CN104184688B - 一种基于模糊函数的ofdm信号参数估计方法 - Google Patents
一种基于模糊函数的ofdm信号参数估计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明请求保护一种基于模糊函数的OFDM(正交频分复用)信号参数估计方法，属于信号处理技术领域。该方法通过计算OFDM信号的平均模糊函数，发现该函数的时延切面和频率切面都有峰值出现，根据这些峰值之间的距离可以估计符号周期和有用符号周期，并用符号周期减去有用符号周期可以得到循环前缀长度。实验仿真验证了理论分析的正确性。采用本方法进行估计时，对接收的信号可以不需经过下变频处理，在非合作通信领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体是一种基于模糊函数的OFDM信号参数估计方法。
背景技术
OFDM(正交频分复用)信号作为4G(第四代移动通信)核心技术之一，其循环前缀的存在，可以很好的克服多径干扰和码间干扰，又由于其子载波频谱是相互重叠的，所以频谱利用率在很大程度上得了到提高，这些优点的存在使得OFDM信号广泛地用于军事通信和民用通信。在处理OFDM信号前先要进行一些参数估计，本发明可以对接收信号直接进行参数盲估计。
文献(Liu Peng,Li Bing-bing,Lu Zhao-yang.A Blind Time-parametersEstimation Scheme for OFDM in Multi-path Channel[C].Wireless Communications,Networking and Mobile Computing,2005.)采用相关法对系统的一些参数进行估计，但前提条件是信号已经取得同步。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对在衰落信道下，OFDM时域参数估计问题，提出一种基于模糊函数OFDM的参数估计方法，该方法能估计的参数有符号周期Ts、有用符号周期Tu以及循环前缀长度Tcp。该信号的模糊函数的频率切面和时延切面都有峰值出现，根据这些峰值之间的距离可以估计符号周期和有用符号周期。
下面介绍一下本发明所用到的基本函数。
在实际的OFDM系统的发送端，系统将要串行传送的数据流变换成N路的并行数据流，使得高速流数据进行低速传输。在理想情况下，设时间t是连续的，则基带OFDM信号表达式为：
其中sm,k表示第k个OFDM符号上的第m子载波上的调制符号；△fM为两个相邻子载波之间的频偏；M表示子载波的个数，子载波调制方式有MPSK、MQAM等；pT(t)为脉冲成型函数；OFDM符号长度为Ts＝Tu+Tcp，Tu＝1/△fM表示有用符号长度，Tcp表示循环前缀长度。在实际应用中，OFDM信号用IFFT进行调制，时域信号生成过程如图1所示。
由图1可知，OFDM信号还可以表示为：
s(t)＝∑kdkqT(t-kTs) (2)
其中：dk表示经过IFFT变换的序列；qT(t)表示脉冲成型滤波器。
假设OFDM信号经过L阶信道后的数学表达式为：
其中：hl表示第l径信道响应；τl表示第l径传播时延；n(t)是均值为零，方差为的复高斯白噪声。
模糊函数的定义如下：
设信号长度为N，将式(2)代入到式(4)可得OFDM信号的模糊函数为：
其中：-∞<f<∞；是延迟时间，i＝0,1,…,N-1表示离散延迟的点数；
本发明所采用的技术方案是：一种基于模糊函数的OFDM信号参数估计方法，包括将接收到的OFDM信号分成段数为MF的长度相等的信号rn(t)，并且保证每段信号rn(t)长度至少为一个OFDM符号周期；计算每段信号rn(t)的平均模糊函数xn(τ,f)2；将所得到的MF个模糊函数累加求平均得到其均值函数D(τ,f)；根据均值函数D(τ,f)的频率切面函数D(0,f)峰峰值之间的距离估计OFDM信号的符号周期或/和根据均值函数D(τ,f)的时延切面函数D(τ,0)峰峰值之间的距离估计OFDM信号的有用符号周期
进一步地，在估计出符号周期和有用符号周期后，还可以包括用估计的所述符号周期减去所述有用符号周期得到循环前缀长度即
根据以上描述，本发明利用接收信号(不需要下变频)的平均模糊函数来估计参数，由图2可知，在信号的模糊函数上可以看到有很多峰值，根据这些峰峰值之间的距离来估计信号的符号周期以及有用符号周期。
本发明利用模糊函数频率方向上的峰值之间的距离来估计符号周期由于在OFDM信号的有用符号周期长度等于时延时模糊函数才会有峰值，因此可以提取信号的模糊函数时延切面，并根据切面上峰峰值之间的距离来估计有用符号周期最后将估计得到的符号周期减去有用符号周期就可得到循环前缀长度
本发明将接收信号分段，然后用分别求平均模糊函数的方法来减小随机噪声的影响，因此该方法在低信噪比下能够取得较好的识别效果。接收信号可以不经过下变频处理，可直接计算其模糊函数来估计符号周期、有用符号周期以及循环前缀长度三个参数。本发明在低信噪比下能够很好的完成OFDM信号的符号周期、有用符号周期及循环前缀长度的估计，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为OFDM发送端系统图；
图2为OFDM信号的模糊函数三维图；
图3为本发明基于模糊函数OFDM参数估计算法流程图；
图4为OFDM信号的符号周期估计样本图；
图5为OFDM信号的有用符号周期估计样本图；
图6为SUI-1信道的符号周期Ts和有用符号周期Tu正确估计率图；
图7为累加10次不同信号长度Ts和Tu的正确估计率图；
图8为Ts和Tu估计性能在SUI-1和高斯信道中对比图。
具体实施方式
现结合附图及具体实施方式对实现本发明提出的基于模糊函数的OFDM信号参数估计的技术方案进行具体描述。
由于OFDM信号是随机过程信号，为了更好的在低信噪比下估计其参数，需要分析和讨论它的平均模糊函数。平均模糊函数的表达式如下：
x(τ,f)2＝E[x(τ,f)x*(τ,f)] (7)
将式(5)代入到式(7)，可得
其中：E[·]表示取均值；*表示取共轭；为式(6)；N表示信号长度；i表示离散时延；dk表示经过IFFT变换的序列；y＝j2πfTs，f表示频率，Ts表示OFDM符号周期。
理想情况下，OFDM信号子载波之间是相互正交的，则，当i＝0或i＝M时，当i为其他时，因此，假设第三项和第四项都为0，在只考虑一、二项有值的情况下，根据延迟不同，可以将式(8)简化为：
上面的i和τ是等价的，只不过i表示离散的时延，τ表示连续的时延，所以根据离散时延i的不同分析OFDM信号的平均模糊函数。由式(9)可知，
1)当i＝0，f＝1/Ts时，
从式(10)中可知，在OFDM平均模糊函数的频率方向上出现等间隔的峰值，且这些峰值之间距离为OFDM符号周期的倒数，因此可以在切面函数xq(0,f)2上估计OFDM信号的符号周期。
2)当f＝0，i＝M时，
从式(11)可以看出，在OFDM信号的平均模糊函数的时延方向上的τ＝Tu处出现峰值，因此可以以此来估计OFDM信号的有用符号周期。
为了抑制随机噪声对平均模糊函数的影响，将接收到的OFDM信号分长度相等段数，设分段数为MF，每一段数据必须保证至少有一个OFDM符号的长度，对每段数据根据式(8)分别求平均模糊函数，再对它们累加求平均以达到减小噪声的干扰。设第n段的平均模糊函数为xn(τ,f)2，则累加平均后的结果为D(τ,f)，所以有
如图3所示，下面举例说明基于模糊函数的OFDM信号参数估计的具体步骤：
步骤1：将接收到的OFDM信号分成段数为MF长度相等的信号rn(t)，并且保证每段信号rn(t)长度至少为一个OFDM符号周期；
步骤2：计算每段信号rn(t)的平均模糊函数xn(τ,f)2；
步骤3：重复步骤1和步骤2，将得到MF个平均模糊函数，累加求平均得到D(τ,f)；
步骤4：根据切面函数D(0,f)峰峰值之间的距离估计OFDM信号的符号周期
步骤5：根据切面函数D(τ,0)峰峰值之间的距离估计OFDM信号的有用符号周期
步骤6：用估计的符号周期减去估计的有用符号周期得到循环前缀长度即
为了验证理论分析和推导的正确性，做了以下仿真实验。
实验1，按照IEEE802.11a标准产生OFDM信号，子载波个数为64，采用的调制方式为QPSK调制，抽样速率为20MHz，符号周期Ts＝4μs(80chip)，IFFT变换周期Tu＝3.2μs(64chip)，循环前缀长度Tcp＝Tu/4＝800ns(16chip)，比特速率为6Mb/s，子载波间隔为312.5kHz。信道为SUI-1信道和高斯信道两种。
表1 SUI-1信道模型
| 路径 | 1 | 2 | 3 |
| 时延(μs) | 0 | 0.4 | 0.9 |
| 功率(dB) | 0 | -15 | -20 |
| K因子 | 4 | 0 | 0 |
| 多普勒频偏(Hz) | 0.4 | 0.3 | 0.5 |
将OFDM信号经过SUI-1信道，信噪比为5dB。观测窗时间长度为2ms，将接收到的数据分10段等长的数据分别求模糊函数进行累加，即每段长为0.2ms。信号的模糊函数三维立体图如图2所示。观测图2可知，在信号的有用符号周期和符号周期的倒数处有峰值存在。图4是时延为0的模糊函数切面样本图，即函数D(0,f)的仿真图，由图4中可知，在估计到的频率时出现峰值，也就是说可以估计的符号周期同样在频率为0的切面函数D(τ,0)上可以看出在τ＝Tu处，该切面出现了峰值，因此可以用来估计OFDM信号的有用符号周期，切面函数D(τ,0)的样本图如图5所示。
实验2，该部分实验是对基于模糊函数的OFDM信号参数估计的性能仿真，仿真的信道为SUI-1，信噪比为[-15dB 5dB]，每一小段数据为800chip，分别累加10次和20次，其他仿真条件如实验1。由图6可知，在固定的每一小段时间内，累加次数越多，正确估计率也就越高；在同一观察时间内OFDM符号周期Ts的正确估计率要高于有用符号周期Tu，大约为5dB，这是因为OFDM模糊函数切面D(τ,0)上的峰值幅度要小于切面D(0,f)上的，更加容易受到噪声的影响。
实验3，在SUI-1信道下，累加次数都为10，数据长度别为800chip和1600chip，其他仿真条件如实验1。图7为OFDM信号的Ts和Tu正确估计率，如图7可知，数据长度为1600chip的正确估计率要大于长度为800chip，大约为1dB，并且Ts的正确估计率要高于Tu的正确估计率。
实验4，图8为高斯信道和SUI-1信道下Ts和Tu正确估计性能对比图，采用的累积次数为20，每段数据长度800chip，其他仿真条件如实验1。从图8中可知，高斯信道下，有用符号周期Tu的正确估计率明显大于SUI-1信道下的正确率，而Ts的正确估计率基本一致。
Claims (2)
1.一种基于模糊函数的OFDM信号参数估计方法，其特征在于：将接收到的OFDM信号分成段数为MF的长度相等的信号rn(t)；计算每段信号rn(t)的平均模糊函数xn(τ,f)2；将所得到的MF个平均模糊函数累加求平均得到其均值函数D(τ,f)；根据均值函数D(τ,f)的频率切面函数D(0,f)峰峰值之间的距离估计OFDM信号的符号周期根据均值函数D(τ,f)的时延切面函数D(τ,0)峰峰值之间的距离估计OFDM信号的有用符号周期在估计出符号周期和有用符号周期后，用估计的符号周期减去估计的有用符号周期得到循环前缀长度即
所述平均模糊函数xn(τ,f)2为
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其中：E[·]表示取均值；*表示取共轭；N表示信号长度；i表示离散时延；dk表示经过IFFT变换的序列；y＝j2πfTs，f表示频率，Ts表示OFDM符号周期。
2.根据权利要求1所述一种基于模糊函数的OFDM信号参数估计方法，其特征在于：所述信号rn(t)长度至少为一个OFDM符号周期。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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