CN101242391B - 载波频率恢复与跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载波频率恢复与跟踪方法，载波频率恢复首先进行相关运算得到向量C，提取向量C的虚部符号值，控制NCO频率往其相反方向调节频偏。在调节的步长上，当虚部符号发生改变时，采用由大到小每次减半逼进的办法。这样经过多个符号的调节之后，使其最终调节的步长缩小到一定范围之内，即可认为初始载波频率校正完成。载波频率跟踪要设定一个阈值th，找到满足条件|I|+|Q|>th的128个点，如果没有这么多满足条件的点，则不进行此次跟踪调整；对于所找到的点，求一个累加值
将得到的累加值的符号位h送入频率调整模块。本发明控制简单，硬件实现成本低。适用但不仅限于T-DMB标准数字电视广播接收系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种T-DMB(Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting，地面数字多媒体广播)标准数字电视广播接收系统中的载波频率恢复与跟踪方法。
背景技术
在无线通信过程中，由于发送端和接受端本身的振荡器频率之间存在着误差，以及发送端和接受端的相对运动造成的多普勒效应，会使得传送和接收两端产生载波频率误差。对于多载波系统，例如OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)系统，载波频率误差造成的影响尤其严重，因为多载波系统中每个子信道的载波是互相正交的，一旦出现频率偏移会使这种正交性被破坏，产生ICI(Inter-Carrier Interference，载波间干扰)，从而造成系统性能的下降。因此在多载波通信系统中接受端进行载波恢复与跟踪是必不可少的步骤。通常接受系统对于载波频率恢复分为初始校正和跟踪两部分，初始校正的作用是在刚开始接受的时候一次性去除较大的频率偏移，跟踪的作用则是在接受过程中跟踪载波的变化，始终保持接受和发送端的载频同步。
在OFDM系统中，经常采用CP(Cyclic Prefix，循环前缀)和FFT(快速傅立叶变换)部分级联的符号结构(参见图1)，利用这种结构，对CP和相应的符号部分进行相关运算；有时需要若干个OFDM符号平均，可以简单的求得相位角度。
假设接受到的信号为r(n)，由于CP的存在，使得r(n)＝r(n-M)，M为OFDM符号中FFT部分的长度(为了推导的方便，这里不考虑信道和噪声的因素)。如果出现频率误差，则相当于在信号上多了一个相位的旋转，即r(n-M)＝r(n)·ej2πΔfτ，其中Δf即为载波频率误差，τ为OFDM符号中FFT部分时宽。利用这个特性，在接受端可以采用图2所示的结构，将接受到的CP信号和延时一个OFDM符号周期的信号进行相关；即求：
其中L为CP长度。上式中等式右边最终项的相角为2πΔfτ，因此只要求得等式左边C的相角θ，即可得到频率误差Δf。
常用的载波频率恢复方法中，通常用求tan-1函数的方法来得到频率误差值，即对C的相位角求tan-1，
Im(C)和Re(C)分别代表C的虚部和实部，这样的方法比较直接，但是在硬件实现的时候需要作查表，或者用其他近似函数来替代，总体复杂度较高。
在现有的实际应用系统中载波频偏Δf＝nfi+Δfm(n＝整数)，其中
为OFDM的符号频率，这里只能求得其中的Δfm项，因为Δfm＜fi，即这个频率误差在一个OFDM符号里引起的相位偏移小于2π，又称为FFO(Fractional Frequency Offset，分数频率偏移)，而对于nfi这一项，又称为IFO(Integer Frequency Offset，整数频率偏移)，有其他专门的方法来获得。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种载波频率恢复与跟踪方法，它控制简单，硬件实现成本低。
为解决上述技术问题，本发明的载波频率恢复方法是采用如下技术方案实现的，
对于输入信号r(n)，分别求其共轭量r*(n)，以及延迟M拍后的信号r(n-M)，其中，M指的是一个OFDM符号中FFT部分的长度；
对所得到的两个量r*(n)和r(n-M)进行复乘运算；
将复乘运算的结果取虚部进行累加，累加的长度为L(或者稍小于L)，L即CP部分的长度，并将累加结果即虚部值Im(C)输入步长控制模块；
步长控制模块接受虚部值Im(C)的符号位s并进行控制，第一次首先设置初始调整步长fstep＝fi/4和Δflast＝0，用Δf＝Δflast+fstep·(-s)来计算出频偏Δf，其中Δflast是指上一个符号计算出的Δf值，其初值为0，将计算出的Δf送入数控振荡器模块进行频率调节，第一次调整结束；其中，fi为整数子载波宽度，Δflast是指根据上一次OFDM符号计算出的Δf值；
步长控制模块等待第二个OFDM符号的计算结果的符号位s，判断该符号位s与上一次OFDM符号的计算结果的符号位s值是否相同，如果相反，则将步长折半，否则步长不变，继续代入Δf＝Δflast+fstep·(-s)计算频偏Δf，然后由数控振荡器模块进行频率调节；
然后继续等待下一个OFDM符号的计算结果的符号位s，重复上一步骤，直至最终的fstep小于规定的误差范围，则调整结束。
载波频率跟踪的方法包括步骤如下：
设定一个阈值th，对于经过DQPSK之后的I/Q数据，找到满足条件|I|+|Q|＞th的128个点，如果没有这么多满足条件的点，则不进行此次跟踪调整；对于所找到的点，求一个累加值
将得到的累加值的符号位h送入频率调整模块，即代入公式Δf＝Δfinit+fsmin·(-h)；每一帧重复一次以上步骤；其中，Δfinit是指根据上一次OFDM符号计算出的Δf值。
采用本发明的方法进行载波频率恢复与跟踪，在T-DMB广播接收系统中获得很好的效果，载波恢复的误差在0.2％以内，较好的满足系统性能，同时避免了求tan-1函数的复杂度，降低了硬件成本。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有的OFDM系统中循环前缀的符号结构示意图；
图2是现有的利用CP相关求载波频偏的结构示意图；
图3是本发明的利用步长减半逼近校正初始载波频偏的结构示意图；
图4是本发明的利用步长减半逼近校正初始载波频偏的控制流程图。
具体实施方式
本发明的载波恢复，即对于初始载波频率校正的方法同样利用CP的特性，首先进行相关运算得到向量C，但是并不对其求tan-1，而是将向量C的虚部符号值提取出来，因为该虚部符号反映的是当前频偏的方向，即Δf的正负，知道了频偏的方向，可以控制NCO(数字控制振荡器)频率往其相反方向调节。在调节的步长上，当虚部符号发生改变时，采用由大到小每次减半逼进的办法。这样经过若干个符号的调节之后，使其最终调节的步长缩小到一定范围之内，即可认为初始载波频率校正完成。
如图3所示，对于输入信号r(n)分别求共轭和延时M拍，之后对其进行复乘，复乘的结果取虚部进行累加，经过CP长度个点的累加之后，将得到的虚部累加值送入步长控制模块。步长控制模块根据虚部累加值的符号位s来判断当前的Δf调节的方向。参见图4所示，具体调节的方法如下：Δf＝Δflast+fstep·(-s)，首先设定调节的初始步长为fstep＝fi/4，即一个整数子载波宽度的1/4，初始的Δflast＝0，第一次判断符号位s，若s大于0，则应该往s的反方向调整，所以Δf＝-fi/4，反之则Δf＝fi/4，第一次调整结束。等下一个OFDM符号的计算结果的符号位s值到达，继续判断符号位s，如果符号位s与上一次相同，则步长不变，如果符号位s与上一次相反，则步长减半，按照判断后的步长再代入Δf＝Δflast+fstep·(-s)，依此类推，直到最后的步长小到误差范围以内。
本发明中对于载波频率跟踪的方法也采用简化的方法。由于频率跟踪只在接受过程中进行，可以利用DQPSK(差分正交相移键控)出来的结果进行校正。具体方法是：对于经过了差分解调之后的数据，取其中幅度较大的128个值(为了减少噪声的影响)，即取一个阈值th，找出128个满足条件|I|+|Q|＞th的I/Q数据，对这些数据求一个累加值
其中SI和SQ分别表示I和Q的符号，这个累加值ft的符号位h表示的是当前频率偏移的方向。如果将经过初始载波频率校正后得到的Δf值称为Δfinit，那么经过频率跟踪后校正的频偏值为Δf＝Δfinit+fsmin·(-h)，其中fsmin为设定的每次频率跟踪调节步长。
本发明适用但不仅限于T-DMB标准数字电视广播接收系统。
Claims (2)
1.一种载波频率恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：
对于输入信号r(n)，分别求其共轭量r*(n)，以及延迟M拍后的信号r(n-M)，其中，M指的是一个OFDM符号中FFT部分的长度；
对所得到的两个量r*(n)和r(n-M)进行复乘运算；
将复乘运算的结果取虚部进行累加，累加的长度为L，L即循环前缀CP部分的长度，并将累加结果即虚部值Im(C)输入步长控制模块；
步长控制模块接受虚部值Im(C)的符号位s并进行控制，用Δf＝Δflast+fstep·(-s)来计算出频偏Δf，第一次计算时设置初始步长fstep＝fi/4和Δflast＝0，计算出Δf并将此值送入数控振荡器模块进行频率调节，第一次调整结束；其中，fi为整数子载波宽度，Δflast是指根据上一次OFDM符号计算出的Δf值；
步长控制模块等待第二个OFDM符号的计算结果的符号位s，判断该符号位s与上一次OFDM符号的计算结果的符号位s值是否相同，如果相反，则将步长折半，否则步长不变，继续代入Δf＝Δflast+fstep·(-s)计算频偏Δf，然后由数控振荡器模块进行频率调节；
然后继续等待下一个OFDM符号的计算结果的符号位s，重复上一步骤，直至最终的fstep小于规定的误差范围，则调整结束，此时的Δf即为求得的载波频偏结果。
2.一种载波频率跟踪的方法，其特征在于，包括如下步骤：
设定一个阈值th，对于经过DQPSK之后的I/Q数据，找到满足条件|I|+|Q|＞th的128个点，如果没有这么多满足条件的点，则不进行此次跟踪调整；对于所找到的点，求一个累加值
将得到的累加值的符号位h送入频率调整模块，即代入公式Δf＝Δfinit+fsmin·(-h)；每一帧重复一次以上步骤；
其中，Δfinit是指根据上一次OFDM符号计算出的Δf值，SI和SQ分别表示I和Q的符号，Δfsmin为设定的每次频率跟踪调节步长，Δf为频偏。
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