一种改进型的OFDM系统帧同步检测算法

戴 佳，陈晓曙，高晓兵，李 权

（1.南京正保通信网络技术有限公司，江苏 南京 210018；2.东南大学，江苏 南京 210096）

一种改进型的OFDM系统帧同步检测算法

戴 佳1，陈晓曙2，高晓兵1，李 权1

（1.南京正保通信网络技术有限公司，江苏 南京 210018；2.东南大学，江苏 南京 210096）

提出了一种新改进的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系统时域帧同步检测方法。该方法使用门限机制的延时相关帧检测原理，利用训练序列的互相关信息共同完成系统的帧同步检测。给出了在不同信道和不同信噪比环境下所进行的仿真结果，仿真结果表明，该方法解决了Schmidl＆Cox定时同步算法出现的峰值平台和H.Minn算法的多个高旁峰值问题，提高了同步的精确度，可以对抗较大的频偏，适应性增强，且易于实现。

正交频分复用；训练序列；帧同步

0 引言

正交频分复用OFDM技术具有数据传输速率快、频谱利用率高和抗多径衰落能力强等优点成为目前无线移动通信的研究热点之一［1］，并成为第4代移动通信的关键技术之一［2］。但是，其对定时偏移和载波频率偏移也很敏感。由定时错误引进的符号间干扰ISI和频率偏移带来的载波间干扰ICI会导致OFDM系统性能急剧下降［3，4］。

目前的OFDM系统的帧同步算法大多采用T Schmidl＆D.Cox［5］算法和H.Minn算法［6］及改进算法［7，8］。T.Schmidl＆D.Cox算法是基于［A，A］训练符号结构的查找前后两个部分自相关峰值的定时算法，其定时测度函数在正确定时点附近有一个平台，即定时测度平台，这个平台导致帧起始的模糊，增大了估计器的方差。

H.Minn等提出了一种改进的基于［A，A，－A，－A］训练符号结构的定时算法，这个方法的最大优点是在定时时刻定时测度表现为一个单点的峰值，但是在错误时刻也很容易出现较大的多个尖峰，对判决门限的选取带来困难，尤其子载波数目小的突发系统中，往往错误时刻的峰值还超过正确时刻的峰值，导致估计错误。

1 算法介绍

1.1 OFDM系统帧结构

OFDM系统是多载波调制系统，对发送数据经N点IFFT变换后输出的发送信号为：

式中，N为系统子载波数目，L为循环前缀点数，x（n）为第n个采样点的时域数据，X（k）为第k个子载波上的频域数据。

T.Schmidl＆D.Cox算法和H.Minn算法都是采用数据辅助方法即需要前导序列，来寻找帧同步的检测方法。本文同步算法的OFDM前导序列帧结构如图1所示，采用H.Minn算法的帧结构，每个传输帧由用于定时同步的训练符号和用于传输数据的OFDM符号组成，其中训练符号又由4个参考符号组成，第1个参考符号由PN序列调制后形成的N／4个数据经IFFT处理后得到，用A表示，其余的第2、3、4参考符号为第1个参考符号的重复或者重复求负值，分别表示为A－A－A。在此帧结构中，由于前一部分（AA）与后一部分（－A－A）只相差一个负号，此帧结构与T.Schmidl＆D.cox算法中的帧结构相类似（只差一个负号）。

图1 训练序列帧结构

1.2 帧同步的估计

利用前导训练符号的周期性和自相关性，可以采用延迟自相关算法获得帧检测最佳定时和符号起始时刻。这样在进行相关运算时会出现尖峰，为了避免多峰值的出现，采用了相关累积的方法如图2所示，对其多个相关值进行累加，这样在正确的定时刻就会出现一个单点的峰值。

图2 延迟自相关算法

在延迟自相关算法中，考虑到在时域前导序列4部分第1部分和第2部分除了有子载波的频率频移引起的相位漂移外是相同的，同理，第3部分与第4部分，第1和第2部分的结合与第3和第4部分的结合的取负除了相位漂移外也是相同的，在接收端，用前面部分抽样的共轭乘以后面部分相应的抽样，信道的影响就可以消除。

其中相关窗口对接收训练序列的多个相关值累计求和，表达式为：

式中，d表示抽样窗口中第1个抽样的时间系数，当接收端在搜索窗口搜寻训练序列的时候，该窗口在时域滑动。

其中，能量窗口对接收训练序列的能量表达式为：

这样就对得到该算法定时测度的表达式即延迟自相关输出为：

定时测度最大值对应的时刻即为正确的同步时刻，即：

其定时测度与原H.Minn算法比较如图3所示。

图3 原H.Minn算法与改进算法的定时测度

从图中可以看出（仿真参数见第3部分），该算法相对H.minn算法，由多个相关值进行累加，能产生单点的峰值，消除了H.minn同步算法产生定时测度平台问题和多峰值问题。图中显示原H.minn算法在错误时刻也很容易出现较大的多个尖峰，对判决门限的选取带来困难，当频偏较大时错误时刻的峰值还超过正确时刻的峰值，导致估计错误，仿真显示其定时精度高于原算法。

2 仿真性能分析

为了给出改进算法与原H.Minn算法的性能比较，对2种算法进行matlab计算机仿真，仿真参数为：每帧数据的FFT点数和子载波个数为256，循环前缀长度为32点，调制方式采用QPSK，噪声采用加性高斯噪声。对于每个传输帧，第1个符号为用于定时同步的训练符号，后面跟用户OFDM数据符号，其中训练符号和OFDM数据符号均包含32点循环前缀和256点子载波，所以仿真中准确的定时时刻为第321点样本点。

2.1 噪声的影响

由图4可以看出，由于噪声与训练序列具有较好的互相关性，加上同步算法是多个相关项的累加，因此受到的噪声干扰也相对较小，算法在信噪比较低的情况下也可以较好地完成定时估计。而且在较低信噪比和较高信噪比下，改进算法相较原H.minn同步算法均能消除定时测度的多个高峰值问题。

图4 不同SNR帧同步算法比较

2.2 频偏的影响

由于P（d）表达式的第3部分频偏影响的系数与第1和第2部分频偏影响的系数不一样，取模后，频偏的干扰不能去掉，因此该算法相对会受到频偏的影响。

2.3 在不同信道条件下仿真

图5分别在高斯、瑞利、赖斯信道环境下，选取一定的多径数及多径时延分布，仿真其在不同信道环境下的适应性，仿真结果显示在高斯信道、瑞利信道、莱斯信道下均能正确地完成帧同步检测。而且不同信道下改进算法也均能消除定时测度的多个高峰值问题。

图5 不同信道下帧同步算法比较

3 结束语

基于OFDM系统，本文提出一种新改进的时域帧同步检测方法。该方法消除了以往定时算法定时测度峰值平台和多个高旁峰值的问题，提高了同步的精确度，可以对抗较大的频偏，适应性增强。仿真结果表明，在较低SNR和高斯信道、瑞利信道、莱斯信道下均能正确地完成帧同步检测，具有更强应用适应性。该帧同步检测适用于一切在数据帧前加训练序列的OFDM系统。

［1］冷建华，李萍，王良红.数字信号处理［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］Wang Z，Giannakis G B.Wireless Multicarrier Communi-cation-Where Fourier Meets Shnnon［J］.IEEE Signal Pro-cessing Magazine，2000，17（3）：29－48.

［3］尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［4］王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术［M］.北京：人民邮电出版社，2003.

［5］Schmidl T M，Cox D C.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM.Communications，IEEE Trans-actions on，1997，45（12）：1613－1621.

［6］Minn H，ZengM，BhargavaVK.OnTimingOffset Estimation for OFDM Systems［J］.IEEE Communications Letters，2000，4（7）：242－244.

［7］傅延增，张海林，王育民.正交频分复用中的符号同步技术［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2000，27（3）：335－339.

［8］周一青，胡爱群.利用训练帧进行OFDM系统同步的新算法［J］.通信学报，2001，22（4）：13－18.

［9］东南大学.联合训练序列互相关信息的正交频分复用接收帧同步技术〔P〕.中国，CN201210581288.2013. 04.03.

［10］井庆丰，陆宇平，仲伟志，等.基于伪随机序列前导码的OFDM系统帧同步算法［J］.系统工程与电子技术，2013，35（2）：408－413.

An Improved Frame Synchronization Detection Algorithm for OFDM Systems

DAI Jia1，CHEN Xiao-shu2，GAO Xiao-bing1，LI Quan1
（1.Nanjing Champion Communication Network Technology Co.Ltd.，Nanjing Jiangsu 210018，China；2.Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China）

A method of newly improved time-domain OFDM frame synchronization is presented，which uses the detection principle associated with frame delay of a threshold mechanism to complete the frame synchronization detection by using the inter-related informa-tion of a training sequence.This paper presents the simulation results under different channels and different SNRs.Simulation results show that the new method solves the problem of peak platform appeared in Schmidl＆Cox timing synchronization algorithm and the multiple high peak in H.Minn algorithm.It can improve the accuracy of synchronization，mitigates large frequency offsets，and provides more adaptability.Additionally，it can be implemented easily.

orthogonal frequency division multiplexing；a training sequence；frame synchronization algorithm

TN91

A

1003－3114（2015）06－32－3

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.08

戴 佳，陈晓曙，高晓兵，等.一种改进型的OFDM系统帧同步检测算法［J］.无线电通信技术，2015，41（6）：32－34.

2015－05－08

戴 佳（1976―），男，工程师，主要研究方向：通信与信息系统。陈晓曙（1963―），男，教授，通信网理论与技术、分布式自组无线移动通信网、宽带无线移动接入与IP互联认知无线电技术。