CN105141564B - 一种高子载波数高阶调制水平ofdm采样频率同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高子载波数高阶调制水平OFDM系统的采样频率同步方法，特别是一种基于Giga DSL技术的采样同步方法。其包括步骤：1）在发送端插入导频符号；2）利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息来进行采样频偏估计；3）利用采样频偏估计值分两路，一路作为相位补偿的参数直接对当前符号进行频域校正，另一路反馈到FFT之前去控制VCXO调制采样频偏。本发明的估计方法可以独立于信道估计而完成快速、高精度的采样频偏估计，而本发明的校正方法则因为考虑了载波间干扰的影响而有着明显比以往更好的校正效果。

Description

一种高子载波数高阶调制水平OFDM采样频率同步方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种高子载波数高阶调制水平OFDM采样频率同步方法。

背景技术

现在正处于互联网快速发展的时期，随着网络电视、高清电视等超宽带应用的慢慢普及，用户对接入带宽的需求进一步提高，千兆以上的接入带宽将成为现实需求。

提高网速最直接有效的方法自然是使用光纤传输，但光纤到户的建设成本是巨大的，同时考虑到已有的电话线，使用无源光网络(PON)+数字用户线(DSL)接入方式是性价比更高的解决方案。

但目前DSL技术与PON技术并没有融合，因此，需要新的DSL接入技术与光纤传输技术相匹配使用。Giga DSL是当今研究得非常热门的下一代数字用户线技术。它是采用4096QAM调制、4096个子载波的基带OFDM传输系统。对于具有高子载波数的Giga DSL技术来说，收发两端的时钟晶振的采样频率不一致所造成的影响经过多次的偏差累积后，会对系统的性能造成十分严重的影响，因此提出新的采样频率同步方法以满足Giga DSL技术的高精度和快速同步这两个同步需求是非常有必要的。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提出了一种高精度、可快速同步的高子载波数高阶调制水平OFDM采样频率同步方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种高子载波数高阶调制水平OFDM采样频率同步方法，具体步骤如下：

a)在发送端插入多个导频符号；

b)利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息来进行采样频偏估计；

c)利用采样频偏估计值分两路，一路作为相位补偿的参数直接对当前符号进行频域校正，另一路反馈到FFT之前去控制压控晶振调制采样频偏；

所述步骤b)中利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息来进行采样频偏估计，具体为：

选取M个导频分布在不同子载波上，即

在接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号为：

R_m,k＝S_m,k+C_m,k+W_m,k (1)

其中，S_m,k为第m个符号第k个子载波上由于采样频偏Δf而产生了幅度衰减与相位旋转的有用信息项，C_m,k为第m个符号第k个子载波上的载波间干扰，W_m,k为第m个符号第k个子载波上的信道噪声，且有:

在公式(2)中，N为子载波数，L为循环长度。

在接收端，认为导频位置符号的信息已知，第m个符号第k个子载波上的导频符号为P_m,k，即假定X_m,k＝P_m,k。

忽略载波间干扰及噪声影响，即假定R_m,k＝S_m,k，对相邻符号间的对应导频共轭相关的结果求相位，得：

令则可以得采样频偏估计值：

其中S_m+1,k为第m+1个符号第k个子载波上的由于采样频偏Δf而产生了幅度衰减与相位旋转的有用信息项，P_m+1,k为第m+1个符号第k个子载波上的导频数据，而 则为上述两个数据的共轭值。

进一步：在上述方法中，通过对相邻符号对应导频求共轭相关，双绞线信道频率响应对于有用信息项的相位信息的影响得以消除，从而可以独立于信道估计而完成高精度的采样频偏估计，具体为：

考虑未知的信道频率响应H_m,k对接收信号R_m,k的影响，可以得到接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号表达式为：

R_m,k＝H_m,k(S_m,k+C_m,k)+W'_m,k

由于双绞线信道既是一个频率选择性衰落信道，信号在不同频率的子载波上有着不同的信号衰减，即当k₁≠k₂；同时它又是一个慢时变信道，即对于相邻符号相同频率的子载波来说，可以认为信道传输特性相同即信道频率响应不变，即H_m,k＝H_m+1,k＝H_k。

若对相邻符号相同频率上的子载波上的导频数据做共轭相关，则有：

angle(H_m,kH^* _m+1,k)＝angle(|H_k|²)＝0

此时对相邻符号间的对应导频共轭相关的结果求相位，得：

可见，利用相邻符号间对应导频的相位差进行采样频偏的估计，可以消除信道频率响应H_m,k对有用信息项S_m,k的相位信息的影响。

故所述步骤c)中频域校正部分利用采样频偏估计值先做相位补偿，再利用补偿后的信号估计载波间干扰，并予以消除，具体为：

接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号表达式：

R_m,k＝S_m,k+C_m,k+W_m,k (1)

对第m个符号第k个子载波上由于采样频偏Δf而产生了幅度衰减与相位旋转的有用信息项S_m,k，因为Δf很小，接近于零，所以根据无穷小定理，接近于N，再与相抵消，就有：

忽略信道噪声影响，则有：

再相位补偿，即对R_m,k乘以一个逆的相位旋转，得：

其中，指数项为相位旋转，X_m,k为校正后的第m个符号第k个子载波的频域信号，R_m,k为校正前接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号，C_m,k为第m个符号第k个子载波上的载波间干扰，且有：

其中，X_m,s为相位补偿后的信号，即：

得到先相位补偿再消除载波间干扰后的表达式为：

所述的步骤c)中时域校正部分利用采样频偏估计值反馈到FFT之前去控制压控晶振调制采样频偏，具体为：

时域校正部分的核心模块是压控振荡器，其主要的作用是通过在外部控制电压大小，以此改变压控晶振的振荡频率。当外部控制电压变化时，相应的会引起压控晶振的振荡频率发生变化，从而采样频率偏移便得到了纠正。用公式可以表示如下：

ω_VCXO＝ω₀+K₀u_c(t) (11)

其中，ω_VCXO表示施加了外部控制电压后压控晶振的振荡频率，ω₀是没有施加外部控制电压时压控晶振的固有振荡频率，u_c(t)是外部施加的控制电压，K₀则是压控晶振的灵敏度，表示的是每单位控制电压变化所引起的压控晶振的角频率变化情况。

与现有的技术相比，本发明有益的效果为：

1)本发明估计采样频偏的时候通过对相邻符号对应导频求共轭相关，消除了双绞线信道频率响应对于有用信息项的相位信息的影响，从而可以独立于信道估计而完成高精度的采样频偏估计；2)本发明只需要任意两个符号便可以完成高精度的采样频偏估计，估计速度较快；3)本发明校正采样频偏的时候，其频域校正部分在相位补偿之后增加了载波间干扰消除过程，有效提高了校正效果；4)本发明校正采样频偏的时候，综合了频域校正方法和时域校正方法，既可以快速校正当前的符号，又可以从根本上解决采样频偏带来的载波间干扰和采样频偏累积问题。

附图说明

图1是本发明实现流程图。

图2是本发明的估计算法的估计曲线与相对估计误差曲线图。

图3是Giga DSL双绞线信道影响下10ppm时各算法的估计曲线图。

图4是本发明的频域校正算法的误码率曲线图。

图5是本发明的频域校正算法的星座图校正效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，以便对本发明方法的技术特征及优点进行更深入的诠释。但本发明的实施方式并不限于此。

本发明提供一种高精度、可快速同步的采样频率同步方法，实施步骤如下：

(1)在发送端插入多个导频符号

首先选取M个导频分布在不同子载波上，即导频的放置方式可以有多种，这里采取每隔32个子载波放置一个导频的方式。

(2)利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息进行采样频偏估计：

插入导频符号后，可利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息来进行采样频偏估计，具体过程如下：

在接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号为：

R_m,k＝S_m,k+C_m,k+W_m,k (1)

忽略载波间干扰及噪声影响，即假定R_m,k＝S_m,k，对相邻符号间的对应导频共轭相关的结果求相位，得：

令则可以得采样频偏估计值：

(3)利用采样频偏估计值分两路，一路作为相位补偿的参数直接对当前符号进行频域校正，另一路反馈到FFT之前去控制压控晶振调制采样频偏得到采样频偏估计值之后，就要对接收端的OFDM符号进行采样频偏校正，具体步骤如下：

31)频域校正部分利用采样频偏估计值先做相位补偿，再利用补偿后的信号估计载波间干扰，并予以消除，具体公式如下：

其中，指数项为相位旋转，X_m,k为校正后的第m个符号第k个子载波的频域信号，R_m,k为校正前接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号，C_m,k为第m个符号第k个子载波的载波间干扰，且有：

其中，X_m,s为相位补偿后的信号，即：

32)时域校正部分利用采样频偏估计值反馈到FFT之前去控制压控晶振调制采样频偏，具体为：

时域校正部分的核心模块是压控振荡器，其主要的作用是通过在外部控制电压大小，以此改变压控晶振的振荡频率。当外部控制电压变化时，相应的会引起压控晶振的振荡频率发生变化，从而采样频率偏移便得到了纠正。用公式可以表示如下：

ω_VCXO＝ω₀+K₀u_c(t) (15)

其中，ω_VCXO表示施加了外部控制电压后压控晶振的振荡频率，ω₀是没有施加外部控制电压时压控晶振的固有振荡频率，u_c(t)是外部施加的控制电压，K₀则是压控晶振的灵敏度，表示的是每单位控制电压变化所引起的压控晶振的角频率变化情况。

本发明对上述方法进行了性能仿真与分析：

在一个双绞线线长为50m的GigaDSL系统中，每个OFDM数据位长度(FFT/IFFT长度)为4096，调制水平为4096QAM，进行归一化采样频偏Δf为5ppm，10ppm，15ppm，20ppm四种不同情况下的采样频率同步性能的仿真。

首先是本发明的估计算法部分，考虑未知的双绞线信道频率响应H_m,k对接收信号R_m,k的影响。

从图2可以知道，本发明的估计算法在四种频偏的情况下都表现出比较好的性能，如图2(a)是采样频偏为5ppm时的估计效果图，图2(b)是采样频偏为10ppm时的估计效果图，图2(c)是采样频偏为15ppm时的估计效果图，图2(d)是采样频偏为20ppm时的估计效果图，图2(e)是相对估计误差与采样频偏的关系图。在采样频偏为90ppm以内时，本发明的估计算法的相对估计相对偏差在1.5％以内。

图3将本发明与传统的方法在Giga DSL双绞线信道中进行比较，传统方法是Dr.Shafiee于2004年在文献“Estimation and compensation of frequency offset inDAC/ADC clocks in OFDM systems”中提出的采样频率同步方法，如图3(a)是Giga DSL双绞线信道影响下Shafiee 2004算法估计效果图，图3(b)是Giga DSL双绞线信道影响下相邻符号间对应导频相位差估计效果图。

从图中可以看出，相比传统的估计算法，本发明的估计算法有着更高的精度，而且估计精度不受信道频率响应的影响。另外，本发明的估计算法只需要两个符号即可得到较为准确的估计值，收敛速度更快。

本发明的频域校正算法部分，图4(a)是5ppm下频域校正算法的校正效果图，图4(b)是10ppm下频域校正算法的校正效果图，图4(c)是15ppm下频域校正算法的校正效果图，图4(d)是20ppm下频域校正算法的校正效果图；从图4可以看出，新频域校正算法的误比特率基本比传统频域校正算法的误比特率降低了两个数量级，性能得到了明显的提升。图5则显示在使用新的频域校正算法进行采样频偏校正后，输出信号的星座图得到了明显的改善，图5(a)是5ppm校正前第5个符号图，图5(b)是5ppm校正前第10个符号示意图，图5(c)是5ppm校正后第5个符号图，图5(d)是5ppm校正后第10个符号示意图。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高子载波数高阶调制水平OFDM采样频率同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)在发送端插入多个导频符号；

b)利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息来进行采样频偏估计；

c)利用采样频偏估计值分两路，一路作为相位补偿的参数直接对当前符号进行频域校正，另一路反馈到FFT之前去控制压控晶振调制采样频偏。

2.根据权利要求1所述的同步方法，其特征在于，所述步骤b)中利用相邻符号对应导频做共轭相关运算得到的相位信息来进行采样频偏估计，具体为：

选取M个导频分布在不同子载波上，即

在接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号R_m,k为：

R_m,k＝S_m,k+C_m,k+W_m,k (1)

其中，S_m,k为第m个符号第k个子载波上由于采样频偏Δf而产生了幅度衰减与相位旋转的有用信息项，C_m,k为第m个符号第k个子载波上的载波间干扰，W_m,k为第m个符号第k个子载波上的信道噪声，且有：

在公式(2)中，N为子载波数，L为循环长度；

在接收端，令导频位置符号的信息已知，第m个符号第k个子载波上的导频符号为P_m,k，即令X_m,k＝P_m,k；

忽略载波间干扰及噪声影响，即假定R_m,k＝S_m,k，对相邻符号间的对应导频共轭相关的结果求相位，得：

令则得采样频偏估计值：

其中S_m+1,k为第m+1个符号第k个子载波上的由于采样频偏Δf而产生了幅度衰减与相位旋转的有用信息项，P_m+1,k为第m+1个符号第k个子载波上的导频数据，而则为上述两个数据的共轭值。

3.根据权利要求2所述的同步方法，其特征在于，所述步骤c)中频域校正部分利用采样频偏估计值先做相位补偿，再利用补偿后的信号估计载波间干扰，并予以消除，具体为：

接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号R_m,k表达式：

R_m,k＝S_m,k+C_m,k+W_m,k (1)

对第m个符号第k个子载波上由于采样频偏Δf而产生了幅度衰减与相位旋转的有用信息项S_m,k，因为Δf很小，接近于零，所以根据无穷小定理，接近于N，再与相抵消，就有：

忽略信道噪声影响，则有：

再相位补偿，即对R_m,k乘以一个逆的相位旋转，得：

其中，指数项为相位旋转，X_m,k为校正后的第m个符号第k个子载波的频域信号，R_m,k为校正前接收端的第m个符号第k个子载波的频域信号，C_m,k为第m个符号第k个子载波上的载波间干扰，且有：

其中，X_m,s为相位补偿后的信号，即：

得到先相位补偿再消除载波间干扰后的表达式为：

4.根据权利要求1所述的同步方法，其特征在于，所述步骤c)中利用采样频偏估计值反馈到FFT之前去控制压控晶振调制采样频偏，即为时域校正部分，具体为：

时域校正部分的核心模块是压控振荡器，其主要的作用是通过在外部控制电压大小，以此改变压控晶振的振荡频率，当外部控制电压变化时，相应的会引起压控晶振的振荡频率发生变化，从而采样频率偏移便得到了纠正，用公式表示为：

ω_VCXO＝ω₀+K₀u_c(t) (11)

其中，ω_VCXO表示施加了外部控制电压后压控晶振的振荡频率，ω₀是没有施加外部控制电压时压控晶振的固有振荡频率，u_c(t)是外部施加的控制电压，K₀则是压控晶振的灵敏度，表示的是每单位控制电压变化所引起的压控晶振的角频率变化情况。