基于多频带正交频分复用系统的帧同步检测技术

杨润丰

(东莞职业技术学院 电子工程系，广东 东莞 523808)

超宽带平台的国际标准ECMA－386［1］应用了多频带正交频分复用(MB－OFDM)系统技术，而ECMA－386 只是对发射端的设计规范作了要求，其物理层汇聚协议实现物理层服务数据单元的转换，同时使物理层与介质访问控制层对接。当发射端发送数据包时，首先发送物理层汇聚协议前导符，接着是物理层汇聚协议包头，最后是物理层汇聚协议数据单元。物理层汇聚协议中的前导符用于接收端的时间同步、载波偏移恢复和信道估计。

同步是正交频分复用(OFDM)的关键技术，其能帮助接收端正确解码。多频带正交频分复用系统采用数据辅助的符号定时同步方法。此方法需训练符号，降低了数据传输效率，但这类方法有估计精度高、同步速度快、计算复杂度低等优点。基于数据辅助的OFDM 系统定时同步算法研究重点在前导符号的设计和选择上，目标是减小前导长度、提高估计精度。Ren提出了无线局域网的基于改进前导结构的定时同步方法［2］。Guo 提出了一种利用对称共轭前导进行定时同步的方法［3］。Park 和Awoseyila 提出了对Schmidl 前导改进的定时同步方法［4－5］。Ghogho 提出了通过设计前导符号进行定时同步的方法［6］。Cheng 提出了一种多个相同数据的最大似然定时同步方法［7］。

多频带正交频分复用系统中物理层汇聚协议前导符和包/帧同步序列均用于OFDM 符号的同步。为使接收机能在恰当的时间和频率控制下找到物理层汇聚协议数据单元，在每个物理层汇聚协议数据单元前加上由包/帧同步序列和信道估计序列组成的物理层汇聚协议前导符，如图1 所示。包/帧同步序列是一个预储存12(突发模式)或24(标准模式)个自相关的时域突发序列，相当于OFDM 符号帧的相同时间长度。突发模式用于多个物理层汇聚协议数据单元的连接及同步的维持。而标准模式必须先启动运行后对包/帧进行有效的同步检测，接收机必须对接收符号中的信道估计序列进行缓冲，然后再将6 个信道估计序列分别一次一个地输入到快速傅里叶变换模块中，随后通过后续处理便可得到实际的信道估计。包/帧同步的检测须在信道均衡前完成，若接收端对包/帧同步序列有错误，所接收的数据帧则不能正确解码。因此，一个精确、稳定的帧同步检测算法是关键。本文针对接收机帧同步检测方法的分析，提出对包/帧同步序列互相关处理，统计基于其结果的似然概率，提高包/帧同步检测的正确率。接收端使用期待值与接收的帧同步符号进行互相关计算，并对发射端所用的时频码进行估量。

图1 物理层汇聚协议前导符结构

根据ECMA－386 的规定，对于一个给定的时频码，在选择对应的基带时域序列［1］并后补37 个“0 采样”扩展为128 个子载波Sext［k］，与覆盖序列［1］Scover［k］相乘构成基带时域序列，如式(1)所示，若前导符为标准模式，式中n∈［0，23］。若前导符为突发模式，式中n∈［0，11］。接收端识别10 个时频码中的一个，并附加其到微微网的跳频序列中。系统通信的成功连结需识别正确的时频码

1 帧同步的检测

帧同步序列检测算法是对接收端基于标准模式12 个时频码或突发模式的24 个时频码的估量，以统计方式从此12 或24 个集合中选出最常出现的数值作为时频码，并利用此时频码计算出平均时间偏移值作为时间偏移估量。经接收机的模拟数字转换器和缓冲器获得的165 个采样，其分别是128 个OFDM 信号和37 个补0 后缀序列。为找出第一个时频码信号，所接收的时频码S［n+m］与预存的时频码序列(TFC1－TFC10)PTFC［m］进行互相关计算，如式(2)所示。当计算前一个时频码的互相关时，接收端对后一个时频码进行接收和缓冲处理，以并行方式计算相关值，在互相关的结果中统计出其峰值Zpeak，如式(3)所示。对应的最大相关值被选作为第一个时频码度量范围的时间参考点。不同时频码序列(TFC1－TFC10)所作互相关时产生不同的峰值，利用峰值出现的时间差来辅助接收端定时计算。此外，系统选择不同模式的前导符使接收端产生不同的12 或24 个时频码序列以及不同的互相关峰值，即从不同模式中检测出最合适的时频码。取不同模式中互相关峰值对应时差的平均值作为接收端的延时值，以此方式获得帧同步的时间。标准模式比突发模式多使用了一倍的时频码，能更精确地计算互相关值，从而使标准模式下的帧同步结果优于突发模式。

2 系统性能测量

在超宽带标准ECMA－386 还未制定前，最初的MBOA 草案［8］对包/帧同步作了规定，并在报告中对同步检测提供了预期结果。检测使用的数据率为55 Mbit·s－1，接收机灵敏度为－83.6 dBm，保留低于接收机灵敏度3 dB 余量，以及包括频率偏移、量化等的2.5 dB 实现损耗，在加性高斯白噪声信道中测试得到的误检率略高于6.2×10－4。

按ECMA－386 标准建立比特精确的系统模型。在系统模型仿真测试中，发射机的发射功率设为－9.9 dBm，使用超宽带信道的4 个信道模型，每个信道模型具有现实多径信道环境差异的100 个子信道以及随路径损耗的信道衰减［9］，并取最佳的90%信道作有效测试结果，接收机噪声系数值设为6.6 dB，中心载波频率设为3.886 GHz。文献［9］阐述了距离检测实验的具体方法。标准模式下的包/帧同步序列为12组，突发模式下的包/帧同步序列为24 组。每运行一次系统测试发送10 000 个完整物理层汇聚协议数据帧。系统模型将接收解码的时频码与发射端进行比较，不同的数据帧作误检处理。

对接收机灵敏度的测试中，为使用合适的发射功率，发射机输出给衰减器后直接连接接收机的天线，并未使用任何通信信道。为保证误检率在6.2×10－4的水平，标准模式需求接收机灵敏度为－99.1 dBm，突发模式则需－95.1 dBm，此模式的结果比MBOA 草案所述的期待值分别高13 dB 和9 dB。应用上述帧同步检测算法在超宽带信道的4 个信道模型中测试系统传输包/帧同步序列的有效距离。如图2 所示，在保证误检率为6.2×10－4的基础上，信道1 中所测距离为47 m，优于MBOA 草案所测结果，且MBOA 使用了较低的速率39.4 Mbit·s－1。而在信道2 中所测距离为49 m，在信道3 中所测距离为40 m，在信道4 中所测距离为29 m。帧同步检测器的主要用途是寻找微微网使用的时频码，接收端将没有能力重新调谐或补偿该微微网和本地振荡器之间的频率差。MBOA 草案所假设的频率偏移值为20×10－6。在频率偏移检测中，系统使用完整的20×10－6频率中心载波偏移在信道1 测试传输距离。从图2 中可看到载波偏移值对误检率的影响较小，尽管曲线在＜50 m 处相差较大，但两个误检比率均较低，甚至可以忽略不计。因此，对微微网连接时不可避免的与未补偿的初始频率偏移对帧同步检测的影响极小。

图2 在信道1 ～4 中测试系统使用帧同步检测器传输包/帧同步序列的有效距离

3 结束语

一个可靠数据包的帧同步探测器，可使通信设备在微微网中顺利连接的概率达到更高，从而获得快速连接。本文提出了一种基于计算互相关统计模式的帧同步检测算法，在良好的信道条件下帧同步能被正确检测。且当发生错误时，随时频码更换所产生的计算结果，取平均值进行对比。并按ECMA－368 标准所要求的设置运行和测试，所得检测结果相比MBOA 结果有大幅提高。

［1］ ISO/IEC.High rate ultra wideband PHY and MAC standard ECMA－368［S］.USA:ISO/IEC，2008.

［2］ REN G，CHANG Y，ZHANG H，et al.A novel burst synchronization method for OFDM［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004，50(3):829－834.

［3］ GUO Y，LIU G，GE J.A novel time and frequency synchronization scheme for OFDM systems［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2008，54(2):321－325.

［4］ PARK B，CHEON H，KO E，et al.A novel timing estimation method for OFDM systems［J］.IEEE Communications Letters，2003，7(5):239－242.

［5］ AWOSEYILA A B，KASPARIS C，EVANS B G.Improved preamble－aided timing estimation for OFDM systems［J］.IEEE Communications Letters，2008，12(11):825－827.

［6］ GHOGHO M A，SWAMI A.Frame and frequency acquisition for OFDM［C］.IEEE Signal Processing Letters，2008(15):605－608.

［7］ CHENG M，CHOU C.Maximum－likelihood estimation of frequency and time offsets in OFDM systems with multiple sets of identical data［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2006，54(7):2848－2852.

［8］ Multi Band OFDM Alliance SIG.MultiBand OFDM physical layer proposal for IEEE 802.15.3a［S］.USA:Multi Band OFDM Alliance SIG，2004.

［9］ 杨润丰，高烨，李铭钊.基于超宽带信道的无线通用串行总线测试与分析［J］.现代雷达，2013(6):61－64.