CN102946372B - Ofdm系统中频偏和时偏的联合估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM系统中频偏和时偏的联合估计方法，其步骤包括：1)在接收端计算出去除调制信息后的子载波间相邻两个载波相位值；2)根据任意相邻两个子载波上的相位值计算出相位旋转得到集合一，在集合一中筛选出多个相位值并求和，得到第一相位和与第二相位和；3)根据第一相位和与第二相位和的关系，建立频偏标识位与载波频率偏差估计值关系，得到频偏估计值；或者建立时偏标识位与采样频率偏差估计值关系，得到时偏估计值；4)重复步骤1)—3)根据时频偏估计值和时偏估计值更新时频估计值。通过多次地对时频偏进行估计，根据每次估计结果对时频偏估计值做步进调整，提高了估计的稳定性和精度。

Description

OFDM系统中频偏和时偏的联合估计方法

技术领域

本发明涉及数字通信领域中的OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)技术，特别涉及OFDM系统中一种低复杂度的载波频率偏差与采样频率偏差的联合估计方法。

背景技术

OFDM技术具有抗多径能力强、频谱利用率高的优点，在现代通信系统中得到了广泛的应用。在实际通信系统中，由于上下变频的载波频率不严格一致或接收机与发射机之间的相对运动会造成载波频率偏差(简称频偏)，另外，由于接收机ADC与发射机DAC之间的时钟信号频率存在偏差会造成采样频率偏差(简称时偏)。频偏和时偏(简称时频偏)会破坏OFDM子载波间的正交性，产生子载波间干扰，严重影响系统性能。因此，在OFDM系统接收机中，需要进行精确的时频偏估计与纠正。

在OFDM通信系统中，时频偏的估计可以利用时域训练序列在时域进行估计，也可以利用OFDM频域子载波上的导频符号在频域进行估计。然而现有的两类估计算法中均存在两个较大的缺点：在有线通信系统或者其他移动性不强的系统中，时频偏通常是一个较为恒定的数值，而现有的两类估计算法的估计精度取决于单次的估计结果，受噪声干扰的影响较大，估计精度以及稳定性较差；另外，现有的估计算法中通常会涉及大量的乘除运算，硬件实现的复杂度较大。

发明内容

本发明为了克服现有时频偏估计算法的不足，提供了OFDM系统中一种载波频率偏差与采样频率偏差的联合估计方法，可有效提高时频偏估计的精度和稳定性，同时算法的复杂度低，易于硬件实现。

本发明的技术方案：OFDM系统中载波频率偏差和采样频率偏差的联合估计方法，其步骤包括：

1)在接收端选取N个采样点进行OFDM解调得到多路子载波，去除所述OFDM子载波中的调制信息，同时计算出去除调制信息后的子载波间相邻两个载波相位值；

2)根据任意相邻两个子载波上的相位值计算出相位旋转得到集合一，在所述集合一中筛选出多个相位值并求和，得到第一相位和与第二相位和；所述第一相位和与第二相位和中相位旋转值对称选取；

3)根据第一相位和与第二相位和的关系，建立频偏标识位与载波频率偏差估计值关系，得到频偏估计值；或者建立时偏标识位与采样频率偏差估计值关系，得到时偏估计值；

4)重复步骤1)—3)根据所述频偏估计值和所述时偏估计值更新时频估计值。

所述第一相位和φ⁺和第二相位和φ^-的关系是：若φ⁺-φ^->2Dc₁，则时偏标识位Flag_T＝+1；若φ⁺-φ^-<-2Dc₁，则Flag_T＝-1；若-2Dc₁≤φ⁺-φ^-≤2Dc₁，则Flag_T＝0；其中c₁为常数，D是集合一中相位旋转挑选出的子载波。

所述时偏标识位与采样频率偏差估计值关系为：若Flag_T连续L次出现+1，则时偏估计值η增加Step_T，即η＝η+Step_T；若Flag_T连续L次出现-1，则时偏估计值η减少Step_T，即η＝η-Step_T，所述Step_T为时偏估计值调整步进。

所述第一相位和φ⁺和第二相位和φ^-的关系是：若φ⁺+φ^->2Mc₂，其中c₂为常数，则频偏标识位Flag_F＝+1；若φ⁺+φ^-<-2Mc₂，则Flag_F＝-1；若-2Mc₂≤φ⁺+φ^-≤2Mc₂，Flag_F＝0；

所述频偏标识位与载波频率偏差估计值关系为：若Flag_F连续L次出现+1，则频偏估计值λ增加Step_F，即λ＝λ+Step_F；若Flag_F连续L次出现-1，则频偏估计值λ减少Step_F，即λ＝λ-Step_F，所述Step_F为频偏估计值的调整步进；频偏估计值增加或者减少的过程即为频偏估计的过程。

更进一步，去除所述OFDM子载波中的调制信息的方法为：通过发送导频信息，利用接收机存储的导频序列对调制信息进行去除；或者通过判决反馈方法进行调制信息的去除；或者通过求幂的方法进行调制信息的去除。

更进一步，所述集合一中筛选出多个相位值时子载波信噪比大于设定门限时。

更进一步，所述集合一中相位旋转挑选出的子载波D，若挑选出子载波结果不变化，则不进行迭代运算。

更进一步，所述常数c₁、c₂决定时频偏估计的精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种OFDM系统中载波频率偏差与采样频率偏差的联合估计方法。该方法在接收端频域内对载波频率偏差和采样频率偏差进行联合估计，本方法通过多次地对时频偏进行估计，根据每次估计结果对时频偏估计值做步进调整，提高了估计的稳定性和精度，另外，本方法中的估计过程所需的乘除法较少，复杂度低，便于硬件实现。

附图说明

图1本发明载波频率偏差与采样频率偏差联合估计的系统框图；

图2本发明中采样频率偏差估计值的更新过程流程图；

图3本发明中载波频率偏差估计值的更新过程流程图；

图4本发明一实例的仿真效果图。

具体实施方式

本发明一实施例中提供了一种OFDM系统中的载波频率偏差与采样频率偏差的联合估计方法，其步骤具体包括：

1)在接收端N点进行FFT变换操作，即实现OFDM解调，去除每个(或部分)OFDM子载波携带的调制信息，并计算其相位值，得到{θ_l,k}，其中l代表子载波中第l个OFDM子载波，k代表第k个OFDM子载波，N代表随机取样点

2)计算由于时频偏引起的相位旋转，得到{φ_k}，其中φ_k＝θ_l+1,k-θ_l,k；

3)按照特定的挑选准则，在{φ_k}且k>0的集合中挑选出M个相位值并对挑选出的相位求和，记作φ⁺；在{φ_k}且k<0的集合中对称地挑选出M个相位值并对挑选出的相位求和，记作φ^-；

4)若φ⁺-φ^->2Dc₁，其中c₁为常数，D＝k₁+k₂+...+k_M，是步骤3)挑选出来的子载波，则时偏标识位Flag_T＝+1；若φ⁺-φ^-<-2Dc₁，则Flag_T＝-1；若-2Dc₁≤φ⁺-φ^-≤2Dc₁，Flag_T＝0；

5)若Flag_T连续L次出现+1，则时偏估计值η增加Step_T，即η＝η+Step_T；若Flag_T连续L次出现-1，则时偏估计值η减少Step_T，即η＝η-Step_T，所述Step_T为时偏估计值的调整步进；时偏估计值增加或者减少的过程即为时偏估计的过程。

6)若φ⁺+φ^->2Mc₂，其中c₂为常数，则频偏标识位Flag_F＝+1；若φ⁺+φ^-<-2Mc₂，则Flag_F＝-1；若-2Mc₂≤φ⁺+φ^-≤2Mc₂，Flag_F＝0；

7)若Flag_F连续L次出现+1，则频偏估计值λ增加Step_F，即λ＝λ+Step_F；若Flag_F连续L次出现-1，则频偏估计值λ减少Step_F，即λ＝λ-Step_F，所述Step_F为频偏估计值的调整步进；频偏估计值增加或者减少的过程即为频偏估计的过程。

8)重复步骤1)到7)，不断更新时频偏估计值。

进一步，所述步骤1)中去除调制信息的方法可以有多种：通过发送导频的方法，利用接收机存储的导频序列进行调制信息的去除；通过判决反馈的方法进行调制信息的去除；利用其它方法，如调制信息的横包络特性，通过求幂的方法进行调制信息的去除。

在本发明一实施例中所述步骤3)中挑选相位的准则可以利用子载波信噪比为准则，只有子载波信噪比大于特定门限时，才能够被选中。

在本发明一实施例中所述步骤4)中D的计算不必每次迭代过程中均运行，若迭代过程中，步骤3)中的选择结果不变，则D不必重复计算，这样可以降低运算量。

在本发明一实施例中所述步骤4)和6)中常数c₁和c₂决定了系统中时频偏估计的精度，实用时需安装系统做合理的选择。

在本发明一实施例中所述步骤5)和7)中时频和频偏的估计值的初始值通常可设为0。同时，为了加快时频偏的估计速度，可以增加一个大步进的调整，以步骤5)时频的调整为例，该大步进调整为：若Flag_T连续L'次(L'>L)出现+1，则时偏估计值增加(Step_T'>Step_T)，即η＝η+Step_T'；若Flag_T连续L'次出现-1，则时偏估计值减少Step_T'，即η＝η-Step_T'。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一个本发明的实施系统包括：时频偏纠正模块1，FFT模块2，去调制信息模块3，求相位模块4，计算φ⁺和φ^-模块5，门限判决模块6以及时频偏估计值更新模块7。

该系统的实现流程为：

1)时频偏纠正模块1根据时频偏估计值更新模块7提供的时频偏估计结果对输入信号在时域进行时频偏纠正。初始时，时频偏估计值为0；

2)FFT模块2将输入信号变换到频域，实现OFDM信号解调。FFT点数为256点，即该OFDM系统含有256个子载波；

3)根据系统中含有特殊的OFDM符号，即子载波采用了DQPSK调制，去调制信息模块3将模块2输出的频域信号4次方去除调制信息；

4)求相位模块4对模块3的输出求相位并除以4，然后将前后两个相邻OFDM的相位相减，求解时频偏引起的相位旋转；

5)模块5对模块4输出的相位值选点，正负子载波各挑选32个子载波，分别求和得到φ⁺和φ^-；

6)门限判决模块6对φ⁺和φ^-进行相减和相加，并将结果与门限做比较，得到时频偏的标示位Flag_T以及Flag_F；

7)时频偏估计值模块7更新模块根据Flag_T以及Flag_F调整时频偏估计值。

具体的，上述时偏估计值的更新过程如图2所示，频偏估计值的更新过程如图3所示。由于两者过程相似，以时偏的调整过程为例，(图3为频偏调整过程，不再进行说明)：Flag_T(-1,0,+1信号)分别输入到长短两个移位寄存器；长移位寄存器长度为15，对该移位器求和，若求和结果为15,则说明连续输入了15个+1，此时对时偏估计值加上一个大步进20ppm，若求和结果为-15，则说明连续输入了15个-1，此时对时偏估计值减去20ppm；短移位寄存器长度为5，对该移位器求和，若求和结果为5,则说明连续输入了5个+1，此时对时偏估计值加上一个小步进4ppm，若求和结果为-5，则说明连续输入了5个-1，此时对时偏估计值减去4ppm；其他情况时，时频估计值不变。

图4给出了本实例的仿真效果图，OFDM各个子载波调制方式为256QAM，其中系统中存在0.4的相对频偏，50ppm的相对时偏。其中(a)图为未进行时频偏估计的星座图，由于受到时频偏的影响各星座点杂乱无序，(b)图为经过本实例中的时频偏估计以及纠正之后的星座图，可以看出本方法能够很好的对时频偏进行估计，去除时频偏对系统的不良影响。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的OFDM系统的载波频率偏差与采样频率偏差的联合估计方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (4)

1.OFDM系统中频偏和时偏的联合估计方法，其步骤包括：

1)在接收端选取N个采样点进行OFDM解调得到多路子载波，去除所述OFDM子载波中的调制信息，同时计算出去除调制信息后的子载波间相邻两个载波相位值；

2)根据任意相邻两个子载波上的相位值计算出相位旋转得到集合一，在所述集合一中筛选出多个相位值并求和，得到第一相位和φ⁺与第二相位和φ^-；所述集合一中筛选出多个相位值时子载波信噪比大于设定门限，所述第一相位和φ⁺与第二相位和φ^-中相位旋转值对称选取；

3)根据第一相位和φ⁺与第二相位和φ^-的关系，建立频偏标识位与载波频率偏差估计值关系，得到频偏估计值；建立时偏标识位与采样频率偏差估计值关系，得到时偏估计值；所述第一相位和φ⁺和第二相位和φ^-的关系是：若φ⁺-φ^->2Dc₁，则时偏标识位Flag_T＝+1；若φ⁺-φ^-<-2Dc₁，则Flag_T＝-1；若-2Dc₁≤φ⁺-φ^-≤2Dc₁，则Flag_T＝0；其中c₁为常数，D是第一相位和中相位旋转值对应的子载波编号之和；所述时偏标识位与采样频率偏差估计值关系为：若Flag_T连续L次出现+1，则时偏估计值η增加Step_T，即η＝η+Step_T；若Flag_T连续L次出现-1，则时偏估计值η减少Step_T，即η＝η-Step_T，所述Step_T为时偏估计值调整步进；若φ⁺+φ^->2Mc₂，其中c₂为常数，M是第一相位和中相位旋转值的个数，则频偏标识位Flag_F＝+1；若φ⁺+φ^-<-2Mc₂，则Flag_F＝-1；若-2Mc₂≤φ⁺+φ^-≤2Mc₂，Flag_F＝0；所述频偏标识位与载波频率偏差估计值关系为：若Flag_F连续L次出现+1，则频偏估计值λ增加Step_F，即λ＝λ+Step_F；若Flag_F连续L次出现-1，则频偏估计值λ减少Step_F，即λ＝λ-Step_F，所述Step_F为频偏估计值的调整步进；频偏估计值增加或者减少的过程即为频偏估计的过程；

4)重复步骤1)—3)根据所述频偏估计值和所述时偏估计值更新时频估计值。

2.如权利要求1所述的频偏和时偏的联合估计方法，其特征在于，去除所述OFDM子载波中的调制信息的方法为：通过发送导频信息，利用接收机存储的导频序列对调制信息进行去除；或者通过判决反馈方法进行调制信息的去除；或者通过求幂的方法进行调制信息的去除。

3.如权利要求1所述的频偏和时偏的联合估计方法，其特征在于，所述集合一中相位旋转挑选出的子载波D，若挑选出子载波结果不变化，则不进行迭代运算。

4.如权利要求1所述的频偏和时偏的联合估计方法，其特征在于，所述常数c₁、c₂决定时频偏估计的精度。