CN101841498B - 一种消除基于ofdm系统的子载波间干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，该方法包括：在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿；以及同时对OFDM系统的频率域进行均衡运算。利用本发明，可以有效消除由于多径时延或者时变信道造成的子载波间干扰，从而有效降低由于ICI干扰造成的系统性能损失。

Description

一种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法

技术领域

本发明涉及通信领域中非理想因素消除的技术领域，尤其涉及一种消除基于正交频分复用(OFDM)系统的子载波间干扰的方法。

背景技术

OFDM系统是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，因此OFDM系统的主要特征是各个子信道的载波相互正交。

由于多径时延的影响(Zheng Li，Xia Lei，Wanbin Tang，Yue Xiao，Shaoqian Li，Channel estimation for OFDM in time-variant multi-path environment，2008IEEE.)和多普勒频率偏移所造成的时变衰落信道的影响(Ali Ramadan Ali，Tariq JamilKhanzada，Abbas Omar，Channel estimation for OFDM systems in rapidly time-variantchannels using high degree channel approximation.IEEE international conference onWireless&Mobile computing，Nerworking&Communication)，系统子载波的正交性会变差，引起载波间的干扰(ICI)，从而恶化系统性能。因此，采取何种措施对载波间干扰(ICI)加以克服，改善系统性能成为基带接收机的设计关键。

中国移动多媒体广播(CMMB)系统的核心传输技术是卫星加上地面补点网络(Stimi)，由于该系统载波频率较高(2.6GHz)，载波间距仅为2.44kHz，且设计成为移动收看的数字电视，因此该系统极易受到多普勒频偏的影响，根据多普勒最大频偏与物体运动速度和载波频率成正比的特点，可以知道即使100公里/小时移动速度，多普勒频偏就将达到240Hz，多普勒频偏将导致系统性能急剧恶化。

因此，消除载波间的干扰成为了CMMB基带解调器的设计关键和难点。

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为OFDM系统提供一种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，以降低由于多普勒频偏和多径最大时延造成的系统性能损失。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，该方法包括：

在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿；以及同时

对OFDM系统的频率域进行均衡运算。

上述方案中，所述在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿，具体包括：

在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n；

利用线性插值，计算当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)；以及

根据频偏值f(i，j)计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿。

上述方案中，所述在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n之后，该方法进一步包括：

在下一个OFDM符号帧中重新进行循环前缀的相关运算，并且更新小数倍频偏估计值f_n，并且根据更新后的小数倍频偏估计值f_n动态地计算出当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)；根据更新后的频偏值f(i，j)重新计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，然后进行时间域相角补偿。

上述方案中，所述在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n的步骤，具体包括：

A1、假设OFDM系统同步完成，已知OFDM符号的起始位置，循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算采用公式

式中r_n(k)为系统接收到的信号，Corr为相关结果，L_cp为系统循环前缀长度，conj()为复数共轭运算，N为FFT窗长度；

A2、对相关结果求出小数倍频偏估计值

上述方案中，所述利用线性插值，计算当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)的步骤，具体包括：

B1、假设频偏在所有OFDM帧中是线性变化的；

B2、采用线性插值计算出每个子载波上对应的频偏：

$f(i,j)=f(i-1)+(\frac{N}{2}+j)\frac{f\left(i\right)-f(i-1)}{N_s},j=0,...,N_S-1$

式中f(i，j)为第i个OFDM帧符号中第j个子载波的频偏估计值。

上述方案中，所述根据频偏值f(i，j)计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿的步骤，具体包括：

C1、计算当前OFDM帧符号中每个子载波上的相角偏差：

$\mathrm{\&theta;}(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}-\left[2\mathrm{\&pi;f}(i,j)T\right]+\mathrm{\&theta;}(i,j-1)& 1\&le;j<N_S\\ -\left[2\mathrm{\&pi;f}(i,j)T\right]+\mathrm{\&theta;}(i-1,j-1)& j=0\end{array}\right.$

式中T为采样间隔，θ(i，j)为第i个帧符号在第j个子载波上的相角偏差；

C2、通过下式完成时间域相角补偿：

r′(i，j)＝r(i，j)·e^jθ(i，j)。

上述方案中，所述对OFDM系统的频率域进行均衡运算，具体包括：

在信道估计完成后将频率域信道响应估计值H_k变化到时间域信道脉冲响应h_k，进行矩形窗滤波处理；

将矩形窗滤波处理后的时间域信道脉冲响应h_k′重新变化到频率域，得到新的频率域信道响应估计值H_k′；以及

利用该频率域信道响应估计值H_k′进行OFDM系统的频率域均衡运算。

上述方案中，所述频率域信道响应估计值H_k根据导频或已知序列的信道响应值，在频率域中采用插值滤波器估计得到，在CMMB系统中数据载波上的信道响应由导频位置上的信道响应通过维纳插值滤波器估计出；所述频率域信道响应估计值H_k变化到时间域信道脉冲响应h_k，采用IDFT或者IFFT运算实现；在CMMB系统中采用4K点IFFT运算；在CMMB系统仿真中采用窗长为100的矩形窗滤波。

上述方案中，所述将矩形窗滤波处理后的时间域信道脉冲响应h_k′重新变化到频率域，得到新的频率域信道响应估计值H_k′，采用DFT或者FFT运算实现，在CMMB系统中采用4K点FFT运算。

上述方案中，所述频率域均衡运算在CMMB系统设计中采用频率域简单一阶均衡器完成，具体包括：

简单一阶均衡运算为

Y_k为接收到的频率域信号，H_k′即为通过内插算法和时间域矩形窗滤波平滑处理后得到的信道响应估计值，X_k为信号的估计值。

(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、本发明提供的这种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，降低了由于时变衰落信道和多径最大时延所造成的ICI干扰带来的系统性能损失。

2、本发明提供的这种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，硬件实现复杂度较低，适用于各种OFDM系统。

3、本发明提供的这种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，应用于中国移动多媒体广播(CMMB)系统中，可以有效降低由于时变衰落信道和多径最大时延所造成的ICI干扰带来的系统性能损失。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提供的在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)并进行时间域相角补偿的方法流程图；

图2是本发明提供的对OFDM系统的频率域进行均衡运算的方法流程图；

图3是本发明提供的用于实现消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法的硬件结构框图；

图4是依照本发明实施例提供的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法的硬件结构框图；

图5是依照本发明实施例提供的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法的算法结构框图；

图6是依照本发明实施例移动多媒体广播(CMMB)系统的物理层中一个OFDM帧符号结构；

图7是依照本发明实施例(CMMB系统，多径为卫星移动信道环境，无解码部分，矩形窗长为100)的仿真比较结果；

图8是依照本发明实施例假设频偏在所有OFDM帧中是线性变化的示意图。

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。

本发明提出的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，是基于中国移动多媒体广播(CMMB)系统的子载波间干扰消除的方法和仿真进行的，通过在时间域和频率域相结合的方法对子载波间干扰进行抑制和消除，以有效降低时变衰落信道和多径最大时延对于系统性能的恶化。

本发明提供的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法流程图，该方法包括：在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿；以及同时对OFDM系统的频率域进行均衡运算。

如图1所示，图1是本发明提供的在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)并进行时间域相角补偿的方法流程图，该方法具体包括：

步骤101：在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n；

步骤102：利用线性插值，计算当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)；以及

步骤103：根据频偏值f(i，j)计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿。

上述步骤101中，所述在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n之后，该方法进一步包括：

在下一个OFDM符号帧中重新进行循环前缀的相关运算，并且更新小数倍频偏估计值f_n，并且根据更新后的小数倍频偏估计值f_n动态地计算出当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)；根据更新后的频偏值f(i，j)重新计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，然后进行时间域相角补偿。

上述步骤101中所述在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n的步骤，具体包括：

A1、假设OFDM系统同步完成，已知OFDM符号的起始位置，循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算采用公式

式中r_n(k)为系统接收到的信号，Corr为相关结果，L_cp为系统循环前缀长度，conj()为复数共轭运算，N为FFT窗长度；

A2、对相关结果求出小数倍频偏估计值

在上述步骤A1和A2中，求小数倍频偏估计值f_n还可以根据OFDM帧符号中的导频求相关运算计算得到。在上述步骤A1中，根据CMMB系统物理层帧协议的特点，见图6所示，循环前缀的长度L_cp＝512，FFT窗长N＝4096，所以公式可以重新表示为：在上述步骤A2中，求相角在硬件设计中用CORDIC算法完成。

上述步骤102中，所述利用线性插值，计算当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)的步骤，具体包括：

B1、假设频偏在所有OFDM帧中是线性变化的，如图8所示；

B2、采用线性插值计算出每个子载波上对应的频偏：

$f(i,j)=f(i-1)+(\frac{N}{2}+j)\frac{f\left(i\right)-f(i-1)}{N_s},j=0,...,N_S-1$

式中f(i，j)为第i个OFDM帧符号中第j个子载波的频偏估计值。

在步骤B1和B2中，求每个子载波上对应的频偏也可以通过泰勒级数的方法求出，但计算复杂度较高。在步骤B2中的N_s代表OFDM帧符号的长度，即N_s＝N+L_cp+L_GI；在CMMB系统中N_s＝4632。

上述步骤103中，所述根据频偏值f(i，j)计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿的步骤，具体包括：

C1、计算当前OFDM帧符号中每个子载波上的相角偏差：

$\mathrm{\&theta;}(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}-\left[2\mathrm{\&pi;f}(i,j)T\right]+\mathrm{\&theta;}(i,j-1)& 1\&le;j<N_S\\ -\left[2\mathrm{\&pi;f}(i,j)T\right]+\mathrm{\&theta;}(i-1,j-1)& j=0\end{array}\right.$

式中T为采样间隔，θ(i，j)为第i个帧符号在第j个子载波上的相角偏差；

C2、通过下式完成时间域相角补偿：

r′(i，j)＝r(i，j)·e^jθ(i，j)。

如图2所示，图2是本发明提供的对OFDM系统的频率域进行均衡运算的方法流程图，该方法具体包括：

步骤201：在信道估计完成后将频率域信道响应估计值H_k变化到时间域信道脉冲响应h_k，进行矩形窗滤波处理；

步骤202：将矩形窗滤波处理后的时间域信道脉冲响应h_k′重新变化到频率域，得到新的频率域信道响应估计值H_k′；以及

步骤203：利用该频率域信道响应估计值H_k′进行OFDM系统的频率域均衡运算。

上述步骤201～步骤203算法和硬件框图见图5所示，(参考文献：Tadavnki Fnkuhara，Hao Yuan，Yoshio Takenchi，Hideo Kobayashi，A novel channelestimation method for OFDM transmission technique under fast time-variant fading channel，2003IEEE.)。

上述步骤201中所述频率域信道响应估计值H_k根据导频或已知序列的信道响应值，在频率域中采用插值滤波器估计得到；在CMMB系统中数据载波上的信道响应由导频位置上的信道响应通过维纳插值滤波器估计出。频率域信道响应估计值H_k变化到时间域信道脉冲响应h_k，采用IDFT或者IFFT运算实现，在CMMB系统中采用4K点IFFT运算。矩形窗窗长的选择要根据不同的OFDM系统确定。在CMMB系统仿真中采用窗长为100的矩形窗滤波。

上述步骤202中所述将矩形窗滤波处理后的时间域信道脉冲响应h_k′重新变化到频率域，得到新的频率域信道响应估计值H_k′，采用DFT或者FFT运算实现，在CMMB系统中采用4K点FFT运算。

上述步骤203中的均衡运算在CMMB系统设计中采用频率域简单一阶均衡器完成，具体包括：

简单一阶均衡运算为

Y_k为接收到的频率域信号，H_k′即为通过内插算法和时间域矩形窗滤波平滑处理后得到的信道响应估计值，X_k为信号的估计值。但在硬件设计中，除法的硬件开销很大，因此除法的实现需要用乘法来完成：X_k×(H_k′×conj(H_k′))＝Y_k×conj(H_k′)，其中conj()表示共轭运算，其中H_k′×conj(H_k′)表示为模的平方，因此设α＝(H_k′×conj(H_k′))，α为放缩因子，直接影响后续模块软判决部分中判决尺度的放缩。

图7是依照本发明实施例(CMMB系统，多径为卫星移动信道环境，无解码部分，矩形窗长为100)的仿真比较结果；图中纵坐标代表无解码部分时的误码率，横坐标代表多普勒频偏的大小。图7中上方不带有“+”符号的曲线代表仅有信道估计部分的误码率曲线，图7中下方带有“+”符号的曲线代表本发明所述子载波间干扰消除方法的误码率曲线。

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 (8)

1.一种消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，该方法包括：

在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，θ(i，j)为第i个帧符号在第j个子载波上的相角偏差，并进行时间域相角补偿；以及同时

对OFDM系统的频率域进行均衡运算；

其中，所述在时间域上计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿，具体包括：在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n；利用线性插值，计算当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)，f(i，j)为第i个OFDM帧符号中第j个子载波的频偏估计值；以及根据频偏值f(i，j)计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿；

所述对OFDM系统的频率域进行均衡运算，具体包括：在信道估计完成后将频率域信道响应估计值H_k变化到时间域信道脉冲响应h_k，进行矩形窗滤波处理；将矩形窗滤波处理后的时间域信道脉冲响应h′_k重新变化到频率域，得到新的频率域信道响应估计值H′_k；以及利用该频率域信道响应估计值H′_k进行OFDM系统的频率域均衡运算。

2.根据权利要求1所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n之后，该方法进一步包括：

在下一个OFDM符号帧中重新进行循环前缀的相关运算，并且更新小数倍频偏估计值f_n，并且根据更新后的小数倍频偏估计值f_n动态地计算出当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)；根据更新后的频偏值f(i，j)重新计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，然后进行时间域相角补偿。

3.根据权利要求1或2所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述在时间域上将当前OFDM帧符号的循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算，求出小数倍频偏估计值f_n的步骤，具体包括：

A1、假设OFDM系统同步完成，已知OFDM符号的起始位置，循环前缀与该循环前缀在OFDM符号中对应的被复制部分作相关运算采用公式

式中r_n(k)为系统接收到的信号，Corr为相关结果，L_cp为系统循环前缀长度，conj()为复数共轭运算，N为FFT窗长度；

A2、对相关结果求出小数倍频偏估计值

4.根据权利要求1或2所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述利用线性插值，计算当前OFDM帧符号中每个子载波的频偏值f(i，j)的步骤，具体包括：

B1、假设频偏在所有OFDM帧中是线性变化的；

B2、采用线性插值计算出每个子载波上对应的频偏：

$f(i,j)=f(i-1)+(\frac{N}{2}+j)\frac{f\left(i\right)-f(i-1)}{N_s},$ j＝0，...，N_S-1

式中f(i，j)为第i个OFDM帧符号中第j个子载波的频偏估计值，N为FFT窗长度，N_s代表OFDM帧符号的长度。

5.根据权利要求1或2所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述根据频偏值f(i，j)计算当前OFDM帧符号中每个子载波的相角偏差θ(i，j)，并进行时间域相角补偿的步骤，具体包括：

C1、计算当前OFDM帧符号中每个子载波上的相角偏差：

$\mathrm{\&theta;}(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}-\&lsqb;2\mathrm{\&pi;f}(i,j)T\&rsqb;+\mathrm{\&theta;}(i,j-1)& 1\&le;j<N_S\\ -\&lsqb;2\mathrm{\&pi;f}(i,j)T\&rsqb;+\mathrm{\&theta;}(i-1,j-1)& j=0\end{array}\right.$

式中T为采样间隔，θ(i，j)为第i个帧符号在第j个子载波上的相角偏差，N_s代表OFDM帧符号的长度；

C2、通过下式完成时间域相角补偿：

r′(i，j)＝r(i，j)·e^jθ(i，j)，其中r′(i，j)表示第i个帧符号在第j个子载波上相角补偿后的数据，r(i，j)表示接收机收到的第i个帧符号在第j个子载波上的数据。

6.根据权利要求1所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述频率域信道响应估计值H_k根据导频或已知序列的信道响应值，在频率域中采用插值滤波器估计得到，在中国移动多媒体广播(CMMB)系统中数据载波上的信道响应由导频位置上的信道响应通过维纳插值滤波器估计出；

所述频率域信道响应估计值H_k变化到时间域信道脉冲响应h_k，采用IDFT或者IFFT运算实现；在CMMB系统中采用4K点IFFT运算；在CMMB系统仿真中采用窗长为100的矩形窗滤波。

7.根据权利要求1所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述将矩形窗滤波处理后的时间域信道脉冲响应h′_k重新变化到频率域，得到新的频率域信道响应估计值H′_k，采用DFT或者FFT运算实现，在CMMB系统中采用4K点FFT运算。

8.根据权利要求1所述的消除基于OFDM系统的子载波间干扰的方法，其特征在于，所述频率域均衡运算在CMMB系统设计中采用频率域简单一阶均衡器完成，具体包括：

简单一阶均衡运算为

Y_k为接收到的频率域信号，H′_k即为通过内插算法和时间域矩形窗滤波平滑处理后得到的信道响应估计值，X_k为信号的估计值。

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