CN109714289B - 一种cp-ofdm系统的频偏估计方法及装置 - Google Patents

一种cp-ofdm系统的频偏估计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种CP‑OFDM系统的频偏估计方法，包括：使用接收到的信号当前CP‑OFDM符号上时域样点的循环前缀部分和数据部分进行滑动相关，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗位置计算采样时钟频偏第一估计值；并对载波频偏和采样时钟频偏进行初始补偿。对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP‑OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行复数乘法，求取相位值；利用所取得的相位值计算载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值；并对载波频偏和采样时钟频偏进行闭环补偿。本申请可适用于低信噪比环境下大范围频偏的场景，满足接收机的同步需求。

Description

一种CP-OFDM系统的频偏估计方法及装置
技术领域
本申请涉及一种移动通信技术，特别是涉及一种频偏估计方法。
背景技术
CP-OFDM(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，循环前缀正交频分复用)通信系统采用多个正交子载波(Orthogonal sub-carrier)并行传输数据，可以高效传输数据并且有效对抗频率选择性衰落信道带来的影响。但是在数据传输过程中，对子载波的正交性有严苛的要求，所以CP-OFDM系统对载波及采样时钟的频率偏差(即频偏)非常敏感，必须通过频偏估计与纠正技术，使得频率偏差处于接收机可容忍范围内，从而保证数据的正确传输。
CP-OFDM系统中，时域上的最小单元是一个OFDM符号(OFDM Symbol)，频域上的最小单元是一个子载波。一个OFDM符号与一个子载波组成的一个时频资源单元(RE，ResouceElement)。请参阅图1，这是CP-OFDM系统的时频资源网络，其中每个网格就表示一个时频资源单元。横轴方向表示频域的子载波，纵轴方向表示时域的OFMD符号。在一般的CP-OFDM系统中会设置导频(Pilot)，图1中的黑色网格就表示导频符号占用的时频资源单元。从横轴所表示的频域观察，这些导频符号只出现在特定的子载波上。从纵轴所表示的时域观察，这些导频符号总是间隔特定数量的OFDM符号而出现。
现有CP-OFDM系统中，为了满足接收机的精度要求，需利用导频序列(Pilotsequences)进行载波和采样时钟的频偏估计。由于导频的数目多，所以估计方差小。但是由于导频位置不连续，导致估计范围小。因此这种频偏估计方法适用于低信噪比环境下小范围频偏的场景。如果存在低信噪比环境下大范围频偏的场景，则该方法无法满足接收机的同步需求。
为解决此类问题，一般使用高精度的晶振(即晶体振荡器)来减少载波和采样时钟的频偏范围，再使用导频来进行频偏估计。这种估计方法需要高精度的晶振，从而导致硬件成本增加。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种CP-OFDM系统的频偏估计方法，适用于低信噪比下大范围频偏的场景。为此，本申请还要提供一种CP-OFDM系统的频偏估计装置。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种CP-OFDM系统的频偏估计方法，包括如下步骤：步骤202：使用接收到的信号当前CP-OFDM符号上时域样点的循环前缀部分和数据部分进行滑动相关，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗位置计算采样时钟频偏第一估计值。步骤204：根据载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值对载波频偏和采样时钟频偏进行初始补偿。步骤206：对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP-OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行复数乘法，求取相位值。步骤208：利用所取得的相位值计算载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值。步骤210：根据载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值对载波频偏和采样时钟频偏进行闭环补偿，经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿后的接收信号再送往步骤206。
上述CP-OFDM系统的频偏估计方法先通过时域信号对载波频偏和采样时钟频偏进行初始补偿，初始补偿可以实现大范围的频偏纠正；再通过频域的导频信号对载波频偏和采样时钟频偏进行闭环补偿，闭环补偿可以实现持续的小范围的频偏纠正；这样就可适用于低信噪比环境下大范围频偏的场景，满足接收机的同步需求。
进一步地，所述步骤202中，接收到的信号的时域样点表示为r-GI，r-GI+1，…，r-1，r0，r1，…，rN-1，其中GI表示相关长度，N表示OFDM符号长度，利用循环前缀部分和数据部分进行滑动相关得到相关结果R(d)。
Figure GDA0002179097310000021
其中R表示相关结果，R(d)表示该相关结果是以d为自变量的函数，d表示滑动窗索引在r0，r1…，rN-1中滑动，*表示共轭操作。这是步骤202的一种优选实现方式，其中的计算公式仅作为优选示例。
进一步地，所述步骤202中，当d在r0，r1…，rN-1中滑动时，记录R(d)的绝对值最大的滑动窗索引d′的位置，并计算采样时钟频偏第一估计值
Figure GDA0002179097310000022
还根据R(d′)的相位值计算载波频偏第一估计值
Figure GDA0002179097310000023
Figure GDA0002179097310000024
其中arg表示求相位操作。这是步骤202的一种优选实现方式，其中的计算公式仅作为优选示例。
进一步地，所述步骤206中，记Zl，j为经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿的第l个OFDM符号的j子载波索引位置的接收信号值，将符号间隔为D的相同的j子载波索引位置的接收信号值Zl-D，j做共轭相乘，取其复数值的相位值，记为xj，有其中arg表示求相位操作，*表示共轭操作。这是步骤206的一种优选实现方式，其中的计算公式仅作为优选示例。
进一步地，所述步骤208中，根据xj的测量值，计算采样时钟频偏第二估计值
Figure GDA0002179097310000026
和载波频偏第二估计值 其中，J是导频个数，mj为导频索引，且
Figure GDA0002179097310000029
所述Nu为有效子载波编号。这是步骤208的一种优选实现方式，其中的计算公式仅作为优选示例。
本申请还提供了一种CP-OFDM系统的频偏估计装置，包括初始估计器、环路估计器、环路控制器、环路补偿器。所述初始估计器用来使用接收到的信号当前CP-OFDM符号上时域样点的循环前缀部分和数据部分进行滑动相关，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗位置计算采样时钟频偏第一估计值。所述环路估计器用来对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP-OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行复数乘法，求取相位值，再利用所取得的相位值计算载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值。所述环路控制器用来对初始估计器或环路估计器给出的载波频偏估计值和采样时钟频偏估计值进行处理，并将处理后的载波频偏估计值和采样时钟频偏估计值输出给环路补偿器。所述环路补偿器用来将环路控制器输出的处理后的载波频偏估计值和采样频偏估计值补偿到接收信号上，经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿后的接收信号再送往所述环路估计器。
上述CP-OFDM系统的频偏估计装置先通过初始估计器为环路控制器提供初始值，并由环路补偿器对载波频偏和采样时钟频偏进行初始补偿，初始补偿可以实现大范围的频偏纠正；再通过环路估计器对环路控制器进行输出，并由环路补偿器对载波频偏和采样时钟频偏进行闭环补偿，闭环补偿可以实现持续的小范围的频偏纠正；这样就可适用于低信噪比环境下大范围频偏的场景，满足接收机的同步需求。
进一步地，所述初始估计器还将计算出来的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值送入环路控制器中作为初始值。这是初始估计器的一种优选工作方式，一旦环路估计器开始工作后，初始估计器就停止工作。
进一步地，所述环路估计器还将计算出来的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值送入环路控制器。这是环路估计器的一种优选工作方式，用来接替初始估计器的工作。
进一步地，在所述频偏估计装置开始工作时，环路估计器未工作，环路补偿器无输出，此时环路控制器使用初始估计器输出的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值作为初始值进行处理并输出给环路补偿器。当环路补偿器有输出后，初始估计器停止工作，环路估计器开始工作，此时环路控制器3用环路估计器输出的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值进行处理并输出给环路补偿器。这是初始估计器和环路估计器相互配合的优选工作方式。
进一步地，所述频偏估计装置仅在启动时用到初始估计器，随后就改用环路估计器并与环路控制器、环路补偿器构成一个闭环控制环路。这里记载了闭环控制结构以及帮助其启动的单元，作为一种优选实现方式。
本申请可以兼顾低信噪比和大范围频偏的场景，以取得更好的载波和采样时钟频偏估计效果。
附图说明
图1是CP-OFDM系统的时频资源网络的示意图。
图2是本申请提供的CP-OFDM系统的频偏估计方法的流程示意图。
图3是本申请提供的CP-OFDM系统的频偏估计装置的结构示意图。
图中附图标记说明：32为初始估计器；34为环路估计器；36为环路控制器；38为环路补偿器。
具体实施方式
请参阅图2，本申请提供的CP-OFDM系统的频偏估计方法包括如下步骤。
步骤202：使用接收到的信号当前CP-OFDM符号上时域样点的循环前缀(CP，CyclicPrefix)部分和数据部分进行滑动相关(sliding correlating)，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗(sliding window)位置计算采样时钟频偏第一估计值。
这一步中，接收到的信号的时域样点表示为r-GI，r-GI+1，…，r-1，r0，r1，…，rN-1，其中GI表示相关长度，N表示OFDM符号长度，利用循环前缀部分和数据部分进行滑动相关得到相关结果R(d)。
Figure GDA0002179097310000041
其中R表示相关结果，R(d)表示该相关结果是以d为自变量的函数，d表示滑动窗索引在r0，r1，…，rN-1中滑动，*表示共轭操作。
这一步中，当d在r0，r1，…，rN-1中滑动时，记录R(d)的绝对值最大的滑动窗索引d′的位置，并计算采样时钟频偏第一估计值
Figure GDA0002179097310000042
还根据R(d′)的相位值计算载波频偏第一估计值
Figure GDA0002179097310000044
Figure GDA0002179097310000045
其中arg表示求相位操作。
步骤204：将计算出来的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值对载波频偏和采样时钟频偏进行初始补偿。
步骤206：对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP-OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行复数乘法(即共轭相乘)，求取相位值。
这一步中，记Zl，j为经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿的第l个OFDM符号的j子载波索引位置的接收信号值，将符号间隔为D的相同的j子载波索引位置的接收信号值Zl-D，j做共轭相乘，取其复数值的相位值，记为xj，有
Figure GDA0002179097310000046
其中arg表示求相位操作，*表示共轭操作。
步骤208：利用所取得的相位值计算载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值。
这一步中，根据CP-OFDM系统的基本原理，存在载波频偏Δf′F和采样时钟频偏ζ时，前面所计算的相位值xj与载波频偏Δf′F和采样时钟频偏ζ以及子载波位置索引j存在对应关系，表示为xj＝G·f(×f′F，ζ，j)+ej，其中G表示与CP-OFDM系统配置相关的系数，f(Δf′F，ζ，j)表示以载波频偏Δf′F和采样频偏ζ以及子载波位置索引j为自变量的函数，ej是该子载波的固有的噪声和干扰。正是由于ej的存在，使得xj偏离f(Δf′F，ζ，j)指示的直线周围。这一步根据xj的测量值，计算采样时钟频偏第二估计值
Figure GDA0002179097310000051
和载波频偏第二估计值
Figure GDA0002179097310000052
Figure GDA0002179097310000054
其中，J是导频个数，mj为导频索引，且因为这里Nu即为有效子载波编号。
步骤210：将计算出来的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值用来对载波频偏和采样时钟频偏进行第二次补偿。经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿后的接收信号再送往步骤206，因此步骤206、步骤208、步骤210构成了一个闭环控制。
请参阅图3，本申请提供的CP-OFDM系统的频偏估计装置包括初始估计器32、环路估计器34、环路控制器36、环路补偿器38。其中，环路估计器34、环路控制器36、环路补偿器38构成一个闭环控制环路。
所述初始估计器32用来使用接收到的信号当前CP-OFDM符号上时域样点的循环前缀部分和数据部分进行滑动相关，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗位置计算采样时钟频偏第一估计值。所述初始估计器32将计算出来的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值送入环路控制器36中作为初始值。
所述环路估计器34用来对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP-OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行复数乘法，求取相位值，再利用所取得的相位值计算载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值。所述环路估计器34将得到的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值送入环路控制器36。
所述环路控制器36用来对初始估计器32或环路估计器34给出的载波频偏估计值和采样时钟频偏估计值进行处理，例如进行滤波操作，随后将滤波后的载波频偏估计值和采样时钟频偏估计值输出给环路补偿器38。
其中，在整个频偏估计装置开始工作时，环路估计器34还没有工作，环路补偿器38也没有输出，此时环路控制器36使用初始估计器32输出的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值作为初始值进行处理并输出给环路补偿器38。
其中，当环路补偿器38有输出后，初始估计器32停止工作，环路估计器34开始工作，此时环路控制器36使用环路估计器34计算出来的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值进行处理并输出给环路补偿器38。
所述环路补偿器38用来将环路控制器36输出的经过滤波处理后的载波频偏估计值和采样频偏估计值补偿到接收信号上。由于环路估计器34、环路控制器36、环路补偿器38构成一个闭环控制环路，因此频偏估计装置仅在启动时用到初始估计器32，随后就改用环路估计器34构成一个闭环控制环路。
本申请提供的CP-OFDM系统的频偏估计方法及装置可以适用于低信噪比环境下大范围频偏的场景。这是由于本申请在初始估计阶段利用时域信号进行载波和采样时钟的大范围频偏估计，并作为环路控制器的初始值。当闭环控制环路开始进行环路补偿后，后续的频偏范围就大大缩小；随后再利用导频进行载波和采样时钟的小范围频偏估计，从而可以取得更好的频偏估计效果。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种CP-OFDM系统的频偏估计方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤202：使用接收到的信号的当前CP-OFDM符号上的时域样点的循环前缀部分和数据部分进行滑动相关，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗位置计算采样时钟频偏第一估计值；
步骤204：根据载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值对载波频偏和采样时钟频偏进行初始补偿；
步骤206：对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP-OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行共轭相乘，求取相位值
Figure 498216DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤208：利用所取得的相位值计算载波频偏第二估计值
Figure 841265DEST_PATH_IMAGE004
和采样时钟频偏第二估计值
Figure 513555DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，是导频个数，
Figure 570318DEST_PATH_IMAGE014
为导频索引，且
Figure 391643DEST_PATH_IMAGE016
，所述
Figure 130929DEST_PATH_IMAGE018
为有效子载波编号；GI表示相关长度，N表示OFDM符号长度；
步骤210：根据载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值对载波频偏和采样时钟频偏进行闭环补偿，经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿后的接收信号再送往步骤206。
2.根据权利要求1所述的CP-OFDM系统的频偏估计方法，其特征是，所述步骤202中，接收到的信号的当前CP-OFDM符号上的时域样点表示为
Figure 178651DEST_PATH_IMAGE020
，其中GI表示相关长度，N表示OFDM符号长度，利用循环前缀部分和数据部分进行滑动相关得到相关结果
Figure 68109DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 337417DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示相关结果，
Figure 532424DEST_PATH_IMAGE022
表示该相关结果是以
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为自变量的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示滑动窗索引在
Figure DEST_PATH_IMAGE031
中滑动，*表示共轭操作。
3.根据权利要求2所述的CP-OFDM系统的频偏估计方法，其特征是，所述步骤202中，当
Figure 926497DEST_PATH_IMAGE026
在
Figure 698275DEST_PATH_IMAGE031
中滑动时，记录的绝对值最大的滑动窗索引
Figure DEST_PATH_IMAGE033
的位置，并计算采样时钟频偏第一估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，还根据
Figure DEST_PATH_IMAGE037
的相位值计算载波频偏第一估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
Figure DEST_PATH_IMAGE043
其中
Figure 260767DEST_PATH_IMAGE044
表示求相位操作。
4.根据权利要求1所述的CP-OFDM系统的频偏估计方法，其特征是，所述步骤206中，记
Figure 266769DEST_PATH_IMAGE046
为经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿的第
Figure 29188DEST_PATH_IMAGE048
个OFDM符号的
Figure 554979DEST_PATH_IMAGE050
子载波索引位置的接收信号值，将符号间隔为
Figure 541389DEST_PATH_IMAGE052
的相同的
Figure 910054DEST_PATH_IMAGE050
子载波索引位置的接收信号值做共轭相乘，取其复数值的相位值，记为，有
Figure 856461DEST_PATH_IMAGE054
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示求相位操作，*表示共轭操作。
5.一种CP-OFDM系统的频偏估计装置，其特征是，包括初始估计器、环路估计器、环路控制器、环路补偿器；
所述初始估计器用来使用接收到的信号的当前CP-OFDM符号上的时域样点的循环前缀部分和数据部分进行滑动相关，根据最大相关值计算载波频偏第一估计值，根据最大相关值所在的滑动窗位置计算采样时钟频偏第一估计值；
所述环路估计器用来对经过频偏补偿后的接收到的信号中不同CP-OFDM时域符号上相同子载波的信号值进行共轭相乘，求取相位值
Figure 623560DEST_PATH_IMAGE002
，再利用所取得的相位值
Figure 10679DEST_PATH_IMAGE002
计算载波频偏第二估计值
Figure 849322DEST_PATH_IMAGE056
和采样时钟频偏第二估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE057
；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
Figure DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
是导频个数，
Figure 52219DEST_PATH_IMAGE014
为导频索引，且
Figure 708329DEST_PATH_IMAGE016
，所述为有效子载波编号；GI表示相关长度，N表示OFDM符号长度；
所述环路控制器用来对初始估计器或环路估计器给出的载波频偏估计值和采样时钟频偏估计值进行处理，并将处理后的载波频偏估计值和采样时钟频偏估计值输出给环路补偿器；
所述环路补偿器用来将环路控制器输出的处理后的载波频偏估计值和采样频偏估计值补偿到接收信号上，经过载波频偏补偿和采样时钟频偏补偿后的接收信号再送往所述环路估计器。
6.根据权利要求5所述的CP-OFDM系统的频偏估计装置，其特征是，所述初始估计器还将计算出来的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值送入环路控制器中作为初始值。
7.根据权利要求5所述的CP-OFDM系统的频偏估计装置，其特征是，所述环路估计器还将计算出来的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值送入环路控制器。
8.根据权利要求6或7所述的CP-OFDM系统的频偏估计装置，其特征是，在所述频偏估计装置开始工作时，环路估计器未工作，环路补偿器无输出，此时环路控制器使用初始估计器输出的载波频偏第一估计值和采样时钟频偏第一估计值作为初始值进行处理并输出给环路补偿器；
当环路补偿器有输出后，初始估计器停止工作，环路估计器开始工作，此时环路控制器用环路估计器输出的载波频偏第二估计值和采样时钟频偏第二估计值进行处理并输出给环路补偿器。
9.根据权利要求8所述的CP-OFDM系统的频偏估计装置，其特征是，所述频偏估计装置仅在启动时用到初始估计器，随后就改用环路估计器并与环路控制器、环路补偿器构成一个闭环控制环路。
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