CN102215200B - 一种整数频偏估计的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于OFDM(Orthogonalfrequency-division multiplexing)系统的整数频偏估计的方法和装置，所述的方法包括：步骤一：对同步符号中的伪随机序列做BPSK映射；步骤二：对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘；步骤三：对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘；步骤四：对步骤二和步骤三得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值。本发明提供的技术可以应用于OFDM系统的频偏估计领域，在存在定时同步误差的情况下，该方法估计整数频偏的精度要比传统方法高。

Description

一种整数频偏估计的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于OFDM(Orthogonalfrequency-division multiplexing)系统的整数频偏估计的方法和装置。

背景技术

OFDM技术具有频谱效率高，抗频率选择性衰落和窄带干扰，系统资源划分灵活等突出优点，现已广泛的应用于各种数字传输和通信中，如移动无线(FM，Frequency Modulation)信道，高比特率数字用户线系统(HDSL，High-speed Digital Subscriber Line)，不对称数字用户线系统(ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line)，数字音频广播(DAB，Digital AudioBroadcasting)系统，数字视频广播(DVB，Digital Video Broadcasting)，高清电视(HDTV，High Definition Television)地面传播系统和IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会)802.11a/g等。但是OFDM技术也有自身的缺陷，其对频率偏移非常敏感，微小和频率偏差就会造成子载波间干扰(ICI，Intercarrier interference)，降低子信道之间的正交性，进而会造成快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)解调的错误。无线信道中的多普勒频偏，发送端与接受端晶振的偏差等因素都会造成频率偏移。所以在对数据进行FFT变换之前，必须要进行载波频偏估计及补偿，保证子载波的正交性。可见，频偏估计的性能对整个OFDM系统起着关键的作用，寻找一种高性能的频偏估计方法对整个OFDM系统的性能就显得尤为重要。

假设在一个OFDM通信系统中，发送端发送的基带信号为S_k，发送端载波频率为f_tx，采样间隔为T_s，在忽略噪声的情况下，经过下变频处理后，接受信号可表示为r_k：

其中Δf＝f_tx-f_rx＝f_int-f_frac，为发送端与接收端的频率频移，其中f_int为整数频偏，是子载波间隔的整数倍；f_frac为小数频偏，小于一个子载波间隔。

为了提高在存在定时同步误差情况下整数频偏估计的精度，现有技术存在一种处理方法，具体如下：论文“A simple and robust estimation of integralfrequency offset for OFDM systems”(IEEE Trans.Consumer Electronicsvol.54，no.2，May.2008，pp.411-413)提出了一种新的整数频偏估计方法。该方法的具体方案如下：

步骤一：构造长度为L的伪随机序列(PN，Pseudorandom Noise)序列窗

d(l)＝sign[p(l₀+l)_N]，l＝0，1，…，L-1

其中l₀是PN序列窗的起点，如果p(l)是正数，则sign[p(l)]为1，如果p(l)是负数，则sign[p(l)]为0

步骤二：构造接收信号窗

sr_i(l)＝sign[real[r(l₀+l+i)_N]]l＝0，1，…，L-1

si_i(l)＝sign[imag[r(l₀+l+i)_N]]l＝0，1，…，L-1

步骤三：对PN序列窗和接收信号窗做异或操作

dr_i(l)＝sr_i(l)NXOR d(l)，l＝0，1，…，L-1

di_i(l)＝si_i(l)NXOR d(l)，l＝0，1，…，L-1

步骤四：对步骤三得到的结果做如下运算：

$S_i=\underset{l=0}{\overset{L-2}{\∑}}[{\mathrm{dr}}_i(l+1)\mathrm{NXOR}{\mathrm{dr}}_i\left(l\right)+{\mathrm{di}}_i(l+l)\mathrm{NXOR}{\mathrm{di}}_i\left(l\right)]$

步骤五：令i＝i+1，跳至步骤二；

步骤六：求取S_i的最大值，对应的索引i_max即为整数频偏值。

当定时同步存在误差时，该方法对整数频偏估计的精度较低，性能还有待改进。

发明内容

本发明实施例通过对接收信号频域中相邻数据做共轭相乘，然后再将得到的结果与已知数据做相关运算，最后求取相关结果最大值来确定整数频偏值。解决了在存在定时同步误差的条件下，整数频偏估计精度不高的问题。

本发明实施例提供了一种整数频偏估计的方法，包括：

步骤一：对同步符号中的伪随机序列做二进制相移键控BPSK映射；

步骤二：对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘；

步骤三：对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘；

步骤四：对步骤二和步骤三得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值。

本发明实施例通过对接收信号频域中相邻数据做共轭相乘，然后再将得到的结果与已知数据做相关运算，最后求取最大值来确定整数频偏值。与原有技术方案比较，该发明提高了在存在定时同步误差的情况下，系统对整数频偏估计的精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的算法执行流程图；

图2是本发明实施例在定时同步误差下的整数频偏估计精度仿真图；

图3是本发明实施例与现有技术的性能对比图；

图4为本发明实施例提供的一种整数频偏估计的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提出了一种整数频偏估计的方法和装置，所述的方法针对传统整数频偏估计算法在存在定时同步误差的情况下，估计精度不高的问题，提出了新的整数频偏估计算法，该算法可以在存在定时同步误差的条件下，提高整数频偏估计的精度。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种整数频偏估计的方法流程示意图，包括：

步骤一：对同步符号中的伪随机序列做二进制相移键控BPSK映射；

步骤二：对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘；

步骤三：对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘；

步骤四：对步骤二和步骤三得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值。

更进一步的，在具体的应用场景下，可以结合CMMB(China mobilemultimedia broadcasting)标准实施本发明实施例，具体实施步骤包括：

步骤一：将CMMB标准规定的帧格式中同步符号二进制伪随机序列pn_b(i)按照二进制相移键控(BPSK，Binary Phase Shift Keying)模式做如下映射：

x(i)＝1-2×pn_b(i)

步骤二：对x(i)序列中相邻的数据做共轭相乘，得到参考序列ref(i)

ref(i)＝x(i)^*x(i-1)

步骤三：将实际接收到的同步符号做2048点的快速傅里叶变换，将数据变换到频域中，按照与步骤二相同的方法生成序列D(k)，具体如下：

首先，实际接收的同步信号在频域中可表示为：

R(i)＝A(i)H₁(i)

其中A(i)是第i条子载波上的数据，H₁(i)是其对应的冲击响应。

然后，对序列R(i)中相邻数据做共轭相乘：

D(i)＝R(i)^*R(i-1)

＝A(i)^*A(i-1)H₁(i)^*H₁(i-1)

＝B(i)H(i)

其中，B(i)＝A(i)^*A(i-1)，H(i)＝H₁(i)^*H₁(i-1)

步骤四：对参考序列ref(i-j)和序列D(i)做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值，可以计算出整数频偏值，具体如下：

假定整数频偏值为n，由整数频偏的性质可知：B(i)＝ref(i-n)_N

对ref(i-j)和D(i)做相关运算如下：

$E\left(j\right)={\left|\underset{i=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ref}(i-j)N^{*}D\left(i\right)\right|}^2$

$={\left|\underset{i=0}{\overset{L}{\∑}}[\mathrm{ref}(i-j)N^{*}\mathrm{ref}(i-n)\right]H\left(i\right)|}^2$

如果j≠n，H(i)不能够得到同相累加，所以E(j)会很小

如果j＝n，因为ref(i)＝±1，所以

E(j)可达到很高的能量峰值，此时E(j)对应的j即为整数频偏值。

对参考序列ref(i-j)和序列D(i)做相关运算后，然后搜索得到结果的峰值，当已知数据的循环移位数等于整数频偏值时，接收信号的冲击响应可以同相累加，结果最大，通过该峰值我们可以来确定整数频偏值。

本发明实施例通过对接收信号频域中相邻数据做共轭相乘，然后再将得到的结果与已知数据做相关运算，最后求取最大值来确定整数频偏值。与原有技术方案比较，该发明提高了在存在定时同步误差的情况下，系统对整数频偏估计的精度。在TU-6信道(TU-6信道在《(中华人民共和国广播电影电视行业标准移动多媒体广播第7部分接收解码终端技术要求附录D2》中进行了介绍)条件下，我们对背景技术中描述的现有技术的方案和和本发明实施例提供的方案在存在定时频偏的情况下作了仿真，其结果见附图2和附图3，具体的，附图2为本发明实施例在定时同步误差下的整数频偏估计精度仿真图，图3为本发明实施例与现有技术的性能对比图。

由于定时同步误差会对频域中的数据造成相位干扰，本发明实施例通过对相邻数据做共轭相乘，消除了相邻数据的同向的相位干扰，从而提高了系统的估计精度。

与本发明实施例提供的一种整数频偏估计的方法相对应，本发明实施例还提供了一种整数频偏估计的装置。

如图4所示，为本发明实施例提供的一种整数频偏估计的装置，包括：

映射单元401，用于对同步符号中的伪随机序列做二进制相移键控BPSK映射；

第一处理单元402，用于对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘；

第二处理单元403，用于对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘；

确定单元404，用于对所述第一处理单元402和所述第二处理单元403得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值。

具体的，所述映射单元401具体用于根据下述公式计算序列x(i)：

x(i)＝1-2×pn_b(i)，其中，所述pn_b(i)为所述伪随机序列。

所述第一处理单元402具体用于根据下述公式计算参考序列ref(i)：

ref(i)＝x(i)^*x(i-1)。

所述第二处理单元403具体用于根据下述公式对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘：

R(i)＝A(i)H₁(i)

D(i)＝R(i)^*R(i-1)

＝A(i)^*A(i-1)H₁(i)^*H₁(i-1)

＝B(i)H(i)

其中，A(i)是第i条子载波上的数据，H₁(i)是其对应的冲击响应，B(i)＝A(i)^*A(i-1)，H(i)＝H₁(i)^*H₁(i-1)

所述确定单元404具体用于根据下述公式对所述第一处理单元402和所述第二处理单元403得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值：

假定整数频偏值为n，则B(i)＝ref(i-n)N，

对ref(i-j)和D(i)做相关运算如下：

$E\left(j\right)={\left|\underset{i=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ref}(i-j)N^{*}D\left(i\right)\right|}^2$

$={\left|\underset{i=0}{\overset{L}{\mathrm{\∑}}}[\mathrm{ref}(i-j)N^{*}\mathrm{ref}(i-n)\right]H\left(i\right)|}^2$

如果j＝n，因为ref(i)＝±1，所以

E(j)达到能量峰值，即此时E(j)对应的j即为整数频偏值。

由于定时同步误差会对频域中的数据造成相位干扰，本发明实施例通过对相邻数据做共轭相乘，消除了相邻数据的同向的相位干扰，从而提高了系统的估计精度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种整数频偏估计的方法，其特征在于，包括： 

步骤一：对同步符号中的伪随机序列做二进制相移键控BPSK映射； 

步骤二：对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘； 

步骤三：对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘； 

步骤四：对步骤二和步骤三得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对同步符号中的伪随机序列做BPSK映射包括： 

x(i)＝1-2×pn_b(i) 

其中，所述pn_b(i)为所述伪随机序列。 

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘包括： 

ref(i)＝x(i)*x(i-1)。 

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于， 

所述对所述同步符号做快速傅立叶变换包括： 

R(i)＝A(i)H₁(i) 

所述对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘包括： 

D(i)＝R(i)*R(i-1) 

＝A(i)*A(i-1)H₁(i)*H₁(i-1) 

＝B(i)H(i) 

其中，A(i)是第i条子载波上的数据，H₁(i)是其对应的冲击响应，B(i)＝A(i)*A(i-1),H(i)＝H₁(i)*H₁(i-1)。 

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对步骤二和步骤三得到的序列做相关运算包括： 

假定整数频偏值为n，则B(i)＝ref(i-n)_N， 

对ref(i-j)和D(i)做相关运算如下： 

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值包括： 

如果j＝n，因为ref(i)＝±1，所以

E(j)达到能量峰值，即此时E(j)对应的j即为整数频偏值。 

7.一种整数频偏估计的装置，其特征在于，包括： 

映射单元，用于对同步符号中的伪随机序列做二进制相移键控BPSK映射； 

第一处理单元，用于对经过所述BPSK映射得到的序列的相邻数据做共轭相乘； 

第二处理单元，用于对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘； 

确定单元，用于对所述第一处理单元和所述第二处理单元得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值。 

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于， 

所述映射单元具体用于根据下述公式计算序列x(i)： 

x(i)＝1-2×pn_b(i)，其中，所述pn_b(i)为所述伪随机序列。 

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于， 

所述第一处理单元具体用于根据下述公式计算参考序列ref(i)： 

ref(i)＝x(i)*x(i-1)。 

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于， 

所述第二处理单元具体用于根据下述公式对所述同步符号做快速傅立叶变换，并对变换后得到的频域数据的相邻数据做共轭相乘： 

R(i)＝A(i)H₁(i) 

D(i)＝R(i)*R(i-1) 

＝A(i)*A(i-1)H₁(i)*H₁(i-1) 

＝B(i)H(i) 

其中，A(i)是第i条子载波上的数据，H₁(i)是其对应的冲击响应，B(i)＝A(i)*A(i-1)，H(i)＝H₁(i)*H₁(i-1)。 

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述确定单元具体用于根据下述公式对所述第一处理单元和所述第二处理单元得到的序列做相关运算，通过求取相关运算结果的最大值来确定整数频偏值： 

假定整数频偏值为n，则B(i)＝ref(i-n)_N， 

对ref(i-j)和D(i)做相关运算如下： 

如果j＝n，因为ref(i)＝±1，所以

E(j)达到能量峰值，即此时E(j)对应的j即为整数频偏值。 

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