CN102025670B - 应用于移动多媒体广播系统的残余载波频偏的跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于移动多媒体广播系统的残余载波频偏的跟踪方法，对移动多媒体广播接收系统粗同步之后的接收信号进行残余载波频偏估计，并根据残余载波频偏估计结果准确性的不同以不同的调整步进对残余载波频偏予以纠偏。整个残余载波频偏估计和纠偏过程以一个时隙时长为周期，在一个时隙时长内共分成大步进残余载波频偏跟踪和小步进残余载波频偏跟踪前后两个阶段。大步进残余载波频偏跟踪又可分成残余频偏估计和残余频偏纠偏2个过程。小步进残余载波频偏跟踪又可分成残余频偏偏移方向估计、纠偏步进选择和残余频偏纠偏3个过程。本发明能够实现残余载波频偏估计准确度和纠偏速度之间的平衡，且易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及无线信号传输领域，特别是涉及一种应用于移动多媒体广播系统的残余载波频偏的跟踪方法。
背景技术
目前无线宽带通信系统中广泛采用OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，正交频分复用)调制方式。OFDM是一种多载波调制方式，具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径干扰能力强的优点。但同样OFDM系统也存在一些不足之处。由于OFDM调制信号中各子载波信号之间是相互正交的，一旦系统中存在载波频偏，就会造成子载波信号泄漏到相邻子载波上，破坏了各子载波信号之间的正交性，产生载波间干扰ICI(Inter-Carrier Interference)，进而降低了整个OFDM系统的误码率性能。因此在OFDM系统中，载波频偏的估计和校正问题是直接影响系统性能的关键性问题。产生载波频偏的原因有多种，其中由于发射机和接收机之间的本振信号频率偏差造成的载波频偏是相对稳定的，因为温度变化造成的本振频率漂移是缓慢变换且变换范围较小的。一般可通过OFDM接收机中的分数倍子载波频偏估计模块和整数倍子载波频偏估计模块来估计和校正这种本振之间存在的频率偏差。通常可认为经过一次分数倍子载波频偏和整数倍子载波频偏校正之后的残余频偏范围在子载波带宽的1％范围内。另外对移动多媒体广播系统来说，接收信号的终端通常处于运动状态。发射机和接收机之间的这种相对运动状态以及接收机周围环境的变换都会产生多普勒频偏，这种频偏的大小通常和运动速度有关且频偏变换速度较快。因此需要在OFDM系统中引入残余载波频片跟踪技术来矫正这些变换的载波频率偏差，提高接收机的误码率性能。
对中国数字移动多媒体广播系统(China Mobile MultimediaBroadcasting，CMMB)来说，业务是采用时分方式复用信号带宽的。整个时长为1秒的物理信号帧按照时分的方式等分成40个时隙，每个时隙又分成信标信号和OFDM符号两种。其中信标信号包含发射机标识信息和2个相同的同步信号，而OFDM符号用于承载业务数据。根据业务内容的不同，系统可以为每个业务单独分配不同的时隙资源。因此对接收机来说，可以仅仅在需要播放的业务对应的时隙时段上接收发射机广播的信号，而在其他时隙时段上选择关闭接收功能，从而达到省电的目的。这种工作模式同一般的连续接收信号的OFDM系统相比，对系统的残余载波频偏跟踪技术要求更高，需要接收机在有限的接收时间内快速且正确地估计出残余频偏，并能跟踪由于较高的运动速度以及较长的接收机静默时间带来的较大的载波频偏变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于移动多媒体广播系统的残余载波频偏的跟踪方法，易于实现且稳定可靠，能够快速、准确地估计由于较高的运动速度以及较长的接收机静默时间带来的较大的载波频偏变化。
为解决上述技术问题，本发明的应用于移动多媒体广播系统的残余载波频偏的跟踪方法，以一个时隙时长为残余载波频偏估计和残余载波频偏纠偏的处理周期，在一个时隙时长内分成大步进残余载波频偏跟踪和小步进载波频偏跟踪前后两个阶段；大步进残余载波频偏跟踪又可分成残余频偏估计和残余频偏纠偏两个过程；小步进残余载波频偏跟踪又可分成残余频偏偏移方向估计、纠偏步进选择和残余频偏纠偏三个过程；
其中，所述的大步进残余载波频偏跟踪阶段所需的残余频偏估计和残余频偏纠偏两个过程包括以下步骤：
步骤一、在每个时隙的信标信号中，从第一个同步信号的开始位置起，延时M1个样点提取长度为K1的时域信号组成信标信号前一段参考信号；接着同样从第二个同步信号的开始位置起，延时M1个样点提取长度为K1的时域信号组成信标信号后一段参考信号；
步骤二、计算信标信号前一段参考信号和后一段参考信号之间的互相关，并求互相关结果对应的角度信息，根据角度信息和采样速率即可以得到准确的残余载波频偏估计值；
步骤三、在原有的频偏纠偏值的基础上加上残余载波频偏估计值，得到新的频偏纠偏值，并根据新的频偏纠偏值在时域上对接收信号进行残余载波频偏纠偏；
所述的小步进残余载波频偏跟踪阶段所需的残余频偏偏移方向估计、纠偏步进选择和残余频偏纠偏三个过程包括以下步骤：
步骤四、在信标信号之后的每个OFDM符号上，从OFDM符号的循环前缀的开始位置起，延时M2个样点提取长度为K2的时域信号作为OFDM符号前一段参考信号；接收同样从OFDM符号的循环前缀的开始位置起，延后M3个样点提取长度为K2的时域信号作为OFDM符号后一段参考信号；其中M3为延时样点数M2和OFDM符号的数据体长度的两者之和；
步骤五、计算OFDM符号前一段参考信号和后一段参考信号之间的互相关，并提取互相关值的虚部的正负信息；
步骤六、根据互相关值的虚部的正负信息，判定小步进频偏的纠偏方向；如果互相关值的虚部为正，则在原有的频偏纠偏值的基础上减去一个小步进调整值fstep，得到新的频偏纠偏值；反之在原有的频偏纠偏值的基础上加上一个小步进调整值fstep；
步骤七、根据新的频偏纠偏值在时域上对接收信号进行残余载波频偏纠偏。
在所述的步骤一中，延时样点数M1可根据传播信道的多径时延特性进行配置，且需满足延时样点数M1和长度K1之和不能超过同步信号的长度的条件。
在所述的步骤三中，频偏纠偏值的初始值为接收系统在粗同步之后得到的载波频偏初始估计值。
在所述的步骤四中，延时的样点数M2可根据传播信道的多径时延特性进行配置，且需满足延时样点数M2和长度K2之和不能超过OFDM符号循环前缀的长度的条件。
在所述的步骤六中，小步进调整值fstep可根据系统需求进行灵活配置。
采用本发明方法，针对CMMB这种采用时分工作模式的系统，其有益效果是：
1.跟踪处理周期为一个时隙时长，对应于时分工作模式的最小分配单位，因此很适合接收中国移动多媒体广播的终端在时分模式下工作。在接收业务对应的时隙上打开接收机接收功能，同时启动残余载波频偏跟踪功能；在非接收业务所在的时隙上，可关闭接收机的接收功能，从而达到省电的目的。
2.跟踪处理周期内的大步进残余载波频偏跟踪阶段，所述的残余载波频偏估计的准确性高、可估计范围大。大步进残余载波频偏跟踪阶段中的残余频偏估计采用了信标信号中的同步信号，同时考虑了多径时延的影响，在选取时域训练信号时跳过了前面一部分受ISI(Inter SymbolsInterference符号间干扰)影响的信号。根据可配置时延参数M1的大小，该估计方法可以对抗远大于系统循环前缀时长的多径干扰，可稳定保证大时延多径信道下估计值的准确度。因此针对时分工作的系统，当接收机经历较长的静默状态后切换至正常接收状态时，相对频偏变换范围较大的特点，该估计方法可依赖于其算法的准确性，在较大范围内快速调整载波频偏，满足跟踪环路快速响应的需求。
3.跟踪处理周期内的小步进残余载波频偏跟踪阶段，其实现方法简单。受限于系统中较短的循环前缀长度，在多径时延相对较长的情况下，小步进残余载波频偏跟踪阶段中的残余载波频偏估计得到的频偏值准确度相对下降，但其估计得到的频率偏移方向是准确可靠的。因此本发明采用了小步进快速调整的方法，以一个OFDM符号时长为周期，根据事先设定的小步进值反方向调整载波频偏，达到快速跟踪的目的。同时具体实现中利用了互相关值的虚部符号信息来判定频率偏移方向，省略了求复数相角信息的复杂运算，易于硬件实现。
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CMMB物理层信号的结构示意图；
图2是接收机的时分工作模式示意图；
图3是时隙信号中同步信号的时域特性示意图；
图4是时隙信号中OFDM符号的时域特性示意图；
图5是本发明在一个时隙内的处理流程示意图。
具体实施方法
如图1所示，在中国移动多媒体广播标准中，定义了时长为1秒的物理信号帧被等分成40个时长为25毫秒的时隙，每个时隙由信标信号和53个正常的OFDM符号组成。其中信标信号中包含两个相同的同步符号，每个同步符号时长为204.8μS；而正常的OFDM符号的时长为409.6μS，，循环前缀时长为51.2μS。
如图2所示，本发明仅利用接收机处于正常接收状态时的信号跟踪残余载波频偏，在接收机处于静默状态时关闭跟踪功能。
如图3所示，在跟踪处理周期内的大步进残余载波频偏跟踪阶段，所采用的同步信号的长度为2048。因此从第一个同步信号的开始位置起，延时M1＝1024个样点提取长度为K1＝768的时域信号作为前一段参考信号，同时从第二个同步信号的开始位置起，延时M1＝1024个样点提取长度为K1＝768的时域信号作为后一段参考信号，对这前后两段参考信号进行互相关运算，并根据互相关值的相位信息来估计残余频偏的大小。按照上述参数设置，大步进残余载波频偏跟踪调整方法可以对抗最大时延长度为102.4μS的多径信道，远大于循环前缀的时长51.2μS。
如图4所示，在跟踪处理周期内的小步进残余载波频偏跟踪阶段，正常的OFDM符号数据体长度为4096，循环前缀长度为512。因此从OFDM符号的循环前缀的开始位置起，延时M2＝256个样点提取长度为K2＝256的时域信号作为前一段参考信号，同时从OFDM符号的循环前缀的开始位置起，延时M3＝4352个样点提取长度为K2＝256的时域信号作为后一段参考信号。对这前后两段参考信号进行互相关运算，提取互相关值的虚部符号信息，根据设定的小步长调整步进fstep＝5Hz向反方向修正载波频率。按照上述参数设置，小步进残余载波频偏跟踪调整方法可以在最大时延长度不超过25.6μS的多径信道中做到无偏估计，当多径时延超过25.6μS时，由于ISI的影响，小步进残余载波频偏跟踪调整方法的准确度会稍微下降，但其较小的调整步进及较快的调整周期可弥补估计准确度上的不足，确保系统的频偏跟踪环路稳定工作。
图5是本发明的方法在一个时隙时长内的处理流程示意图。从一个时隙信号起开始残余载波频偏跟踪。接收到信标信号开始大步进残余载波频偏跟踪；在前后两个同步信号中分别延时M1个样点提出长度为K1的时域信号作为前后两个参考信号；计算前后两个参考信号的互相关，根据互相关值计算角度信息，从而得到残余频偏的估计值，反馈给纠偏模块。然后，进入小步进残余载波频偏跟踪，接收到一个OFDM符号，在循环前缀中延时M2个样点提出长度为K2的时域信号，延时M3个样点提出长度为K2的时域信号，计算前后两个参考信号的互相关，得到互相关值的虚部的正负信息；根据互相关值的虚部的正负信息，设定小步进残余载波频偏跟踪调整步长，反馈给纠偏模块。然后判断所接收的OFDM符号是否为时隙内最后一个OFDM符号，如果是则时隙残余载波频偏跟踪结束，否则继续进行小步进残余载波频偏跟踪。
以上特例仅用于说明本发明的具体应用方式，但本发明并不局限于上述特定应用实例，在不背离本发明精神和实际内容的基础上，本领域技术人员可根据系统设定条件的不同对本发明的内容进行相应的变形和修改。
Claims (5)
1.一种应用于移动多媒体广播系统的残余载波频偏的跟踪方法，以一个时隙时长为残余载波频偏估计和残余载波频偏纠偏的处理周期，在一个时隙时长内共分成大步进残余载波频偏跟踪和小步进载波频偏跟踪前后两个阶段；其特征在于：
所述大步进残余载波频偏跟踪采用以下方法实现：
在每个时隙的信标信号中，从第一个同步信号的开始位置起，延时M1个样点提取长度为K1的时域信号组成信标信号前一段参考信号；从第二个同步信号的开始位置起，延时M1个样点提取长度为K1的时域信号组成信标信号后一段参考信号；其中，延时样点数M1和长度K1之和不能超过同步信号的长度；
计算信标信号前一段参考信号和后一段参考信号之间的互相关，并求与互相关结果对应的角度信息，根据角度信息和采样速率得到准确的残余载波频偏估计值；
在原有的频偏纠偏值的基础上加上残余载波频偏估计值，得到新的频偏纠偏值，并根据新的频偏纠偏值在时域上对接收信号进行残余载波频偏纠偏；
所述小步进残余载波频偏跟踪采用以下方法实现：
在信标信号之后的每个OFDM符号上，从OFDM符号的循环前缀的开始位置起，延时M2个样点提取长度为K2的时域信号作为OFDM符号前一段参考信号；从OFDM符号的循环前缀的开始位置起，延时M3个样点提取长度为K2的时域信号作为OFDM符号后一段参考信号；其中M3为延时样点数M2和OFDM符号的数据体长度的两者之和；其中，延时样点数M2和长度K2之和不能超过OFDM符号循环前缀的长度；
计算OFDM符号前一段参考信号和后一段参考信号之间的互相关，并提取互相关值的虚部的正负信息；
根据互相关值的虚部的正负信息，判定小步进频偏的纠偏方向；如果互相关值的虚部为正，则在原有的频偏纠偏值的基础上减去一个小步进调整值fstep，得到新的频偏纠偏值；反之在原有的频偏纠偏值的基础上加上一个小步进调整值fstep；
根据新的频偏纠偏值在时域上对接收信号进行残余载波频偏纠偏。
2.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于：所述的延时样点数M1根据传播信道的多径时延特性进行配置，且延时样点数M1和提取长度K1之和不能超过同步信号的长度。
3.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于：所述原有的频偏纠偏值，其初始值为接收系统在粗同步之后得到的载波频偏初始估计值。
4.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于：所述的延时的样点数M2根据传播信道的多径时延特性进行配置，且延时样点数M2和提取长度K2之和不能超过OFDM符号循环前缀的长度。
5.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于：所述小步进调整值fstep根据系统需求配置。
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