CN108011854A

CN108011854A - Ofdm系统的采样频率偏差估算方法

Info

Publication number: CN108011854A
Application number: CN201711338535.XA
Authority: CN
Inventors: 李恒; 胡泽鑫; 徐鹏程; 戴初举
Original assignee: Wasion Information Technology Ltd By Share Ltd
Current assignee: Wasion Information Technology Ltd By Share Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN108011854B

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统的采样频率偏差估算方法，包括获取前导符的位置信息；选取连续两段相位相同的前导符号数据作为输入数据；对输入数据进行时频域联合滤波得到信号补偿值；对输入数据进行加权型采样频率偏差估算从而获得采样频率偏差估算值。本发明通过在采样频率偏差估计前加入时频域联合滤波，能够有效的消除信道多径及噪声对估计结果的影响，并采用了加权型采样频率偏差估计方法，进一步提升了估计结果的准确性与稳定性，本发明与传统直接型估计方法相比，能够在低信噪比条件下，输出高精确度及高稳定性的采样频率偏差估计值，从而有效的保障OFDM数据的可靠接收。

Description

OFDM系统的采样频率偏差估算方法

技术领域

本发明具体涉及一种OFDM系统的采样频率偏差估算方法。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

电力线载波通信(power line carrier communication)技术以输电线路为载波信号的传输媒介的电力系统通信。由于输电线路具备十分牢固的支撑结构，并架设3条以上的导体(一般有三相良导体及一或两根架空地线)，所以输电线输送工频电流的同时，用之传送载波信号，既经济又十分可靠。这种综合利用早已成为世界上所有电力部门优先采用的特有通信手段。

与单载波通信相比，OFDM调制解调技术因频带利用率高、传输速率高和抗干扰能力强等优点而广泛应用于高清晰度数字电视(HDTV)、数字音频广播(DAB)和无线局域网(WLAN)通信、电力线载波通信(PLC)等领域。然而在现实通信系统中，由于估计误差、噪声干扰、收发端晶体振荡器的漂移等情况的存在，接收端采样时钟不可能和发送端的采样时钟保持同步，采样点总会稍慢或稍快于发送端的采样时钟，这样就引起了采样频率偏移(Sampling Frequency Offset，SFO)。

假设第一个采样的采样时刻已对准，当接收端采样周期T_s'小于发送端采样周期T_s时，即ΔT_s<0时，每隔一定时间会多出一个样值，如图1(a)所示。反之则每隔一定时间会遗漏一个样值，如图1(b)所示。若f_s为发射端采样率，f_r为接收端采样率，采样频率绝对差值为Δf＝f_s-f_r，则SFO可以定义为ε＝Δf/f_r。

SFO对系统性能的影响表现在三个方面：

1.信号的幅度相位发生变化：SFO会使OFDM符号里各子载波的相位发生旋转，旋转的角度由子载波序号和OFDM符号的序号决定，子载波的序号越大，受到的影响越大，且随着OFDM符号的增加，旋转的角度也会增加，与载波频率偏移对系统造成的影响不同，SFO引起系统的信噪比损失与子载波的位置有关，随着子载波的频率的增加，信号的的衰减增大，信噪比损失也增加。

2.引入载波间干扰ICI，破坏子载波之间的正交性，从而使系统信噪比降低。

3.对符号定时产生影响，带来附加的符号定时偏差：由于累积效应，随着OFDM符号数的增加，会导致符号定时出现偏差，在超长度FFT变换，超长帧和高阶调制中的表现更为明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在较低的信噪比条件下输出高精度SFO估计值的OFDM系统采样频率偏差估算方法。

本发明提供的这种OFDM系统的采样频率偏差估算方法，包括如下步骤：

S1.通过帧同步模块获取前导符的位置信息，所述前导符由k段同相位或反相位的OFDM符号数据组成；所述段是指N个采样点数据，N为前导符号FFT运算的点数，k为自然数；

S2.选取连续两段相位相同的前导符号数据，作为输入数据；

S3.对步骤S2得到的输入数据进行时频域联合滤波，消除噪声与多径干扰造成的影响，得到信号补偿值；

S4.根据步骤S3得到的补偿值，对步骤S2得到的输入数据进行加权型采样频率偏差估算，从而获得采样频率偏差估算值。

所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，还包括如下步骤：

S5.根据步骤S3得到的信号补偿值和步骤S4得到的采样频率偏差估算值，对子载波进行相位补偿，从而恢复原始的传输数据符号。

步骤S3所述的时频域联合滤波，具体为采用如下步骤进行滤波：

(1)将输入数据分为长度相等且为N的两段实数数据，并分别记为l¹和l²；

(2)将步骤(1)得到的两段实数数据进行平均运算，从而得到一段长度为N的新数据，同时将新数据的虚部填0并记为X；

(3)将步骤(2)得到的数据X做N点FFT运算，得到复频域信号X_f，并与已知的前导符号复频域信号做复数除法运算，得到频域估计值P_f；

(4)将步骤(4)得到的数据P_f做N/2点IFFT运算，变换到时域，并对实部数据进行时域滤波；

(5)步骤(4)得到的滤波后的数据做N/2点FFT运算，从而得到信号补偿值C_f。

步骤(2)中所述的平均运算，具体为采用如下算式进行运算：

式中n为采样点数据个数，N为前导符号FFT运算的点数。

步骤(4)中所述的时域滤波，具体为将IFFT得到的时域信号中[Cg/6,Cg]位置的数据保持不变，其余位置的数据置0；Cg表示OFDM系统中循环前缀的数据点数。

步骤S4所述的加权型采样频率偏差估算，具体为采用如下步骤进行估算：

1)将输入数据分为长度相等且为N的两段实数数据，并分别记为l¹和l²；

2)将步骤1)中的l¹和l²的虚部填0，并分别进行N点FFT运算，得到和

3)将步骤2)得到的和进行信号补偿，从而得到补偿后的信号和

4)将步骤3)得到的的虚部取反，得到

5)使用加权型采样频率偏差估计算法，计算采样频率偏差估计值

步骤3)所述的信号补偿，具体为采用如下算式进行信号补偿：

式中m为数组的第m个数据，C_f为步骤S3得到的信号补偿值。

步骤5)所述的加权型采样频率偏差估计算法，具体为采用如下算式进行估算：

式中，Mul_Out_n为复数Mul_Out_n的实部数据，Mul_Out_n.imag为复数Mul_Out_n的虚部数据，π为圆周率。

步骤3)和步骤5)中所述的m的取值范围为OFDM系统中有效子载波所在的位置编号，且无效子载波不计算在内。

本发明提供的这种OFDM系统的采样频率偏差估算方法，通过在采样频率偏差估计前加入时频域联合滤波，能够有效的消除信道多径及噪声对估计结果的影响，并采用了加权型采样频率偏差估计方法，进一步提升了估计结果的准确性与稳定性，本发明与传统直接型估计方法相比，能够在低信噪比条件下，输出高精确度及高稳定性的采样频率偏差估计值，从而有效的保障OFDM数据的可靠接收。

附图说明

图1为ΔT_s对采样信号的影响示意图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为本发明实施例中两种方法在不同SNR情况下的估计值曲线图。

图4为本发明实施例中两种方法在不同采样频率偏差情况下的估计值曲线图。

具体实施方式

如图2所示为本发明方法的方法流程图，以下结合一个具体实施例对本发明方法进行进一步说明：

在该实施例中，采用Matlab软件搭建仿真平台，仿真平台参数如表1所示：

表1仿真平台试验参数表

参数名称	参数取值
		FFT运算点数N	1024
调制方式	QPSK
		循环前缀长度Cg	264
有效子载波位置m	[100,230]
		信道模型	4径+AWGN信道

S1.通过帧同步模块获取前导符的位置信息，所述前导符由10段同相位及2段反相位的OFDM符号数据组成；

在系统构建时，假设接收机已完成了帧同步，确定了前导符号的边界和位置信息；

S2.选取连续两段相位相同的前导符号数据，作为输入数据；

所述连续两段相位相同的前导符号数据位于段6及段7，总长度为2*N，即为2048个点的实数数据；

(1)将输入数据分为长度相等且为1024的两段实数数据，并分别记为l¹和l²；

(2)将步骤(1)得到的两段实数数据进行平均运算，从而得到一段长度为N的新数据，同时将新数据的虚部填0并记为X；采用如下算式进行运算：

式中n为采样点数据个数；

(3)将步骤(2)得到的数据X做1024点FFT运算，得到复频域信号Xf，并与已知的前导符号复频域信号做复数除法运算，得到频域估计值P_f；

P_f＝X_f/Q_f

(4)将步骤(4)得到的数据P_f做512点IFFT运算，变换到时域，并对实部数据进行时域滤波；时域滤波具体为将IFFT得到的时域信号中[44,264]位置的数据保持不变，其余位置的数据置0；

(5)步骤(4)得到的滤波后的数据做512点FFT运算，从而得到信号补偿值C_f；

S4.根据步骤S3得到的补偿值，对步骤S2得到的输入数据进行加权型采样频率偏差估算，从而获得采样频率偏差估算值；具体为采用如下步骤进行估算：

1)将输入数据分为长度相等且为1024的两段实数数据，并分别记为l¹和l²；

2)将步骤1)中的l¹和l²的虚部填0，并分别进行1024点FFT运算，得到和

3)将步骤2)得到的和进行信号补偿，从而得到补偿后的信号和信号补偿具体为采用如下算式进行信号补偿：

式中m为数组的第m个数据，取值范围为[100,230]，C_f为步骤S3得到的信号补偿值；即表示中的第m个数据，C_f,m为C_f中的第m个数据；

4)将步骤3)得到的的虚部取反，得到

5)使用加权型采样频率偏差估计算法，计算采样频率偏差估计值具体为采用如下算式进行估算：

式中，Mul_Out_n为复数Mul_Out_n的实部数据，Mul_Out_n.imag为复数Mul_Out_n的虚部数据，π为圆周率；

上述的m的取值范围为OFDM系统中有效子载波所在的位置编号，且无效子载波不计算在内；

为了体现本发明的实用性与有效性，发明人在实验平台中加入直接型采样频率偏差估计方法，与本发明所述方法进行性能对比。图3为两种方法在固定采样频率偏差ε＝75ppm环境下，添加不同的SNR进行1000次仿真的平均估计值曲线图。由图中可以看出，本发明所述方法相对直接型采样频率偏差估计方法，在SNR＝-5dB的恶劣环境下，其估计值与理论值的差值仍能够控制在2ppm以内，而直接型采样频率偏差估计方法在同样环境下的估计值与理论值的差值已高达约15ppm，在SNR>25dB的较好环境中，两种方法的估计值与理论值较为接近，且差值都控制在1ppm以内。

图4为两种方法在固定SNR＝10dB环境下，添加不同的采样频率偏差进行1000次仿真的平均估计值曲线图。由图中可以看出，本发明所述方法在10≤ε≤75ppm的仿真环境下，其估计值与理论值的偏差小于0.5ppm，而直接型采样频率偏差估计方法在同等实验环境下，当ε较大时其估计偏差明显增大，当ε＜30ppm时，两种方法的估计值与理论值较为接近。这是因为本发明所述方法采用了时频域联合滤波，能够有效过滤信道噪声及多径效应带来的影响，并采用了加权型采样频率偏差估计方法，进一步提升了估计的准确性与稳定性。

Claims

1.一种OFDM系统的采样频率偏差估算方法，包括如下步骤：

S2.选取连续两段相位相同的前导符号数据，作为输入数据；

2.根据权利要求1所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于还包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤S3所述的时频域联合滤波，具体为采用如下步骤进行滤波：

(3)将步骤(2)得到的数据X做N/2点FFT运算，得到复频域信号X_f，并与已知的前导符号复频域信号做复数除法运算，得到频域估计值P_f；

(5)步骤(4)得到的滤波后的数据做N点FFT运算，从而得到信号补偿值C_f。

4.根据权利要求3所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤(2)中所述的平均运算，具体为采用如下算式进行运算：

式中n为采样点数据个数，N为前导符号FFT运算的点数。

5.根据权利要求3所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤(4)中所述的时域滤波，具体为将IFFT得到的时域信号中[Cg/6,Cg]位置的数据保持不变，其余位置的数据置0；Cg表示OFDM系统中循环前缀的数据点数。

6.根据权利要求3所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤S4所述的加权型采样频率偏差估算，具体为采用如下步骤进行估算：

3)将步骤2)得到的和进行信号补偿，从而得到补偿后的信号和

4)将步骤3)得到的的虚部取反，得到

7.根据权利要求6所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤3)所述的信号补偿，具体为采用如下算式进行信号补偿：

式中m为数组的第m个数据，C_f为步骤S3得到的信号补偿值。

8.根据权利要求7所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤5)所述的加权型采样频率偏差估计算法，具体为采用如下算式进行估算：

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9.根据权利要求8所述的OFDM系统的采样频率偏差估算方法，其特征在于步骤3)和步骤5)中所述的m的取值范围为OFDM系统中有效子载波所在的位置编号，且无效子载波不计算在内。