CN101369882A - 一种基于发送端预纠正的频率同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于发送端频率预纠正的频率同步方法，它是通过利用系统上下行的频率偏差一致来进行OFDM频率同步。其特征在于收端发送用于进行频率同步的数据；发端收到用于进行频率同步的数据，按照现有的频率同步的方法进行频率偏移的预纠正，然后将信号发送出去，使得接收端无需进行频率同步，只需要进行时间同步。由于它是在发送端进行频率预纠正，从而接收端无需再进行频率同步，因此采用本发明方法可以降低接收端的硬件复杂度。

Description

一种基于发送端预纠正的频率同步方法

技术领域

本发明属于无线通信或有线通信领域，它特别涉及OFDM同步的方法。

背景技术

OFDM由于具有数据传输速率高，抗多径干扰能力强，频谱效率高等优点，越来越受到重视。它已成功用于有线、无线通信。如：DAB(Digital Audio Broadcasting)、DVB、IEEE802.11a、IEEE802.16及HyperLAN/2中。OFDM这种新的调制技术也可用于新一代的移动通信系统中。使用OFDM技术将大大提高新一代移动通信系统的传输数据率和频谱效率，且具有很好的抗多径能力，见文献：Bingham，J.A.C.，“Multicarrier modulation for data transmission：an idea whose time has come”，IEEE Communications Magazine，Volume：28 Issue：5，May 1990，Page(s)：5-14和文献：Yun Hee Kim；Iickho Song；Hong Gil Kim；Taejoo Chang；Hyung Myung Kim，“Performance analysis ofa coded OFDM system in time-varying multipath Rayleigh fading channels”，Vehicular Technology，IEEETransactions on，Volume：48 Issue：5，Sept.1999，Page(s)：1610-1615所述。

OFDM技术的弱点之一是对时间和频率同步的要求比单载波系统要高得多。一般要求采用OFDM技术的系统在接收端频率偏移不超过其子载波间隔的2％见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805所述。

在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。

由于OFDM技术的弱点之一是对同步误差很敏感。一般来说，同步分为时间同步和频率同步。在多径环境下，OFDM对时间同步要求很高，频率同步方面，由频偏所引入的ICI会恶化每个子载波的信噪比，从而恶化整个OFDM通信系统的性能，见文献Moose，P.H，“Atechnique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction”，IEEE TRANSACTIONS ONCOMMUNICATIONS，volume 42，Issue 10，Oct.1994 Page(s)：2908-2914。OFDM系统中，同步模块的位置见图1中的模块7。时间同步的目的是在收到的串行数据流中找出各个OFDM符号的边界；而频率同步的目的是求出并纠正收端的频率偏移。

常规的进行频率同步的方法主要考虑在接收端进行频率同步：

在接收端进行频率同步的方法见文献Paul H.Moose，“A Technique for OrthogonalFrequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction”，IEEE TRANSACTIONS ONCOMMUNICATIONS.VOL.42，NO.10，OCTOBER 1994所述。

在OFDM技术中，其基本原理如下(如图2所示)：

发送端传输两段相同的OFDM符号，然后在接收端求得两段OFDM符号的相位差，最后得到OFDM符号的频率偏移。其相位可按照下式求得：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \tan \{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Im}\left(Y_{2k}{Y}_{1k}^T\right)/\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\left(Y_{2k}{Y}_{1k}^T\right)\}---\left(1\right)$

其中，Y_1k和Y_2k分别表示接收端接收到的第一个OFDM符号和第二个OFDM符号，N是OFDM符号的长度，k表示接收序列中数据的相对位置，Im(·)和Re(·)分别表示求虚部和实部。

其频偏可以表示为：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\π}---\left(2\right)$

现有的方法的主要缺点是在接收端进行频率同步，因此现有方法的接收机硬件复杂度较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于发送端频率预纠正的频率同步方法，它具有的特点是：在发送端进行频率预纠正，从而接收端无需再进行频率同步，因此采用本发明方法可以降低接收端的硬件复杂度。

为了方便地描述本文的内容，首先作一下术语定义：

FFT/IFFT：快速傅立叶变换/快速傅立叶逆变换

循环前缀(CP)：OFDM符号为了消除由于多径造成的ICI，在其保护间隔内填入的信号，是OFDM符号本身的后面部分信号的复制

重复符号的频偏估计方法：详见文献Paul H.Moose，“A Technique for OrthogonalFrequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction”，IEEE TRANSACTIONS ONCOMMUNICATIONS.VOL.42，NO.10，OCTOBER 1994

利用导引的频偏估计方法：详见文献Alan J.Coulson，“Maximum LikelihoodSynchronization for OFDM using a Pilot Symbol：algorithms”，Selected Areas in Communications，IEEE Journal on Volume 19，Issue 12，Dec.2001 Page(s)：2486-2494

利用循环前缀的频偏估计方法：详见文献J.-J.van de Beek，M.Sandell，and P.O.Brjesson，“ML estimation of timing and frequency offset in OFDM systems，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.45，July 1997，pp.1800-1805

利用PN序列的频偏估计方法：详见文献Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner and Ove Edfors，“Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles，”Proceedings ofIEEE Vehicular Technology Conference，Amsterdam，The Netherlands，September 19-22，1999，pp.2203-2207

TDD/FDD：时分双工/频分双工

本发明的系统分为系统的接收端、信道和系统的发射端。

本发明提供了一种基于发射端频率预纠正的频率同步方法，它包含系统发射端的处理步骤和系统接收端的处理步骤(如图3所示)，其特征是：

所述系统发射端对发射端发射信号的处理步骤如下：

步骤1：系统发射端接收到系统的接收端发送的数据，用频偏估计的方法估计出频偏为

；频偏估计的方法是重复符号的频偏估计方法或者利用导引的频偏估计方法或者利用循环前缀的频偏估计方法或者利用PN序列的频偏估计方法；

步骤2：对系统的输入数据进行串并转换1得到经过串并转换后的数据g[k]，将经过串并转换后的数据g[k]进行调制2，得到经过调制后的数据

将经过调制后的数据

进行IFFT3和并串转换4后，得到一个长度为N的数据序列d[k]，k∈[0，N-1]；对数据序列d[k]进行加循环前缀CP5后，得到无频偏的数据n∈[0，N+Ng-1]，其中，n，k，N均为正整数，表示OFDM系统中的FFT点数，N_g是循环前缀CP的长度，n，k均表示序列数据的编号；

步骤3：对步骤2中的无频偏的数据

用频偏

进行频率偏移的补偿，得到发射数据s[n]，频偏

的频率偏移补偿的方法具体表示如下：

$s\left[n\right]=\tilde{s}\left[n\right]e^{-j2\mathrm{\π}\widehat{\mathrm{\ϵ}}n/N}---\left(3\right)$

n的取值为n∈[0，+∞)，得到s[0]，s[1]，s[2]，…，s[N-1]，...的发射数据s[n]序列；

步骤4：将发射数据s[n]输入到信道6中，得到经过信道的信号r[n]；

所述系统的接收端对接收信号的处理步骤是：

步骤5：接收端接收到经过信道的信号r[n]，将信号r[n]通过时间同步模块12和去循环前缀CP模块8，得到完成同步的信号

；

步骤6：将完成同步的信号

经过串并转换1得到经过串并转换的信号h[k]，对经过串并转换的信号h[k]进行FFT9，得到经过FFT运算的信号

将经过FFT运算的信号进行解调10后输入到串并转换5后得到信号

步骤7：系统的接收端按照频偏估计的方法发送数据到系统的发射端。

经过以上步骤，就可以达到对OFDM符号频率预纠正的目的。

需要说明的是：

步骤1、2、3实现了图3中的预纠正模块11的功能。

这种设计方法的依据是：

1)对于TDD系统而言，系统上下行的标准频率是相同的，在发送端和接收端的晶振一样的情况下，上下行的频率偏差是完全一样的。

2)对于FDD系统而言，系统上下行的标准频率虽不相同，但是由于相差的部分相对于标准频率本身是微不足道的，因此也可以认为上下行的频率偏差是完全一样的。

本发明的创新之处在于，将频率同步放在了发送端，使得发送端的发射信号与现有方法的发射信号存在一定的相位差别，如图4所示。理想无衰落的信道情况下，这种差别能够被纠正。如图5所示。

本发明与传统方法相比，具有以下特点：

1、由接收端发送用于进行频率偏移的数据，而传统的方法是由发射端发射进行频率偏移的数据，因此本发明提高了系统的传输效率；

2、发送端进行频率偏移的估计和补偿，实现频率预纠正，取得与传统方法一致的性能；

3、接收端无需进行频率同步，简化了接收机的硬件复杂度。

本发明的实质是一种利用系统上下行的频率偏差一致来进行OFDM频率同步的方法。其特征在于收端发送用于进行频率同步的数据；发端收到用于进行频率同步的数据，按照现有的频率同步的方法进行频率偏移的预纠正，然后将信号发送出去，使得接收端无需进行频率同步，只需要进行时间同步。

本发明的有益效果是：

1、由于系统的发射端无需传输用于进行频率同步的数据，从而提高了系统的传输效率；

2、由于本发明中系统的接收端不需要再进行频率同步，从而降低了接收机的硬件复杂度；

3、由于系统的收端不需要进行频率同步，还可将本方法用于多天线系统中。

附图说明

图1为传统的OFDM系统框图

其中，1为串并转换模块，2为调制模块，3为IFFT变换模块，4为并串转换模块，5为加循环前缀CP模块，6为信道模块，7为同步模块，8为去循环前缀CP模块，9为FFT模块，10为解调模块；

图2为传统的频率同步的原理图

图中，收端把接收数据中第一个OFDM符号和第二个OFDM符号进行共轭相乘，然后进行求幅角运算，其中，Y_1k为第一个OFDM符号，Y_2k为第二个OFDM符号，k表示接收序列数据的编号，N为一段OFDM符号的长度，k、N为正整数；

图3为本发明所采用的OFDM系统框图

其中，1为串并转换模块，2为调制模块，3为IFFT变换模块，4为并串转换模块，5为加循环前缀CP模块，6为信道模块，8为去循环前缀CP模块，9为FFT模块，11为预纠正模块，12为时间同步模块；

图4为本发明的发射端发射信号与现有方法发射端发射信号的相位比较示意图

其中，s[k]为本发明中的发端发射信号，为现有方法的发端发射信号，θ为信号的相位，t为时间；

图5为理想情况下本发明接收端接收信号的相位示意图

其中，r[k]是接收端接收到的数据信号，θ为信号的相位，t为时间；

图6为本发明的OFDM发射端信号的处理流程示意图

图7为本发明的OFDM接收端信号的处理流程示意图

具体实施方式

下面给出一个具体的OFDM配置下本专利的实施方法。需要说明的是：下例中的参数并不影响本专利的一般性。

此实施方法采用了仿真工具cossap，设OFDM有用符号长度为N＝1024。

一、发端：

采用利用导引的频偏估计方法估计出频偏

，将调制过的数据组成一个长为1024的OFDM符号，经过IFFT变换后，在每个OFDM原始符号中加入长度为216的循环前缀，得到无频偏的数据，然后用频偏

的频率偏移补偿方法对无频偏的数据

进行补偿，并将补偿后的信号发射出去。

二、收端

收端接收到信号后进行时间同步和去循环前缀后直接进行FFT运算和解调；同时接收端发送一段长度为N的数据到系统的发射端。

如此，即达到了OFDM频率预纠正的目的。

Claims (1)

1.一种基于发射端频率预纠正的频率同步方法，它包含系统发射端的处理步骤和系统接收端的处理步骤，其特征是：

所述系统发射端对发射端发射信号的处理步骤如下：

步骤1：系统发射端接收到系统的接收端发送的数据，用频偏估计的方法估计出频偏为A200710049773C0002173529QIETU.GIF；频偏估计的方法是重复符号的频偏估计方法或者利用导引的频偏估计方法或者利用循环前缀的频偏估计方法或者利用PN序列的频偏估计方法；

步骤2：对系统的输入数据进行串并转换(1)得到经过串并转换后的数据g[k]，将经过串并转换后的数据g[k]进行调制(2)，得到经过调制后的数据

将经过调制后的数据

进行IFFT(3)和并串转换(4)后，得到一个长度为N的数据序列d[k]，k∈[0，N-1]；对数据序列d[k]进行加循环前缀CP(5)后，得到无频偏的数据

n∈[0，N+N_g-1]，其中，n，k，N均为正整数，表示OFDM系统中的FFT点数，N_g是循环前缀CP的长度，n，k均表示序列数据的编号；

步骤3：对步骤2中的无频偏的数据

，用频偏A200710049773C0002173541QIETU.GIF进行频率偏移的补偿，得到发射数据s[n]，

频偏

的频率偏移补偿的方法具体表示如下：

$s\left[n\right]=\tilde{s}\left[n\right]e^{-j2\mathrm{\π}\widehat{\mathrm{\ϵ}}n/N}$

n的取值为n∈[0，+∞)，得到s[0]，s[1]，s[2]，...，s[N-1]，...的发射数据s[n]序列；

步骤4：将发射数据s[n]输入到信道(6)中，得到经过信道的信号r[n]；

所述系统的接收端对接收信号的处理步骤是：

步骤5：接收端接收到经过信道的信号r[n]，将信号r[n]通过时间同步模块(12)和去循环前缀CP模块(8)，得到完成同步的信号

步骤6：将完成同步的信号

经过串并转换(1)得到经过串并转换的信号h[k]，对经过串并转换的信号h[k]进行FFT(9)，得到经过FFT运算的信号

将经过FFT运算的信号

进行解调(10)后输入到串并转换(5)后得到信号

步骤7：系统的接收端按照频偏估计的方法发送数据到系统的发射端。

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