復雜信道環境下的OFDM定時同步算法

摘要： 復雜信道環境中存在多徑傳輸現象，使傳統的基于搜索最大相關峰值的OFDM定時同步算法同步在能量最強的徑上，從而偏離第一條徑，引入ISI及ICI。本文基于802.16d協議對OFDM系統及其定時同步技術進行研究，針對傳統定時同步算法的缺點，引入了相對判決門限值進行峰值搜索，并提出改進的能量歸一化方法及二次相關運算法。改進后的算法能極大的消除偽相關峰值的干擾，同時也能正確同步在第一條徑上，仿真結果表明，新算法在復雜多徑環境中也具有良好性能。

關鍵詞：OFDM;定時同步;復雜信道環境

中圖分類號：TN919.3 " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " " " " " " " " "文章編號：1671-864X（2014）10-0125-01

定時同步是OFDM系統在實際應用中需要解決的關鍵技術。OFDM系統對同步的誤差問題比較敏感，簡單的定時同步算法在復雜信道環境中并不適用，多徑傳輸現象的存在，使得FFT開窗位置相對滯后，從而引入符號間干擾（ISI）和載波間干擾（ICI）。本文基于IEEE 802.16d協議對OFDM系統的同步技術進行研究，提出了在復雜多徑信道環境中也具有良好性能的同步算法，該算法同樣可用于其他OFDM無線通信系統的定時同步解決方案中。

一、OFDM定時同步基本算法

根據IEEE802.16d物理層協議，一個OFDM幀的時域結構如圖1所示。

圖1 IEEE 802.16d幀結構

在突發傳輸系統中，一般通過對每幀的前導符號（訓練序列符號）進行自相關或互相關運算來達到定時同步。為提高同步精度，也可利用自相關和互相關運算進行聯合檢測，方法如下：

第一步：粗同步

接收信號和延時一個短前導長度的信號進行自相關

（1）

并計算能量

（2）

兩者相除，得到歸一化度量值

（3）

第二步：細同步

接收信號和本地短前導符號進行互相關

（4）

能量歸一化，得度量值

（5）

其中L=64為求和窗口的長度，D=64為延時時間，c（n）則為本地已知短前導序列，長為64個抽樣點。由第一步中的自相關運算可以得到長約4個短前導符號長度的峰值平臺;由第二步中的互相關運算可得5個尖銳的峰值。只要在峰值平臺下找到4個相隔64樣點的互相關峰值，就可將最后一個峰值的位置（減去四個短前導符號的長度）用來判斷幀的開始。

二、改進的定時同步算法

（一）原同步算法遇到的問題。在實際多徑信道環境中往往存在第一徑并非最強徑的情況，這導致基于搜索最大互相關峰值的定時同步算法同步在瞬時功率最強徑上，最強徑之前的徑將引入ISI。因此，必須對原算法進行改進，以確保同步在第一條徑上。

（二）二次相關運算法及判決門限的引入。二次相關運算法是對原定時同步算法進行改進，方法如下。

第一步：粗同步（與原算法相同）

第二步：細同步

接收信號與本地短前導符號進行互相關

（9）

然后，將互相關值和延時一個短前導長度的互相關值進行自相關

（10）

能量歸一化，得度量值

（11）

（12）

再將歸一化后的自相關值進行差分運算

（13）

其中L=64，D=64， c（n）為本地已知短前導符號，d是第二次自相關運算的求和窗口長度，可設成大于最大多徑時延且小于循環前綴（CP）的長度。將仿真結果與原算法進行對比，如圖2所示。

（a）原算法 " nbsp; " " " " " "（b）二次相關運算法

圖2 兩次相關運算法與原算法的性能對比，SUI-4信道，SNR=10dB

為確保算法同步在第一條徑上，進行互相關峰值搜索時，找到最大互相關峰值后，將其乘以一個比例因子k（如1/8）作為新的判決門限，從峰值所在位置往前移64樣點重新搜索，找到第一個大于新的判決門限的峰值點，即可將其作為定時同步位置。從圖2中可以看出，二次相關運算法極大地消除了偽互相關峰值對峰值搜索的干擾，故該同步算法優于原定時同步算法。不過，該算法增加了一次相關運算及差分運算，在硬件實現上對資源的消耗相對大些。

三、結束語

在復雜多徑信道環境中，基于搜索最大相關峰值的定時同步算法不能準確同步在第一條徑上，從而引入ISI和ICI。為確保定時同步在第一條徑上，減小偽相關峰值的干擾，本文提出了二次相關運算法，并引入了相對的判決門限來進行峰值搜索，經仿真驗證，改進后的算法在復雜多徑信道環境下也具有良好的性能。

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