足丟包率情況下，統計相關峰值門限值，減小同步虛警率和誤警率，解決了同步演算法因接收信號幅度變化而靈敏度不達標的問題，靈敏度提高了7%。同時，在減少系統複雜度的前提下，保證了同步信號的快速性和準確性。

參考文獻：

[1] 陳威,伍仁勇,楊智明.MIMO-OFDM同步門限值方法[J].信號處理,2012(09):1290-1298.

[2] 喬天柱,張海濱,羅漢文等.基於循環前綴的OFDM符號同步演算法改進及其實現[J].電視技術,2004(09):4-7.

[3] Ali A E.Frame Synchronization Symbols for an OFDM System[J].International Journal of Communications,2008(02):126-134.

[4] 龐雪,趙犁豐.一種自適應門限的MIMO-OFDM系統幀同步方法[J].現代電子技術,2010(01):37-40.

[5] 吳玉成,陳婷婷.在滑動窗口中判決的自適應門限檢測方法[J].系統模擬學報,2008,20(10):2770-2773.

[6] 樊蓉,幕福奇,蘇明月.一種基於加權CAZAC序列的OFDM系統同步方法[J].電視技術,2014,38(01):132-135.

[7] 高鴻堅,李建岐,陸陽.一種基於卷積的OFDM定時同步演算法實現[J].電子技術應用,2013,39(03):100-104.

[8] 張琳,張永傑.基於自適應門限的快速分組同步技術[J].無線電通信技術,2011,37(01):19-21.

作者：魏國慶，楊　凡，程　剛，張　波，冉明昊

單位：重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030

作者簡介：魏國慶，男，碩士，工程師，主要研究方向為無線通信、DSP信號處理；

楊　凡，男，博士，高級工程師，主要研究方向為自適應傳輸技術、寬頻無線通信；

程　剛，男，學士，助理工程師，主要研究方向為移動通信、數字信號處理；

張　波，男，學士，工程師，主要研究方向為移動通信、數字信號處理；

冉明昊，男，碩士，主要研究方向為無線通信。

本文刊登在《通信技術》2018年第4期（轉載請註明出處，否則禁止轉載）

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