CN103248596A - Ofdm系统中残留时频偏的联合修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法及系统，修正方法为：1）在接收端进行OFDM解调，去除子载波所携带的调制信号信息，得到仅由残留时频偏引起的符号相位旋转；2）设定优选原则，选取OFDM符号的若干正负频点形成正负频点集合；3）根据集合中正频点相位和与负频点相位和的关系，建立残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系得到残留频偏估计值；或者建立残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系得到残留时偏估计值；4）采用频偏估计值和时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值，完成修正。本发明的方法提高了修正的稳定性和精度，减少了单次估计错误的影响，有效防止了误差的累积，提升了系统性能。

Description

OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法及系统

技术领域

本发明涉及数字通信领域中的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术，特别涉及OFDM系统中一种低复杂度的残留载波频率偏差与采样时钟偏差的联合修正方法及系统。

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。

在OFDM通信系统中，如果只在时域或频域做一次时频偏的估计和修正，估计或修正稍有偏差，或由于采样时钟受环境影响，产生的微小偏差会随时间积累，最终造成很大的误码，使系统性能下降。为减小单次估计修正误差的影响，常使用迭代更新的办法跟踪估计和修正，从而不断的消除防止误差累积。如：专利申请OFDM系统中采样频率残留偏差的修正方法及系统，申请号：200910082183.5，公开了一种OFDM系统中采样频率残留偏差的修正方法及系统，在去除调制信息的OFDM符号中选取多个频点，并对选取的频点计算相位曲线进而对信道估计值进行修正，利用修正后的信道估计值对下一个接收到的OFDM符号进行均衡。避免了由于时频偏误差累积造成系统误码性能的下降，提高了OFDM系统的性能。

然而在有线通信系统或者其他移动性不强的系统中，时频偏的估计精度通常较为固定，因此残留的时频偏通常也较为固定。现有的估计算法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加运算，硬件实现的复杂度较大。

发明内容

本发明克服了现有残留时频偏修正算法的不足，提供了OFDM系统中一种残留时频偏的联合修正方法，可稳定有效的消除残留时频偏，同时算法的复杂度明显降低，易于硬件实现。

本发明的技术方案：OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，步骤包括：

1）在接收端进行OFDM解调，去除子载波所携带的调制信号信息，得到仅由残留时频偏引起的OFDM符号相位旋转；

2）根据设定的优选原则，选取所述OFDM符号的若干正负频点形成正负频点集合；

3）根据所述集合中正频点相位和与负频点相位和的关系，建立残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系得到残留频偏估计值；

或者建立残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系得到残留时偏估计值；

4）采用所述频偏估计值和所述时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值，完成修正。

更进一步，根据步骤4）中更新的信道估计值对下一个接收到的OFDM符号进行均衡。

更进一步，采用反馈环的方法，利用当前修正后的信道估计值对接收到的下一个OFDM符号进行均衡，从而形成反馈环路。

更进一步，所述设定的优选原则为：选取的频点为频域OFDM符号中的中间频带的频点或者选取的子载波信噪比大于设定门限；且正负频的中心频点关于零频对称；

更进一步，所述去除子载波所携带的调制信号信息的步骤为：将接收端星座解映射并进行信道解码后的二进制序列，重新进行相应的信道编码并映射为符号序列，且每个OFDM符号序列中的映射方式与其解映射的方式相对应，然后求解重新映射后的符号与相应的均衡之后解映射之前符号的相位旋转。

更进一步，所述步骤2)中，从OFDM符号相位旋转{φ_k}中，挑选出M个正频点相位集合

，并求和为φ⁺；同时对称的挑选出M个负频点相位集合

并求和为φ^-；其中k₁、k₂、...、k_M为子载波编号。

更进一步，所述正频点相位和φ⁺和负频点相位和φ^-的关系为：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D=k1+k2+...+kM，为挑选出的正子载波号之和，c₁为常数。

更进一步，所述残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系为：若Flag_T连续L次出现+1，则残留时偏估计值λ增加Step_T，即λ=λ+Step_T；若Flag_T连续L次出现-1，则残留时偏估计值λ减少Step_T，即λ=λ-Step_T，所述Step_T为残留时偏估计值调整步进。残留时偏估计值增加或者减少的过程即为残留时偏估计的过程。

更进一步，所述正频点相位和φ⁺和负频点相位和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；其中M为挑选出的正（或负）子载波个数，c₂为常数。

更进一步，所述残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系为：若Flag_F连续L次出现+1，则残留频偏估计值η增加Step_F，即η=η+Step_F；若Flag_F连续L次出现-1，则残留频偏估计值η减少Step_F，即η=η-Step_F，所述Step_F为残留频偏估计值的调整步进；残留频偏估计值增加或者减少的过程即为残留频偏估计的过程。

更进一步，采用所述频偏估计值和所述时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值H_new=H_old×e^j(λ·ik+η)，其中，H_old是用于当前数据符号均衡的信道估计值，H_new为即将用于对下一帧数据符号均衡的信道估计值，λ为残留时偏（相位斜率），η为残留频偏（相位截距），k为一个OFDM符号中各个子载波的频域序号。

在本发明中假设初始残留的时频偏为零，即相位旋转斜线重叠于x轴。在接收到第一个OFDM符号时，根据正负频点相位和的信息，判断真实旋转斜线的斜率是大于零还是小于零，进而决定将该斜线旋转一个正的或者负的角度；判断真实旋转斜线的截距是大于零还是小于零，进而决定将该斜线往上或者往下搬移一个幅度。然后利用第二个OFDM符号正负频点相位和的信息，判断第二个符号的旋转斜线与第一个符号的旋转斜线，斜率和截距相差是否超过相应的门限，以决定是否将相位旋转斜线旋转和搬移相应的步进。后继符号不断重复上述过程以保证信道的持续修正。

更进一步，所述常数c₁、c₂决定时频偏估计的精度。

更进一步，所述常数Step_T、Step_F决定了时频偏修正的速度和精度。

本发明还提供一种OFDM系统中残留时频偏的联合修正系统，包括：

用于在接收端进行OFDM解调，去除子载波所携带的调制信号信息，得到仅由残留时频偏引起的OFDM符号相位旋转的模块；

用于根据设定的优选原则，选取所述OFDM符号的若干正负频点形成正负频点集合的模块；

用于根据所述集合中正频点相位和与负频点相位和的关系，建立残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系得到残留频偏估计值的模块；

或者建立残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系得到残留时偏估计值的模块；

用于采用所述频偏估计值和所述时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值，完成修正的模块。

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系统中残留时频偏的联合修正方法。该方法在接收端频域内对残留的载波频率偏差和采样时钟偏差进行联合估计，进一步利用该残留偏差对信道估计值进行修正，并且采用反馈环的方法将当前修正值用于下一个OFDM符号的均衡。由于采用多次估计，根据多次估计结果对信道估计值进行步进式调整，提高了修正的稳定性和精度，减少了单次估计错误的影响，有效防止了误差的累积，提升了系统性能。另外，本方法中的估计过程所需的乘加运算较少，复杂度低，易于硬件实现。

附图说明

图1是本发明OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法一实施例中残留时频偏联合估计的系统示意图；

图2是本发明OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法一实施例中残留时频偏估计值的更新过程流程示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)是本发明OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法一实例中的仿真星座图。

具体实施方式

本发明一实施例中提供了一种OFDM系统中的残留时频偏的联合修正方法，其步骤具体包括：

1)在接收端进行FFT变换操作，即实现OFDM解调，去除各OFDM子载波携带的调制信息。去除调制信息的方法可以为：将接收端星座解映射并进行信道解码后的二进制序列，用相对应的方式重新进行信道编码并映射为符号序列。然后求解重新映射后的符号与相应的均衡之后解映射之前的符号的相位之差，这样即可得到残留时频偏引起的信道相位旋转{φ_k}k代表第k个OFDM子载波，，N代表子载波个数。

2)按照特定的挑选准则，在上诉残留信道相位旋转{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^-。其中k₁、k₂、...、k_M为子载波编号。

3)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，Flag_T=0；其中D=k₁+k₂+...+k_M，为挑选出的正子载波号之和，c₁为常数。

4)若Flag_T连续L次出现+1，则残留时偏估计值λ增加Step_T，即λ=λ+Step_T；若Flag_T连续L次出现-1，则残留时偏估计值λ减少Step_T，即λ=λ-Step_T，所述Step_T为残留时偏估计值的调整步进；残留时偏估计值增加或者减少的过程即为残留时偏估计的过程。

5)若φ⁺+φ^->2Mc₂，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；其中M为挑选出的正（或负）子载波个数，c₂为常数。

6)若Flag_F连续L次出现+1，则残留频偏估计值η增加Step_F，即η=η+Step_F；若Flag_F连续L次出现-1，则残留频偏估计值η减少Step_F，即η=η-Step_F，所述Step_F为残留频偏估计值的调整步进；残留频偏估计值增加或者减少的过程即为残留频偏估计的过程。

7)根据所述残留频偏估计值和所述残留时偏估计值，更新信道估计值。对信道估计值进行修正的方法可以为：H_new=H_old×e^j(λ·k+η)，其中，H_old是用于对当前数据符号均衡的信道估计值，H_new为即将用于下一帧数据符号均衡的信道估计值，λ为残留时偏（相位斜率），η为残留频偏（相位截距），k为子载波的频域序号。信道估计值一直在不断地进行修正，当前修正后的H_new会变成下一次修正所使用的H_old。

8)信道均衡采用反馈环的方法，利用修正后的信道估计值对接收到的下一个OFDM符号进行均衡，从而形成反馈环路。

9)重复步骤1)到8)，不断更新残留时频偏估计值，修正信道相位估计值，进而对下一个接收到的OFDM符号进行均衡。

在本发明一实施例中所述步骤2)优选频点选取原则可以为：在每个频域OFDM符号中，由于边缘频带和零频附近都容易受到干扰，因此不宜选择，而选择频带中间的频点。比如，可以选择位于正频率中间频带的M个连续点和负频率中间频带的M个连续点，M大约为有效子载波个数的1/4左右，且选取的正负频率的点关于零频对称。

在本发明一实施例中所述步骤3)和5)中常数c₁和c₂决定了系统中残留时频偏估计的精度，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4)和6)中残留时频和频偏的估计值的初始值通常可设为0。所述常数L决定了残留时频偏修正的速度，Step_T和Step_F决定了修正的精度，这两个参数可根据需要配合调整。

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，OFDM解调模块2，信道均衡模块3，去调制信息模块4，频点信道相位旋转5，计算φ⁺和φ^-模块6，门限判决模块7，残留时频偏估计值更新模块8和信道修正模块9。

该系统的实现流程为：

1)时频偏纠正模块1根据系统估计的时频偏结果对输入信号在时域进行时频偏纠正；这个模块只是保证系统时频偏已经做过修正，对相位旋转的影响仅来自于未修正干净的残余的时频偏；

2)OFDM解调模块2可通过FFT将输入信号变换到频域，FFT的点数等于OFDM系统所含子载波数；

3)信道均衡模块3可使用信道估计值对信号进行频域均衡，；

4)去调制信息模块4通过将解映射前的符号与重新映射后的符号相位求差，去处调制信息，得到残留时频偏引起的信道相位旋转；

5)频点信道相位旋转5完成对模块4的相位值选点，正负子载波中心频点处各选取约1/4总点数个频点；

6)计算φ⁺和φ^-模块6对模块5，按正负频点集，分别求和得到正负频点相位和φ⁺和φ^-；

7)门限判决模块7对φ⁺和φ^-进行相减和相加，并将结果与门限做比较，得到残留时频偏修正的标示位Flag_T以及Flag_F；

8)残留时频偏估计值更新模块8根据模块7的结果Flag_T以及Flag_F，调整残留时频偏估计值；

9)信道修正模块9根据模块8的输出残留时频偏估计值，对下一个符号均衡所需的信道估计值进行修正。

具体的，上述残留时频偏估计值的更新过程如图2所示。Flag（-1,0,+1之一）输入到长长度为L的移位寄存器，对该移位器求和，若求和结果为L，则说明连续输入了L个+1，此时对残留时频偏估计值加上一个步进Step；若求和结果为-L，则说明连续输入了L个-1，此时对残留时频偏估计值减去Step；其他情况时，残留时频偏估计值不变。

图3（a）—图3（c）给出了本发明一实例的仿真星座图。OFDM各个子载波调制方式均为256QAM，系统存在0.5的相对频偏，50ppm的相对时偏。其中图3(a)图为未修正残留时频偏的星座图，图中展示了200000个原始数据点（25000个符号）。由于受到残留时频偏的影响，星座点发生了较大的旋转，且有些弥散。图3(b)图展示了相同仿真条件下的500000个原始数据点（62500个符号）。由于未修正残留时频偏，随着时间的积累，即数据符号点的增多，星座点旋转角度越来越大最终连到一起，无法解调。图3(c)图为经过本实例中的残留时频偏联合修正之后的星座图。可以看出，星座点清晰，信噪比高，解调准确。由此可以看出，本方法能够很好的对残留时频偏的影响进行去除，有效消除残留时频偏因时间累积对系统造成的影响，具有良好的实用性。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，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 (11)

1.一种OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其步骤为：

1）在接收端进行OFDM解调，去除子载波所携带的调制信号信息，得到仅由残留时频偏引起的OFDM符号相位旋转；

2）根据设定的优选原则，选取所述OFDM符号的若干正负频点形成正负频点集合；

3）根据所述集合中正频点相位和与负频点相位和的关系，建立残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系得到残留频偏估计值；或者建立残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系得到残留时偏估计值；

4）采用所述频偏估计值和所述时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值，完成修正。

2.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，根据所述步骤4）中更新的信道估计值对下一个接收到的OFDM符号采用反馈环的方法进行均衡。

3.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述设定的优选原则为：选取的频点为频域OFDM符号中的中间频带的频点或者选取的子载波信噪比大于设定门限；且正负频的中心频点关于零频对称。

4.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述去除子载波所携带的调制信号信息的步骤为：将接收端星座解映射并进行信道解码后的二进制序列，重新进行相应的信道编码并映射为符号序列，且每个OFDM符号序列中的映射方式与其解映射的方式相对应，再求解重新映射后的符号与相应的均衡之后解映射之前符号的相位旋转。

5.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述步骤2)中，从OFDM符号相位旋转{φ_k}中，挑选出M个正频点相位集合

并求和为正频点相位和φ⁺；同时对称的挑选出M个负频点相位集合

并求和为负频点相位和φ^-；其中k₁、k₂、...、k_M为子载波编号。

6.如权利要求5所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述正频点相位和φ⁺和负频点相位和φ^-的关系为：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D=k1+k2+...+kM，为挑选出的正子载波号之和，c₁为常数。

7.如权利要求5所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述正频点相位和φ⁺和负频点相位和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；其中M为挑选出的正或负子载波个数，c₂为常数。

8.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系为：若时偏标识位Flag_T连续L次出现+1，则残留时偏估计值λ增加Step_T，即λ=λ+Step_T；若Flag_T连续L次出现-1，则残留时偏估计值λ减少Step_T，即λ=λ-Step_T，所述Step_T为残留时偏估计值调整步进。

9.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，所述残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系为：若频偏标识位Flag_F连续L次出现+1，则残留频偏估计值η增加Step_F，即η=η+Step_F；若Flag_F连续L次出现-1，则残留频偏估计值η减少Step_F，即η=η-Step_F，所述Step_F为残留频偏估计值的调整步进。

10.如权利要求1所述的OFDM系统中残留时频偏的联合修正方法，其特征在于，采用所述频偏估计值和所述时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值H_new=H_old×e^j(λ·ik+η)，其中，H_old是用于当前数据符号均衡的信道估计值，H_new为即将用于对下一帧数据符号均衡的信道估计值，λ为残留时偏，η为残留频偏，k为一个OFDM符号中各个子载波的频域序号。

11.一种OFDM系统中残留时频偏的联合修正系统，包括：

用于在接收端进行OFDM解调，去除子载波所携带的调制信号信息，得到仅由残留时频偏引起的OFDM符号相位旋转的模块；

用于根据设定的优选原则，选取所述OFDM符号的若干正负频点形成正负频点集合的模块；

用于根据所述集合中正频点相位和与负频点相位和的关系，建立残留时偏标识位与载波频率偏差估计值关系得到残留频偏估计值的模块；

或者建立残留频偏标识位与采样频率偏差估计值关系得到残留时偏估计值的模块；

用于采用所述频偏估计值和所述时偏估计值对信道估计值进行联合修正，得到更新的信道估计值，完成修正的模块。

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