1、 电 子 测 量 技 术E L E C T R ON I CME A S UR EME N TT E CHNO L OG Y第4 6卷 第1期2 0 2 3年1月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 1 0 3 5 5低信噪比环境下一种O F DM抗频偏定时同步算法*侯卫民 王 妍 侯艳丽(河北科技大学信息科学与工程学院 石家庄0 5 0 0 1 8)摘 要:针对正交频分复用(O F DM)系统中定时同步算法在低信噪比条件下定时同步性能较差以及对频偏敏感的问题,提出了一种改进的定时同步算法。首先,基于不同根值的恒包络零自相关(C A Z A C)序列
2、互相关值接近于零的性质,设计了一种具有中心对称特征的前导序列,然后基于前导序列的结构特征,利用对称相关代替延迟相关设计对频偏不敏感的定时度量函数,最后通过捕获定时度量函数的峰值实现定时同步。仿真结果表明,与现有算法相比,所提算法抗频偏能力强且在低信噪比条件下具有更好的定时同步性能,适用于低信噪比频偏存在的通信系统。关键词:O F DM系统;定时同步;C A Z A C序列;频偏中图分类号:T N 9 2 9.5 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:5 1 0.5 0A nO F DMa n t i-f r e q u e n c yo f f s e t t i m i n gs y n c
3、 h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi nl o wS N Re n v i r o n m e n tH o uW e i m i n W a n gY a n H o uY a n l i(S c h o o l o f I n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 1 8,C
4、 h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mt h a t t h ep e r f o r m a n c eo f t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp o o ru n d e r l o wS N Ra n di ss e n s i t i v e t of r e q u e n c yo f f s e t i nt h eO F DMs y s t e m,a ne n h a n c e da l g o r i t h
5、 mi sp r o p o s e d.F i r s t,b a s e do nt h ep r o p e r t yt h a t t h ec r o s s-c o r r e l a t i o nv a l u eo f t h eC A Z A Cs e q u e n c ew i t hd i f f e r e n t r o o t v a l u e s i sc l o s e t oz e r o,ap r e a m b l e s e q u e n c ew i t hc e n t r o s y mm e t r i cc h a r a c t e
6、 r i s t i c si sd e s i g n e d,t h e nat i m i n g m e t r i cf u n c t i o ni n s e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e ti sd e s i g n e du s i n gs y mm e t r i cc o r r e l a t i o ni n s t e a do fd e l a y e dc o r r e l a t i o nb a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ep r e a m b l
7、 es e q u e n c e.F i n a l l y,t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni sr e a l i z e db yc a p t u r i n gt h ep e a kv a l u eo ft h et i m i n g m e t r i cf u n c t i o n.T h er e s u l t si n d i c a t et h a t,c o m p a r e d w i t ht h ee x i s t i n ga l g o r i t h m s,t h ep r o p o s e
8、 da l g o r i t h m h a sas t r o n ga n t i-f r e q u e n c yo f f s e tc a p a b i l i t ya n db e t t e r t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eu n d e r l o wS N Rc o n d i t i o n s,a n d i s s u i t a b l e f o r c o mm u n i c a t i o ns y s t e m sw i t hl o w-S N Ra n
9、 df r e q u e n c yo f f s e t s.K e y w o r d s:O F DMs y s t e m;t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n;C A Z A Cs e q u e n c e;f r e q u e n c yo f f s e t 收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 7*基金项目:河北省重点研发计划项目(2 1 3 5 5 9 0 1 D)资助0 引 言 随着多媒体业务的不断增长,人们对无线通信的传输速率和传输质量提出了更高的要求。由于正交频分复用(o r t h o g o n a l f r e
10、q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g,O F DM)技术在保证数据传输质量的同时具有更快的传输速率,因此在4 G和5 G中得到了广泛的应用1-7。然而,O F DM对符号定时偏差非常敏感,在信息传输过程中,符号定时偏差会引入符号间干扰,从而降低O F DM系统的性能。因此,精确的定时同步在O F DM系统中占据重要地位。近些年来,国内外学者对O F DM定时同步算法进行了广泛的研究8-1 5。S C算法8通过2个相同序列实现定时同步,但定时度量曲线存在平台效应导致同步性能下降。文献9 提出了一种改进的定时同步算法,但是该算法容易受到
11、频偏的影响,当频偏存在时同样造成定时误判。文献8和文献9 所提算法是基于伪噪声(p s e u d o-n o i s e,P N)序列的同步算法,与传统的P N序 列 相比,恒 包 络零 自 相 关(c o n s t a n t a m p l i t u d e z e r oa u t oc o r r e l a t i o n,C A Z A C)序列因其幅值恒定、相关性良好的特点,在O F DM系统同步算法中得到了广泛的应用。R e n算法1 0基于C A Z A C序列设计一种类似于S C算法的前导序列结构,使用伪随机序列对其进行加权消除平台效应,但定时性能不够理想。J i a
12、 n算法1 1利用延迟相关和对称相关特性完成定时同步,但是该算法受频偏影响较大。Z h a n g等1 2利用接收信号与本地序841侯卫民 等:低信噪比环境下一种O F DM抗频偏定时同步算法第1期列相关实现定时同步,但是同样对频偏敏感。改进C A Z A C算法1 3提出了一种具有低复杂度的同步算法,但在低信噪比条件下(S N R0d B),定时同步性能较差。针对O F DM定时同步算法低信噪比条件下定时同步性能较差以及对频偏敏感的问题,本文设计了一种改进的定时同步算法。该算法基于不同根值的C A Z A C序列互相关值接近于零的性质设计具有中心对称特性的前导序列。根据前导序列中心对称特性设
13、计对频偏不敏感的定时度量函数实现定时同步,并通过仿真,验证所提算法的性能。1 O F DM系统模型 文中主要针对O F DM符号定时同步进行了研究,基于前导序列实现符号定时同步的系统模型如图1所示。图1 系统模型在发送端,发送数据流经过1 6 QAM映射、逆快速傅里叶变换(i n v e r s e f a s tF o u r i e r t r a n s f o r m,I F F T)、添加前导序列等处理后获得O F DM符号作为发送信号。发送端时域O F DM符号可以表示为(不含循环前缀C P):x(n)=1NNx-1k=0X(k)e x pj2 k nN,0nN-1(1)式中:N为
14、O F DM进行F F T(I F F T)的点数;子载波个数为Nx(NxN);X(k)为第k个子载波调制复数据。信号经过信道传输后,受到噪声以及频偏的影响,接收到的信号可以表示为:r(n)=L-1l=0hlx(n-d-l)ej 2 nN+w(n),0nN-1(2)式中:d为符号定时偏移;路径数目为L;hl和l分别为第l条路径对应的复信道衰减和时延;归一化的载波频偏为;高斯白噪声为w(n)。在接收端,利用估计出的定时偏移d对接收信号进行校正,再进行并串变换、快速傅里叶变换(f a s tF o u r i e rt r a n s f o r m,F F T),最后进行1 6 QAM逆映射恢复
15、基带信息。2 算法描述 为了解决O F DM典型定时同步算法在低信噪比条件下定时同步性能较差以及文献1 1 等同步算法对频偏敏感的问题,提出了一种改进的同步算法,主要包括2部分:设计前导序列结构和定时度量函数。2.1 前导序列结构 C A Z A C序列具有良好的相关性,因此通常被用于设计前导序列。根据文献1 4,常规的C A Z A C序列具有如下表达式:a(n)=ej n2Np e r i o d,n1,Np e r i o d(3)式中:Np e r i o d是C A Z A C序列的周期,为根值参数,与Np e r i o d互质。为了解决旁瓣干扰造成同步性能下降的问题,文中基于不同
16、根值的C A Z A C序列互相关值接近于零的性质设计一种具有中心对称特征的前导序列,如图2所示。图2 帧结构图2中Y0(n)长度为N,由4部分构成,即C1,C2,C3,C4,C P是将Y0(n)的后N8放到Y0(n)的前端。其中,C1是Np e r i o d=N4的C A Z A C序列,这里不妨取=1,即:C1(n)=ej 4 n2/N,n1,N4(4)C2和C1是具有不同根值的C A Z A C序列,因此选取不同的得到C2的表达式,不妨取=7,即:C2(n)=ej 4 7 n2/N(5)C3是C2的共轭对称序列,即:C3(n)=C*2(N4-n+1)(6)C4是C1的共轭对称序列,即:C4(n)=C*1(N4-n+1)(7)2.2 定时度量函数 定时度量函数为接收信号相关函数与能量函数的比值,在基于前导序列的定时同步算法中,通过寻找定时度量函数的峰值确定符号的正确定时位置,从而实现定时同步,其表达式如下1 6:941 第4 6卷电 子 测 量 技 术M(d)=|P(d)|2(R(d)2(8)式中:P(d)为相关函数;R(d)为能量函数。根据2.1中所设计的新型前导序列结构,设计