CN101277288A

CN101277288A - 正交频分复用系统的频率同步方法

Info

Publication number: CN101277288A
Application number: CNA2007100906143A
Authority: CN
Inventors: 韩小江; 孙云锋; 苟伟
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-01

Abstract

本发明提供了一种正交频分复用系统的频率同步方法，其包括以下步骤：步骤S102，在发射端，在发送信号中插入第一训练序列，以及对第一训练序列做逆快速傅立叶变换以及相关处理后，作为本地序列存储在寄存器中；步骤S104，在发射端，在发送信号中插入第二训练序列，并对第二训练序列进行逆快速傅立叶变换以及相关处理；步骤S106，在接收端，对接收数据进行粗频率同步以得到粗同步后数据；以及步骤S108，对粗同步后数据进行细频率同步以得到细频率同步后数据。因此，通过，在保证精度的前提下，能够有效提高频率偏移估计范围，从而降低运算复杂度，减少系统开销。

Description

正交频分复用系统的频率同步方法

技术领域

本发明涉及一种正交频分复用系统的频率同步方法，其主要应用于新一代蜂窝移动通信系统和无线局域网以及基于正交频分复用系统的无线和有线传输系统。

背景技术

早在二十世纪六十年代中期提出的在充分利用有效带宽的情况下，就利用交叠的子信道来避免高速均衡器的使用，从而来抵抗脉冲噪声和多径效应，其特点是子载波之间正交。这种系统被称为正交频分复用系统，简称OFDM系统。

由于系统中发送端和接收端的振荡器频率不匹配、热漂移产生振荡频率的抖动、以及Doppler频移，最终导致了频率偏移。频偏导致接收的中频信号和基带信号与对应的发送信号之间存在相位差。在OFDM系统中，由于子信道频谱相互覆盖，这对它们之间的正交性提出了严格的要求。当存在频率偏移时，会破坏OFDM系统子载波之间的正交性，从而导致子载波间干扰，降低了整个系统的性能，因此，频偏的处理直接影响OFDM的系统性能。

目前的频率同步方法从算法角度可以归纳为以下两种：

一、基于本地序列与接收信号的互相关同步方法；以及

二、基于接收信号的自相关的同步方法。

其中，在第二种方法中包括：

A、利用频偏在频域表现为信号的频移和频域导频信号已知而且比数据信号的功率大的特性，在频域利用接收导频信号和本地导频序列进行移位圆周互相关的方法，找出相关值最大的移位值，也就是频偏估计的归一化值，此方法作整数倍频率偏移很准确，但在估计时，运算量比较大，做一次FFT(Fast Fourier Transform)运算，做N次相关，而且只能估计出整数倍频偏。这对于高效率的OFDM系统来说很难满足；以及

B、利用在时域表现为信号相移的特性，用接收训练序列或者保护间隔CP(Cyclic Prefix)作自相关运算来频偏估计，此方法运算简单，当在某些特殊训练序列或者CP估计精度也很高，但此方法的估计范围很有限，实际系统中利用CP估计方法，很容易受到子载波间干扰的影响。

因此，急需一种正交频分复用系统的频率同步方法，在保证精度的前提下，能够有效提高频率偏移估计范围，降低运算复杂度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种新的正交频分复用系统中频率同步实现方法，在保证精度的前提下，能够有效提高频率偏移估计范围，降低运算复杂度，减少系统开销。

为实现上述目的，本发明提供了一种正交频分复用系统的频率同步方法，其可以包括以下步骤：步骤S102，在发射端，在发送信号中插入第一训练序列，以及对第一训练序列做逆快速傅立叶变换以及相关处理后，作为本地序列存储在寄存器中；步骤S104，在发射端，在发送信号中插入第二训练序列，并对第二训练序列进行逆快速傅立叶变换以及相关处理；步骤S106，在接收端，对接收数据进行粗频率同步以得到粗同步后数据；以及步骤S108，对粗同步后数据进行细频率同步以得到细频率同步后数据。

根据本发明，步骤S106可以包括以下步骤：在接收端，从接收数据中取出第一训练序列，与从寄存器中读取的本地序列进行共轭相关；将共轭相关后得到的数据分成多段等长数据，将多段等长数据中的每相邻的两段等长数据进行相关运算，并将每次的相关结果进行累加，得到相关归一化值，根据归一化值，求出相位偏移值，以及根据相位偏移值产生的时间段来计算频率偏移值；以及对所得到的频率偏移值进行正余弦处理，然后与接收信号相乘，以对接收数据进行补偿，并得到粗同步后数据。

根据本发明，多段等长数据的个数可以是根据频率同步的范围设置的。用于计算频率偏移值的公式可以为：

D (L) = Σ_{m = 0}^{N / L - 2} Σ_{k = 0}^{L - 1} {(r (k + mL))}^{*} \cdot r (k + (m + 1) L),

Δf = - \frac{N}{2 πL} &angle; (D (L)),

其中Δf为频率偏移值，L为估计时取的延迟长度，N为逆快速傅立叶变换的点数，r(k)为共轭相关后得到的数据，以及D(L)为相关归一化值。

另外，步骤S104可以包括以下步骤：在接收端，从接收数据中取出第二训练序列，将第二训练序列等分成两段数据序列，并将两段数据序列进行相关，并根据相关结果估计出小数倍频偏值；以及对所得到的小数倍频偏值进行正余弦处理，然后与接收信号相乘，以补偿接收信号，并得到小数倍同步后数据。

其中，用于估计小数倍频偏值的公式可以为：

φ_{q} = Σ_{k = 0}^{G - 1} r_{q + k}^{*} \cdot r_{q + k + {2 p}^{2}},

Δf = - \frac{1}{2 πt} &angle; (φ_{q}),

其中Δf为小数倍频偏值，r为接收天线上的第q个采样点的训练序列，以及t为训练序列对应的传输时间。

根据本发明，第二训练序列可以是在偶子载波上为训练数据，在奇子载波上为0，第二训练序列可以与第一训练序列为相同的训练序列。

因此，本发明的正交频分复用系统的频率同步方法不仅兼顾了频率同步的大范围和高精度，而且计算比较简单，易于实现。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，其中：

图1是根据本发明的正交频分复用系统的频率同步方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的正交频分复用(OFDM)接收机频率同步模块的流程图；以及

图3是根据图2中本发明实施例的正交频分复用(OFDM)接收机频率同步模块的仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是根据本发明的正交频分复用系统的频率同步方法的流程图，如图所示，该正交频分复用系统的频率同步方法包括以下步骤：

步骤S102，在发射端，在发送信号中插入第一训练序列，以及对第一训练序列做逆快速傅立叶变换以及相关处理后，作为本地序列存储在寄存器中；

步骤S104，在发射端，在发送信号中插入第二训练序列，并对第二训练序列进行逆快速傅立叶变换以及相关处理；

步骤S106，在接收端，对接收数据进行粗频率同步以得到粗同步后数据；以及

步骤S108，对粗同步后数据进行细频率同步以得到细频率同步后数据。

步骤S106包括以下步骤：在接收端，从接收数据中取出第一训练序列，与从寄存器中读取的本地序列进行共轭相关；将共轭相关后得到的数据分成多段等长数据，将多段等长数据中的每相邻的两段等长数据进行相关运算，并将每次的相关结果进行累加，得到相关归一化值，根据归一化值，求出相位偏移值，以及根据相位偏移值产生的时间段来计算频率偏移值；以及对所得到的频率偏移值进行正余弦处理，然后与接收信号相乘，以对接收数据进行补偿，并得到粗同步后数据。

其中，多段等长数据的个数是根据频率同步的范围设置的，用于计算频率偏移值的公式为：

D (L) = Σ_{m = 0}^{N / L - 2} Σ_{k = 0}^{L - 1} {(r (k + mL))}^{*} \cdot r (k + (m + 1) L),

Δf = - \frac{N}{2 πL} &angle; (D (L)),

步骤S104包括以下步骤：在接收端，从接收数据中取出第二训练序列，将第二训练序列等分成两段数据序列，并将两段数据序列进行相关，并根据相关结果估计出小数倍频偏值；以及对所得到的小数倍频偏值进行正余弦处理，然后与接收信号相乘，以补偿接收信号，并得到小数倍同步后数据。

其中，在该正交频分复用系统的频率同步方法中，用于估计小数倍频偏值的公式为：

φ_{q} = Σ_{k = 0}^{G - 1} r_{q + k}^{*} \cdot r_{q + k + 2 p^{2}},

Δf = - \frac{1}{2 πt} &angle; (φ_{q}),

第二训练序列是在偶子载波上为训练数据，在奇子载波上为0。第二训练序列与第一训练序列为相同的训练序列。

图2是根据本发明实施例的正交频分复用(OFDM)接收机频率同步模块的流程图，以及图3是根据图2的本发明实施例的正交频分复用(OFDM)接收机频率同步模块的仿真曲线图。下文中结合图2和图3描述本发明的实施例。其中，涉及无线通信，在一个实施方案中涉及用于正交频分复用(OFDM)通信的频偏估计模块。

如图3所示，平台中FFT点数N取1024，粗频偏估计中的L分段，取等分数据帧8段，频偏取2.5*1500Hz。瑞利信道的多径数为6，子载波个数为100，多普勒频移位100Hz。从中看得出频偏估计方差((估计值-设定值)/频偏设定值)随着信噪比的增大曲线下降，而且，当信噪比在5dB时，其精度可达10^-2数量级。因此，此频偏估计在范围和精度上有很好的性能。

综上所述，本发明采用粗同步和细同步分离的方法，通过粗同步作初步补偿后再做细同步，只需要在时域用一帧中少量数据进行简单的相关运算，减少了所有FPGA的容量，提高了模块运算效率，并且频率同步的范围和精度都得到了很大程度的满足。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种正交频分复用系统的频率同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S102，在发射端，在发送信号中插入第一训练序列，以及对所述第一训练序列做逆快速傅立叶变换以及相关处理后，作为本地序列存储在寄存器中；

步骤S104，在发射端，在所述发送信号中插入第二训练序列，并对所述第二训练序列进行逆快速傅立叶变换以及相关处理；

步骤S108，对所述粗同步后数据进行细频率同步以得到细频率同步后数据。

2. 根据权利要求1所述的频率同步方法，其特征在于，所述步骤S106包括以下步骤：

在接收端，从所述接收数据中取出所述第一训练序列，与从所述寄存器中读取的所述本地序列进行共轭相关；

将共轭相关后得到的数据分成多段等长数据，将所述多段等长数据中的每相邻的两段等长数据进行相关运算，并将每次的相关结果进行累加，得到相关归一化值，根据所述归一化值，求出相位偏移值，以及根据所述相位偏移值产生的时间段来计算频率偏移值；以及

对所得到的所述频率偏移值进行正余弦处理，然后与所述接收信号相乘，以对所述接收数据进行补偿，并得到粗同步后数据。

3. 根据权利要求2所述的频率同步方法，其特征在于，所述多段等长数据的个数是根据频率同步的范围设置的。

4. 根据权利要求2或3所述频率同步的方法，其特征在于，用于计算所述频率偏移值的公式为：

D (L) = Σ_{m = 0}^{N / L - 2} Σ_{k = 0}^{L - 1} {(r (k + mL))}^{*} \cdot r (k + (m + 1) L),

Δf = - \frac{N}{2 πL} &angle; (D (L)),

其中

Δf为频率偏移值，L为估计时取的延迟长度，N为逆快速傅立叶变换的点数，r(k)为共轭相关后得到的数据，以及D(L)为所述相关归一化值。

5. 根据权利要求2所述的频率同步方法，其特征在于，所述步骤S104包括以下步骤：

在接收端，从所述接收数据中取出所述第二训练序列，将所述第二训练序列等分成两段数据序列，并将所述两段数据序列进行相关，并根据相关结果估计出小数倍频偏值；以及

对所得到的所述小数倍频偏值进行正余弦处理，然后与所述接收信号相乘，以补偿所述接收信号，并得到小数倍同步后数据。

6. 根据权利要求5所述的频率同步方法，其特征在于，用于估计所述小数倍频偏值的公式为：

φ_{q} = Σ_{k = 0}^{G - 1} r_{q + k}^{*} \cdot r_{q + k + 2 p^{2}}

Δf = - \frac{1}{2 πt} &angle; (φ_{q}),

其中

Δf为小数倍频偏值，r为接收天线上的第q个采样点的训练序列，以及t为训练序列对应的传输时间。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的频率同步方法，其特征在于，所述第二训练序列是在偶子载波上为训练数据，在奇子载波上为0。

8. 根据权利要求7所述的频率同步方法，其特征在于，所述第二训练序列与所述第一训练序列为相同的训练序列。