魏國慶，楊 凡，程 剛，張 波，冉明昊

（重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

0 引 言

正交頻分復用（OFDM）是一種多載波調(diào)制技術，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)對同步的誤差問題較為敏感。實際系統(tǒng)中，由于受到采樣率、同步碼長、FFT長度、低信噪比、大信號功率等因素的影響，容易產(chǎn)生誤同步，造成符號間的干擾，影響系統(tǒng)性能。因此，準確的定時估計是實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)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(shù)據(jù)幀的起始位置進行快速同步，但算法對DSP硬件資源需求大，導致系統(tǒng)執(zhí)行時間變慢。文獻[4]在Schmidl&Cox算法基礎上，提出了一種自適應門限的幀同步。該算法需要重新定義幀頭結構，沒有通用性。

本文在Schmidl&Cox同步算法基礎上，提出了一種新的自適應同步改進算法。通過信噪比、場強與接收射頻信號幅度的對應關系，調(diào)整下幀信號的同步計算的變量，可以有效減小小信號的同步虛警率，方法簡單，易于工程實現(xiàn)，且同步動態(tài)范圍達到了100 dB。

1 自適應同步算法

1.1 系統(tǒng)模型

自適應同步在OFDM接收端的處理流程，如圖1所示。

發(fā)端源比特流經(jīng)過一系列信號處理、組幀，通過天線發(fā)出；接收端接收到的射頻信號，經(jīng)過了同步、FFT、信道估計、解映射、譯碼等信號處理，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(zhì)量的判決量，自適應地決定下一幀同步信號處理的變量。

1.2 自適應同步算法

Schmidl&Cox的算法原理是基于ZC序列，具有良好的自相關特性。通過延遲自相關，檢測相關結果的峰值位置確定數(shù)據(jù)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個采樣點，需要執(zhí)行7 680次除法運算，導致系統(tǒng)執(zhí)行效率下降。針對上述問題，在Schmidl&Cox的算法基礎上，本文提出一種自適應同步算法處理，如式（1）～式（3）所示，即增加一個可調(diào)節(jié)的同步因子corr_ gain，計算信號的信噪比和場強?？梢钥闯觯揭蜃拥脑O置可以調(diào)節(jié)相關函數(shù)和能量函數(shù)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、場強等變量，可以知道當前幀的信號質(zhì)量，預判下一幀信號的質(zhì)量，自適應地決定下幀信號相關函數(shù)的變量因子corr_ gain的值，將其作為下幀同步相關函數(shù)歸一化處理的變量。如圖2所示，自適應同步處理流程圖。

圖2 自適應同步處理

滑動相關過程需要隨時計算接收數(shù)據(jù)的相關值。一個子幀14個符號，需要計算14個符號的相關值，占用CPU執(zhí)行時間?？梢愿耐讲呗?，在滑動相關得出的同步位置基礎上，正確解析數(shù)據(jù)信號的同步位置，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范圍：

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

圖3 同步-搜索窗口

根據(jù)時分多址技術TDMA和組網(wǎng)配置，以網(wǎng)絡中節(jié)點數(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)的信號能量場強；sig_threshold有效信號場強的門限值，用來區(qū)分數(shù)據(jù)信號和噪聲信號；N為統(tǒng)計的幀數(shù)目。判斷當前幀的同步因子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對應關系

從表1可以看出，根據(jù)信噪比和場強的限制，在一定范圍內(nèi)，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(shù)峰值判決流程圖如圖4所示，自相關函數(shù)的門限值corr_threshold=30 000，根據(jù)噪聲的干擾相關統(tǒng)計得出。

2 仿真結果

為了驗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點數(shù)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(shù)為14，仿真結果圖5所示。

圖4 同步峰值判決流程

圖5 SNR=8 dB時同步位置與方差

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，此時受到噪聲干擾影響大，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(tài)范圍大，但丟包率大。因此，工程實現(xiàn)中，需要根據(jù)實際情況進行取舍。

圖6 不同信噪比下丟包率情況

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(tǒng)靈敏度和同步執(zhí)行時間。自適應同步中，1幀時間只需要執(zhí)行不到3個符號的時間同步，符號4～13不占用CPU時間，提高了DSP執(zhí)行效率，同時靈敏度提高8 dB，同步動態(tài)范圍達到100 dB；而滑動相關同步需要執(zhí)行14個符號的同步時間，同步動態(tài)范圍只有92 dB。

3 結 語

討論了幾種OFDM系統(tǒng)同步的方法[7-8]，并對其方法進行改進，將一種新的自適應同步方式引入到粗同步算法方案中，通過計算當前子幀的信噪比、場強等變量，可以知道當前幀的信號質(zhì)量，聯(lián)合預判下一幀信號的質(zhì)量，自適應地決定下幀信號相關函數(shù)的變量因子的值。根據(jù)實際情況，在滿足丟包率情況下，統(tǒng)計相關峰值門限值，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(tǒng)復雜度的前提下，保證了同步信號的快速性和準確性。

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