CN102118349A - Mb-ofdm系统中频偏的估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超宽带技术领域，具体是一种频率偏差的估计与补偿方法。本发明包括载波频率偏差(CFO)的估计与补偿和采样时钟频率偏差(SFO)的估计与补偿，可适用于多带正交频分复用超宽带系统（MB-OFDMUWB）。本发明利用快速傅里叶变换（FFT）后的4个前导OFDM符号进行CFO和SFO的估计与预补偿，然后进行信道估计，最后利用每个OFDM符号中的导频信号进行残余CFO和SFO的估计与补偿。采用本发明的频偏估计与补偿算法，频偏的估计精度大大提高，系统硬件实现的复杂度也得到有效降低。并且在载波频率偏差和采样时钟频率偏差都比较大时，也能保持良好的系统性能。

Description

MB-OFDM系统中频偏的估计与补偿方法

技术领域

本发明属于超宽带技术领域，具体涉及MB-OFDM 系统中频偏估计与补偿方法。

背景技术

超宽带（UWB）技术作为一种极具潜力的高速、短距离的无线传输技术，近些年在学术界和工业界都引起了极大的关注。结合多带正交频分复用（MB-OFDM）技术，MB-OFDM UWB系统能有效地抵抗多径衰落和各种窄带干扰（Narrow-Band Interference）,在无线手持设备，PC及外围设备以及家庭消费电子类产品等领域有较广的应用前景。

然而，实际的OFDM系统对频偏引起的相位偏转和载波间干扰特别敏感。载波频率偏差(CFO)、采样时钟频率偏差（SFO）带来的相位偏差造成接收端的判决错误并破坏子载波间的正交性，引入载波间干扰，从而恶化系统性能。CFO通常是由发射机和接收机的载波频率偏差和多普勒效应引起的；SFO通常是由发射机和接收机的数模/模数转换器采样频率不同导致。所以在同时存在CFO和SFO的情况下，必需要对两者进行估计与补偿。

但是到目前为止还没有一种复杂度低并且估计精度高的频偏估计与补偿算法。传统的基于数据辅助的估计算法，其基本思想是利用连续发送的2个相同前导符进行时域估计。然而，传统的估计算法需要进行复数乘法运算，并且易受到其他非理想因素引入的与CFO和SFO相位偏转相反方向的影响，因而其硬件实现复杂度高，并且估计精度低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种复杂度低并且估计精度高的CFO和SFO联合的频偏估计与补偿方法，以改善传统的基于数据辅助的估计与补偿算法在硬件开销和抵抗干扰等方面的不足。

本发明提出的频偏估计与补偿方法，需要使用四个前导OFDM符号以及通过信道估计后的导频信号。本方法能同时估计载波频率偏差和采样时钟频率偏差。

本发明中，超宽带系统采用基于包的数据传输模式。在每个数据包开始部分，系统传送30个OFDM符号长度的前导符。在这组前导符中，前24个为重复发送的OFDM符号，用于包检测、同步以及非理想因素的参数估计等。后6个OFDM符号用于信道估计。数据帧头和数据紧随前导符发送。

在发送端，基带信号s(t)表示为：

                             (1)；

其中，

表示第i个OFDM符号的第k个子载波发送的复数数据，T是发射机的采样周期，N是OFDM符号子载波的数目，M是一个OFDM符号的数据总数，包括数据、导频以及零前缀。

MB-OFDM UWB系统中，发射机在发送数据之前需要将基带数据上变频到载波频率

。数据包内的每一个OFDM符号将根据具体的时频码（TFC）在一组特点的子频带上依次传输。超宽带射频无线信道模型由IEEE 802.15.3a工作组定义，包括信道模型1~4（CM1~CM4）。接收的基带等效信号y(t)是信道输出r(t)和加性高斯白噪声（AWGN）w(t)之和，由式(2)表示：

                                                          (2)；

                       (3)；

其中，

表示第i个OFDM符号的第k个子载波的信道频域响应。

定义归一化的 CFO 和 SFO 分别为

和

。引入 CFO 和 SFO 干扰，经过快速傅里叶变换(FFT)后第i个OFDM符号中第k个子载波上的接收端基带复数数据符号

可以表示为：

                    (4)；

其中，

为相位旋转后的基带频域数据符号，

为载波间干扰系数，

为噪声的频域表达形式，

                                            (5)；

                       (6)；

将(5)式和(6)式代入(4)式，可以得到：

                            (7) ；

                         (8) ；

                                   (9)；

联合(7)式、(8)式和(9)式：

 (10)；

因此，可以得到接收端连续四个前导OFDM符号间存在如下关系：

                    (11) ；

其中系数k见式（1）中的定义， angle(.)为返回复数的相角。在(11)式中，虽然不能得到

和

的最大似然估计，但是通过比较同一个OFDM符号内相邻子载波间的相角差异可以分别求得

和的估计值：

                                            (12)；

其中，为了减少误差，在本文中选择为(N/2-1)，因此，归一化SFO的估计值为：

                                           (13)；

根据(13)式，可以求得归一化CFO的估计值为：

          (14)；

由于接收信号与理想信号间存在着以下关系：

                               （15）；

所以利用式(13)和式(14)，第i个OFDM符号的第k个子载波数据可以通过下式进行预补偿：

                             (16)

将预补偿后的数据进行信道估计，然后利用每个OFDM符号中都有的导频信号进行残余CFO和SFO的估计与补偿。定义归一化的残余CFO和SFO分别为

和

。则经过预补偿之后的频域导频信号为：

                                 (17)

其中

表示通过信道估计后接收到的第i个OFDM符号的第p个导频子载波数据。根据(17)式可以求出由残余CFO和SFO造成的相位偏差为：

             (18)

其中，

为通过信道估计后接收到的第i个OFDM符号的第p个导频子载波数据；

表示第i个OFDM符号的第p个导频子载波发送的数据；

最后，利用

，可以得到数据的补偿结果为：

  (19)

表示经过信道估计后接收到的第i个OFDM符号的第k个子载波数据。

从上面的分析中可以看出，本发明所使用的方法不需要进行复数乘法运算，并且不容易受到其他非理想因素引入的与CFO和SFO相位偏转相反方向的影响，因而其硬件实现复杂度低，并且估计精度大大提高。

现将本发明提出的联合估计与补偿方法的具体步骤归纳如下：

（1）将接收到的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号变为频域信号进行后续处理；

（2）从频域信号中提取出4组前导OFDM符号，进行载波频偏和采样频偏的联合估计。估计的公式为：

                                                

；

（3）根据得到的联合估计值进行信号的预补偿。预补偿的公式为：

 ；

（4）将预补偿后的数据进行信道估计；

（5）利用每个OFDM符号中的导频信号对经过信道估计后的数据进行残余载波频率偏差和采样时钟频率偏差的估计与补偿。估计的公式为：

  ；

补偿的公式为：

  。

使用本发明的频偏估计与补偿算法，频偏的估计精度大大提高，系统硬件实现的复杂度也得到了有效的降低。并且在载波频率偏差和采样时钟频率偏差都比较大时，也能保持良好的系统性能。

附图说明

图1  MB-OFDM超宽带系统帧结构图。

图2  MB-OFDM超宽带系统频偏估计与补偿方法结构模块图。

图3  MB-OFDM超宽带系统误包率性能。图3中的仿真条件为：超宽带信道模型1，2，4（CM1，CM2，CM4）分别用来仿真3种典型的超宽带系统传输模式：480Mbit/s，200Mbit/s和53.3Mbit/s。每组仿真采用1000组长度为1024个字节的超宽带数据帧。在10.3GHz载波频率下，载波频偏设定为40ppm；在528MHz采样频率下，采样频偏设定为40ppm；理想情况是指不存在任何的CFO和SFO偏差。

具体实施方式

下面结合附图2进一步描述本文发明的算法。

如图2所示，接收机接收到的数据先进行128点的快速傅里叶变换，得到频域信号。经过快速傅里叶变换(FFT)后第i个OFDM符号中第k个子载波上的接收端基带复数数据符号可以表示为：

       (20) ；

接着取出4个前导OFDM符号，这4个前导符号可以通过符号定时同步所给出的判断信号存储在寄存器中。然后通过式(11)求出估计值

，从而利用式(13)和式(14)可以得到CFO和SFO的估计值。

利用已经求出来的估计值代入式(16)，可以对通过FFT后的数据进行预补偿。对预补偿后的数据进行信道估计，得到信道估计后的频域导频信号为：

                   (21) ；

最后通过式(18)求出残余CFO和SFO的估计值，然后代入式(19)中，得到补偿后的数据。

从图3中可以看到，本算法即使在存在很大的干扰时（CFO为40ppm，SFO为40ppm），系统也能保持良好的性能。

Claims (1)

1.一种应用于多带正交频分复用超宽带系统的频偏估计与补偿方法，其特征在于具体步骤如下：

1）将接收到的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号变为频域信号，以便进行后续处理；

2）从频域信号中提取出4组前导OFDM符号，进行载波频偏和采样频偏的联合估计，其估计的公式为：

                                              

  ，                                                                                        

其中记：

 ，

则有：  

 ，

这里，angle(.)为返回复数的相角，

、

、、

为接收到的从频域信号中提取出的连续4组前导OFDM符号数据，k 为OFDM符号的子载波序号，即第k个子载波， N是OFDM符号子载波的数目，M是一个OFDM符号的数据总数；

3）根据得到的联合估计值进行信号的预补偿，预补偿的公式为：

4）将预补偿后的数据进行信道估计；

5）利用每个OFDM符号中的导频信号对经过信道估计后的数据进行残余载波频率偏差和采样时钟频率偏差的估计与补偿，其估计的公式为：

  

补偿的公式为：

其中，

为通过信道估计后接收到的第i个OFDM符号的第p个导频子载波数据；

表示第i个OFDM符号的第p个导频子载波发送的数据；

表示经过信道估计后接收到的第i个OFDM符号的第k个子载波数据。

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