一种克服载波频偏的帧同步新方法

一种克服载波频偏的帧同步新方法 杨春;吴毅凌;金野 【摘 要】研究了基于对接收信号序列和本地序列进行互相关的帧同步方法.当接收信号存在较大载波频偏时,互相关结果的峰值与无载波频偏的情况相比将显著减小.因此,提出了一种基于分段互相关的帧同步方法,首先将相关窗分为数段,分别对各段接收信号子序列和本地子序列进行互相关,并将各段的相关结果合并后作为帧同步检测量.仿真结果表明,提出的帧同步方法在存在较大载波频偏的情况下仍然能够准确检测出帧起始位置.此外,该方法仅需在滑动互相关器的基础上添加少量的乘法器和加法器,因而具有较低的实现复杂度和较高的资源率用率.%This paper studies the frame synchronization methods based on the cross-correlation between received signal and local sequence.When the cartier frequency offset of received signal is large,the peak value of crosscorrelation would decrease significantly compared to that with zero carrier frequency offset.To solve the problem,an approach based on segmental cross-correlation is proposed.It first divides the correlation window into several segments and calculates the correlation value of each segment separately,and then combines these values to get the measure of frame synchronization.The simulation results shows that the approach proposed can detect the start of frame precisely in presence of large carrier frequency offset.Besides,low complexity of realization and high utilization of hardware resource is achieved as it only needs to add a few multipliers and adders to the conventional slide cross-correlator. 【期刊名称】《电子器件》 【年(卷),期】2013(036)003 【总页数】6页(P353-358) 【关键词】帧同步;互相关;载波频偏;相关窗分段;FPGA 【作 者】杨春;吴毅凌;金野 【作者单位】北京大学信息科学技术学院,北京100871;北京大学信息科学技术学院,北京100871;北京大学信息科学技术学院,北京100871

【正文语种】中 文 【中图分类】TN943 目前，许多通信系统采用对特定序列进行相关的方法实现帧同步。例如，在IEEE 802.11［1］WLAN (Wireless Local Area Network)中，其前导序列中的短训练符号即可被用于采用相关的方法进行帧同步。在实际通信系统中，发射机和接收机之间存在着载波频率偏差，而接收机只有在检测出帧起始位置后，才能进行后续的载波频偏估计等，因而要求帧同步算法在存在载波频偏等干扰的情况下也能够正常工作。 目前，对特定序列进行相关的帧同步方法大体可分为两类，一类基于求解接收信号序列的自相关函数［2-4］，另一类基于求解接收信号序列与接收端本地序列的互相关函数。基于自相关的帧同步方法对载波频偏等干扰具有较强的抵抗能力，但采用传统自相关方法获得的接收信号自相关曲线往往在峰值附近变化平缓，难以在高斯噪声较大的情况下准确检测出帧起始位置。为了克服这一缺点，需要设计复杂的同步序列或者对自相关结果进行复杂的二次处理等［5-6］。 基于互相关的帧同步算法具有相关曲线峰值突出的优点，能够较好的抵抗高斯噪声的干扰。在获得大小相近的归一化相关峰值的情况下，互相关方法所需的同步序列长度也仅为自相关方法的一半，能够有效降低同步序列在帧结构中所占的比例，提高传输效率。而且，由于本地序列为通常为双值(‘+1’和‘-1’)序列，互相关方法所采用的相关器可以完全由加法器构成，因而硬件资源消耗远少于自相关方法所采用的相关器。但是，互相关方法得到的相关峰值极易受载波频偏影响［7］。当接收信号序列存在载波频偏时，将会在每个接收样点符号的相位中引入一个呈线性变化的干扰，导致接收信号序列与本地序列的互相关峰值随载波频偏增大而减小，严重时甚至会减小接近于0。为了克服载波频偏的影响，文献［8］首先根据最大似然准则估计出载波频偏，然后将估计结果用于计算接收信号序列和本地序列的互相关结果。文献［9］则根据最大似然准则推导出用于检测帧同步的检测量计算式，其仿真结果表明，当载波频偏与信号带宽的比值不超过0.2时，根据文献［9］中所述表达式计算出的检测量基本不受载波频偏的影响。但是，文献［8 -9］中所采用方法的运算过程均过于复杂，其消耗的硬件资源随帧同步序列长度的增加而显著增长，不适合应用于实际通信系统。 本文对存在载波频偏情况下接收信号序列与本地序列互相关结果的峰值变化规律进行了分析和仿真，进而提出了一种基于分段互相关的帧同步方法。此外，还分析和仿真了分段互相关方法对相关结果归一化的影响，并提出了将相关窗内接收信号序列总能量作为辅助检测量的解决方案。最后，本文给出了采用分段互相关方法的帧同步模块的硬件结构，并对载波频偏为不同数值情况下未采用分段方法和采用分段方法得到的互相关结果峰值进行了对比仿真。 对于基于互相关的帧同步算法，通常在发送端将用于帧同步的序列插入到各帧的头部，并在接收端将原始帧同步序列作为本地序列，对其与接收信号序列进行滑动相关。如果相关结果超过预先设定的门限值，则可以判断帧起始位置在此时相关窗起点附近，进而继续通过小范围内的滑动搜索找出峰值位置，并将该峰值对应的相关窗起点判决为帧起始位置。为了使接收端得到的相关曲线峰值突出，通常采用具有良好滑动相关特性的序列作为帧同步序列，例如m序列等。 此外，接收端通常将相关值的绝对值或者模值平方作为检测量与门限值进行比较，以消除相位对比较大小这一操作的影响。考虑到计算复杂度，本文采用相关值的模值平方作为检测量。而且，由于基于互相关的帧同步算法具有很强的抵抗高斯噪声干扰的能力，为了便于分析，以下讨论只考虑载波频偏的影响。 设发送端插入的长度为N的帧同步序列为S= {s1，s2，…，sN}，该序列同时也作为接收端帧同步的本地序列。接收端得到的接收信号为R={rk，k∈(-∞，+∞)}，则本地序列与接收信号序列的滑动互相关结果为 当相关窗起点恰好对应于帧起始位置时(设此时k=k0)，此时得到的互相关结果即为滑动相关结果的峰值。若载波频偏为0，则rn+k·=1，由式(1)求出的互相关结果的峰值为N;当系统中存在的相对载波频偏为ε时，rn+k·=ej2πε(n+k)，互相关结果的峰值为 式中，ε=Δf/fband，Δf为载波频偏，fband为信号带宽。 由式(2)可知，在接收信号存在载波频偏的情况下，互相关结果的峰值由N和ε共同决定。图1 (a)为N=32时互相关结果峰值与ε的关系曲线，图1(b)为ε=0.015 6时互相关结果峰值与N的关系曲线。为了便于比较，图1中的纵坐标为各种条件下的互相关结果峰值与无载波频偏情况下的互相关结果峰值的比值。 由图1(a)可知，在N一定的情况下，互相关结果峰值随相对载波频偏ε的增大而迅速减小，当ε的大小超过0.01时，互相关结果峰值将减小至无载波频偏时的一半以下;由图1(b)可知，在ε一定的情况下，互相关结果峰值随相关窗长度N的增大而迅速减小，当ε=0.0156且N的大小超过40时，互相关结果峰值将减小至无载波频偏时的一半以下。 在实际通信系统中，同步序列的长度为固定值。当系统中存在较大的载波频偏时，如果采用直接对接收信号序列和本地序列进行互相关的方法检测帧起始位置，由于相关结果峰值受载波频偏的影响而减小，将使得漏检概率大大增加，难以确保帧同步模块的正常工作。 图1(a)表明，当相关窗长度N确定时，如果使相对载波频偏ε的数值足够小，即可确保互相关结果峰值与无载波频偏的情况大致相当。然而，在通信的初始阶段，载波频偏的数值是未知的。为此，可以将接收信号分为多路，每一路使用不同的载波频偏值对其进行修正，只要其中一路修正过的接收信号的残余载波频偏足够小，则可使该路接收信号序列与本地序列的相关结果峰值接近于无载波频偏的情况［10］。 首先，设定载波频偏的变化范围Δfmax，并根据同步序列长度N计算出使相关结果峰值不小于帧同步判决门限 Tcorr所允许的最大载波频偏 fstep/2。然后，分别以-M·fstep，-(M-1)fstep，…，-fstep，0，fstep，…，(M-1)fstep，M·fstep为预设的载波频偏纠正值，并行对接收信号进行修正。其中，M=⎿Δfmax/ fstep」，⎿」表示不小于括弧内数值的最小整数。经过频偏纠正后各路接收信号中，必有一路接收信号残留的载波频偏小于fstep/2。之后，对各路接收信号序列与本地序列进行互相关运算，并选择各路相关结果中的最大值与门限值Tcorr进行比较和判断，从而实现帧同步。图2为采用该方法的帧同步模块结构框图，图中的比较器用于选择各路相关结果的最大值，检测器根据各路相关结果的最大值是否超过门限值判断当前相关窗起点是否为帧起始位置。若检测到帧同步位置，则输出接收数据序列D。 由图2可知，采用频率扫描的方法，需要多路相关器。而且，在完成载波频率偏差的估计和纠正之后，仅需保留其中一路用于帧同步。因此，频率扫描的方法不仅需要消耗较多的硬件资源，而且资源利用率低下。