CN103905361A - 一种ofdm系统中的采样频率同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统中的采样频率同步方法，包括：首先利用导频符号得到导频位置上的频域信道估计值；然后对有导频的OFDM符号的信道估计值在频域进行插值；最后，利用相邻的两个有导频的OFDM符号的信道估计值计算采样频偏估计值，用于接收机的采样频率调整。应用本发明，能够提高采样频率同步的准确性。

Description

一种OFDM系统中的采样频率同步方法

技术领域

本申请涉及通信系统中的同步技术，特别涉及一种OFDM系统中的采样频率同步方法。

背景技术

在LTE宽带移动通信系统中，下行链路传输中选择使用OFDM传输方案。OFDM系统的频谱效率高，可以有效地对抗多径干扰，但同时OFDM存在对频偏敏感，对同步要求较严格等缺点。OFDM的同步分为载波同步，采样同步，符号同步三种，其中采样同步是指接收端与发射端的抽样频率一致。

如果OFDM系统的采样不同步，会导致时变的定时偏差，破坏OFDM各个子信道的正交性，降低系统传输的可靠性。目前采样同步的方法包括利用导频和数据进行。

图1给出了LTE系统在常规循环前缀CP(Cyclic Prefix)的条件下，单天线端口时，小区专有导频信号的导频信号结构。其中，横轴方向是时间方向，单位是OFDM符号，纵轴方向是频率方向，单位是子载波。如图1所示，单天线端口时，每个RB(ResourceBlock)中包含4个导频信号，分布在每个RB的第1个和第5个OFDM符号中。两天线端口时，每个天线端口的RB中的导频个数不变。四天线端口时，第一，二天线端口仍然为每个RB含4个导频信号，但第三，四天线端口为每个RB含2个导频信号。

图2为现有LTE系统闭环采样频偏估计及补偿方法框图。如图2所示，在该方案中，接收的数据首先通过数字内插器完成采样频率偏差的补偿，然后去除CP，经过FFT变换后，一路信号送入采样频偏估计器；采样频偏估计器估计接收机与发射机采样频率偏差，然后经由环路滤波器滤除采样频偏估计中的高频分量，再将滤除高频分量的采样频偏估计送入内插控制器；最后，数字内插器在内插控制器控制下完成接收机采样频率的调整，使得接收机采样频率与发射机保持一致。FFT变换后的另一路数据被送入信道估计模块，利用估计的信道对数据进行检测。

对于不同的采样频率同步方法，通常是在采样频偏估计器中有不同的处理。其中，利用导频是采样频率同步一种常用的方法，但要求两个相邻的相同导频位置上的信道特性保持不变（例如图1中要求第1个OFDM符号和第8个OFDM符号上的信道特性不变），因此该方式容易受到导频结构的限制，比如，如果导频很稀疏，而信道变化很快的话，采样同步就会不准确。利用数据进行同步的方法，可以不受导频的限制但复杂度较高。

发明内容

本申请提供了一种OFDM系统的采样频率同步方法，能够提高采样同步的准确性。

一种OFDM系统中的采样频率同步方法，包括：

a、根据接收的导频信号计算导频位置上的频域信道估计值，并对所述频域信道估计值在频域进行插值，得到所述导频信号所在OFDM符号上各个子载波的频域信道估计值；

b、确定相邻的存在导频信号的两个OFDM符号，利用所述两个OFDM符号上在序号为x(1),x(2),…,x(P)的子载波上的频域信道估计值，计算采样频偏估计值

其中，x(1),x(2),…,x(P)为预设的参与频偏估计的子载波的序号，P为一个OFDM符号上的参与频偏估计的子载波个数，

l为所述两个OFDM符号的索引差，N为数据子载波的个数，Ng为CP的长度，整个OFDM的符号长度为N+Ng，

$F_{l,\mathrm{xp}}={\hat{H}}_{i,x\left(p\right)}{{\hat{H}}_{i-1,x\left(p\right)}}^{*},$ *表示取共轭，i和i-l分别为所述两个OFDM符号的索引；

c、根据所述采样频偏估计值调整接收机的采样频率。

较佳地，所述参与频偏估计的子载波为相应OFDM符号上的所有子载波或者部分子载波；或者，所述参与频偏估计的子载波为一个OFDM符号上的导频所在的子载波。

较佳地，在所述步骤a后，通过执行多次步骤b计算出多个采样频偏估计值，对所有采样频偏估计值进行合并得到最终的采样频偏估计值用于步骤c。

较佳地，所述对所有采样频偏估计值进行合并为，对所有采样频偏估计值取均值。

较佳地，第一次执行步骤b时，确定出的所述两个OFDM符号为第1个有导频的OFDM符号和第2个有导频的OFDM符号，根据第1个有导频的OFDM符号和第2个有导频的OFDM符号上的频域信道估计值计算采样频偏估计值；第二次执行步骤b时，确定的所述两个OFDM符号为第3个有导频的OFDM符号和第4个有导频的OFDM符号，根据第3个有导频的OFDM符号和第4个有导频的OFDM符号上的频域信道估计值计算采样频偏估计值；依此循环执行步骤b，直到子帧中所有存在导频的OFDM符号都计算出相应的采样频偏估计值；计算所有的采样频偏估计值的平均值作为所述最终的采样频偏估计值。

由上述技术方案可见，本申请中，首先利用导频符号得到导频位置上的频域信道估计值；然后对有导频的OFDM符号的信道估计值在频域进行插值；最后，利用相邻的两个有导频的OFDM符号的信道估计值计算采样频偏估计值，用于接收机的采样频率调整。通过这种方式，只需要保证相邻的存在导频的两个OFDM符号上信道特性不变，不需要在相隔一个时隙后相同导频所在OFDM符号上信道特性不变，降低了对于信道时变性的要求，能够提高采样同步的准确性。

进一步地，还可以通过本申请的方式计算出多个采样频偏估计值，再进行合并得到最终的采样频偏估计值，从而优化采样频偏估计结果。

附图说明

图1为LTE系统中导频信号结构示意图；

图2为现有LTE系统闭环采样频偏估计及补偿方法框图；

图3为本申请中采样频率同步方法的具体流程图；

图4为LTE系统中按本申请的方法和现有方法进行采样频率同步时下行业务信道的接收性能比较示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请做进一步详细说明。

本申请中的采样频率同步方法总体结构上与图2所示的方法相同，只是采样频偏估计器中的具体处理不同。具体地，本申请中利用信道估计值来进行采样频偏的估计，为利用信道估计值进行相应的计算，需要利用接收的导频信号对导频位置上的信道进行估计，得到导频位置上的频域信道估计值；然后，再对得到的频域信道估计值进行频域插值，得到导频信号所在OFDM符号在全频带各个子载波上的频域信道估计值。

接下来推导利用频域信道估计值计算采样频偏估计值的方式。

假设第i个OFDM符号上第k个导频子载波的接收信号为：

$S_{i,k}=A_{i,k}{H}_{i,k}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i,k}}+U_{i,k}---\left(1\right)$

其中，A_i，k代表第i个OFDM符号第k个子载波承载的复符号，H_i，k代表第i时刻第k个子信道频率响应，φ_i，k为采样误差导致的相位偏移，U_i，k为噪声。

第i-l个OFDM符号的第k个导频子载波接收信号为：

$S_{i-l,k}=A_{i-l,k}{H}_{i-l,k}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i-l,k}}+U_{i-l,k}---\left(2\right)$

假设第i个和第i-l个OFDM符号的信道是不变的，A_i，k和A_i-l，k为导频信号。由于接收端已知导频符号A_i，k和A_i-l,k，因此可以构造估计量：

$E_{l,k}={\left(A_{i,k}\right)}^{*}{S}_{i,k}{\left(S_{i-l,k}\right)}^{*}{A}_{i-l,k}$

$={\left|A_{i,k}\right|}^2{\left|A_{i-l,k}\right|}^2(S_{i,k}/A_{i,k}){(S_{i-l,k}/A_{i-l,k})}^{*}---\left(3\right)$

$={\left|A_{i,k}\right|}^2{\left|A_{i-l,k}\right|}^2{H}_{i,k}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i,k}}{\left(H_{i-l,k}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i-l,k}}\right)}^{*}+U_{l,k}^{\′}$

假设H_i，k和H_i-l,k近似相同，由上式可以得到：

$E_{l,k}={\left|A_{i,k}\right|}^2{\left|A_{i-l,k}\right|}^2{H}_{i,k}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i,k}}{\left(H_{i-l,k}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i-l,k}}\right)}^{*}+U_{l,k}^{\′}$

$={\left|A_{i,k}\right|}^2{\left|A_{i-l,k}\right|}^2{\left|H_k\right|}^2{e}^{j{\mathrm{\φ}}_{i,k}}{e}^{-j{\mathrm{\φ}}_{i-l,k}}+U_{l,k}^{\′}$

$={\left|A_{i,k}\right|}^2{\left|A_{i-l,k}\right|}^2{\hat{H}}_{i,k}{\hat{H}}_{i-l,k}^{*}+U_{l,k}^{\′}---\left(4\right)$

其中

和

为利用导频估计得到的频域信道值，

构造估计量：

$F_{l,k}={\hat{H}}_{i,k}{{\hat{H}}_{i-l,k}}^{*}---\left(5\right)$

其中，*表示取共轭。

在干扰和噪声比较小时，可以推导得到：

arg[F_l，k]＝φ_i，k-φ_i-l,k+γ_l，k(6)

=φ_l(ε)+γ_l，k

其中φ₁(ε)=φ_i，k-φ_i-l,k，ε是需要估计的采样频率偏移，γ_l，k代表由于ICI干扰及复高斯白噪声造成的随机相位旋转，arg[x]是计算x的相位。

可以推出估计的采样频率偏移

为：

其中P为一个OFDM符号上的导频个数，

N为数据子载波的个数，Ng为CP的长度，整个OFDM的符号长度为N+Ng，

和

表示如下：

其中p为导频符号的序号，p=1，2,…P，导频符号的子载波序号为x(1)，x(2),…，x(P)。

由上述可见，通过公式（5）、（7）和（8），就可以利用频域信道估计值计算采样频偏估计值。另外，上述在推导过程中，是假定利用一个OFDM符号上的所有导频所在的子载波x(1)，x(2),…，x(P)参与采样频偏的估计，事实上，在通过频域插值得到OFDM符号上全频域的信道估计值后，对于OFDM符号上的任意子载波都可以应用上述方式进行采样频谱的估计。

下面通过具体实施例说明本申请中采样频率同步的具体实现。图3为采样频率同步方法的具体流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤301，根据接收的导频信号计算导频位置上的频域信道估计值。

步骤302，对频域信道估计值在频域进行插值，得到导频信号所在OFDM符号上各个子载波的频域信道估计值。

步骤303，确定相邻的存在导频信号的两个OFDM符号，利用这两个OFDM符号上的频域信道估计值计算采样频偏估计值。

本步骤中，确定出两个OFDM符号用于进行采样频偏的估计。假定这两个OFDM符号的信道特性相同，并且两个OFDM符号上都有导频信号，且这两个导频信号是时域上相邻的两个导频。例如，在正常CP长度的系统中，第1个OFDM符号和第5个OFDM符号就可以作为上述两个OFDM符号，第8个OFDM符号和第12个OFDM符号也可以作为上述两个OFDM符号。

在确定出两个OFDM符号后，以其中一个OFDM符号为基准，在该基准OFDM符号上确定所有导频信号所在的子载波序号x(1)，x(2),…，x(P)，对应这些子载波，分别根据式（5）计算

一般地，在确定出的两个OFDM符号上，导频信号所在的子载波位置是不同的，因此，子载波序号x(1)，x(2),…，x(P)对于基准OFDM符号是导频信号所在的子载波，而对于另一个OFDM符号，则不是导频信号所在的子载波，相应的频域信道估计值不是直接由导频信号进行信道估计得到的，而是通过对频域信道值的插值得到的。

另外，如前所述，除导频信号所在的子载波外，利用其他子载波上的信道估计值也可以进行采样频偏估计。也就是说，上述序号为x(1)，x(2),…，x(P)的子载波可以是任意预先设定的参与采样频偏估计的子载波，可以是一个OFDM符号的导频所在子载波，或者也可以是一个OFDM符号的所有子载波，或者也可以是一个OFDM符号的部分子载波。

然后，再根据式（8）利用计算出的所有F_l,x(p)计算

和最后，再根据式（7）计算采样频偏估计值

由上述计算得到的采样频偏估计值可以直接用于进行采样频率的调整。或者，优选地，考虑到采样频率一般都是保持一致的，为提高采样频偏估计的准确性，还可以执行多次本步骤，确定出多组两个OFDM符号，用于计算出多个采样频偏估计值，再对所有得到的采样频偏估计值进行合并，得到最终的采样频偏估计值。最简单的合并方式可以是取均值。例如，可以利用第1个OFDM符号和第5个OFDM符号得到一个采样频偏估计值

再利用第8个OFDM符号和第12个OFDM符号得到一个采样频偏估计值

计算

和

的平均值作为最终的采样频偏估计值 $\widehat{\mathrm{\ϵ}}=({\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_2)/2.$

步骤304，利用计算得到的采样频偏估计值进行采样频率的同步调整。

至此，本申请中的采样频率同步方法流程结束。

由于本申请采用信道估计值进行采样同步时，假设相邻的存在导频信号的两个OFDM符号的信道不变，而不再是现有技术中所述的假定相同导频所在的两个OFDM符号上的信道不变（例如，正常CP长度下，本申请中只需要假定第1个OFDM符号和第5个OFDM符号上的信道不变，如果采用现有导频的方法则需要假设第1和第8个OFDM符号上的信道不变），所以本申请更适合高速移动的情形，能够提高采样频率同步的准确性。

图4给出了LTE系统中按照本申请的方法和按照现有方法进行采样频率同步时下行业务信道的接收性能比较示意图。其中，假定采样频偏为20ppm，用户运动速度为250km/h，调制方式为64QAM，理想信道估计。由图4可以看出，本申请提出的采样同步方法进行的下行数据接收非常接近于理想无采样频偏的状态，明显优于现有的利用导频的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种OFDM系统中的采样频率同步方法，其特征在于，包括：

a、根据接收的导频信号计算导频位置上的频域信道估计值，并对所述频域信道估计值在频域进行插值，得到所述导频信号所在OFDM符号上各个子载波的频域信道估计值；

b、确定相邻的存在导频信号的两个OFDM符号，利用所述两个OFDM符号上在序号为x(1),x(2),…,x(P)的子载波上的频域信道估计值，计算采样频偏估计值

其中，x(1),x(2),…,x(P)为预设的参与频偏估计的子载波的序号，P为一个OFDM符号上的参与频偏估计的子载波个数，

l为所述两个OFDM符号的索引差，N为数据子载波的个数，Ng为CP的长度，整个OFDM的符号长度为N+Ng，

$F_{l,k}={\hat{H}}_{i,k}{{\hat{H}}_{i-l,k}}^{*},$ *表示取共轭，i和i-l分别为所述两个OFDM符号的索引；

c、根据所述采样频偏估计值调整接收机的采样频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参与频偏估计的子载波为相应OFDM符号上的所有子载波或者部分子载波；或者，所述参与频偏估计的子载波为一个OFDM符号上的导频所在的子载波。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤a后，通过执行多次步骤b计算出多个采样频偏估计值，对所有采样频偏估计值进行合并得到最终的采样频偏估计值用于步骤c。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所有采样频偏估计值进行合并为，对所有采样频偏估计值取均值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一次执行步骤b时，确定出的所述两个OFDM符号为第1个有导频的OFDM符号和第2个有导频的OFDM符号，根据第1个有导频的OFDM符号和第2个有导频的OFDM符号上的频域信道估计值计算采样频偏估计值；第二次执行步骤b时，确定的所述两个OFDM符号为第3个有导频的OFDM符号和第4个有导频的OFDM符号，根据第3个有导频的OFDM符号和第4个有导频的OFDM符号上的频域信道估计值计算采样频偏估计值；依此循环执行步骤b，直到子帧中所有存在导频的OFDM符号都计算出相应的采样频偏估计值；计算所有的采样频偏估计值的平均值作为所述最终的采样频偏估计值。

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