CN117014279A - 一种ofdm系统的差分整数倍频偏估计方法 - Google Patents

一种ofdm系统的差分整数倍频偏估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，所述方法包括：获取时域分数倍频偏估计输出值；利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流；将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)；将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)；将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关值达到最大时的移位，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值。本发明通过将频域数据和本地的前导频域序列做差分处理，利用差分处理后的数据进行移位互相关，进而根据移位互相关最大的移位，确定整数倍频偏估计值，能够消除定时误差的影响，快速、精确完成频偏估计。

Description

一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及到一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法。
背景技术
在通信系统中，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术是一种特殊的使用多载波进行数据传输的方案，其各个子载波相互正交，在频谱重叠的情况下，减小了子载波间的相互干扰，具有极大提高频谱利用效率、抗多径、子载波可灵活调制等特点，在实际应用中具有重大意义，因此广泛应用于数据链、无线局域网、3G、4G等现代通信系统中。
OFDM通信系统中，由于多普勒频移以及发射端和接收端晶振不同步使得收发两端的载波频率会有偏差，而这种偏差即使较小也会对系统的性能造成较大的损失，为了消除这种频偏对系统影响同时保证子载波之间的正交性，OFDM系统必须要对频偏进行估计和补偿，并且由于OFDM系统对频偏的估计精度具有较高要求，因此如何快速、精确的估计频偏在OFDM系统中是一项关键技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，旨在解决目前的整数倍频偏估计方法容易受到前级定时误差影响的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，包括：
S1：获取时域分数倍频偏估计输出值；
S2：利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流；
S3：将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)；
S4：将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)；
S5：将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关值达 到最大时的移位，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值。
可选的，将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)的表达式，具体为：
其中，DZ(k)表示差分数据，Z(k)表示频域数据流，k表示离散傅里叶快速变换的点数，Z*(k)表示Z(k)的共轭。
可选的，将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)的表达式，具体为：
其中，DP(k)表示差分序列，P(k)表示本地已知的前导频域序列，k表示离散傅里叶快速变换的点数，P*(k)表示P(k)的共轭。
可选的，将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关 值达到最大时的移位的表达式，具体为：
；
其中，表示归一化频偏的估计值，i表示循环移位的位数，k表示离散傅里叶快速变换的点数，DZ(k)表示频域数据流的差分数据，DP*(k)表示DP(k)共轭的差分序列。
可选的，所述S2：利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流步骤之后，所述方法，还包括：
S21：将获得的频域数据流存入FPGA的RAM中；
S22：通过寻址生成器对RAM中的数据进行控制输出，输出的数据经过求共轭、移位 和乘法操作后得到。
可选的，所述S3：将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)步骤之后，所述方法，还包括：
S31：将本地已知前导序列存储于FPGA的ROM当中；
S32：直接控制取出前导数据，进行共轭、移位和乘法操作后得到DP*(k)。
可选的，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值步骤，具体包括：将所述移位与子载波间隔的乘积作为整数倍频偏估计值。
本发明的有益效果在于：提出了一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，所述 方法包括：获取时域分数倍频偏估计输出值；利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍 频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流；将获得的频域数据流按间隔一位做 差分，获得差分数据DZ(k)；将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP (k)；将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关值达到最大时 的移位，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值。本发明通过将频域数据和本地的 前导频域序列做差分处理，利用差分处理后的数据进行移位互相关，进而根据移位互相关 最大的移位，确定整数倍频偏估计值，能够消除定时误差的影响，快速、精确完成频偏 估计。
附图说明
图1为本发明一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法的流程示意图；
图2为频偏估计的原理示意图；
图3为传统算法的性能示意图；
图4为改进算法的性能示意图；
图5为取不同采样点的相关累加值示意图；
图6为差分整数倍频偏估计算法的原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，参照图1，图1为本发明一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法实施例的流程示意图。
本实施例中，一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，包括：
S1：获取时域分数倍频偏估计输出值；
S2：利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流；
S3：将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)；
S4：将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)；
S5：将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关值达 到最大时的移位，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值。
在优选的实施例中，将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)的表达式，具体为：
其中，DZ(k)表示差分数据，Z(k)表示频域数据流，k表示离散傅里叶快速变换的点数，Z*(k)表示Z(k)的共轭。
在优选的实施例中，将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)的表达式，具体为：
其中，DP(k)表示差分序列，P(k)表示本地已知的前导频域序列，k表示离散傅里叶快速变换的点数，P*(k)表示P(k)的共轭。
在优选的实施例中，将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关， 取得互相关值达到最大时的移位的表达式，具体为：
；
其中，表示归一化频偏的估计值，i表示循环移位的位数，k表示离散傅里叶快速变换的点数，DZ(k)表示频域数据流的差分数据，DP*(k)表示DP(k)共轭的差分序列。
在优选的实施例中，所述S2：利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流步骤之后，所述方法，还包括：
S21：将获得的频域数据流存入FPGA的RAM中；
S22：通过寻址生成器对RAM中的数据进行控制输出，输出的数据经过求共轭、移位 和乘法操作后得到。
在优选的实施例中，所述S3：将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)步骤之后，所述方法，还包括：
S31：将本地已知前导序列存储于FPGA的ROM当中；
S32：直接控制取出前导数据，进行共轭、移位和乘法操作后得到DP*(k)。
在优选的实施例中，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值步骤，具体包括： 将所述移位与子载波间隔的乘积作为整数倍频偏估计值。
在本实施例中，提供了一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，通过将频域数 据和本地的前导频域序列做差分处理，利用差分处理后的数据进行移位互相关，进而根据 移位互相关最大的移位，确定整数倍频偏估计值，能够消除定时误差的影响，快速、精 确完成频偏估计。
为了更清楚的解释本申请，下面提供本申请在实际应用中的具体实例。
需要说明的是，在OFDM通信系统中，载波频偏一般可以根据子载波的间隔归一化为分数倍频偏以及整数倍频偏，整个频偏估计模块首先需要在时域进行分数倍频偏估计，然后再利用离散傅里叶算法（Discrete Fourier Transform,DFT）变换到频域做整数倍频偏估计。针对频域整数倍频偏估计，本实施例提出一种差分整数倍频偏估计方法，该方法相比于传统的整数倍频偏估计方法具有更加快速、精确的优点，同时解决了传统整数倍频偏估计方法容易受前级定时误差影响的问题，极大提升了估计精度并改善了载波同步性能，最后本实施例提出一种基于改进差分整数倍频偏估计方法的高效实现方法，该方法具有消耗逻辑资源少，计算延迟低的特点。
如图2所示，数据流进入频偏估计系统后，首先进行时域分数倍频偏估计并进行补偿，之后利用离散傅里叶快速算法（Fast Fourier Transformation,FFT）将数据流从时域转换到频域，最后进行整数倍频偏估计并补偿，完成整个频偏估计。
（1）在现有技术中，采用的整数频偏估计，具体为：整数频偏估计在频域进行，并利 用前导进行估计，在小数频偏补偿后，首先对前导的前X个时域符号（本系统设计前导符号 为512个，X=512）做FFT运算，将其变换到频域，得到频域数据Z，然后把接收的数据Z与本地 已知的前导频域序列P做移位互相关，取得互相关值达到最大时的移位，则（ 为子载波间隔）为整数倍频偏的大小。
；
但由于帧头捕获算法能适应的最大频偏范围为，并且在前级小数倍频偏估计时存在相位翻转的情况，使得翻转后频率会差1个子载波间隔，所以整数倍频偏估计的频偏范围为/>，则上式中i的取值为i=-5、-4、…、4、5。
（2）考虑到上述方法受定时影响较大，因此本实施例对上式进行改进，提出一种差分整数倍频偏估计方法，具体改进原理为：①将转化到频域的数据流先间隔一位做差分，得到DZ(k)；②将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，得到DP(k)；③将DZ(k)与DP(k)做移位互相关，最终得到如下式子：
；
其中，表示循环移位的位数。
（3）下面提供两种方案的性能对比：
设子载波间隔为，频偏设置为/>，在具有多径特性的高斯白噪声信道环境下，两者算法性能对比如下：
考察定时误差对两种算法的性能影响，当定时提前一个采样点，Eb/N0=-5dB时两种算法（传统与改进算法）的性能结果如图3和图4所示，从图3和图4（横坐标为采样点，共512个；纵坐标为相关峰强度）对比可以看出，改进后的算法能够克服定时误差的影响。
考察采样点对改进算法的性能影响，当4倍过采样时， Eb/N0=-5dB时的性能结果如图5（横坐标为采样点，共512个；纵坐标为相关峰强度）所示，可以看出，改进算法对采样点不敏感，不论取哪一个采样点，峰值与其他值的差距没有变化。
评估改进算法的均方根误差，频偏设置为，4倍上采样后，抽取出一倍数据（取最差的点），仿真100万次，EbN0设置为[-6dB -4dB -2dB 0dB]时，均方根误差接近为0。
（4）改进算法的高效实现方法
在本实施例中，由于帧头捕获的范围为Fd/128（Fd为符号速率），整数倍频偏估计的FFT点数为512，因此差分整数倍频偏估计仅需要估计4倍子载波间隔即可，适当放大至左右5个子载波，总计需要计算11个移位互相关，即i=0、1、…、10，其余OFDM系统可根据系统特性参考本实施例系统进行推断设置i值。
本实施例改进算法在FPGA平台下完成实现，由于算法中采用了大量差分移位运算，为简化算法的实现复杂度，降低逻辑资源的消耗，本文提出的高效实现方法大量采用了RAM及ROM查找表，耗用较少逻辑资源的同时，其计算延迟也较小，进一步降低了FPGA的功耗，具有较高工程应用价值，其具体实现框图如图6所示。其中，FFT_OUT为FFT的输出，Addrgen为地址产生模块，RAM为随机存取存储器，conj为共轭，D为移位，sum表示求和，ROM为只读存储器。
数据流经过FFT完成时频转换后存入FPGA中的RAM，同时通过寻址生成器对RAM中 的数据进行控制输出，输出的数据经过求共轭、移位和乘法操作后得到；以及DP (k)进行相关累加，取得互相关值达到最大时的移位，则为整数倍频偏的大小。
由此可知，在OFDM通信系统中，常用的频域整数倍频偏估计方法是利用其前导字 结构在频域的移位互相关特性，把接收到的频域数据和已知的前导字频域序列做移位互相 关运算，当得到的互相关值取得最大时的移位，则（为子载波间隔）为整数倍 频偏的大小，当前级模块不存在定时误差或定时误差较小时，该方法具有较好的性能，但是 当送入FFT模块的数据具有较大的定时误差时，该方法会受到较大影响，得到错误的频偏估 计结果。而本申请所述的差分整数倍频偏估计方法具有快速、精确完成频偏估计的性能，且 能够消除定时误差的影响，同时本申请给出了该改进算法的高效实现结构，实验表明该方 法及实现结构具有较强的理论与工程应用价值。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，包括：
S1：获取时域分数倍频偏估计输出值；
S2：利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流；
S3：将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)；
S4：将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)；
S5：将所述差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关值达到最 大时的移位，根据所述移位，确定整数倍频偏估计值。
2.如权利要求1所述的一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)的表达式，具体为：
其中，DZ(k)表示差分数据，Z(k)表示频域数据流，k表示离散傅里叶快速变换的点数，Z*(k)表示Z(k)的共轭。
3.如权利要求2所述的一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，将已知的本地前导频域序列间隔一位做差分，获得差分序列DP(k)的表达式，具体为：
其中，DP(k)表示差分序列，P(k)表示本地已知的前导频域序列，k表示离散傅里叶快速变换的点数，P*(k)表示P(k)的共轭。
4.如权利要求3所述的一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，将所述 差分数据DZ(k)与所述差分序列DP(k)做移位互相关，取得互相关值达到最大时的移位 的表达式，具体为：
；
其中，表示归一化频偏的估计值，i表示循环移位的位数，k表示离散傅里叶快速变换的点数，DZ(k)表示频域数据流的差分数据，DP*(k)表示DP(k)共轭的差分序列。
5.如权利要求1所述的一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，所述S2：利用离散傅里叶快速变换将所述时域分数倍频偏估计输出值从时域转换到频域，获得频域数据流步骤之后，所述方法，还包括：
S21：将获得的频域数据流存入FPGA的RAM中；
S22：通过寻址生成器对RAM中的数据进行控制输出，输出的数据经过求共轭、移位和乘 法操作后得到。
6.如权利要求2所述的一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，所述S3：将获得的频域数据流按间隔一位做差分，获得差分数据DZ(k)步骤之后，所述方法，还包括：
S31：将本地已知前导序列存储于FPGA的ROM当中；
S32：直接控制取出前导数据，进行共轭、移位和乘法操作后得到。
7.如权利要求6所述的一种OFDM系统的差分整数倍频偏估计方法，其特征在于，根据所 述移位，确定整数倍频偏估计值步骤，具体包括：将所述移位与子载波间隔的乘 积作为整数倍频偏估计值。
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