CN104506477A - 低信噪比下ofdm系统的多门限自适应检测与估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法。通过对不同的信噪比区间设置不同的峰值平台检测门限，减小了系统的检测时间，提高了系统的检测精度，降低了系统的估计误差，既可以保证低信噪比下系统的正常工作，也可以提升信噪比较高时系统帧检测和频偏估计的性能。本发明的方法包括：接收端基带信号输入到延迟自相关运算器单元计算出延迟自相关值；将输出结果并行输入到N个多门限自适应处理器单元，根据不同门限进行处理；将输出结果输入到选择输出器单元，得到最优的帧头定位值和频偏估计值；将输出结果输入到定位帧头和补偿频偏单元，从而定位帧头的位置，并对频偏进行补偿。

Description

低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法。

背景技术

作为新一代移动通信的核心技术，正交频分复用(OFDM)因其优异的性能而受到广泛的关注和研究。然而，该项技术也存在固有缺陷，对频偏敏感就是该项技术的一个主要问题。为了获得高的频偏估计精度和大的频偏估计范围，很多相关的研究成果相继提出。其中，T.M.Schmidl和D.C.Cox所提出的延迟自相关算法(S&C算法)就是一个经典的解决方案。S&C算法在一个OFDM符号内采用两重复结构，可以同时实现帧检测和频偏估计。然而，两重复结构限制了该算法的频偏估计范围，为了解决该问题，M.Morelli和U.Mengali提出了一种改进算法(M&M算法)，通过增加单个OFDM符号中结构上的重复次数，从而有效地扩大了频偏估计的范围。基于这种重复结构的思想，针对不同的系统要求，相应地出现了许多估计算法。

但是，这些算法为了节省系统开销，通常只使用1～2个OFDM符号作为前导符号。在信噪比较高的情况下，基于这些算法所获得的峰值平台较明显，因此可以很好地完成帧检测和频偏估计。然而当信噪比较低时，特别是对于码分多址(CDMA)技术与OFDM技术相结合的情况，扩频之后系统的信噪比将根据扩频处理增益的不同而有较大幅度的下降，此时有效信号通常会淹没在噪声之中，峰值平台将受到噪声的严重干扰，这不仅制约了帧检测的灵敏度，更降低了频偏估计的精确度。而且，随着当前无线电设备的日益增多，电磁环境越来越复杂，实际工作中的信噪比通常在一个较大的范围内不断地波动变化。那么，传统的延迟自相关算法中，针对特定峰值门限连续计数的方法已经不能适应该情况，需要设计新的方法来确保在不同的信噪比下能够根据实际情况的变化自适应地调整门限，从而提高帧检测和频偏估计的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法，采用设置多个不同门限的方式以提高信噪比大范围波动情况下的帧检测与频偏估计精度，并通过增加用于检测与估计的前导符号的数目来提升对抗低信噪比的能力，从而保证OFDM系统在低信噪比下依然能够获得有效的帧检测与频偏估计。

一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法，包括：

接收端基带信号输入到延迟自相关运算器单元，计算出延迟自相关值；

将得到的延迟自相关值并行输入到N个多门限自适应处理器单元，根据这些多门限自适应处理器单元的不同门限对输入的延迟自相关值进行处理；

N路多门限自适应处理器单元的输出结果输入到选择输出器单元，得到最优的帧头定位值和频偏估计值；

将所获得的帧头定位值和频偏估计值输入到定位帧头和补偿频偏单元，从而定位帧头的位置，并对频偏进行补偿。

所述的延迟自相关运算器，具体为：

根据系统信噪比要求确定前导序列中连续重复的OFDM符号的个数K，并进一步确定相关累积长度L，L值越大则系统对抗低信噪比的能力越强；

根据系统频偏估计范围要求确定前导序列中每个OFDM符号的重复结构，并进一步确定延迟点数D，D值越小则频偏估计范围越大；

接收端基带信号序列r(n)按照计算出延迟自相关函数值C′(τ)，其中，符号*表示共轭操作；

将延迟自相关函数值C′(τ)除以U(τ)获得归一化延迟自相关函数值C(τ)＝C′(τ)/U(τ)，其中， $U\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2}\left(\underset{n=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}\right|{r\left(n\right)}^2|+\underset{n=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+D)\right|}^2).$

所述的N个多门限自适应处理器，具体为：

将系统正常工作信噪比的范围分成N+1个区间，其中的N个信噪比区间分界点分别对应N个不同的门限值；

每个多门限自适应处理器对应一个门限值，则N个多门限自适应处理器总共对应N个不同的门限值；

第n个多门限自适应处理器，将延迟自相关运算器输出的归一化延迟自相关函数值C(τ)与其对应的相关值门限T_n相比较，当C(τ)大于等于T_n时，计数器A_n开始计数，其中n＝1，2，…，N；

当C(τ)小于T_n时，判决器D_n检测计数器A_n的计数次数，如果计数器A_n已经连续计数超过计数门限C_n，则判决器D_n判决帧检测成功，将帧定位位置τ₀和频偏估计值ΔF输出至存储器M_n，并终止其它N-1路的多门限自适应处理器继续检测；

当C(τ)小于T_n并且计数器A_n连续计数小于计数门限C_n时，则给计数器A_n清零；

对于门限值T_n，根据其对应信噪比下延迟自相关函数的峰值平台幅度仿真结果选取；

对于计数门限C_n，根据延迟自相关函数峰值平台的理论长度选取；

对于帧定位位置τ₀，选取判决器D_n判决帧检测成功时刻的位置向前回朔计数器A_n的计数次数的一半；

对于频偏估计值ΔF(单位是一个子载波间隔)，满足其中，θ为帧定位位置τ₀所对应的归一化延迟自相关函数值C(τ₀)的相角，N_IFFT为OFDM系统的快速复立叶逆变换(IFFT)的点数。

所述的选择输出器，根据所有N个多门限自适应处理器中对应的存储器M_n所存储的帧定位位置和频偏估计值，选择存储数据非空的一路将其输入到定位帧头和补偿频偏单元，然后对存储器M_n进行清零。

本发明提供的一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法，通过对不同的信噪比区间设置不同的峰值平台检测门限，减小了系统的检测时间，提高了系统的检测精度，降低了系统的估计误差，既可以保证低信噪比下系统的正常工作，也可以提升信噪比较高时系统帧检测和频偏估计的性能。

附图说明

图1是本发明提供的一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法示意图；

图2是本发明提供的多门限自适应处理器流程图；

图3是实施例一中不同信噪比下延迟自相关函数分布比较图；

图4是实施例一中不同信噪比下估计的频偏值比较图；

图5是实施例一中本发明专利所提出的多门限自适应算法与S&C算法和M&M算法的均方误差比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法的总体框架，具体包括：

首先，接收端基带信号输入到“延迟自相关运算器”单元，计算出延迟自相关值；

然后，将得到的延迟自相关值并行输入到N个多门限自适应处理器单元，即“多门限自适应处理器1”单元，“多门限自适应处理器2”单元，“多门限自适应处理器N”单元等，根据这些多门限自适应处理器单元的不同门限对输入的延迟自相关值进行处理；

接下来，N路多门限自适应处理器单元的输出结果输入到“选择输出器”单元，得到最优的帧头定位值和频偏估计值；

最后，将所获得的帧头定位值和频偏估计值输入到“定位帧头和补偿频偏”单元，从而定位帧头的位置，并对频偏进行补偿。

如图2所示，本发明提供的“多门限自适应处理器n”的工作流程，其中n＝1，2，…，N，具体包括：

将延迟自相关运算器输出的归一化延迟自相关函数值C(τ)与其对应的相关值门限T_n相比较，当C(τ)大于等于T_n时，计数器A_n开始计数；

当C(τ)小于T_n时，判决器D_n检测计数器A_n的计数次数，如果计数器A_n已经连续计数超过计数门限C_n，则判决器D_n判决帧检测成功，将帧定位位置τ₀和频偏估计值ΔF输出至存储器M_n，并终止其它N-1路的多门限自适应处理器继续检测；

当C(τ)小于T_n并且计数器A_n连续计数小于计数门限C_n时，则给计数器A_n清零；

对于“多门限自适应处理器n”所对应的门限值T_n，根据其对应信噪比下延迟自相关函数的峰值平台幅度仿真结果选取；

对于“多门限自适应处理器n”所对应的计数门限C_n，根据延迟自相关函数峰值平台的理论长度选取；

对于帧定位位置τ₀，选取判决器D_n判决帧检测成功时刻的位置向前回朔计数器A_n的计数次数的一半；

对于频偏估计值ΔF(单位是一个子载波间隔)，满足其中，θ为帧定位位置τ₀所对应的归一化延迟自相关函数值C(τ₀)的相角，N_IFFT为OFDM系统的快速复立叶逆变换的点数。

本发明提供的一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法，相比较于OFDM系统的传统单门限检测与估计方法，其技术效果包括：

适用于不同信噪比情况下的工作；

通过采用多门限并行处理，减小了系统的检测时间；

针对不同的信噪比设置不同的检测门限，提高了系统的检测精度，降低了系统虚警和漏警概率；

基于检测精度的提升，减小了系统的频偏估计误差。

下面以一个具体的实施例详细说明本发明提供的方法。

实施例一

设一个OFDM-CDMA多进制扩频通信系统，实用子载波个数为32，多进制扩频码字的长度为64，每个扩频码字对应6个信息bit，IFFT的点数N_IFFT＝128，循环前缀(CP)的点数为32。因为该系统的处理增益为101g(64/6)＝10.28dB，所以可以在0dB信噪比情况下保持正常工作。

本实施例将信噪比范围划分成6个区间，这6个信噪比区间的分界点为10dB、5dB、0dB、-5dB和-10dB，所对应的相关门限值{T_n，n＝1，2，…，5}分别为T₁＝0.85、T₂＝0.72、T₃＝0.6、T₄＝0.4和T₅＝0.1。

为了对抗低信噪比对该OFDM-CDMA多进制扩频通信系统帧检测和频偏估计的影响，本实施例采用连续5个完全相同的OFDM符号作为前导符号，即K＝5。其中，每个OFDM符号为4重复结构，单个重复部分的长度为128/4＝32点，因此添加CP之后为5重复结构，总长度为128+32＝160点。那么，5个OFDM前导符号总共为25重复结构，总长度为160×5＝800点。

令延迟点数D＝32，则频偏估计值ΔF∈[-2，2]，单位是一个子载波间隔。

令相关累积长度L＝640点，则峰值平台理论长度为128点。

令计数门限{C_n，n＝1，2，…，5}都取128，即都等于峰值平台理论长度。

图3给出了本实施例中采用连续5个完全相同的OFDM符号作为前导符号，在{10dB，5dB，0dB，-5dB，-10dB}等不同信噪比情况下的延迟自相关函数分布。从图中可以看出，随着信噪比的降低，峰值平台的幅度显著降低。因此，如果采用传统的单门限帧检测与估计方法，则不再适应这种大范围信噪比波动情况。此时，若门限值选取较大，则当实际信噪比较低时将出现漏检问题；若门限值选取较小，则当实际信噪比较高时将出现虚警现象以及检测时间过长等问题。

图4给出了图3中不同信噪比下延迟自相关函数所对应的估计频偏曲线，仿真中设定的频偏值ΔF＝0.5，单位是一个子载波间隔。从图4中可以看出，在峰值平台对应的样值点位置上，所估计的频偏值在0.5附近波动。同时，在样点值[300，450]的局部放大的小图中可以看出，不同信噪比下频偏估计的精度不同，信噪比越高，则频偏估计的精度越高。

对于本专利所提出的多门限自适应算法，其频偏估计精度可用均方误差(MSE)来表示，如图5所示。从图中可以看出，即使在0dB信噪比(SNR)的情况下，利用本专利所提出的多门限自适应算法也可以获得低于10^-3的MSE。为了与传统的单门限帧检测和频偏估计算法相比较，图5中也给出了S&C算法和M&M算法这两种经典算法的克拉美-罗(CR)下界。通过比较可以看出，由于本专利所提出的算法能够根据信噪比的波动设置多个门限来自适应地进行帧检测和频偏估计，因此估计精度优于S&C算法和M&M算法，在MSE＝10^-4时要优于另外两种算法大约8dB。

需要指出，本专利所提出的多门限自适应算法虽然适用于低信噪比和信噪比范围大幅度波动的情况，然而该算法也需要更多的前导符号。图5中S&C算法和M&M算法仅需要1个OFDM前导符号，同时本实施例中的多门限自适应算法需要5个OFDM前导符号，即系统需要付出更大的开销，这也是本专利所提出的多门限自适应算法为了获得更好的检测和估计性能所付出的代价。

Claims (4)

1.一种低信噪比下OFDM系统的多门限自适应检测与估计方法，包括：

接收端基带信号输入到延迟自相关运算器单元，计算出延迟自相关值；

将得到的延迟自相关值并行输入到N个多门限自适应处理器单元，根据这些多门限自适应处理器单元的不同门限对输入的延迟自相关值进行处理；

N路多门限自适应处理器单元的输出结果输入到选择输出器单元，得到最优的帧头定位值和频偏估计值；

将所获得的帧头定位值和频偏估计值输入到定位帧头和补偿频偏单元，从而定位帧头的位置，并对频偏进行补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的延迟自相关运算器，具体为：

根据系统信噪比要求确定前导序列中连续重复的OFDM符号的个数K，并进一步确定相关累积长度L，L值越大则系统对抗低信噪比的能力越强；

根据系统频偏估计范围要求确定前导序列中每个OFDM符号的重复结构，并进一步确定延迟点数D，D值越小则频偏估计范围越大；

接收端基带信号序列r(n)按照计算出延迟自相关函数值C′(τ)，其中，符号*表示共轭操作；

将延迟自相关函数值C′(τ)除以U(τ)获得归一化延迟自相关函数值C(τ)＝C′(τ)/U(τ)，其中， $U\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2}\left(\underset{n=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}\right|r{\left(n\right)}^2|+\underset{n=\mathrm{\τ}}{\overset{\mathrm{\τ}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+D)\right|}^2).$

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的N个多门限自适应处理器，具体为：

将系统正常工作信噪比的范围分成N+1个区间，其中的N个信噪比区间分界点分别对应N个不同的门限值；

每个多门限自适应处理器对应一个门限值，则N个多门限自适应处理器总共对应N个不同的门限值；

第n个多门限自适应处理器，将延迟自相关运算器输出的归一化延迟自相关函数值C(τ)与其对应的相关值门限T_n相比较，当C(τ)大于等于T_n时，计数器A_n开始计数，其中n＝1，2，…，N；

当C(τ)小于T_n时，判决器D_n检测计数器A_n的计数次数，如果计数器A_n已经连续计数超过计数门限C_n，则判决器D_n判决帧检测成功，将帧定位位置τ₀和频偏估计值ΔF输出至存储器M_n，并终止其它N-1路的多门限自适应处理器继续检测；

当C(τ)小于T_n并且计数器A_n连续计数小于计数门限C_n时，则给计数器A_n清零；

对于门限值T_n，根据其对应信噪比下延迟自相关函数的峰值平台幅度仿真结果选取；

对于计数门限C_n，根据延迟自相关函数峰值平台的理论长度选取；

对于帧定位位置τ₀，选取判决器D_n判决帧检测成功时刻的位置向前回朔计数器A_n的计数次数的一半；

对于频偏估计值ΔF(单位是一个子载波间隔)，满足其中，θ为帧定位位置τ₀所对应的归一化延迟自相关函数值C(τ₀)的相角，N_IFFT为OFDM系统的快速复立叶逆变换(IFFT)的点数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的选择输出器，根据所有N个多门限自适应处理器中对应的存储器M_n所存储的帧定位位置和频偏估计值，选择存储数据非空的一路将其输入到定位帧头和补偿频偏单元，然后对存储器M_n进行清零。