CN101431492B - 对ofdm通信系统信号进行定时估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，包括：A、输入两路数据信号r(d)，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r*(d)r(d+N/2)和数据信号能量值；B、对两路数据信号的相关值C(d)进行累加得到累加结果P(d)，在另一路对平均后的数据信号能量值E(d)进行累加得到累加结果R(d)；C、对滑动窗内相关值累加结果P(d)进行求模平方运算，并对两个滑动窗内数据信号能量累加值的平均R(d)进行平方运算，计算两路信号的相对值M(d)；D、根据所述两路信号的相对值M(d)寻找最大峰值，该峰值点位于前导符号的最后一个样值点，根据该点后退N个样值点推算出定时位置。利用本发明，提高了定时估计的准确性，增强了对多径衰落和高斯白噪声的抵抗能力，能够在严重多径和低信噪比情况下正常工作。

Description

对OFDM通信系统信号进行定时估计的方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用(OFDM)通信技术领域，尤其涉及一种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术作为一种有效的宽带传输技术，它的特点是各子载波相互正交，在每个子载波频率最大值处，所有其它子载波的频谱值恰好为零，所以可以通过串并变换，把高速率数据流变为低速率数据流来调制子载波，扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。

正因为如此，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，已经成功地应用于非对称数字用户环路(ADSL)、无线本地环路(WLL)、数字音频广播(DAB)、高清晰度电视(HDTV)、以及无线局域网(WLAN)等系统中。

由于正交频分复用对符号定时和载波频率偏移非常敏感，其中符号定时位置的偏移会导致相位旋转，严重的情况下会导致符号间干扰(ISI)，所以定时估计是正交频分复用技术中的一项关键技术，定时估计的性能直接影响了整个系统的性能，系统需要根据定时估计值来确定FFT窗口的起始位置，才能准确的恢复子载波上的信息。

在通常的正交频分复用系统中都会利用一些特定的包含已知信息的前导符号来进行频偏估计、定时同步或者信道估计等计算。

前导符号中通常由多个在时域上重复的训练序列构成，由于子载波的数目都是取2的n次幂，所以总可以把前导符号分成两段重复的长训练序列。

所以本文提出的定时估计方法，针对该前导符号进行处理，利用前导符号中训练序列的连续性以及循环前缀的冗余性，在数据中找到前导符号的位置并确定理想的定时点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，以提高定时估计的准确性，增强对多径衰落和高斯白噪声的抵抗能力，并能够在严重多径和低信噪比情况下正常工作。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，该方法包括：

A、输入两路数据信号r(d)，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r^*(d)r(d+N/2)和数据信号能量值 $E\left(d\right)=\frac{1}{2}({\left|r\left(d\right)\right|}^2+{\left|r(d+N/2)\right|}^2);$

B、对两路数据信号的相关值C(d)取滑动窗口内的N/2+N_g个样值进行累加得到累加结果P(d)，同时在另一路对平均后的数据信号能量值E(d)取滑动窗口内的N/2+N_g个样值进行累加得到累加结果R(d)；

C、对滑动窗内相关值累加结果P(d)进行求模平方运算，并对两个滑动窗内数据信号能量累加值的平均R(d)进行平方运算，计算两路信号的相对值M(d)；

D、根据计算得到的两路信号的相对值M(d)寻找最大峰值，该峰值点位于前导符号的最后一个样值点，根据该点后退N个样值点推算出定时位置。

上述方案中，所述步骤A包括：输入两路数据信号r(d)，一路直接输入，另一路经过一个延迟N/2个周期的延迟器，其中N代表正交频分复用通信系统中子载波的数目；将直接输入的数据信号乘以延迟输入数据信号的共扼，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r^*(d)r(d+N/2)；同时分别计算两路数据信号模值的平方然后相加，再除以2得到平均后的数据信号能量值 $E\left(d\right)=\frac{1}{2}({\left|r\left(d\right)\right|}^2+{\left|r(d+N/2)\right|}^2).$

上述方案中，所述步骤B包括：对两路数据信号的相关值C(d)取N/2+N_g个值进行滑动累加 $\underset{k=0}{\overset{N/2+N_g-1}{\mathrm{\Σ}}}C\left(d\right),$ 其中N代表正交频分复用通信系统中子载波的数目，N_g代表循环前缀的长度，得到累加结果P(d)，代表两个长度为N/2+N_g的滑动窗口内对应数据的相关值累加结果；同时在另一路对平均后的数据信号能量值E(d)取N/2+N_g个值进行滑动累加 $\underset{k=0}{\overset{N/2+N_g-1}{\mathrm{\Σ}}}E\left(d\right),$ 得到累加结果R(d)，代表两个长度为N/2+N_g的滑动窗口内数据能量累加值的平均。

上述方案中，所述两个滑动窗的长度均为N/2+N_g个样值，两个滑动窗之间有N_g个重叠样值数据，两个滑动窗内的数据总共有N+N_g个样值数据，为一个OFDM符号长度。

上述方案中，步骤C中所述计算两路信号的相对值M(d)采用公式 $M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2},$ 将得到的两路结果相除得到两路信号的相对值M(d)。

上述方案中，步骤C中所述计算两路信号的相对值M(d)采用公式M(d)＝|P(d)|²-(R(d))²，将得到的两路结果减得到两路信号的相对值M(d)。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，消除了由于循环前缀带来的输出曲线的平坦部分，大大提高了定时估计的准确性，同时相关窗口长度的加大增加了两个窗口数据的相关累加值，也增强了对多径衰落和高斯白噪声的抵抗能力，所以可以在严重多径和低信噪比情况下正常工作。

2、本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，利用正交频分复用信号中前导符号的特点，采用双滑动窗口检测方法，通过对滑动窗口长度以及滑动窗口相对位置的优化，充分利用了前导符号训练序列的重复性和循环前缀的冗余性，改善了输出曲线的特性，使得估计得到的定时点位置更加稳健可靠，更加准确

3、本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，稳健性强，定时估计精度高，对频率偏移和相位偏移不敏感，可以在严重多径和低信噪比情况下获得良好的定时性能。

4、本发明提供的这种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，同时利用了前导符号中训练符号的重复性和循环前缀的冗余性改善了输出曲线特性，所以可以广泛应用于正交频分复用通信系统。

附图说明

图1为本发明提供的前导符号的结构示意图；

图2为本发明提供的对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用正交频分复用信号中前导符号的特点，采用双滑动窗口检测方法，通过对滑动窗口长度以及滑动窗口相对位置的优化，充分利用了前导符号训练序列的重复性和循环前缀的冗余性，改善了输出曲线的特性，使得估计得到的定时点位置更加稳健可靠，更加准确。

下面首先对本发明的实现原理进行详细阐述：

在正交频分复用系统中都会利用一些特定的包含已知信息的前导符号来进行频偏估计、定时同步或者信道估计等计算。前导符号通常由多个在时域上重复的训练序列来构成，由于子载波的数目都是取2的n次幂，所以总可以把前导符号分成两段重复的长训练序列，其结构如图1所示。

根据常用的双滑动窗相关法即使在存在频偏的情况下也可以轻易的找到前导符号，但是由于循环前缀的存在，双滑动窗相关法的输出曲线会在理想定时点附近出现一端平坦的区域，无法准确可靠的找到定时点。在本方法中将滑动窗的长度改变为2/N+N_g，并且两个滑动窗之间存在一块长度为N_g的数据重叠区域，图2给出了结构示意图，这样的设计可以消除由于循环前缀带来的输出曲线的平坦部分，大大提高了定时估计的准确性，同时相关窗口长度的加大增加了两个窗口数据的相关累加值，也增强了对多径衰落和高斯白噪声的抵抗能力，所以可以在严重多径和低信噪比情况下正常工作。

基于上述原理，如图2所示，图2为本发明提供的对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法示意图，该方法包括：

A、输入两路数据信号r(d)，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r^*(d)r(d+N/2)和数据信号能量值 $E\left(d\right)=\frac{1}{2}({\left|r\left(d\right)\right|}^2+{\left|r(d+N/2)\right|}^2);$

B、对两路数据信号的相关值C(d)取滑动窗口内的N/2+N_g个样值进行累加得到累加结果P(d)，同时在另一路对平均后的数据信号能量值E(d)取滑动窗口内的N/2+N_g个样值进行累加得到累加结果R(d)；

C、对滑动窗内相关值累加结果P(d)进行求模平方运算，并对两个滑动窗内数据信号能量累加值的平均R(d)进行平方运算，计算两路信号的相对值M(d)；

D、根据计算得到的两路信号的相对值M(d)寻找最大峰值，该峰值点位于前导符号的最后一个样值点，根据该点后退N个样值点推算出定时位置。

上述步骤A包括：输入两路数据信号r(d)，一路直接输入，另一路经过一个延迟N/2个周期的延迟器，其中N代表正交频分复用通信系统中子载波的数目；将直接输入的数据信号乘以延迟输入数据信号的共扼，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r^*(d)r(d+N/2)；同时分别计算两路数据信号模值的平方然后相加，再除以2得到平均后的数据信号能量值 $E\left(d\right)=\frac{1}{2}({\left|r\left(d\right)\right|}^2+{\left|r(d+N/2)\right|}^2);$

上述步骤B包括：对两路数据信号的相关值C(d)取N/2+N_g个值进行滑动累加 $\underset{k=0}{\overset{N/2+N_g-1}{\mathrm{\Σ}}}C\left(d\right),$ 其中N代表正交频分复用通信系统中子载波的数目，N_g代表循环前缀的长度，得到累加结果P(d)，代表两个长度为N/2+N_g的滑动窗口内对应数据的相关值累加结果；同时在另一路对平均后的数据信号能量值E(d)取N/2+N_g个值进行滑动累加 $\underset{k=0}{\overset{N/2+N_g-1}{\mathrm{\Σ}}}E\left(d\right),$ 得到累加结果R(d)，代表两个长度为N/2+N_g的滑动窗口内数据能量累加值的平均；

上述两个滑动窗的长度均为N/2+N_g个样值，两个滑动窗之间有N_g个重叠样值数据，两个滑动窗内的数据总共有N+N_g个样值数据，为一个OFDM符号长度。

上述步骤C中所述计算两路信号的相对值M(d)采用公式 $M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}$ 或公式M(d)＝|P(d)|²-(R(d))²，将得到的两路结果相除得到两路信号的相对值M(d)。

该方法在MATLAB仿真平台上经过了测试，运行结果证明：该方法简单有效，应用范围广，估计准确度较高，不受频偏和相偏的影响，可以在严重多径和低信噪比情况下正常工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，其特征在于，该方法包括：

A、输入两路数据信号r(d)，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r(d)r^*(d+N/2)和数据信号能量值

其中N为正交频分复用通信系统中子载波的数目；

B、对两路数据信号的相关值C(d)取N/2+N_g个值进行滑动累加

其中N为正交频分复用通信系统中子载波的数目，N_g为循环前缀的长度，得到累加结果P(d)，P(d)为两个长度为N/2+N_g的滑动窗口内对应数据的相关值累加结果；同时在另一路对平均后的数据信号能量值E(d)取N/2+N_g个值进行滑动累加

得到累加结果R(d)，R(d)为两个长度为N/2+N_g的滑动窗口内数据能量累加值的平均；其中两个滑动窗的长度均为N/2+N_g个样值，两个滑动窗之间有N_g个重叠样值数据，两个滑动窗内的数据总共有N+N_g个样值数据，为一个OFDM符号长度；

C、对滑动窗内相关值累加结果P(d)进行求模平方运算，并对两个滑动窗内数据信号能量累加值的平均R(d)进行平方运算，计算两路信号的相对值M(d)；

D、根据计算得到的两路信号的相对值M(d)寻找最大峰值，该峰值点位于前导符号的最后一个样值点，根据该点后退N个样值点推算出定时位置。

2.根据权利要求1所述的对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

输入两路数据信号r(d)，一路直接输入，另一路经过一个延迟N/2个周期的延迟器，其中N代表正交频分复用通信系统中子载波的数目；将直接输入的数据信号乘以延迟输入数据信号的共轭，计算得到两路数据信号的相关值C(d)＝r(d)r^*(d+N/2)；同时分别计算两路数据信号模值的平方然后相加，再除以2得到平均后的数据信号能量值

3.根据权利要求1所述的对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，其特征在于，步骤C中所述计算两路信号的相对值M(d)采用公式

将得到的两路结果相除得到两路信号的相对值M(d)。

4.根据权利要求1所述的对正交频分复用通信系统信号进行定时估计的方法，其特征在于，步骤C中所述计算两路信号的相对值M(d)采用公式M(d)＝|P(d)|²-(R(d))²，将得到的两路结果相减得到两路信号的相对值M(d)。