CN113973036B - 一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法,所述视频通信采用OFDM系统对视频通信中的信息流进行传输,信息通过被调制的电磁波经空间传输到达接收机;所述同步方法包括以下步骤:利用虚子载波的向量与信号的正交性,将频偏问题等效成极值问题,在无需导频符号的基础上,采用类谱峰搜索PM载波频率偏移算法进行频偏估计并进行矫正补偿以实现频率同步。本发明能够有效降低OFDM系统传输过程中信号的频率偏移对数据流的影响,提高视频通信质量。
Description
技术领域
本发明涉及视频通信技术领域,具体而言涉及一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法。
背景技术
在现代通信系统中,高速的数据业务的处理是一件非常困难的问题,因为当码元的码速比较高时,信号的带宽会较宽,由于无线信道的时延扩展性质,轻易产生前后码元之间的重叠,进而产生码间干扰。而随着时代的发展,人们对通信的可视化需求越来越高,并以传输语音、视频、数据为一体的视频通信技术为热点,视频通信的质量受带宽,编码等技术的影响,但OFDM系统可以将一个宽带信道分成几个子信道,子信道带宽较窄,可以看作平坦衰落信道,因此有抗衰落能力强,频率利用率低,适合高速传输数据等优点,特别是在视频通信领域有着良好的应用前景。
但是OFDM对频偏和相位噪声比较敏感,由于子信道的频谱相互覆盖,这就对它们之间的正交性提出了严格的要求,然而由于无线信道存在时变性,在传输过程中会出现无线信号的频率偏移(CFO),例如多普勒频移,或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差,都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,从而导致子信道间的信号相互干扰,这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。因此载频偏移问题是OFDM技术应用要解决的关键之一,它对系统的性能影响很大。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,提供一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法,能够有效降低OFDM系统传输过程中信号的频率偏移对数据流的影响,提高视频通信质量。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法,所述视频通信采用OFDM系统对视频通信中的信息流进行传输,信息通过被调制的电磁波经空间传输到达接收机;所述同步方法包括以下步骤:
利用虚子载波的向量与信号的正交性,将频偏问题等效成极值问题,在无需导频符号的基础上,采用类谱峰搜索PM载波频率偏移算法进行频偏估计并进行矫正补偿以实现频率同步。
为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:
进一步地,所述视频通信采用OFDM系统对视频通信中的信息流进行传输的过程包括以下步骤:
对数据序列进行长度为N的IDFT来实现OFDM调制,由长度为P的数据流和
在其末尾添加N-P个0组成,N>P;将P个用来传递有效信息的子载波定义为有用子载波,将N- P个未用来传递有效信息的子载波定义为虚拟子载波;用#0到#P-1表示有用子载波,#P到# N-1表示虚拟子载波;
进一步地,采用类谱峰搜索PM载波频率偏移算法进行频偏估计并进行矫正补偿的过程包括以下步骤:
根据下述公式计算得到信号协方差矩阵:
进一步地,所述同步方法还包括:
进一步地,所述同步方法还包括:
本发明的实现原理包括:
本发明采用OFDM系统进行数据传输,其基本原理就是把高速的数据流通过串并变换,分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加,因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔,使保护间隔大于无线信道的最大时延扩展。示例性地,采用循环前缀作为保护间隔。由于OFDM这种多载波传输体制对频率偏移的影响要敏感的多,当不存在频率偏移时OFDM系统各子载波间正交,不存在载波间干扰,系统性能会很好;当存在频率偏移时,这些频率偏移会导致子载波间不再正交,从而引发载波间干扰。较小的频率偏移都会导致很大的性能损失。因此,精确的频偏估计对OFDM系统是相当重要的。本发明通过类谱峰搜索的PM算法进行载波频率偏移估计并对频率进行矫正来完成频率同步。
本发明的有益效果是:
本发明利用OFDM信号本身固有的结构和特性——虚子载波进行频偏估计,结合类谱峰搜索PM估计算法可以获得较好地频率同步。本发明盲频偏估计算法不需要导频符号,避免了插入导频符号而带来的资源浪费。
附图说明
图1是本发明的OFDM系统的结构示意图。
图2是本发明的采用基带传输的离散时间OFDM系统模型的结构示意图。
图3是本发明的信噪比较差时类谱峰搜索PM算法中P(Z)波形示意图。
图4是本发明的信噪比较好时类谱峰搜索PM算法中P(Z)波形示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是,发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明设计了一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法,该方法使用OFDM系统对视频通信中的信息流进行传输,OFDM对频偏和相位噪声比较敏感,由于子信道的频谱相互覆盖,这就对它们之间的正交性提出了严格的要求,为克服频率偏移对同步产生的影响,使用盲频偏估计算法中的基于虚子载波算法的类谱峰搜索PM算法导出频偏估计并进行矫正补偿以实现频率同步。
图1是OFDM系统的结构示意图。视频通信过程中,将高速的数据流调制后进行
串并变换(对应信号)和IDFT变换(对应信号),加上保护间隔后(对应信号)
将并行的数据变成串行数据并将串行数据作D/A转换后生成传输信号
经无线信道传输,传输过程中存在噪声干扰(对应信号w(t))。在组帧时,需要加入同步序
列,以便接收端进行突发检测、同步和信道估计。随后经过与上述相反的操作将信号重新转
化为接收端的比特数据。
在视频通信系统中,信息通过被调制的电磁波在空间传输到达接收机。由于电磁波在空间传输时受到反射、漫射和散射等影响,会产生很复杂的传播机制,如多径效应、阴影效应和衰落效应等,从而导致信道随着用户的位置和时间而变化,接收到的信号的功率会快速波动。当接收机检测到信号到达后,首先进行信道估计与同步,而OFDM这种多载波传输体制对频率偏移的影响要敏感的多,因此本发明通过类谱峰搜索PM载波频率偏移算法进行频偏估计并进行矫正补偿以实现频率同步,属于盲频偏估计算法,由于其不需要导频符号,避免了由于插入导频符号多带来着资源浪费,并且节约了带宽,显示出信号处理的强大功能,有着重要的发展前景。之后通过串并转换以及FFT变换,并对数据进行解调,最终得到相应的比特流数据。
一、数据模型
图2是本发明的采用基带传输的离散时间OFDM系统模型的结构示意图。为了避免发送滤波和带外的功率扩散,有些子载波通常不被用来传输数据,将其称为“虚拟子载波”,即实际系统中容易滤波但是并不使用的那些子载波。
假设考虑的OFDM系统含有N个子载波,令时刻k的信息序列为。OFDM调制通过对数据序列进行长度为N的IDFT来实
现。由长度为P的数据流和在其末尾添加N-P个0组成。为了实现可靠的通信性能,选择N >P以保证足够宽的滤波保护间隔。例如在IEEE 802.11a标准中,N=64,P=48。N-P个未用来传
递有效信息的子载波称为虚拟子载波。为了方便,用#0到#P-1表示有用子载波,#P到#N-1表
示虚拟子载波。数据序列经传输信道传递至接收端,接收端将接收到的数据序列
进行串并转换处理成,再经DET变换成。
经过N点IDFT后,输出表示为,其中是维度为N×N的IDFT矩阵的前P列。然后,加入长度为的循环前缀,,为信道最大时延扩展长度。接收
端利用接收序列和信道冲激响应矩阵的循环卷积以去除循环前缀。由于
,在第k个符号块里,只有循环前缀部分的信号受到前面符号块的影响。对整个信道的影响
仅仅是按比例分配到每个子信道上。特别的,去除循环前缀的第k个符号块可以表达为:
二、类谱峰搜索PM载波频率偏移估计算法
类谱峰搜索PM方法,有信号协方差矩阵:
类谱峰搜索PM算法总结如下:首先利用y(k)得到多项式型的代价函数P(z);P(z)
为无穷大或找到P(z)在单位圆上的极点的相位即可估计出相应的频偏;当存在噪声时,
可使P(z)最大或找P(z)最接近单位圆的极点的相位就可以得到相应的频偏估计。图1是
OFDM系统的基本模型,图2是OFDM系统模型,图3是本发明的信噪比较差时类谱峰搜索PM算
法中P(z)波形示意图。图4是本发明的信噪比较好时类谱峰搜索PM算法中P(z)波形示意图。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种用于视频通信的正交频分复用频率同步方法,所述视频通信采用OFDM系统对视频通信中的信息流进行传输,信息通过被调制的电磁波经空间传输到达接收机;其特征在于,所述同步方法包括以下步骤:
利用虚子载波的向量与信号的正交性,将频偏问题等效成极值问题,在无需导频符号的基础上,采用类谱峰搜索PM载波频率偏移算法进行频偏估计并进行矫正补偿以实现频率同步;
所述视频通信采用OFDM系统对视频通信中的信息流进行传输的过程包括以下步骤:
设OFDM系统含有N个子载波,令时刻k的信息序列为s(k)=[s0(k),s1(k),…,sP-1(k)]T;
对数据序列s(k)进行长度为N的IDFT来实现OFDM调制,s(k)由长度为P的数据流和在其末尾添加N-P个0组成,N>P;将P个用来传递有效信息的子载波定义为有用子载波,将N-P个未用来传递有效信息的子载波定义为虚拟子载波;用#0到#P-1表示有用子载波,#P到#N-1表示虚拟子载波;
经过N点IDFT后,输出表示为x(k)=WPs(k),其中WP是维度为N×N的IDFT矩阵W的前P列;加入长度为Ng的循环前缀,Lc为信道最大时延扩展长度,Ng≥Lc;
y(k)=[y0(k),y1(k),…,yN-1(k)]T=WPHPs(k) (1);
其中,HP=diag(H(0),…,H(P-1)),ω=2π/N,HP为对角矩阵,diag(·)是对角化矩阵,i=0,…,P-1,l为信道冲击响应的标号;H(i)是h(l)的离散傅里叶变换的对数形式;
如果存在载波频偏Δω,每个Ts秒内接收到的第n个样值都被nφ=ΔωnTs所调制,则移除循环前缀后的接收端的N点信号y(k)变为:
采用类谱峰搜索PM载波频率偏移算法进行频偏估计并进行矫正补偿的过程包括以下步骤:
根据下述公式计算得到信号协方差矩阵:
对Ryy进行分块来估计传播算子,并构造Q矩阵Q=[PH,-IM-K]H,IM-K为M-K维的单位矩阵,M为序列长度,K是数据块长度,则载频偏移的类谱峰搜索PM谱函数估计为Z(εP)为频偏补偿矩阵Z中a取εP的结果;
式中,j=1,2,....,N-P;wP+j是第p+j个虚子载波;
当存在频率偏移时,采用如下代价函数P(z)得到相应的频偏估计φ:
其中,L≤N-P;P(z)为无穷大或找到P(z)在单位圆上的极点的相位以估计出相应的频偏φ;当存在噪声时,使P(z)最大或找P(z)最接近单位圆的极点的相位以得到相应的频偏估计φ。
2.根据权利要求1所述的用于视频通信的正交频分复用频率同步方法,其特征在于,所述同步方法还包括:
沿着单位圆估计P(z),找到频偏φ的闭式估计。
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