CN104618294B - 基于训练序列的ofdm整数倍频偏快速估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算方法及系统。包括发射端信号处理方法和接收端信号处理方法，所述接收端信号处理方法为：对进入信号进行FFT变换，然后进行分组求和运算，再依次进行整数倍频偏估计和整数倍频偏补偿。在综合考虑OFDM系统接收端定时估计和频偏估计算法的基础上，从整个OFDM接收通路解调算法出发，优化了整数倍频偏估计算法，解决了传统串行相关器捕获时间长，并行相关器资源耗费大的缺点。将捕获时间与资源耗费大幅降低，同时满足了快速捕获和资源耗费少的要求；具有线性复杂度O（N），易于FPGA硬件实现。

Description

基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算方法及系统，特别是涉及一种适用于通信领域正交频分复用技术中，基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算方法。

背景技术

正交频分复用技术(又叫多载波频分复用技术)OFDM是多载波频分复用技术的一种特殊形式。早在上世纪六十年代，国外就有学者提出过正交频分复用的相关概念。最初，OFDM在军用无线高频通信链路中得到应用。FFT调制正交子载波和循环前缀解决子载波正交性等关键算法的发明，以及数字信号处理和超大规模集成电路技术的快速发展，使得OFDM技术迅速成熟并成为4G通讯的核心技术。

不同于单载波调制系统，OFDM系统将多个正交子载波信号进行叠加并在时域相互覆盖，这就对子载波间的正交性提出了严格的要求。因此，载波频偏和多普勒扩展会对系统性能产生非常严重的地板效应，一旦子载波间的正交性被频偏破坏，无论怎样增加信号发射功率也不能显著改善系统性能。

OFDM子载波保持正交性的要求使得系统对相位噪声和频率偏移十分敏感。将频偏对子载波频率间隔作归一化可以将其分为整数倍频偏和小数倍频偏。小数倍频偏会引入子载波间干扰(ICI)，破坏子载波间的正交性。整数倍频偏不会引起ICI，但会使FFT解调信号的OFDM数据发生相移。由信号的时频特性可知，时域信号的相移等价于频域信号的滑动。

传统的整数倍频偏估计算法多采用训练序列的自相关估计，利用相关峰检测得到的相关峰时刻即为整数倍频偏的估计值。这些相关检测算法虽然精度很高，但计算量很大，因为它需要搜遍整个频偏估计范围。如果频偏范围很大，子载波数目又很多的话，则需要的估计时间也就相对较长。且相关运算消耗乘法器资源较多，捕获时间也较长。本发明很好的解决了上述传统整数倍频偏估计算法捕获时间长、消耗系统资源多的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种捕获时间短，且消耗资源少的基于训练序列的OFDM整数倍频偏估计算法。

子载波整数倍频偏不会引入ICI，它将使接收信号产生频域的滑动。假设定时同步理想的接收信号为：

公式2-1中mΔF表示子载波的整数倍频率偏移，m为任意整数，ΔF表示子载波间隔Δf表示小数倍子载波频率偏移；表示相位偏移。由于在FFT解调以前已经实现了前馈的小数倍频偏同步，小数倍频偏得到补偿。假设式2-1中Δf为0，为了分析方便，将相位频偏也设置为0。式2-1中仅剩整数倍子载波频偏ΔF对接收信号造成影响。进行FFT运算前的时域信号可写成：

对式2-3做FFT变换可得：

d_i＝d_i+m (2-4)

式2-4说明，整数倍频偏使接收端频域信号产生循环滑动。为了估计出偏移倍数m，可以在发送端插入特殊的训练序列，然后对接收信号与本地训练序列做滑动相关运算，找到相关峰出现的位置即能估计出整数倍频偏倍数，OFDM接收信号处理的一般流程如图1所示。可以看出，整数倍频偏放在FFT之后，也就是说在FFT之前的模块均会受到整数倍频偏的影响。分析表明，当频偏超过3个子载波的情况下，基于长前导序列的时域定时估计模块已经不能正常工作；当频偏超过6个子载波的情况下，基于短前导序列的时域定时估计模块已经不能正常工作。由于时域定时估计模块对频偏的敏感特性，设计理论上纠错能力大于6个子载波频偏的算法并没有实际意义。

对于快速捕获，传统的方法常采用并行相关，即在一个符号周期内，将接收信号同时与N(OFDM符号中的子载波数)个不同相位的本地训练序列做相关运算，然后找到相关和最大的本地序列与接收信号的相位关系，进而估计出整数倍频率偏移。并行相关算法的资源消耗为同类串行相关算法的N倍。

本发明采用的技术方案如下：一种基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算方法，包括发射端信号处理方法和接收端信号处理方法，其中，所述发射端信号处理方法为：首先生成频域训练序列，然后对生成的频域训练序列做IFFT变换得到时序训练序列，对得到的时序训练序列添加循环前缀，最后将添加了循环前缀的时序训练序列插入OFDM帧结构中；其特征在于，所述接收端信号处理方法为：对进入信号进行FFT变换，然后进行分组求和运算，再依次进行整数倍频偏估计和整数倍频偏补偿；其中，

所述频域训练序列的生成方法为：

其中，N为训练序列长度，ΔN为插入间隔，p为频域训练序列的插入位置，k为OFDM子载波序号；

所述分组求和运算的具体方法为：

其中，p_rec为接收序列，m为取值在1到N之间且满足m modΔN＝n的整数，训练序列的ΔN个相位为n(n∈1：ΔN)。

设频域训练序列为p_train，p_train仅在k modΔN＝1点有固定值1，将p_train做循环移位，当移位ΔN个点时，p_train重复。因此，p_train只有ΔN种相位。设训练序列p_train的ΔN个相位为n(n∈1：ΔN)，p_train的N个码元(训练序列长度)为m(m∈1：N)，设接收序列为p_rec。

则现有技术中第n个相位的训练序列p_train(n)与p_rec的相关和D(n)为：

设第d个相位时p_train(d)与p_rec相关和最大，则d即为整数倍频偏的估计值，D(d)＝maxD(n)。将式2-5代入2-7可得：

一种基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算系统，包括发射端信号处理模块和 接收端信号处理模块，所述发射端信号处理模块包括依次相连的频域训练序列生成模块、 IFFT变换模块、序列循环前缀加入模块和时序训练序列插入模块；其特征在于，所述接收端 信号处理模块包括依次相连的FFT变换模块、分组求和运算模块、整数倍频偏估计模块和整 数倍频偏补偿模块；所述频域训练序列生成模块根据公式 生成频域训练序列，其中，N为训练序列长度，ΔN为插入间隔，p为频域训练序列的插入位 置，k为OFDM子载波序号；所述分组求和运算模块根据公式进行分组求和运算，其 中，p_rec为接收序列，m为取值在1到N之间且满足m modΔN＝n的整数，训练序列的ΔN个相 位为n(n∈1：ΔN)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在综合考虑OFDM系统接收端定时估计和频偏估计算法的基础上，从整个OFDM接收通路解调算法出发，优化了整数倍频偏估计算法，解决了传统串行相关器捕获时间长，并行相关器资源耗费大的缺点。将捕获时间与资源耗费大幅降低，同时满足了快速捕获和资源耗费少的要求；具有线性复杂度O(N)，易于FPGA硬件实现。

附图说明

图1为现有技术方法中OFDM接收信号处理的一般流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本具体实施例中，设训练序列的长度为1个OFDM符号，码元数为N＝1024，插入间隔ΔN＝16，设频域训练序列的插入位置为p，k为OFDM子载波序号，频域训练序列的生成方法如式2-8：

然后对生成的频域训练序列做IFFT变换得到时序训练序列，对得到的时序训练序列添加循环前缀，最后将添加了循环前缀的时序训练序列插入OFDM帧结构中。

进入FFT的信号在时域已经完成了定时估计、小数倍频偏估计和去循环前缀等处理。整数倍频偏估计从FFT后开始。对进入信号进行FFT变换，然后进行分组求和运算，再依次进行整数倍频偏估计和整数倍频偏补偿。

其中，分组求和运算的具体方法为：设频域训练序列为p_train，p_train仅在kmodΔN＝1点有固定值1，将p_train做循环移位，当移位ΔN个点时，p_train重复。因此，p_train只有ΔN种相位。设训练序列p_train的ΔN个相位为n(n∈1：ΔN)，p_train的N个码元为m(m∈1：N)，设接收序列为p_rec。

则现有技术中，第n个相位的训练序列p_train(n)与p_rec的相关和D(n)为：

设第d个相位时p_train(d)与p_rec相关和最大，则d即为整数倍频偏的估计值，D(d)＝maxD(n)。将式2-8代入2-7可得：

式2-7中，若不考虑P_train的重复特性，按照传统算法求解整数倍频偏估计值d需要做N＾2次加法和N＾2次乘法。式2-6中，考虑P_train的重复特性，求解整数倍频偏估计值d需要的计算次数为N次加法。本发明减少的运算次数为N(N-1)次加法和N＾2次乘法，相应的系统的资源消耗较传统方法有大幅度降低。P_train序列的特殊设计限制了整数倍频偏的估计范围，本发明所采用的方法可以估计出为±△N/2倍的整数倍频偏。设整数倍频偏的估计值为j，则j与式中的分组序号n的关系为：

本发明通过限制整数倍频偏纠错倍数，设计出一种不需要做相关运算和滑动求和的快速算法，不仅大大简化计算过程，而且能准确地估计出接收机的整数倍频偏。

Claims (2)

1.一种基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算方法，包括发射端信号处理方法和接收端信号处理方法，其中，所述发射端信号处理方法为：首先生成频域训练序列，然后对生成的频域训练序列做IFFT变换得到时序训练序列，对得到的时序训练序列添加循环前缀，最后将添加了循环前缀的时序训练序列插入OFDM帧结构中；其特征在于，所述接收端信号处理方法为：对进入信号进行FFT变换，然后进行分组求和运算，再依次进行整数倍频偏估计和整数倍频偏补偿；其中，

所述频域训练序列的生成方法为：

其中，N为训练序列长度，ΔN为插入间隔，p为频域训练序列的插入位置，k为OFDM子载波序号；

所述分组求和运算的具体方法为：

其中，p_rec为接收序列，m为取值在1到N之间且满足m modΔN＝n的整数，训练序列的ΔN个相位为n(n∈1：ΔN)；

设频域训练序列为p_train，则第n个相位的训练序列p_train(n)与p_rec的相关和D(n)简化后为D′(n)，设第d个相位时p_train(d)与p_rec相关和最大，则d即为整数倍频偏的估计值，D(d)＝maxD′(n)。

2.一种基于训练序列的OFDM整数倍频偏快速估算系统，包括发射端信号处理模块和接收端信号处理模块，所述发射端信号处理模块包括依次相连的频域训练序列生成模块、IFFT变换模块、序列循环前缀加入模块和时序训练序列插入模块；其特征在于，所述接收端信号处理模块包括依次相连的FFT变换模块、分组求和运算模块、整数倍频偏估计模块和整数倍频偏补偿模块；所述频域训练序列生成模块根据公式生成频域训练序列，其中，N为训练序列长度，ΔN为插入间隔，p为频域训练序列的插入位置，k为OFDM子载波序号；所述分组求和运算模块根据公式进行分组求和运算，其中，p_rec为接收序列，m为取值在1到N之间且满足m mod ΔN＝n的整数，训练序列的ΔN个相位为n(n∈1：ΔN)；

设频域训练序列为p_train，则第n个相位的训练序列p_train(n)与p_rec的相关和D(n)简化后为D′(n)，设第d个相位时p_train(d)与p_rec相关和最大，则d即为整数倍频偏的估计值，D(d)＝max D′(n)。