CN1248439C

CN1248439C - 正交频分复用系统中频率同步实现方法

Info

Publication number: CN1248439C
Application number: CN 02136607
Authority: CN
Inventors: 茅永峻; 张海滨; 蔡觉平; 罗汉文; 宋文涛
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: CN1396730A

Abstract

一种正交频分复用系统中频率同步实现方法，采用小数倍同步作初步补偿后再做整数倍同步，先在FFT前作频率跟踪，估计小数倍频率偏移，经初步频率校正后作频率捕获，估计整数倍频率偏移。整数倍同步通过离散傅立叶变换，把信号的互相关转化为信号的乘积，用一个乘法器对输入的串行信号和本地ROM中存储的数据相乘，通过串/并转换器转成并行数据并送入IFFT模块，比较IFFT模块输出信号模值的大小，得到整数倍频偏估计值。小数倍同步利用短训练序列的t8、t9、t10实现。本发明将小数倍同步算法和整数倍算法结合，极大地提高了频率捕获范围，保证了同步所需的精度。

Description

正交频分复用系统中频率同步实现方法

技术领域：

本发明涉及一种正交频分复用系统中频率同步实现方法，主要应用于新一代蜂窝移动通信系统和无线局域网以及基于正交频分复用系统的无线和有线传输系统。

背景技术：

利用并行数据传输和频分复用的概念于二十世纪六十年代中期提出，是为了在充分利用有效带宽的情况下，利用交叠的子信道来避免高速均衡器的使用，抵抗脉冲噪声和多径效应。最早在军事通信中应用，它的特点是子载波与子载波之间是正交的。这种系统我们一般称为正交频分复用系统，简称OFDM系统。

在OFDM系统中，由于发送和接收振荡器之间存在不匹配性，或在移动无线通道存在多普勒频移，发送端和接收端存在载波频率偏移。载波频率偏移引入载波间干扰，降低了子载波之间的正交性，从而降低了整个系统的性能。对有大量子载波组成的OFDM系统来说，子载波带宽相对整个信道带宽来说小的多。因此，少量的频率偏移将会导致信噪比实质性的降低。

目前的频率同步方法可以归纳为以下几类：

a)在OFDM帧中插入特殊的同步块实现频率同步；

b)对接收信号经快速傅立叶变换FFT的输出分析来实现频率同步；

c)利用FFT变换前的保护时隙来实现频率同步；

第一类方法利用特殊的同步块估计频率偏移，可得到很好的结果，但是，这种方法要插入同步块，降低了频带利用率，在这种情况下，要求同步块的数量远小于数据数量，还有一点不足，同步时间比较长，算法复杂。

第二类方法频谱利用率高，但同步性能差。

第三类方法利用OFDM系统中信号本身的特性来同步，算法相对来说简单，但是精度比较低。

对于整数倍频率同步来说，利用伪随机序列PN的自相关性做频率捕获，存在着捕获范围和捕获精度间的矛盾。

OFDM系统中，一般利用功率增高的方法作整数倍频率同步，即在频域某些子载波处插入导频，这些导频的功率值大于其它子载波处数据的功率值，接收端利用这些导频功率增高的特性和导频的位置来估计归一化整数倍频率偏移值。这种方法能准确地估计整数倍频率偏移量，其不足之处是估计范围有限。“Performance of OFDM Carrier and Sampling Frequency Synchronization onStationary and Mobile Channels”，IEEE，pp.18-19，June 2000文章中提出把频率捕获和跟踪分三步实现。第一步，在最大似然函数ML准则下，利用保护间隔做频率跟踪(属于粗频率同步)；第二步，利用导频功率增高的方法做整数倍频率同步(属于精频率同步)；第三步，利用前后符号中插入的导频的互相关性做进一步的小数倍频率同步(属于精频率同步)。这种算法可精确的实现频率偏移校正，但这种方法主要用于DVB-T。且频率捕获算法相对复杂。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的正交频分复用系统中频率同步实现方法，在保证精度的前提下，能有效提高频率捕获范围，降低算法的复杂度，用可编程门阵列(FPGA)实现时，减少FPGA门的开销。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用小数倍同步和整数倍同步分离，先做小数倍同步，初步补偿后做整数倍同步的方法。整数倍同步不直接在频域中做信号的互相关来估计整数倍频率偏移，而是通过离散傅立叶变换，把信号的互相关转化为信号的乘积，输入的串行信号通过一个乘法器和本地ROM中的信号相乘，这样把信号的互相关运算转化为用一个乘法器对输入的串行信号和本地ROM中存储的数据相乘，输出数据通过串/并转换器转成并行数据，修正接收器本身带有的FFT的参数，把它改成反傅立叶变换(IFFT)，利用IFFT模块对串/并转换器输出的并行信号做IFFT，比较IFFT模块输出信号模值的大小，从而得到整数倍频偏估计值。小数倍同步利用短训练序列的t8、t9、t10实现。因此，新的频率同步方法可先在FFT前作频率跟踪，估计小数倍频率偏移，然后经初步频率校正后作频率捕获，估计整数倍频率偏移，估计范围在[-32ΔF，31ΔF]。

本发明的方法具体步骤如下：

1、先进行小数倍频率同步。将接收到的帧同步后的数据分成两路，一路信号给乘法器，一路信号给延时器延时N个采样数据，延时的数据取共轭与另一路数据相乘，再做长度为L的移位和，分别取其实部和虚部，作为估计器的输入信号。

帧同步模块的功能是给出FFT窗的开始位置，取出符号的头(符号从哪里开始)，经过帧同步给出短训练序列t8、t9、t10和长训练序列的开始位置，t8、t9、t10分别表示第8个、第9个和第10个短训练序列。

2、根据最大似然函数准则，把t8看作保护间隔，t9和t10看作数据段，通过下式估计小数倍频率偏移量。

\hat{ϵ} = \frac{1}{2 π} \tan^{- 1} \frac{Σ_{k = θ - L + 1}^{θ} Im {r (k) r * (k - N)}}{Σ_{k = θ - L + 1}^{θ} Re {r (k) \cdot r * (k - N)}}

可估计的归一化频率偏移量其中为归一化小数倍频偏估计值，θ是t8作为循环前缀(CP)的最后一个采样值，L是一个短训练序列的长度，r(k)为接收到的信号，{.}^*表示共轭。

3、归一化频偏估计值

作为输入信号输给数控振荡器NCO，数控振荡器根据

的大小输出相应频率的正弦和余弦信号，输出的正弦信号和余弦信号分别和RAM中存储的两路接收信号相乘，补偿接收数据的小数倍频率偏移量，起到粗同步的作用。

4、再进行整数倍频率同步。将粗同步的数据作为输入数据，作为整数倍频率同步模块的输入信号x₁(n)；对长训练序列的子载波做FFT，得到的数据存储在ROM中；去掉接收到的数据中长训练序列中的保护时隙，剩下的数据利用一个乘法器按顺序和本地ROM中信号x₂(n)相乘，输出相应的数据。

5、从乘法器输出的数据经过串/并变换，其输出信号作为IFFT的输入信号输给IFFT模块，IFFT模块可由本地的FFT模块得到。

6、从IFFT输出的数据作为比较器的输入值，比较数据的模值，其中模值最大的数据的下标的负数即为归一化整数倍频偏估计值N；模值可通过对复数的实部和虚部分别取绝对值然后相加来代替。

本发明具有显著的有益效果，采用小数倍同步和整数倍同步分离的方法，通过小数倍同步作初步补偿后再做整数倍同步，把信号之间的相关转化为信号之间的乘积，只需要一个乘法器就能完成信号之间的相乘，减少了所需FPGA的容量，且提高了整数倍频率同步的范围。小数倍同步利用了短训练序列的t8、t9、t10，保证了同步所需的精度。小数倍同步算法和整数倍算法结合，使本发明在保证传统算法精度的前提下，极大地提高了频率捕获范围。用FPGA实现时，把信号之间的相关转化为信号之间的乘积，大大减少了FPGA门的开销。

图面说明：

图1为本发明OFDM频率同步实现示意图。

图中，c(k)为接收到的信号，x₂(n)为本地ROM中数据，即长训练序列的DFT变换数据。接收器对信号采样，把接收到的数据存储在RAM中，同时对数据c(k)延时N，对延时的数据取共轭，得到的数据与c(k)相乘，在时间轴上对L个相乘的结果做累加，分别取实部和虚部，由估计器估计小数倍频率偏移值

数控振荡器NCO按照的大小输出相应频率的补偿信号，与RAM中信号相乘，补偿小数倍频率偏移，得到整数倍频率同步所需的一个序列x₁(n)，在长训练序列符号头控制信号的控制下，同本地ROM中数据x₂(n)相乘，其输出值经过串/并转换(S/P)得到IFFT的输入值，经IFFT模块可得到互相关值，模值最大的对应的自变量值为所需的值(假设为m)，它的负数为归一化整数倍频率估计值(-m)。IFFT模块可通过OFDM系统中的FFT模块得到。

具体实施方式：

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例：

本发明的方法在802.11a中的应用，用短训练序列中的t8、t9和t10时间段进行频率跟踪，即小数倍频率同步；用长训练序列完成频率捕获，即整数倍频率同步。

小数倍频率同步：

每个短训练符号是由12个子载波组成。由如下的S序列确定：

S_{- 26.26} = \sqrt{(13 / 6)} \times {0,0,1 + j, 0,0,0 - 1 - j, 0,0,0,1 + j, 0,0,0, - 1 - j, 0,0,0, - 1 - j,

0,0,0,1 + j, 0,0,0,0,0,0,0, - 1 - j, 0,0,0, - 1 - j, 0,0,0, 1 + j, 0,0,0,1 + j, 0,0,0,

1 + j, 0,0,0,1 + j, 0, 0}

因子

是为了使OFDM符号平均能量相等。

短训练序列由64点FFT得到，因为它每隔4点有一个数据，等效为16点FFT。在这种情况下，频率跟踪的范围和移位与前后两组数据间距有关。

将帧同步后的数据存储在RAM中，再把数据分成两路，对其中的一路信号延时32个采样，延时的数据取共轭与另一路数据相乘，再做长度为16的移位和，分别取其实部和虚部，作为估计器的输入信号。把t8看作保护间隔，t9和t10看作数据段，估计小数倍频率偏移量

数控振荡器根据的大小输出相应的补偿信号，补偿小数倍频率偏移量。

整数倍频率同步：

每个长训练符号是由53个子载波组成，由如下的L序列来确定：

L_-26，26＝{1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1，1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1，1，1，1，0，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1，-1，-1，-1，-1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，1，-1，1，1，1，1}

用长训练序列做频率捕获，如图1。x₁(n)和x₂(n)经乘法器相乘得到的数据通过串/并变换，对输出值做64点IFFT变换，从IFFT输出的64个数据作为比较器的输入值，最后得到归一化整数倍频偏估计值 N。

Claims

1、一种正交频分复用系统中频率同步实现方法，其特征在于包括如下具体步骤：

1)将接收到的帧同步后的数据分成两路，一路信号给乘法器，一路信号给延时器延时N个采样数据，延时的数据取共轭与另一路数据相乘，再做长度为L的移位和，分别取其实部和虚部，作为估计器的输入信号；

2)根据最大似然函数准则，把t8看作保护间隔，t9和t10看作数据段，估计小数倍频率偏移量

3)将

作为输入信号输给数控振荡器NCO，数控振荡器根据

的大小输出相应频率的正弦和余弦信号，分别和RAM中存储的两路接收信号相乘，补偿接收数据的小数倍频率偏移量，起到粗同步的作用；

4)将粗同步的数据作为整数倍频率同步模块的输入信号x₁(n)，对长训练序列的子载波做FFT，得到的数据存储在ROM中，去掉接收到的数据中长训练序列中的保护时隙，剩下的数据利用一个乘法器按顺序和本地ROM中长训练序列的子载波FFT变换结果相乘，输出相应的数据；

5)从乘法器输出的数据经过串/并变换，其输出信号输入IFFT模块；

6)从IFFT输出的数据作为比较器的输入值，比较数据的模值，其中模值最大的数据的下标的负数即为归一化整数倍频偏估计值 N。