CN112134823B - 基于cir峰值的ofdm信号符号同步误差估计方法 - Google Patents

基于cir峰值的ofdm信号符号同步误差估计方法 Download PDF

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CN112134823B CN202011007034.5A CN202011007034A CN112134823B CN 112134823 B CN112134823 B CN 112134823B CN 202011007034 A CN202011007034 A CN 202011007034A CN 112134823 B CN112134823 B CN 112134823B
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Abstract

本发明提供了基于CIR峰值的OFDM信号符号同步误差估计方法，包括下述步骤：发端在频域数据块内插入梳状导频，在第1个时域符号块前插入训练序列；接收端通过训练序列进行符号同步，通过第1个时域符号块中的导频完成同步误差估计，然后根据误差对接收信号进行误差纠正。本文所提的方法，可以获取较好的符号同步误差估计及纠正效果。

Description

基于CIR峰值的OFDM信号符号同步误差估计方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及基于信道冲击响应(channel impulseresponse,CIR)峰值的正交频分复用(OFDM)信号符号同步误差估计方法。
背景技术
对于OFDM系统而言，精确的符号同步对系统有着非常重要的作用，然而由于多普勒频偏和多径干扰的影响，符号同步会存在一定的定时误差。如果符号同步不准确，会对系统造成较大的影响。首先，系统在进行频偏纠正时，由于同步的误差，在进行自相关时，重复的训练序列不能做到严格对齐，导致无法准确计算频偏；其次，在对信道响应进行估计时，频域信道响应存在一定的相位旋转，导致无法准确估计信道响应。因此必须对符号同步的定时误差进行估计，并根据误差对接收数据进行处理，消除误差的影响，保证系统的传输性能。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供基于CIR峰值的OFDM信号符号同步误差估计方法，包括如下步骤：
步骤1：在频域数据块内插入梳状导频；
步骤2：在第1个时域符号块前插入重复的训练序列；
步骤3：通过训练序列进行符号同步；
步骤4：通过1个时域符号块中的导频完成同步误差估计；
步骤5：根据误差对接收信号进行纠正。
步骤1包括：
步骤1-1，第m个频域数据块记为
Figure GDA0004043968150000011
其中N为子载波的个数，Xm(N-1)表示第N个子载波，/>
Figure GDA0004043968150000012
为转置，Xm一共有N个数据，包含L＝N/4个导频和N-L个正交振幅调制(Quadrtic amplitude modulation,QAM)符号，将L个导频设置于第4l个子载波上，将N-L个QAM符号设置于其他的N-L子载波上，l＝0,1,...L-1；
步骤1-2，通过N点傅利叶逆变换IFFT将Xm变换到时域得到第m个时域符号块xm，表示为：
xm＝[xm(0),xm(1),…,xm(N-1)]；
其中xm(N-1)表示xm中的第N个数据。
步骤1-3，在符号块前，插入M点循环前缀(Cyclic prefix，CP)插入M点循环前缀后的符号块表示为
Figure GDA0004043968150000021
Figure GDA0004043968150000022
步骤2包括：
步骤2-1，同步头数据块记为D＝[D(0),D(1),…,D(N-1)],D(k)为第k个子载波上的数据，k＝0,1,...N-1，D(N-1)为第N个子载波上的数据。
生成一个长度为N/2的ZadOff Chu(ZC)序列，如下所示：
Figure GDA0004043968150000023
其中，Dd(l)表示ZC序列中的第l点数据。
将ZC序列按序插入到D的奇数子载波中，偶数子载波置零，具体如下式所示：
Figure GDA0004043968150000024
其中，
Figure GDA0004043968150000025
和/>
Figure GDA0004043968150000026
分别为奇数子载波和偶数子载波的指示序列。
步骤2-2，通过傅里叶逆变换IFFT将同步头数据块D变换到时域得到训练序列，具体表示为：
d＝IFFT(D)，
其中，
Figure GDA0004043968150000027
d(n)为第n点数据,n＝0,1,...N-1；
步骤2-3，在训练序列d前，插入M点循环前缀，插入后的序列d表示为dCP：
Figure GDA0004043968150000031
步骤2-4，在第1个时域符号块
Figure GDA0004043968150000032
前，插入dCP，表示为：
Figure GDA0004043968150000033
步骤3包括：
将接收端的接收信号记为r＝[r(0),r(1),...,r(n),...]，其中r(n)表示r中的第n+1点数据，将接收信号r＝[r(0),r(1),...,r(n),...]与训练序列d＝[d(0),d(1),...,d(N-1)]进行相关并检测峰值，对应的定时估计
Figure GDA0004043968150000034
为：
Figure GDA0004043968150000035
其中，P(n)为d与r的第n点互相关，表示为：
Figure GDA0004043968150000036
其中，*表示共轭。
R(n)为d的第n点自相关，表示为：
Figure GDA0004043968150000037
根据
Figure GDA0004043968150000038
值，确定第1个时域符号块/>
Figure GDA0004043968150000039
Figure GDA00040439681500000310
为/>
Figure GDA00040439681500000311
中的第N个数据。
步骤4包括：
步骤4-1，通过N点快速傅里叶变换FFT将第1个时域符号块
Figure GDA00040439681500000312
转换到频域得到频域数据块/>
Figure GDA00040439681500000313
其中，/>
Figure GDA00040439681500000314
表示频域数据块/>
Figure GDA00040439681500000315
中的第N-1点数据，/>
Figure GDA00040439681500000316
Figure GDA00040439681500000317
表示频域数据块/>
Figure GDA00040439681500000318
中的第k个数据，0≤k≤N-1，H1(k)和W1(k)分别是第k个子载波上的频域信道响应和噪声，X1(k)为第k个子载波上的数据；
步骤4-2，通过导频计算L个导频子载波上的信道响应
Figure GDA0004043968150000041
表示为：
Figure GDA0004043968150000042
其中，Xp(k)为第k个子载波上的导频，
Figure GDA0004043968150000043
表示/>
Figure GDA0004043968150000044
中第4×(l-1)个子载波上的导频；
步骤4-3，利用L点IFFT将
Figure GDA0004043968150000045
变换到时域得到/>
Figure GDA0004043968150000046
对应的信道冲击响应
Figure GDA0004043968150000047
Figure GDA0004043968150000048
表示/>
Figure GDA0004043968150000049
中的第L-1点数据；
步骤4-4，计算参数
Figure GDA00040439681500000410
步骤4-5，根据参数
Figure GDA00040439681500000411
判断符号同步是否存在误差：
如果
Figure GDA00040439681500000412
符号同步准确，不存在误差；
如果
Figure GDA00040439681500000413
符号同步提前；
如果
Figure GDA00040439681500000414
符号同步滞后。
步骤5包括：
如果符号同步准确，不进行处理；
如果符号同步提前，数据块起点后移
Figure GDA00040439681500000415
点数据；
如果符号同步滞后，数据块起点前移
Figure GDA00040439681500000416
点数据。
本发明提出了基于CIR峰值计算的OFDM信号符号同步误差估计方法，该方法的基本思想是发端在频域数据块内插入梳状导频，在第1个时域符号块前插入训练序列；接收端通过训练序列进行符号同步，通过第1个时域符号块中的导频完成同步误差估计，然后根据误差对接收信号进行误差纠正。
有益效果：本发明可以对符号同步误差进行估计，首先可判断符号同步是否存在误差，然后对误差的类型(提前或滞后)进行判断和估计，然后根据误差估计数值，对接收数据进行处理，消除符号同步误差的影响。本发明可获得准确的符号同步误差估计效果和良好的符号同步误差纠正性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明流程图。
具体实施方式
本发明提供的基于CIR峰值计算的OFDM信号符号同步误差估计方法的处理流程如图1所示，步骤1：在频域数据块内插入梳状导频；
步骤2：在第1个时域符号块前插入重复的训练序列；
步骤3：通过训练序列进行符号同步；
步骤4：通过1个时域符号块中的导频完成同步误差估计；
步骤5：根据误差对接收信号进行纠正。
步骤1包括：
步骤1-1，第m个频域数据块记为
Figure GDA0004043968150000053
其中N为子载波的个数，Xm(N-1)表示第N个子载波，/>
Figure GDA0004043968150000054
为转置，Xm一共有N个数据，包含L＝N/4个导频和N-L个正交振幅调制QAM符号，将L个导频设置于第4l个子载波上，将N-L个QAM符号设置于其他的N-L子载波上，l＝0,1,...L-1；
步骤1-2，通过N点傅利叶逆变换IFFT将Xm变换到时域得到第m个时域符号块xm，表示为：
xm＝[xm(0),xm(1),…,xm(N-1)]；其中xm(N-1)表示xm中的第N个数据。
步骤1-3，在符号块前，插入M点循环前缀(Cyclic prefix，CP)插入M点循环前缀后的符号块表示为
Figure GDA0004043968150000051
Figure GDA0004043968150000052
步骤2包括：
步骤2-1，同步头数据块记为D＝[D(0),D(1),…,D(N-1)],D(k)为第k个子载波上的数据，k＝0,1,...N-1，D(N-1)为第N个子载波上的数据。
生成一个长度为N/2的ZadOff Chu(ZC)序列，如下所示：
Figure GDA0004043968150000061
其中，Dd(l)表示ZC序列中的第l点数据。
将ZC序列按序插入到D的奇数子载波中，偶数子载波置零，具体如下式所示：
Figure GDA0004043968150000062
其中，
Figure GDA0004043968150000063
和/>
Figure GDA0004043968150000064
分别为奇数子载波和偶数子载波的指示序列。步骤2-2，通过傅里叶逆变换IFFT将同步头数据块D变换到时域得到训练序列，具体表示为：
d＝IFFT(D)，其中，
Figure GDA00040439681500000611
d(n)为第n点数据,n＝0,1,...N-1；
步骤2-3，在训练序列d前，插入M点循环前缀，插入后的序列d表示为dCP：
Figure GDA0004043968150000065
步骤2-4，在第1个时域符号块
Figure GDA0004043968150000066
前，插入dCP，表示为：/>
Figure GDA0004043968150000067
步骤3包括：
将接收端的接收信号记为r＝[r(0),r(1),...,r(n),...]，其中r(n)表示r中的第n+1点数据，将接收信号r＝[r(0),r(1),...,r(n),...]与训练序列d＝[d(0),d(1),...,d(N-1)]进行相关并检测峰值，对应的定时估计
Figure GDA0004043968150000068
为：
Figure GDA0004043968150000069
其中，P(n)为d与r的第n点互相关，表示为
Figure GDA00040439681500000610
其中，*表示共轭。
R(n)为为d的第n点自相关，表示为
Figure GDA0004043968150000071
根据
Figure GDA0004043968150000072
值，确定第1个时域符号块/>
Figure GDA0004043968150000073
Figure GDA0004043968150000074
为/>
Figure GDA0004043968150000075
中的第N个数据。
步骤4包括：
步骤4-1，通过N点快速傅里叶变换FFT将第1个时域符号块
Figure GDA0004043968150000076
转换到频域得到频域数据块/>
Figure GDA0004043968150000077
其中，/>
Figure GDA0004043968150000078
表示频域数据块/>
Figure GDA0004043968150000079
中的第N-1点数据，
Figure GDA00040439681500000710
Figure GDA00040439681500000711
表示频域数据块/>
Figure GDA00040439681500000712
中的第k个数据，0≤k≤N-1，H1(k)和W1(k)分别是第k个子载波上的频域信道响应和噪声，X1(k)为第k个子载波上的数据；
步骤4-2，通过导频计算L个导频子载波上的信道响应
Figure GDA00040439681500000713
表示为：
Figure GDA00040439681500000714
其中，Xp(k)为第k个子载波上的导频，
Figure GDA00040439681500000715
表示/>
Figure GDA00040439681500000716
中第4×(l-1)个子载波上的导频；
步骤4-3，利用L点IFFT将
Figure GDA00040439681500000717
变换到时域得到/>
Figure GDA00040439681500000718
对应的信道冲击响应
Figure GDA00040439681500000719
Figure GDA00040439681500000720
表示/>
Figure GDA00040439681500000721
中的第L-1点数据；
步骤4-4，计算参数
Figure GDA00040439681500000722
步骤4-5，根据参数
Figure GDA00040439681500000723
判断符号同步是否存在误差：
如果
Figure GDA00040439681500000724
符号同步准确，不存在误差；/>
如果
Figure GDA00040439681500000725
符号同步提前；
如果
Figure GDA00040439681500000726
符号同步滞后。
步骤5包括：
如果符号同步准确，不进行处理；
如果符号同步提前，数据块起点后移
Figure GDA0004043968150000081
点数据；
如果符号同步滞后，数据块起点前移
Figure GDA0004043968150000082
点数据。
下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例：
本实施例中，参数说明如下：子载波数N＝512，星座映射方式为4QAM，CP长度为M＝64，导频间隔为L＝128。符号同步误差分别设置滞后10个采样点和提前10个采样点两种情况。
仿真结果表明，当存在符号同步滞后10个采样点时，比特误差率(BER)曲线几乎保持水平，无法随信噪比(SNR)的增大而下降，说明BER接收性能极具恶化，当进行同步误差纠正后，BER曲线与同步准确时的曲线几乎重合，说明取得良好的同步误差纠正效果；当符号同步提前10个采样点时，BER＝10-4，与同步准确的曲线相比，SNR高约0.3dB，进行同步误差纠正后，BER曲线与同步准确时的曲线几乎重合。
本发明提供了基于CIR峰值的OFDM信号符号同步误差估计方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.基于CIR峰值的OFDM信号符号同步误差估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在频域数据块内插入梳状导频；
步骤2：在第1个时域符号块前插入重复的训练序列；
步骤3：通过训练序列进行符号同步；
步骤4：通过1个时域符号块中的导频完成同步误差估计；
步骤5：根据误差对接收信号进行纠正；
步骤1包括：
步骤1-1，第m个频域数据块记为
Figure FDA0004043968140000014
其中N为子载波的个数，Xm(N-1)表示第N个子载波，/>
Figure FDA0004043968140000015
为转置，Xm一共有N个数据，包含L＝N/4个导频和N-L个正交振幅调制QAM符号，将L个导频设置于第4l个子载波上，将N-L个QAM符号设置于其他的N-L子载波上，l＝0,1,...L-1；
步骤1-2，通过N点傅利叶逆变换IFFT将Xm变换到时域得到第m个时域符号块xm，表示为：
xm＝[xm(0),xm(1),…,xm(N-1)]；
其中xm(N-1)表示xm中的第N个数据；
步骤1-3，在符号块前，插入M点循环前缀插入M点循环前缀后的符号块表示为
Figure FDA0004043968140000011
Figure FDA0004043968140000012
步骤2包括：
步骤2-1，同步头数据块记为D＝[D(0),D(1),…,D(N-1)],D(k)为第k个子载波上的数据，k＝0,1,...N-1，D(N-1)为第N个子载波上的数据；
生成一个长度为N/2的ZC序列，如下所示：
Figure FDA0004043968140000013
其中，Dd(l)表示ZC序列中的第l点数据；
将ZC序列按序插入到D的奇数子载波中，偶数子载波置零，具体如下式所示：
Figure FDA0004043968140000021
其中，
Figure FDA0004043968140000022
和/>
Figure FDA0004043968140000023
分别为奇数子载波和偶数子载波的指示序列；
步骤2-2，通过傅里叶逆变换IFFT将同步头数据块D变换到时域得到训练序列，具体表示为：
d＝IFFT(D)，
其中，
Figure FDA00040439681400000210
d(n)为第n点数据,n＝0,1,...N-1；
步骤2-3，在训练序列d前，插入M点循环前缀，插入后的序列d表示为dCP：
Figure FDA0004043968140000024
步骤2-4，在第1个时域符号块
Figure FDA0004043968140000029
前，插入dCP，表示为：
Figure FDA0004043968140000025
/>
步骤3包括：
将接收端的接收信号记为r＝[r(0),r(1),...,r(n),...]，其中r(n)表示r中的第n+1点数据，将接收信号r＝[r(0),r(1),...,r(n),...]与训练序列d＝[d(0),d(1),...,d(N-1)]进行相关并检测峰值，对应的定时估计
Figure FDA0004043968140000026
为：
Figure FDA0004043968140000027
其中，P(n)为d与r的第n点互相关，表示为：
Figure FDA0004043968140000028
其中，*表示共轭；
R(n)为d的第n点自相关，表示为：
Figure FDA0004043968140000031
根据
Figure FDA0004043968140000032
值，确定第1个时域符号块/>
Figure FDA0004043968140000033
Figure FDA0004043968140000034
为/>
Figure FDA0004043968140000035
中的第N个数据；
步骤4包括：
步骤4-1，通过N点快速傅里叶变换FFT将第1个时域符号块
Figure FDA0004043968140000036
转换到频域得到频域数据块/>
Figure FDA0004043968140000037
其中，/>
Figure FDA0004043968140000038
表示频域数据块/>
Figure FDA0004043968140000039
中的第N-1点数据，
Figure FDA00040439681400000310
Figure FDA00040439681400000311
表示频域数据块/>
Figure FDA00040439681400000312
中的第k个数据，0≤k≤N-1，H1(k)和W1(k)分别是第k个子载波上的频域信道响应和噪声，X1(k)为第k个子载波上的数据；
步骤4-2，通过导频计算L个导频子载波上的信道响应
Figure FDA00040439681400000313
表示为：
Figure FDA00040439681400000314
其中，Xp(k)为第k个子载波上的导频，
Figure FDA00040439681400000315
表示/>
Figure FDA00040439681400000316
中第4×(l-1)个子载波上的导频；
步骤4-3，利用L点IFFT将
Figure FDA00040439681400000317
变换到时域得到/>
Figure FDA00040439681400000318
对应的信道冲击响应
Figure FDA00040439681400000319
Figure FDA00040439681400000320
表示/>
Figure FDA00040439681400000321
中的第L-1点数据；
步骤4-4，计算参数
Figure FDA00040439681400000322
步骤4-5，根据参数
Figure FDA00040439681400000323
判断符号同步是否存在误差：
如果
Figure FDA00040439681400000324
符号同步准确，不存在误差；
如果
Figure FDA00040439681400000325
符号同步提前；/>
如果
Figure FDA0004043968140000041
符号同步滞后。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5包括：
如果符号同步准确，不进行处理；
如果符号同步提前，数据块起点后移
Figure FDA0004043968140000042
点数据；
如果符号同步滞后，数据块起点前移
Figure FDA0004043968140000043
点数据。/>
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