CN102118348B - 一种ofdm通信系统频偏估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM通信系统频偏估计方法，包括步骤：提取频域原始参考信号和时移参数；根据所述频域原始参考信号和所述时移参数获得具备循环时移特性的时域参考信号；发送所述时域参考信号；接收所述时域参考信号；提取时移参考信号，根据所述时域参考信号和所述时移参考信号计算得到频偏估计值。还公开了一种OFDM通信系统频偏估计装置，提高了OFDM通信系统中的频偏估计精度，扩大了OFDM通信系统中的频偏估计范围。

Description

一种OFDM通信系统频偏估计方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信中的OFDM通信系统，具体涉及一种OFDM通信系统频偏估计方法及装置。

背景技术

在移动通信技术领域，OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用）系统以其简单的结构及良好的传输效果逐渐被推广应用。OFDM系统频谱利用效率高，抗多径衰落能力强，有利于无线多媒体传输的实现，并且能够集中发送功率，扩大覆盖范围，使功率放大器变得简单和便宜，因此在第四代移动通信中具有良好的发展前景。但在OFDM系统中，由于发送端和接收端的振荡器之间存在不匹配性，引入了载波频率偏移。频偏会破坏子载波之间的正交性，降低整个系统的性能。因此，采取必要的措施解决载波频率偏移问题，已成为当今通信领域研究的热点之一。

现有的频偏估计，一般采用CP（Cyclic Prefix，循环前缀）相关的方法。循环前缀实际上是一份附加在符号前面的数据符号的末尾部分。该方法使用CP的重复特性，使用接收信号的自相关函数来估计相位偏差，根据该相位偏差计算出频率偏差。此方法计算复杂，且由于CP长度较短，估计精度较低；并且由于累积时间较长，可估计的归一化频偏范围小。为提高频偏估计精度和范围，需要设计一种更为可靠的频偏估计方法。

发明内容

本发明公开了一种OFDM通信系统频偏估计方法，提高OFDM通信系统的频偏估计精度和频偏估计范围。

一种OFDM通信系统频偏估计方法，包括步骤：

提取频域原始参考信号和时移参数；

根据所述频域原始参考信号和所述时移参数获得具备循环时移特性的时域参考信号；

发送所述时域参考信号；

接收所述时域参考信号；

提取时移参考信号，根据所述时域参考信号和所述时移参考信号计算得到频偏估计值。

其中，所述获得具备循环时移特性的时域参考信号的步骤包括：根据所述频域原始参考信号和所述时移参数计算得到频域线性相移版本，计算公式为：

其中，N_FFT为OFDM系统的FFT（Fast FouierTransform，快速傅里叶变换）点数，N_shift为时移参数，r₀(n)为原始参考信号，

为频域线性相移版本；

将所述频域原始参考信号和所述频域线性相移版本叠加，再经过IFFT计算得到具备循环时移特性的时域参考信号。

其中，根据所述时域参考信号和所述时移参考信号计算得到频偏估计值的步骤为：对所述时域参考信号和所述时移参考信号进行相关运算，得到相关运算值；根据所述相关运算值进行频偏估计，得到频偏估计值。

其中，所述时移参数的取值为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

所述相关运算的长度为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

还公开了一种OFDM通信系统频偏估计装置，包括

第一提取单元，用于提取频域原始参考信号和时移参数；

第一计算单元，用于根据所述频域原始参考信号和所述时移参数获得具备循环时移特性的时域参考信号；

发送单元，用于发送所述时域参考信号；

接收单元，用于接收所述时域参考信号；

第二提取单元，用于提取时移参考信号；

第二计算单元，用于根据所述时域参考信号和所述时移参考信号计算得到频偏估计值。

其中，所述第一计算单元包括：

相移版本计算器，用于根据所述频域原始参考信号和所述时移参数计算得到频域线性相移版本；

叠加器，用于将所述频域原始参考信号和所述频域线性相移版本叠加；

时域变换器，用于将所述叠加器的输出结果经过IFFT（Inverse Fast FouierTransform，反向快速傅里叶变换）计算得到具备循环时移特性的时域参考信号。

其中，所述第二计算单元包括：

相关运算器，用于对所述时域参考信号和所述时移参考信号进行相关运算，得到相关运算值；

频偏估计器，用于根据所述相关运算值进行频偏估计，得到频偏估计值。

其中，所述时移参数的取值为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

其中，所述相关运算的长度为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

本发明利用频域原始参考信号和时移参数计算得到频域线性相移版本，在与频域原始参考信号叠加后，经时域变换得到具有循环时移特性的时域参考信号，再根据该时域参考信号和提取出的时移参考信号进行相关处理得到频偏估计值；而传统的利用CP估计频偏的方法，是利用CP与数据段末尾段的重复特性，将CP序列与数据段末尾部分进行相关，计算出相位后，间接估计频偏。与传统方法相比，本发明方法计算简单；由于频域原始参考信号的长度比CP长得多，那么相关运算的长度也会比原来的频偏估计方法中的相关运算长度长的多，而OFDM通信系统中的频偏估计精度随着相关运算的长度增长而提高；频偏估计范围随着相关运算的长度增长而扩大，通过对时移参数的选择可以控制相关序列的时间差，并且估计范围与时间差成反比。采用CP估计频偏的方法，其时间差为FFT点数，则估计范围为(-0.5，+0.5)，如果选择时移参数的值为1/2FFT点数，则估计范围扩大为(-1，+1)；如果选择时移参数的1/4FFT点数，则估计范围扩大为(-2，+2)；所以本发明提高了OFDM通信系统中的频偏估计精度，扩大了OFDM通信系统中的频偏估计范围。

附图说明

图1是本发明方法的一个流程图；

图2是本发明装置的一个示意图；

图3是本发明装置中第一计算单元的一个示意图；

图4是本发明装置中第二计算单元的一个示意图。

具体实施方式

下面将结合附图来阐述本发明，首先介绍本发明的方法，参考图1，包括步骤：

101、提取频域原始参考信号和时移参数；

102、根据提取数据，获得具备循环时移特性的时域参考信号；

根据该频域原始参考信号和时移参数获得具备循环时移特性的时域参考信号。

103、发送数据；

OFDM通信系统发送端发送时域参考信号到OFDM通信系统接收端。

104、接收数据；

OFDM通信系统接收端接收时域参考信号。

105、提取时移参考信号；

106、计算频偏估计值。

根据时域参考信号和时移参考信号计算得到频偏估计值。

本发明利用频域原始参考信号和时移参数计算得到频域线性相移版本，在与频域原始参考信号叠加后，经时域变换得到具有循环时移特性的时域参考信号，再根据该时域参考信号和提取出的时移参考信号进行相关处理得到频偏估计值；而传统的利用CP估计频偏的方法，是利用CP与数据段末尾段的重复特性，将CP序列与数据段末尾部分进行相关，计算出相位后，间接估计频偏。与传统方法相比，本发明方法计算简单；由于频域原始参考信号的长度比CP长得多，那么相关运算的长度也会比原来的频偏估计方法中的相关运算长度长的多，而OFDM通信系统中的频偏估计精度随着相关运算的长度增长而提高；频偏估计范围随着相关运算的长度增长而扩大，通过对时移参数的选择可以控制相关序列的时间差，并且估计范围与时间差成反比。采用CP估计频偏的方法，其时间差为FFT点数，则估计范围为(-0.5，+0.5)，如果选择时移参数的值为1/2FFT点数，则估计范围扩大为(-1，+1)；如果选择时移参数的1/4FFT点数，则估计范围扩大为(-2，+2)；所以本发明提高了OFDM通信系统中的频偏估计精度，扩大了OFDM通信系统中的频偏估计范围。

上述频偏估计方法中，获得具备循环时移特性的时域参考信号的步骤包括：

根据频域原始参考信号和时移参数计算得到频域线性相移版本，计算公式为：

其中，N_FFT为OFDM系统的FFT点数，N_shift为时移参数，r₀(n)为频域原始参考信号，为频域线性相移版本；

将频域原始参考信号和频域线性相移版本叠加：

再经过IFFT变换： $r_t\left(n\right)=\mathrm{IFFT}\left[r\left(n\right)\right]=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{FFT}-1}}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)e^{\frac{j2\mathrm{\πnk}}{N_{\mathrm{FFT}}}};$

得到具备循环时移特性的时域参考信号：r_t(n)＝r_{t_0}(n)+r_{t_shift}(n)，其中r_{t_0}表示频域原始参考信号的时域变换序列，r_{t_shift}表示频域线性相移版本的时域变换序列，r_{t_shift}是r_{t_0}的循环时移版本，r_{t_shift}＝r_{t_0}[(n+N_shift)modN_FFT]。

该时域参考信号经无线信道，若不考虑噪声影响，相比接收信号会产生频率偏移：

ε表示归一化频偏系数，

f_d表示绝对频率偏移，fΔ表示子载波间隔频率。

经步骤105，提取出时移参考信号：s_shift(n)=s((n+N_shift)mod N_FFT);

其中，根据时域参考信号和时移参考信号计算得到频偏估计值的步骤为：对时域参考信号和时移参考信号进行相关运算：

N_MF表示相关运算长度；得到相关运算值m；

根据相关运算值进行频偏估计：

表示归一化频偏估计值，phase(m)表示相关运算结果的相位值，得到频偏估计值。

以上方法中，时移参数的取值为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

相关运算的长度为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

以上频偏估计方法还可以求取多个频偏估计值的平均值来进行频偏估计；可以应用在单天线系统中，也可以应用在多天线系统中，在多天线系统中，对每个天线进行独立的频偏估计。

接着介绍本发明的装置，参考图2，一种OFDM通信系统频偏估计装置，包括：

第一提取单元S1，用于提取频域原始参考信号和时移参数；

第一计算单元S2，用于根据频域原始参考信号和时移参数获得具备循环时移特性的时域参考信号；

发送单元S3，用于发送时域参考信号；

接收单元S4，用于接收时域参考信号；

第二提取单元S5，用于提取时移参考信号；

第二计算单元S6，用于根据时域参考信号和时移参考信号进行计算得到频偏估计值。

本发明利用频域原始参考信号和时移参数计算得到频域线性相移版本，在与频域原始参考信号叠加后，经时域变换得到具有循环时移特性的时域参考信号，再根据该时域参考信号和提取出的时移参考信号进行相关处理得到频偏估计值；而传统的利用CP估计频偏的方法，是利用CP与数据段末尾段的重复特性，将CP序列与数据段末尾部分进行相关，计算出相位后，间接估计频偏。与传统方法相比，本发明方法计算简单；由于频域原始参考信号的长度比CP长得多，那么相关运算的长度也会比原来的频偏估计方法中的相关运算长度长的多，而OFDM通信系统中的频偏估计精度随着相关运算的长度增长而提高；频偏估计范围随着相关运算的长度增长而扩大，通过对时移参数的选择可以控制相关序列的时间差，并且估计范围与时间差成反比。采用CP估计频偏的方法，其时间差为FFT点数，则估计范围为(-0.5，+0.5)，如果选择时移参数的值为1/2FFT点数，则估计范围扩大为(-1，+1)；如果选择时移参数的1/4FFT点数，则估计范围扩大为(-2，+2)；所以本发明提高了OFDM通信系统中的频偏估计精度，扩大了OFDM通信系统中的频偏估计范围。

参考图3，其中，第一计算单元S2包括：

相移版本计算器S21，用于根据频域原始参考信号和时移参数计算得到频域线性相移版本；

叠加器S22，用于将频域原始参考信号和频域线性相移版本叠加；

时域变换器S23，用于将叠加器的输出结果经过IFFT计算得到具备循环时移特性的时域参考信号。

参考图4，其中，第二计算单元S6包括：

相关运算器S61，用于对时域参考信号和时移参考信号进行相关运算，得到相关运算值；

频偏估计器S62，用于根据相关运算值进行频偏估计，得到频偏估计值。

以上装置，时移参数的取值可以为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一；一般取值为FFT点数的二分之一。

相关运算的长度可以为FFT点数，如取值为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。一般取值为FFT点数的二分之一。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种OFDM通信系统频偏估计方法，其特征是，

提取频域原始参考信号和时移参数；

根据所述频域原始参考信号和所述时移参数计算得到频域线性相移版本，计算公式为：

其中，N_FFT为OFDM系统的FFT点数，N_shift为时移参数，r₀(n)为频域原始参考信号，

(n)为频域线性相移版本；将所述频域原始参考信号和所述频域线性相移版本叠加，再经过IFFT计算得到具备循环时移特性的时域参考信号；

发送所述时域参考信号；

接收所述时域参考信号；

提取时移参考信号，对所述时域参考信号和所述时移参考信号进行相关运算，得到相关运算值；根据所述相关运算值进行频偏估计，得到频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的OFDM通信系统频偏估计方法，其特征是，

所述时移参数的取值为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

3.根据权利要求2所述的OFDM通信系统频偏估计方法，其特征是，

所述相关运算的长度为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

4.一种OFDM通信系统频偏估计装置，其特征是，

第一提取单元，用于提取频域原始参考信号和时移参数；

第一计算单元，用于根据所述频域原始参考信号和所述时移参数计算得到频域线性相移版本，计算公式为：

其中，N_FFT为OFDM系统的FFT点数，N_shift为时移参数，r₀(n)为频域原始参考信号，

(n)为频域线性相移版本；将叠加器的输出结果经过IFFT计算得到具备循环时移特性的时域参考信号；

发送单元，用于发送所述时域参考信号；

接收单元，用于接收所述时域参考信号；

第二提取单元，用于提取时移参考信号；

第二计算单元，用于对所述时域参考信号和所述时移参考信号进行相关运算，得到相关运算值；根据所述相关运算值进行频偏估计，得到频偏估计值。

5.根据权利要求4所述的OFDM通信系统频偏估计装置，其特征是，

所述时移参数的取值为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

6.根据权利要求4或5所述的OFDM通信系统频偏估计装置，其特征是，

所述相关运算的长度为：FFT点数的二分之一、FFT点数的四分之一，或者FFT点数的八分之一。

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