CN107948111B - Ofdm系统的采样频偏矫正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种OFDM系统的采样频偏矫正方法，所述OFDM系统包括信号发射机和信号接收机。该OFDM系统的采样频偏矫正方法的步骤包括：计算采样频偏，将所述信号发射机发送的基准时间戳BTS与接收机本地计数器LCM做对比，计算出采样频偏FreqError和补偿值Offset；以及频偏矫正，根据所述补偿值大小对所述信号接收机的采样信号进行插值或是抽取处理。所述OFDM系统的采样频偏矫正方法支持多次实时的矫正频偏，矫正范围大，精度高，实现复杂度降低，实现成本低。

Description

OFDM系统的采样频偏矫正方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种OFDM系统的采样频偏矫正方法。
背景技术
OFDM(正交频分复用)是多载波调制的一种，由多个正交子载波组成，由于其频带利用率高，抗多径能力强，能有效抑制ISI(符号间干扰)和ICI(信道间干扰)，特别适用于无线高速通信上。
由于OFDM系统是由多个正交子载波组成，即OFDM系统要求在每个子载波频谱最大值位置，其余所有子信道的频谱取值恰好为零，输出信号则是多个正交子载波的叠加。采样频偏将会导致子载波的正交性遭到破坏，进而引起严重的子载波间干扰，影响系统性能。
采样频率偏差其本质是由于收发双方的晶振振荡频率不完全同步而导致的接收信号与本地采样频率之间的频率偏差。在通信系统中，发射方中的DAC晶振和接收方的ADC晶振不可能具有完全相同的时钟周期与相位，这将会导致发送和接收之间的数据采样间隔慢慢产生偏差，如果偏差得不到补偿，采样偏差会随着时间积累对整个系统带来严重影响。因此OFDM系统对发送和接收方之间的采样频偏要求非常苛刻。
采样频偏矫正作为通信领域多年以来共同探讨的技术问题，其解决方案总结起来主要以下几种：
1，第一种OFDM系统采样频偏矫正方法是通过使用数字锁相环，达到调整接收机ADC时钟的目的，从而消除因采样频偏和相位旋转造成的接收机解调错误。
ADC采样时钟是一个温控晶体振荡器VCXO，而VCXO的晶振频率由接收机中的数字锁相环控制，数字锁相环采用Garnder算法来估计频偏，根据判决结果和FFT结果给出采样频偏矫正信号提供给外部温控振荡器VCXO。
2，第二种OFDM系统采样频偏矫正方法：外部晶体振荡器采用固定的晶振，通过设计滤波器的参数实现对采样数据的抽取或者插值功能，进而实现采样频偏的超前或滞后补偿，其关键是由Garnder算法估算采样频偏获得频率偏差估计值。
第一种OFDM系统采样频偏矫正方法的应用很广，目前商用的2G，3G手机中，全部采用了这种VCXO温控晶振的方法来解决采样频偏。其优点是支持纠正频偏的范围大、精度高，缺点是由于VCXO的价格不菲，直接拉高了产品成本。
第二种OFDM系统采样频偏矫正方法的优点是成本低，适用范围广，但它的缺点也很明显，基于Garnder算法并采用纯数字信号处理的方案来实现采样频率矫正，实现过于复杂，并且纠正频偏的范围有限，同时纠偏精度也不高。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种OFDM系统的采样频偏矫正方法，可以简化OFDM系统实现的复杂度。
为实现上述目的，本发明提供了一种OFDM系统的采样频偏矫正方法，所述OFDM系统包括信号发射机和信号接收机，所述OFDM系统的采样频偏矫正方法的步骤包括：计算采样频偏，将所述信号发射机发送的基准时间戳(BTS)与所述信号接收机的本地计数器(LCM)做对比，计算出采样频偏(FreqError)和补偿值(Offset)；频偏矫正，根据所述补偿值的大小对所述信号接收机的采样信号进行插值或是抽取处理。
优选地，上述技术方案中，所述采样频偏FreqError和补偿值Offset的公式如下：
Figure BDA0001506599700000031
Offset(n)＝Offset(n-1)+BTS(n-1)-LCM(n-1)
其中n代表采样的周期，BTS(0)代表所述信号发射机发射的BTS的初值，LCM(0)代表所述信号接收机的LCM的初值。
优选地，上述技术方案中，进行所述频偏矫正时，当Offset>0时，表明采样相位滞后于实际相位，需要对采样信号进行插值处理；当Offset＝0时，表明采样相位与实际相位重合，不需要矫正处理；当Offset<0时，表明采样相位超前实际相位，需要对采样信号作抽取处理。
优选地，上述技术方案中，对所述采样信号的插值或抽取处理由插值滤波器完成，根据分段抛物线插值理论得到要插入或抽取的数据。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
所述OFDM系统的采样频偏矫正方法支持多次实时的矫正频偏，矫正范围大，精度高，实现复杂度降低，实现成本低。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的计算频偏的实现过程。
图2是根据本发明一实施方式的分段抛物线的插值滤波器的实现过程。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明的采样频偏矫正方法是基于发送时间戳的估计算法，其原理是以发送时间戳作为参考时钟，通过本地计数器与发送时间戳对比，求出二者偏差，再将本地计数器进行偏差矫正至发送时间戳上。
图1是根据本发明一实施方式的计算频偏的实现过程。
本发明设计了一个滑动的时间戳和本地计数器间的差值计算窗口，开机工作后，在滑动的窗口内，存有4个最近相邻采样时刻的基准时间戳(BTS)的值和4个最近采样时刻的本地计数器(LCM)的值，当计算二者差值时，永远使用最近相邻采样时刻的4个值来进行差值计算。
发射机周期性地发送基准时间戳BTS，而接收机本地端有一个本地计数器LCM，将接收机本地计数器与发射过来的基准时钟信号作对比，进而计算出采样频率偏差。该过程的具体步骤归纳如下：
1，计算频偏：
开机后，当接收机首次接收到发射机的发送信号时，锁存BTS(0)到本地计数器LCM中，作为本地计数器初值，即
LCM(0)＝BTS(0)
此时，频偏(FreqError)为0，补偿(Offset)为0，即
FreqError(1)＝0
Offset(1)＝0
当接收机第2次接收到发射机的发送信号时，锁存其BTS(1)和本地计数器值LCM(1)，并计算频偏及补偿值。
Figure BDA0001506599700000051
Offset(2)＝BTS(1)-LCM(1)
当接收机第3次接收到发射机的发送信号时，锁存其BTS(2)和本地计数器值LCM(2)，并计算频偏及补偿值。
Figure BDA0001506599700000052
Offset(3)＝Offset(2)+BTS(2)-LCM(2)
当接收机第4次接收到发射机的发送信号时，锁存其BTS(3)和本地计数器值LCM(3)，并计算频偏及补偿值，为了更加精确得到频偏值，当采样周期大于3后，综合最新相邻四组的时钟信号来求频偏。
Figure BDA0001506599700000053
Offset(4)＝Offset(3)+BTS(3)-LCM(3)
当接收机第n次接收到发射机的发送信号时，锁存其BTS(n-1)和本地计数器值LCM(n-1)，并计算频偏及补偿值：
Figure BDA0001506599700000054
Offset(n)＝Offset(n-1)+BTS(n-1)-LCM(n-1)
2，频偏矫正：
估计出采样频偏后就需要矫正预估计的频偏，其矫正算法是通过分析Offset(n)的大小，来判断对采样信号进行插值还是抽取处理。当Offset>0时，表明采样相位滞后于实际相位，需要对采样信号进行插值处理；当Offset＝0时，表明采样相位与实际相位重合，不需要矫正处理；当Offset<0时，表明采样相位超前实际相位，因此，需要对采样信号作抽取处理。
对采样信号的插值和抽取处理由接收机插值滤波器完成，当需要插值处理时，根据相位累积定位到需要插值的位置，并根据分段抛物线插值理论，得到要插入的数据，即将信号经过插值并滤波处理。当需要抽取处理时，也是根据同样的理论，计算出需要抽出的位置，抽取数据，并将信号经过滤波器处理。其中，滤波器抽头系数coef由分段抛物线算法得出。
图2是根据本发明一实施方式的分段抛物线的插值滤波器的实现过程。
接收机插值滤波器的输入信号经过4级移位寄存，每次缓存区中都包含最新的4个相邻时刻的采样数据，可表示为rcv_buf＝[Din0,Din1,Din2,Din3],经过插值滤波器系数加权后的输出数据为data_out＝rcv_buf*coef。当需要插值处理时，根据相位累积定时器u(k)以及抽头系数coef，可以计算出此刻的滤波输出Y(n)，即累加频偏定时达到插值要求时，可得到需要插入的数据Y(n)，完成了输入数据的插值滤波处理；当需要抽取处理时，根据相位累积定时器u(k)以及抽头系数，可以计算出此刻的滤波输出Y(n)，即累加频偏定时达到抽取要求时，可得到需要抽取的数据Y(n)，完成了输入数据的抽取滤波处理；当定时器判断不需要插值或者抽取处理时，仅对输入信号进行滤波处理。
上述OFDM系统的采样频偏矫正方法支持多次实时的矫正频偏，矫正范围大，精度高，实现复杂度降低，实现成本低。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (3)

1.一种OFDM系统的采样频偏矫正方法，所述OFDM系统包括信号发射机和信号接收机，其特征在于，所述OFDM系统的采样频偏矫正方法的步骤包括：
计算采样频偏，将所述信号发射机发送的基准时间戳BTS与所述信号接收机的本地计数器LCM做对比，计算出采样频偏FreqError和补偿值Offset；以及
频偏矫正，根据所述补偿值的大小对所述信号接收机的采样信号进行插值或是抽取处理；
其中，所述采样频偏FreqError和补偿值Offset的公式如下：
Figure FDA0002465169630000011
Offset(n)＝Offset(n-1)+BTS(n-1)-LCM(n-1)
其中n代表采样的周期，BTS(0)代表所述信号发射机发射的BTS的初值，LCM(0)代表所述信号接收机的LCM的初值。
2.根据权利要求1所述的OFDM系统的采样频偏矫正方法，其特征在于，进行所述频偏矫正时，当Offset>0时，表明采样相位滞后于实际相位，需要对采样信号进行插值处理；当Offset＝0时，表明采样相位与实际相位重合，不需要矫正处理；当Offset<0时，表明采样相位超前实际相位，需要对采样信号作抽取处理。
3.根据权利要求1所述的OFDM系统的采样频偏矫正方法，其特征在于，对所述采样信号的插值或抽取处理由插值滤波器完成，根据分段抛物线插值理论得到要插入或抽取的数据。
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