OFDM系统自适应同步研究与DSP实现*

魏国庆，杨 凡，程 刚，张 波，冉明昊

（重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030）

0 引 言

正交频分复用（OFDM）是一种多载波调制技术，可以有效抵抗信道的频率选择性衰落和脉冲噪声，且具有较高的频谱利用率。但是，OFDM系统对同步的误差问题较为敏感。实际系统中，由于受到采样率、同步码长、FFT长度、低信噪比、大信号功率等因素的影响，容易产生误同步，造成符号间的干扰，影响系统性能。因此，准确的定时估计是实现OFDM系统的关键[1-2]。目前，已有大量文献对OFDM定时同步技术进

行了研究，也从不同角度提出了多种解决方法[3-5]。文献[3]提出了一种Schmidl&Cox同步算法，其具有良好的自相关特性，通过延迟相关，检测相关结果的峰值位置，确定数据帧的起始位置进行快速同步，但算法对DSP硬件资源需求大，导致系统执行时间变慢。文献[4]在Schmidl&Cox算法基础上，提出了一种自适应门限的帧同步。该算法需要重新定义帧头结构，没有通用性。

本文在Schmidl&Cox同步算法基础上，提出了一种新的自适应同步改进算法。通过信噪比、场强与接收射频信号幅度的对应关系，调整下帧信号的同步计算的变量，可以有效减小小信号的同步虚警率，方法简单，易于工程实现，且同步动态范围达到了100 dB。

1 自适应同步算法

1.1 系统模型

自适应同步在OFDM接收端的处理流程，如图1所示。

发端源比特流经过一系列信号处理、组帧，通过天线发出；接收端接收到的射频信号，经过了同步、FFT、信道估计、解映射、译码等信号处理，同时计算出当帧信号的场强和信噪比SNR，反馈作为下一帧信号质量的判决量，自适应地决定下一帧同步信号处理的变量。

1.2 自适应同步算法

Schmidl&Cox的算法原理是基于ZC序列，具有良好的自相关特性。通过延迟自相关，检测相关结果的峰值位置确定数据帧的起始位置进行快速同步[6]。信号衰减过程中，接收的信号幅度不一致，计算出的相关峰值需要进行归一化处理。这需要使用除法运算。1 ms子帧，7 680个采样点，需要执行7 680次除法运算，导致系统执行效率下降。针对上述问题，在Schmidl&Cox的算法基础上，本文提出一种自适应同步算法处理，如式（1）～式（3）所示，即增加一个可调节的同步因子corr_ gain，计算信号的信噪比和场强。可以看出，同步因子的设置可以调节相关函数和能量函数的幅度，同时DSP中处理不需要进行除法运算，只需要进行移位处理。

通过计算当前子帧的信噪比、场强等变量，可以知道当前帧的信号质量，预判下一帧信号的质量，自适应地决定下帧信号相关函数的变量因子corr_ gain的值，将其作为下帧同步相关函数归一化处理的变量。如图2所示，自适应同步处理流程图。

图2 自适应同步处理

滑动相关过程需要随时计算接收数据的相关值。一个子帧14个符号，需要计算14个符号的相关值，占用CPU执行时间。可以更改同步策略，在滑动相关得出的同步位置基础上，正确解析数据信号的同步位置，作为初始同步位置初始状态，并根据初始同步位置判断下一帧的同步信号范围：

设置搜索窗口W，帧长为frame_len，在窗口之内进行同步相关计算，窗口之外不执行同步相关计算。如图3所示，当前帧一旦同步成功，后续子帧的同步搜索窗口内只需要执行不到3个符号时间的相关计算。

图3 同步-搜索窗口

根据时分多址技术TDMA和组网配置，以网络中节点数为8为例，100 ms中共发出2帧，10 ms数据取平均值，可以作为有效信号的门限值判断，如式（5）所示：

其中，engy_rssi为搜索窗口内的信号能量场强；sig_threshold有效信号场强的门限值，用来区分数据信号和噪声信号；N为统计的帧数目。判断当前帧的同步因子corr_ gain的值是否合适，根据搜索窗口内场强和SNR联合判决确定，如表1所示。

表1 同步因子与信噪比和场强对应关系

从表1可以看出，根据信噪比和场强的限制，在一定范围内，如接收信号幅度在[800:1 400]，同步因子设置为corr_gain=9，可以保证接收信号的同步正确率。在进行快速同步过程中，需要检测同步峰值位置，从而判断帧头位置。其中，自相关函数峰值判决流程图如图4所示，自相关函数的门限值corr_threshold=30 000，根据噪声的干扰相关统计得出。

2 仿真结果

为了验证算法的正确性和有效性，仿真采样单发单收的系统。采样率为7.68 MHz，OFDM有效子载波数为180，FFT点数为512点，CP长度为40、36两种，帧长5 ms，包含5个子帧，每个子帧1 ms，符号个数为14，仿真结果图5所示。

图4 同步峰值判决流程

图5 SNR=8 dB时同步位置与方差

图6 为不同信噪比下的丢包率情况。当信噪比SNR≥10 dB时，丢包率为0，自适应同步算法很好地适应了接收信号幅度的变化。当信噪比SNR＜10 dB，同时相关峰值门限值小时，丢包率高，此时受到噪声干扰影响大，造成虚警率大；相关峰值门限值大，丢包率小，同步虚警率小。相关峰值门限小，同步动态范围大，但丢包率大。因此，工程实现中，需要根据实际情况进行取舍。

图6 不同信噪比下丢包率情况

比较滑动相关固定门限同步和自适应相关同步两种方式下的系统灵敏度和同步执行时间。自适应同步中，1帧时间只需要执行不到3个符号的时间同步，符号4～13不占用CPU时间，提高了DSP执行效率，同时灵敏度提高8 dB，同步动态范围达到100 dB；而滑动相关同步需要执行14个符号的同步时间，同步动态范围只有92 dB。

3 结 语

讨论了几种OFDM系统同步的方法[7-8]，并对其方法进行改进，将一种新的自适应同步方式引入到粗同步算法方案中，通过计算当前子帧的信噪比、场强等变量，可以知道当前帧的信号质量，联合预判下一帧信号的质量，自适应地决定下帧信号相关函数的变量因子的值。根据实际情况，在满足丢包率情况下，统计相关峰值门限值，减小同步虚警率和误警率，解决了同步算法因接收信号幅度变化而灵敏度不达标的问题，灵敏度提高了7%。同时，在减少系统复杂度的前提下，保证了同步信号的快速性和准确性。

参考文献：

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