CN102223344A - 残余小数倍频偏估计的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及残余小数倍频偏估计的方法及系统。包括残余频偏计算，多普勒估计和累加步骤，根据离散导频模值和离散导频相位角之差，获得最大和最小边界的残余频偏估计值，以消除动态多径信道引起的畸变点和相位溢出点；在多普勒估计的捕获态中，通过在每个时隙增加衰减因子来降低边界值；在锁定态不进行衰减，根据频偏边界更新量判断是否破锁；在累加中，将OFDM符号和每次多普勒估计的输出进行累加，并补偿到时域端。在本发明的残余小数倍频偏估计的方法中，增加了对多普勒频移的处理，降低了多普勒频移对系统的影响，因此能够在动态多径信道中能正确估计出残余小数倍频偏，提高了对残余频偏估计的正确性和系统稳定性。

Description

残余小数倍频偏估计的方法及系统

技术领域

本发明涉及残余小数倍频偏估计的方法及系统，具体的讲是CMMB系统中的残余小数倍频偏估计的方法及系统。

背景技术

CMMB(中国移动多媒体广播)中采用的OFDM(正交频分复用)调制技术，具有抗衰落能力强，实现简单等优点，能很好的抵抗由多径效应所带来的频率选择性衰落。缺点是OFDM对载波频率偏移很敏感。载波频偏包括：整数倍频偏和小数倍频偏(FFO)。整数倍频偏是子载波间隔的整数倍，虽然整数倍频偏不会破坏子载波间的正交性，但会造成接收机数据码元序列的循环移位，导致系统的误比特率(BER)的增加；小数倍频偏即子载波间隔的小数倍，它会影响子载波间的正交性，导致子载波间干扰(ICI)。

CMMB系统中，如图1所示，在OFDM解调前利用时域同步符号完成帧同步，符号定时同步和小数倍频偏粗捕获，利用OFDM解调后的频域同步符号完成整数倍频偏同步，利用OFDM符号插入的离散导频完成残余频偏的跟踪。

由于CMMB系统的终端相对发射机是移动的，使得无线信道表现出时变性，时变性的一种具体表现就是多普勒频移，多普勒频移会使信号发生频率弥散效应。多普勒频移对频域小数倍频偏估计的影响较大，目前还没有技术提出在大多普勒信道环境下频域小数倍频偏估计方法。CMMB系统中，现有技术利用离散导频对残余小数倍频偏的估计不能消除多普勒频移的影响，因此就不能获取正确的小数倍频偏值。以下是现有的频域残余小数倍频偏估计方法和多普勒频移对频偏估计的方法：

一、现有的频域残余小数倍频偏估计的方法

OFDM解调前利用时域同步符号捕获的小数倍频偏和频域捕获的整数倍频偏补偿到系统接收端后，提取前后两个相邻奇数(或偶数)OFDM符号上的离散导频估计残余频偏f_r。设接收到的时域第l个OFDM符号第n个数据r(l，n)为：

其中X(l，k)表示第l个OFDM符号的第k个子载波上的数据；H(k)是信道传输函数；N是OFDM有效子载波个数，也是IFFT/FFT(快速傅里叶变换逆变换/快速傅里叶变换)点数，N_g是保护间隔和循环前缀的个数，N_s＝N+N_g，n_l，n为高斯白噪声。则FFT解调后的离散导频为：

因发送端前后两个相邻奇数(或偶数)OFDM符号在同一导频位置上的数据是相同的，即X(l，m)＝X(l+2，m)；在接收端，不考虑噪声的影响，对相邻奇数(或偶数)OFDM符号上的相同离散导频位置上的数据做共轭相乘后，取相位角得出残余频偏估计值：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{\mathrm{N\ΔF}}{4\mathrm{\πNs}}\mathrm{angle}(Z(l+2,m)*Z^{*}(l,m)),$ 其中ΔF为子载波间隔。

二、多普勒频移对频偏估计的影响

在动态多径的环境下，设多普勒谱为Jacks谱，最大多普勒偏差为f_d，OFDM符号的每个频点f，经过信道的多普勒频移，接收信号的频率将弥散在范围[f-f_d，f+f_d]。对连续几个符号上的多普勒谱做静态假设，将OFDM符号在[f-f_d，f+f_d]范围内的频率扩展视为有限个频点从不同方向射入接收机信号的叠加，则前后奇数(或偶数)OFDM符号数据为：

其中I为频点个数，在不考虑噪声影响的情况下，α(i)为每个频点相对于接收机的得入射角，z(l，m)与z(l+2，m)共轭相乘：

$z(l+2,m)z^{*}(l,m)$

$={\left|H\left(m\right)\right|}^2{\left|X(l,m)\right|}^2\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j2\mathrm{\π\Δ}{f}_i(N_g+(l+2)N_s)T}{e}^{\mathrm{j\π\Δ}{f}_{i}T(1-N)n}{e}^{\mathrm{j\α}\left(i\right)}\×$

$\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j2\mathrm{\π\Δ}{f}_i(N_g+{\mathrm{lN}}_s)T}{e}^{\mathrm{j\π\Δ}{f}_{i}T(1-N)n}{e}^{\mathrm{j\α}\left(i\right)}$

由上式可知，随着时间的改变，对于某一个频偏点，可以获得该频偏的估值。而多频点时，频点在每两个符号上带来的初始相位偏差是不同的，这些相位偏差共同影响了该估计操作，当这些频偏点随时间进行初始相位的组合时，其范围可遍历到频偏边界。那么通过现有技术求出的残余频偏f_r将遍历[f_r-f_d，f_r+f_d]范围内的数据，不能正确的估计出残余频偏。

如图2所示的不同最大多普勒频移在多径信道下估计值的绝对偏差仿真图，从图中可以看出随着最大多普勒频移的增加，估计值误差越来越大，当最大多普勒频移为200Hz时，绝对偏差已经超过子载波间隔3％，可认为估计值错误。

发明内容

针对以上所述的问题，本发明提供了一种残余小数倍频偏估计的方法和其系统，能够在动态多径信道中能正确估计出残余小数倍频偏。

本发明的残余小数倍频偏估计的方法，包括残余频偏计算，多普勒估计和累加步骤，其中残余频偏计算是在[f_r-f_d，f_r+f_d]范围内，滤除掉小于设定的畸变门限的离散导频模值，再通过离散导频相位角之差，获得最大和最小边界的残余频偏估计值，以消除动态多径信道引起的畸变点和相位溢出点，其中f_r为残余小数倍频偏，f_d为最大多普勒频移；

因为残余频偏计算中的残余频偏估计值一旦求出后，如果没有更大的多普勒频移，统计出的边界便不再更新，从而锁定的频偏便不会改变。因此当最大多普勒频移变小时，估计器在后续处理中会失效，因此在多普勒估计的捕获态中，通过在每个时隙增加衰减因子来降低边界值，衰减因子引入了余量，该余量产生了频偏的摆动效应，将累加器的输出恢复到了较大的频偏摆动状态。但该状态能更快地将捕获器拉动到入锁范围，只是入锁后有摆动。在锁定态不进行衰减，为了解决入锁后的频偏变化，在多普勒估计的锁定态要根据频偏边界更新量判断是否破锁。对估计的偏差进行判决，若出现超过门限的偏差，则将同步器重新调整到捕获态，以避免同步器频偏跳变时无法处理。

由于多普勒估计模块需要较长时间遍历边界值，最终以时隙为单位调整残余频偏输出，因此需要累加步骤来稳定多普勒估计所输出的残余频偏值。在累加中，将OFDM符号和每次多普勒估计的输出进行累加，并补偿到时域端以抵消对后续OFDM符号的影响。

上述残余频偏计算的一种具体方案包括步骤：

提取频域前后连续奇数或偶数OFDM符号上离散导频z(l，m)和z(l+2，m)，其中l表示OFDM符号数，m表示离散导频个数，m取值为1～384；

设置畸变门限为前次频偏估计边界的1/4，将离散导频的模值|z(l，m)|和|z(l+2，m)|与所述畸变门限比较，滤除掉小于畸变门限的模值；

通过离散导频共轭差获得相位角，设置相位门限为π；

对符合条件的离散导频求有效离散导频点上残余频偏值，并对其有效值求平均值。

进一步的，上述多普勒估计的一种方案包括步骤：

将频偏计算得到的估计值经过统计获取最大和最小的边界值；

对每个时隙的第52个OFDM符号根据衰减因子判断进行捕获态操作或锁定态操作，如果为捕获态操作，在每个时隙增加衰减因子，并降低边界值；如果为锁定态操作，不进行衰减操作，如果频偏边界更新量超越前次估计边界的1/4则进行破锁，破锁后进入捕获态操作；

计算边界最大和最小值的平均值为残余频偏估计值。

具体的一种方案为，在所述的累加中是将每个时隙的第52个OFDM符号和每次多普勒估计的输出累加。

本发明还公开了一种残余小数倍频偏估计的系统，包括频偏计算单元、多普勒估计单元和累加单元，分别用于进行上述中的残余频偏计算，多普勒估计和累加的运算。在频偏计算单元中具有接收离散导频模值和离散导频相位输入的门限判决器，通过所述门限判决器将信号输出至多普勒估计单元，多普勒估计单元中输入信号经边界衰减更新模块和均值模块后至累加单元。

进一步的，在所述频偏计算单元中，相邻OFDM符号的离散导频数据经过Cordic(坐标旋转数字计算)模块计算离散导频模值和离散导频相位角，所述的离散导频模值和离散导频相位角存入RAM中后，再输入至所述的门限判决器。

进一步的，在所述边界衰减更新模块之前还包括有存储OFDM符号残余频偏边界值的边界更新存储器。

在本发明的残余小数倍频偏估计的方法和系统中，增加了对多普勒频移的处理，降低了多普勒频移对系统的影响，因此能够在动态多径信道中能正确估计出残余小数倍频偏，提高了对残余频偏估计的正确性和系统稳定性。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是CMMB系统残余频偏示意图。

图2是现有不同最大多普勒频移在多径信道下估计值的绝对偏差仿真图。

图3是本发明残余小数倍频偏估计的方法的流程图。

图4是图3的方法和现有方法在不同最大多普勒频移在多径信道下估计值的绝对偏差比较仿真图。

图5是本发明残余小数倍频偏估计的系统的结构框图。

具体实施方式

实施例1：

本发明的残余小数倍频偏估计的方法，包括残余频偏计算，多普勒估计和累加步骤。残余频偏计算是在[f_r-f_d，f_r+f_d]范围内，获得最大和最小边界的残余频偏估计值，其中f_r为残余小数倍频偏，f_d为最大多普勒频移，并通过设定频偏门限来消除动态多径信道引起的畸变点和相位溢出点。因为残余频偏计算中的残余频偏估计值一旦求出后，如果没有更大的多普勒频移，统计出的边界便不再更新，从而锁定的频偏便不会改变。因此当最大多普勒频移变小时，估计器在后续处理中会失效，因此在多普勒估计的捕获态中，通过衰减因子α降低统计边界的继承性，衰减因子α引入了余量，该余量产生了频偏的摆动效应，将累加器的输出恢复到了较大的频偏摆动状态。但该状态能更快地将捕获器拉动到入锁范围，只是入锁后有摆动。为了解决入锁后的频偏变化，在多普勒估计的锁定态要根据边界更新量的门限值判断是否破锁。对估计的偏差进行判决，若出现超过门限的偏差，则将同步器重新调整到捕获态，以避免同步器频偏跳变时无法处理。

如图3所示，本发明的残余小数倍频偏估计的方法的具体的步骤为：

提取频域前后连续奇数(或偶数)OFDM符号上离散导频z(l，m)和z(l+2，m)，(m＝1，2，...，384)，其中l表示OFDM符号数，m表示离散导频个数；

取离散导频的模值|z(l，m)|和|z(l+2，m)|，将它们和所设定判决门限的1/4比较，小于此判决门限的值不用来求频偏初步计算值，以消除动态多径带来的畸变点；

为了便于实现，将现有方法中通过离散导频共轭相乘求相位角，改为本发明方法的通过离散导频共轭差获得相位角，并且设定门限为π，防止相位溢出，则初始频偏计算值

为：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{\mathrm{N\ΔF}}{4\mathrm{\πNs}}[\mathrm{angle}\left(Z(l+2,m)\right)-\mathrm{angle}\left(Z^{*}(l,m)\right)],$ 其中angle(·)为求取相位角。

将满足条件的离散导频通过式上式求出有效离散导频点上残余频偏值，有效值求平均即得初步估计值。

每个OFDM符号有384个离散导频，一个时隙有53个OFDM符号，这样能保证一个时隙内能够得到51个残余频偏初步估计值，并且尽可能遍历[f_r-f_d，f_r+f_d]范围内的频偏值，获得残余频偏初步估计值边界。

在多普勒估计中，频偏估计无法用短时估计完成，需使用统计方法，基本思想为统计多普勒边界捕获。在多普勒估计中，主要是要消除多普勒频移对频偏估计的影响，根据衰减因子α大小分为捕获态和锁定态。α＜1时为捕获态，在捕获态需初始化衰减因子α，后续每个时隙调整时都要将衰减因子α增加β以使进入锁定态，此时共需用(1-α)/β次完成捕获进入锁定态，其中衰减因子α和增量β的值根据最大多普勒频移的大小和捕获时间决定。α＝1时为进入了锁定态，此时不需要对边界进行衰减。

为了解决入锁后的频偏变化，在锁定态还要对估计的偏差进行判决。若锁定态出现超门限的变化，则要将同步器重新调整到捕获态，以避免同步器频偏跳变时无法处理。破锁条件为：频偏边界更新量超越前次估计边界的1/4。1/4的得出是基于以下原理：因为OFDM技术中绝对偏差不能超过子载波间隔3％，在CMMB系统中残余频偏估计值不能超出10⁷/4096*3％＝73，又因为CMMB系统中最大多普勒频移一般为300Hz，因此取边界的1/4即75Hz≈73。这样就保证在动态多径信道中也能同步到残余频偏。其具体步骤为：

将频偏计算中得到的初步估计值先经过统计获取其边界的最大值和最小值；

因为频偏的补偿是以时隙为单位来补偿的，在CMMB系统的帧结构中一个时隙有53个OFDM符号，因此在每个时隙的第52个OFDM符号根据衰减因子α决定进入捕获态还是锁定态操作。在捕获态每个时隙以β速率增加衰减因子α，并且通过计算式 ${\mathrm{Th}}_{\mathrm{MAX}}\left(k\right)=({\mathrm{Th}}_{\mathrm{MAX}}(k-1)-{\hat{f}}_r(k-1))*\mathrm{\α}\left(k\right)+{\hat{f}}_r(k-1)$ 和计算式 ${\mathrm{Th}}_{\mathrm{MIN}}\left(k\right)=({\mathrm{Th}}_{\mathrm{MIN}}(k-1)-{\hat{f}}_r(k-1))*\mathrm{\α}\left(k\right)+{\hat{f}}_r(k-1)$ 降低边界值，其中Th_MAX(k)和Th_MIN(k)为边界统计出的最大值和最小值，α(k)为衰减因子，为频偏估计值；在锁定态不进行衰减操作，但为了解决入锁后的频偏变化，根据计算式(Th_MAX(k)-Th_MAX(k-1))＞Th_MAX(k-1)/4和(Th_MIN(k)-Th_MIN(k-1))＞Th_MIN(k-1)/4对边界更新量进行判决，以区分锁定态是否破锁，如果破锁则重新进入捕获态；

求取边界最大最小值的平均值为残余频偏估计值。

由于多普勒估计需要较长时间遍历边界值，最终以时隙为单位调整残余频偏输出，因此需要累加计算来稳定多普勒估计输出的残余频偏值。在累加计算中，为了抵消残余频偏对后续OFDM符号的影响，在每个时隙的第52个OFDM符号累加每次多普勒估计的输出，并补偿到时域端。

实施例2：

如图5所示，本发明的残余小数倍频偏估计的系统，包括频偏计算单元、多普勒估计单元和累加单元，分别用于实施例1中的残余频偏计算，多普勒估计和累加的运算。其中Dpilot和Dpilot_delay为解析出的相邻奇数(或偶数)OFDM符号的离散导频数据，symbol_num为OFDM符号。在频偏计算单元中具有接收离散导频模值和离散导频相位输入的门限判决器。将接收到的相邻奇数(或偶数)OFDM符号的离散导频数据Dpilot和Dpilot_delay先经过Cordic(坐标旋转数字计算)模块计算出模值和相位角，将求出的模值和相位角存入RAM中。模值经过设定的门限判决器来消除动态多径信道带来的畸变点，相位经过门限判决器来消除相位溢出点，控制模块控制RAM模块的读写。通过门限判决器将信号输出至多普勒估计单元，多普勒估计单元中输入信号经过了边界更新存储器、边界衰减更新模块和均值模块。在每个时隙内统计出的各个OFDM符号的残余频偏边界值，并更新到存储器中。在每个时隙的第52个OFDM符号，通过边界衰减更新模块再次更新边界值，并根据衰减因子区分捕获态和锁定态；最后将获得最大和最小边界的平均值输出至累加单元。累加单元在每个时隙的第52个OFDM累加每次多普勒估计单元输出频偏的估计值。

Claims (7)

1.残余小数倍频偏估计的方法，其特征为包括残余频偏计算，多普勒估计和累加步骤，其中残余频偏计算是在[f_r-f_d，f_r+f_d]范围内，滤除掉小于设定的畸变门限的离散导频模值，再通过离散导频相位角之差，获得最大和最小边界的残余频偏估计值，以消除动态多径信道引起的畸变点和相位溢出点，其中f_r为残余小数倍频偏，f_d为最大多普勒频移；

在多普勒估计的捕获态中，通过在每个时隙增加衰减因子来降低边界值；在锁定态不进行衰减，根据频偏边界更新量判断是否破锁，如果破锁则重新进入捕获态；

在累加中，将OFDM符号和每次多普勒估计的输出进行累加，并补偿到时域端。

2.如权利要求1所述的残余小数倍频偏估计的方法，其特征为所述的残余频偏计算包括步骤：

提取频域前后连续奇数或偶数OFDM符号上离散导频z(l，m)和z(l+2，m)，其中l表示OFDM符号数，m表示离散导频个数，m取值为1～384；

设置畸变门限为前次频偏估计边界的1/4，将离散导频的模值|z(l，m)|和|z(l+2，m)|与所述畸变门限比较，滤除掉小于畸变门限的模值；

通过离散导频共轭差获得相位角，设置相位门限为π；

对符合条件的离散导频求有效离散导频点上残余频偏值，并对其有效值求平均值。

3.如权利要求1所述的残余小数倍频偏估计的方法，其特征为所述的多普勒估计包括步骤：

将频偏计算得到的估计值经过统计获取最大和最小的边界值；

对每个时隙的第52个OFDM符号根据衰减因子判断进行捕获态操作或锁定态操作，如果为捕获态操作，在每个时隙增加衰减因子，并降低边界值；如果为锁定态操作，不进行衰减操作，如果频偏边界更新量超越前次估计边界的1/4则进行破锁，破锁后进入捕获态操作；

计算边界最大和最小值的平均值为残余频偏估计值。

4.如权利要求1至3之一所述的残余小数倍频偏估计的方法，其特征为在所述的累加中是将每个时隙的第52个OFDM符号和每次多普勒估计的输出累加。

5.残余小数倍频偏估计的系统，其特征为包括频偏计算单元、多普勒估计单元和累加单元，在频偏计算单元中具有接收离散导频模值和离散导频相位输入的门限判决器，通过所述门限判决器将信号输出至多普勒估计单元，多普勒估计单元中输入信号经边界衰减更新模块和均值模块后至累加单元。

6.如权利要求5所述的残余小数倍频偏估计的系统，其特征为在所述频偏计算单元中，相邻OFDM符号的离散导频数据经过Cordic模块计算离散导频模值和离散导频相位角，所述的离散导频模值和离散导频相位角存入RAM中后，再输入至所述的门限判决器。

7.如权利要求5所述的残余小数倍频偏估计的系统，其特征为在所述边界衰减更新模块之前还包括有存储OFDM符号残余频偏边界值的边界更新存储器。

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