CN107508776A - Ofdm系统的频偏估计方法、ofdm系统及存储介质 - Google Patents

Ofdm系统的频偏估计方法、ofdm系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种OFDM系统的频偏估计方法、OFDM系统和存储介质，去掉被污染部分的循环前缀，使用未被破坏或破坏少的循环前缀部分计算频偏估计，并采用前后相连的多个符号的部分循环前缀一起完成频偏估计来提高频偏估计精度。包括：截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号，将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算，将所有自相关计算结果取均值后得到频偏估计后，以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n上述步骤得到P个频偏估值，取平均得到最终频偏估计。其中，N为第n个OFDM符号包含的载波个数。

Description

OFDM系统的频偏估计方法、OFDM系统及存储介质
技术领域
本发明属于OFDM系统中载波同步算法技术领域，具体地说，是涉及一种OFDM系统的频偏估计方法、OFDM系统和存储介质。
背景技术
本发明属于OFDM系统中载波同步算法技术领域，具体地说，是涉及一种OFDM系统的频偏估计方法、OFDM系统和存储介质。
发明内容
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，其优点是能够很好的对抗窄带干扰以及频率选择性衰落，在OFDM系统中，因为各子载波上的功率谱之间相互重叠，所以对子载波之间的正交性要求比较严格，若存在载波频率偏差（CFO），则会破坏子载波之间的正交性，引入子载波件干扰（ICI）和符号间干扰（ISI），从而导致OFDM的优势丧失。
引起载波频率偏差的原因在于，发射机和接收机的固有物理特性不同、或者发射机和接收机的载波信号发生器不稳定等因素引起的相位噪声、或者由多普勒频移引起，需要采用载波同步算法对载波频率偏移进行估计来实现接收方和发射方的载波同步。OFDM系统的中载波同步算法中，基于循环前缀（CP）的载波同步算法（ML），是利用OFDM符号中循环前缀与其后部重复部分之间具有很强的相关性进行频偏估计的，根据频偏估计来修正接收信息完成载波同步。
虽然ML算法简单、冗余度低，但该算法是在高斯信道情况下设计出来的，如果将此法用于多径信道，由于多径信道存在频率选择性衰落，会使得循环前缀前面一部分遭到信道多径的影响造成污染破坏，造成其与后部重复部分的数据的相关性也遭到了一定的破坏，则对于频偏估计的性能会有所下降。
发明内容
本申请提供了一种OFDM系统的频偏估计方法、OFDM系统及存储介质，解决现有ML算法受频率选择性衰落的影响造成频偏估计性能下降的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
提出一种OFDM系统的频偏估计方法，包括：
（1）截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；
（2）将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；
（3）将步骤（2）中得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；
（4）以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n重复步骤（1）至步骤（3）得到P个频偏估值；
（5）将步骤（3）和步骤（4）得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；
其中，n的范围从0至接收信号的OFDM符号总数；N为第n个OFDM符号包含的载波个数；L=Ng-Nl, Ng为循环前缀采样点个数，Nl为最大多径时延采样点个数。
进一步的，步骤（2）具体为：
定义两个集合：
，
；
其中，d为接收机接收的OFDM符号的起始位置；
将集合M1和集合M2进行自相关运算得到L个自相关值。
进一步的，步骤（3）具体为：
将得到的L个自相关值取均值，得到对数似然函数
，
这其中，；
基于所述对数似然函数得到频偏估计为：。
提出一种OFDM系统，包括OFDM发射机和OFDM接收机，所述OFDM接收机包括频偏估计单元和载波同步单元；所述频偏估计单元包括OFDM符号截取子单元、自相关运算子单元、频偏估值计算子单元、递增子单元和OFDM系统频偏估值计算子单元；所述OFDM符号截取子单元，用于截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；所述自相关运算子单元，用于将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；频偏估值计算子单元，用于将所述自相关运算子单元运算得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；所述递增子单元，用于以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n，以使得所述OFDM符号截取子单元继续截取OFDM符号、所述自相关运算子单元和所述频偏估值计算子单元运算得到P个频偏估值；所述OFDM系统频偏估值计算子单元，用于将所述频偏估值计算子单元得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；所述载波同步单元，用于基于所述OFDM系统频偏估值计算子单元计算得到的OFDM系统的频偏估值同步所述OFDM接收机的载波，以使得所述OFDM接收机的载波与所述OFDM发射机的载波同步。
进一步的，所述自相关运算子单元具体用于，定义两个集合：
，
；其中，d为接收机接收的OFDM符号的起始位置；将集合M1和集合M2进行自相关运算得到L个自相关值。
进一步的，所述频偏估值计算子单元具体用于：将得到的L个自相关值取均值，得到对数似然函数
，
这其中，；
基于所述对数似然函数得到频偏估计为：。
提出一种存储计算机可读程序代码的存储介质，所述计算机可读程序代码被一个或者多个处理器执行以实现：
（1）截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；
（2）将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；
（3）将步骤（2）中得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；
（4）以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n重复步骤（1）至步骤（3）得到P个频偏估值；
（5）将步骤（3）和步骤（4）得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；
其中，n的范围从0至接收信号的OFDM符号总数；N为第n个OFDM符号包含的载波个数；L=Ng-Nl, Ng为循环前缀采样点个数，Nl为最大多径时延采样点个数。
与现有技术相比，本申请的优点和积极效果是：本申请提出的OFDM系统的频偏估计方法、OFDM系统及存储介质中，将当前OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，也即去掉被信道污染的循环前缀，仅利用后面没有符号间干扰破坏或者符号间干扰较少部分的循环前缀，和与其距离子载波个数个采样点且处于当前OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算，将自相关运算结果取均值后得到频偏估计值，这样可以很好的避免符号间干扰，较好的消除多径影响，但是去掉被污染的循环前缀部分后，用于频偏估计的子载波数量将会减少，为了补偿这一步带来的影响，采用前后相连的多个OFDM符号的去掉污染部分的循环前缀来获得多个频偏估计并取均值后获得最终的OFDM系统频偏估计，能够提高频偏估计的性能，解决了现有ML算法受频率选择性衰落的影响造成频偏估计性能下降的技术问题。
结合附图阅读本申请实施方式的详细描述后，本申请的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1 为本申请提出的OFDM系统的频偏估计方法的方法流程图；
图2为本申请提出的OFDM系统的系统框架图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步详细地说明。
由于多径信道使得循环前缀中前面部分会受到符号间干扰破坏，而最大多径时延长度部分就是信道弥散部分，但是循环前缀最后面部分没有被符号间干扰破坏，或者符号间干扰较少。因此，本申请提出的OFDM系统的频偏估计方法中，去掉循环前缀中被信道污染破坏的部分，仅利用剩下部分没有被破坏或破坏较小的循环前缀部分，可以避免符号间干扰，消除多径影响；但是，去掉被信道污染的循环前缀部分后，用于频偏估计的子载波数会减少，作为补偿，采用前后相连的多个OFDM符号的没有被破坏或破坏较小的循环前缀部分来完成频偏估计，起到提高频偏估计精度的效果。
具体的，包括如下步骤：
步骤S11：截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号。
步骤S12：将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算。
若接收信号没有频偏，则可以很容易的截取到第n个OFDM符号，但事实上，由于接收信号是存在频偏的，使得无法准确的截取到第n个OFDM符号，因此，需要截取接收信号的第n个和第n+1个、前后相连的两个OFDM符号，事实上，由于存在频率偏移，截取的并不是完整的两个OFDM符号，但必然能保证截取到一个完整的OFDM符号。以OFDM符号包含N个载波、循环前缀采样点个数为Ng为例，实际截取时，截取2N+Ng个采样点，从中间提取出第n个符号。
这里，n的范围从0至接收信号的OFDM符号总数。
第n个符号包含N个载波和Ng个循环前缀采样点，因为循环前缀和符号后部的值相同，所以在接收端那些相距为N的两个采样点具有很强的相关性，这里定义两个集合：
其中，d为接收机接收的OFDM符号的起始位置；L=Ng-Nl, Nl为最大多径时延采样点个数，根据经验设定。
步骤S13：将步骤S12中得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值。
将步骤S12中得到的L个自相关值取均值后，得到对数似然函数
这其中，
则最大似然估计，也即频偏估计为：
如此得到一个频偏估计值。
步骤S14：以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n重复步骤S11至步骤S13得到P个频偏估值。
也即，将n的值增加K，截取第n+K个和第n+K+1个OFDM符号，对第n+K个符号重复步骤S12至步骤S13得到一个频偏估计；将n的值再增加K，截取第n+2K个和第n+2K+1个OFDM符号，对第n+2K个符号重复步骤S12至步骤S13得到一个频偏估计；直至，将n的值连续增加P次，每次增加K，最后截取第n+PK个和第n+PK+1个OFDM符号，对第n+PK个符号重复步骤S12至步骤S13共得到P个频偏估计。
步骤S15：将步骤S13和步骤S14得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的最终频偏估值。
使用最终频偏估值来对OFDM接收机的载波进行校正，使得OFDM接收机的载波有OFDM发射机的载波同步。
基于上述提出的OFDM系统的频偏估计方法，本申请还提出一种OFDM系统，该OFDM系统如图2所示，包括OFDM发射机21和OFDM接收机22，其中，OFDM接收机22包括频偏估计单元221和载波同步单元222；频偏估计单元221包括OFDM符号截取子单元a、自相关运算子单元b、频偏估值计算子单元c、递增子单元d和OFDM系统频偏估值计算子单元e；OFDM符号截取子单元a用于截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；自相关运算子单元b用于将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；频偏估值计算子单元c用于将自相关运算子单元b运算得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；递增子单元d用于以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n，以使得OFDM符号截取子单元a继续截取OFDM符号,自相关运算子单元b和频偏估值计算子单元c运算得到P个频偏估值；OFDM系统频偏估值计算子单元e用于将频偏估值计算子单元得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；载波同步单元222用于基于OFDM系统频偏估值计算子单元计算得到的OFDM系统的频偏估值同步OFDM接收机的载波，以使得OFDM接收机的载波与OFDM发射机的载波同步。
其中，自相关运算子单元b具体用于，定义两个集合：
，
；
将集合M1和集合M2进行自相关运算得到L个自相关值。其中，d为接收机接收的OFDM符号的起始位置；
频偏估值计算子单元c具体用于：将得到的L个自相关值取均值，得到对数似然函数
，基于对数似然函数得到频偏估计为：,
这其中，。
上述本申请提出的OFDM系统的频偏估计方法和OFDM系统，去掉循环前缀中被信道污染破坏的部分，仅利用剩下部分没有被破坏或破坏较小的循环前缀部分来实现避免符号间干扰，消除多径影响；并采用前后相连的多个OFDM符号的没有被破坏或破坏较小的循环前缀部分来完成频偏估计，对频偏估计的精度进行补偿，保证了OFDM发射机和OFDM接收机的载波同步。
本申请一个或者多个实施例，提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可以是存储在存储器中的计算机可读存储介质、或者是独立存在且没有依附于任何其他终端的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储一个或者多个程序（在一个或者多个实施例中，该计算机可读存储介质可以是一个或者多个物理磁盘存储装置、闪存装置或者其他非易失性固态存储装置，CD-ROM，光存储器等等 ），其中这些程序被一个或者多个处理器执行后可以实现上述任一实施例所述的方法。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.OFDM系统的频偏估计方法，其特征在于，包括：
（1）截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；
（2）将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；
（3）将步骤（2）中得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；
（4）以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n重复步骤（1）至步骤（3）得到P个频偏估值；
（5）将步骤（3）和步骤（4）得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；
其中，n的范围从0至接收信号的OFDM符号总数；N为第n个OFDM符号包含的载波个数；L=Ng-Nl, Ng为循环前缀采样点个数，Nl为最大多径时延采样点个数。
2.根据权利要求1所述的OFDM系统的频偏估计方法，其特征在于，步骤（2）具体为：
定义两个集合：
，
；
其中，d为接收机接收的OFDM符号的起始位置；
将集合M1和集合M2进行自相关运算得到L个自相关值。
3.根据权利要求1所述的OFDM系统的频偏估计方法，其特征在于，步骤（3）具体为：
将得到的L个自相关值取均值，得到对数似然函数
，
这其中，；
基于所述对数似然函数得到频偏估计为：。
4.OFDM系统，包括OFDM发射机和OFDM接收机，其特征在于，所述OFDM接收机包括频偏估计单元和载波同步单元；
所述频偏估计单元包括OFDM符号截取子单元、自相关运算子单元、频偏估值计算子单元、递增子单元和OFDM系统频偏估值计算子单元；
所述OFDM符号截取子单元，用于截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；
所述自相关运算子单元，用于将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；
频偏估值计算子单元，用于将所述自相关运算子单元运算得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；
所述递增子单元，用于以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n，以使得所述OFDM符号截取子单元继续截取OFDM符号,所述自相关运算子单元和所述频偏估值计算子单元运算得到P个频偏估值；
所述OFDM系统频偏估值计算子单元，用于将所述频偏估值计算子单元得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；
所述载波同步单元，用于基于所述OFDM系统频偏估值计算子单元计算得到的OFDM系统的频偏估值同步所述OFDM接收机的载波，以使得所述OFDM接收机的载波与所述OFDM发射机的载波同步。
5.根据权利要求4所述的OFDM系统，其特征在于，所述自相关运算子单元具体用于，
定义两个集合：
，
；
其中，d为接收机接收的OFDM符号的起始位置；
将集合M1和集合M2进行自相关运算得到L个自相关值。
6.根据权利要求4所述的OFDM系统，其特征在于，所述频偏估值计算子单元具体用于：
将得到的L个自相关值取均值，得到对数似然函数
，
这其中，；
基于所述对数似然函数得到频偏估计为：。
7.一种存储计算机可读程序代码的存储介质，其特征在于，所述计算机可读程序代码被一个或者多个处理器执行以实现：
（1）截取接收信号的第n个和第n+1个OFDM符号；
（2）将第n个OFDM符号的循环前缀减去多径时延采样点，和与其距离N个采样点且处于第n个OFDM符号尾部的采样点进行自相关运算；
（3）将步骤（2）中得到的L个自相关值取均值，得到一个频偏估值；
（4）以K为递增单位、P为递增次数，每次采用n+K更新n重复步骤（1）至步骤（3）得到P个频偏估值；
（5）将步骤（3）和步骤（4）得到的P+1个频偏估值取均值得到OFDM系统的频偏估值；
其中，n的范围从0至接收信号的OFDM符号总数；N为第n个OFDM符号包含的载波个数；L=Ng-Nl, Ng为循环前缀采样点个数，Nl为最大多径时延采样点个数。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20171222

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