CN1249941C - 一种用于OFDM频率同步的turbo方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于OFDM频率同步的turbo方法，它是通过发端将某个已知序列连续重复多次构成训练序列，然后将其与相同点数的OFDM原始数据进行点对点带权叠加构成发射数据，收端通过对接收数据多次计算不同差分距离的差分相关值，从而进行多次频率偏移估计，每次估计后对数据进行频率偏移补偿，补偿后再对数据进行频率偏移计算，如此循环反复，直至最后估计出的频率偏移小于某一门限。采用本发明的方法，可以使得OFDM系统的频偏估计同时具有范围大和精度高的优点。

Description

一种用于OFDM频率同步的turbo方法

技术领域

本发明属于无线通信或有线通信领域，它特别涉及OFDM频率同步的方法。

背景技术

OFDM由于具有数据传输速率高，抗多径干扰能力强，频谱效率高等优点，越来越受到重视。它已成功用于有线、无线通信。如：ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)，Wireless LAN，DAB(Digital Audio Broadcasting)、DVB、EEE802.11a及HyperLAN/2中。在目前正在制定的IEEE802.16中，也大量涉及了OFDM技术。OFDM这种新的调制技术也可用于新一代的移动通信系统中。使用OFDM技术将大大提高新一代移动通信系统的传输数据率和频谱效率，且具有很好的抗多径、同信道干扰和冲击噪音能力见文献：Bingham，J.A.C.，“Multicarrier modulation for data transmission：an idea whose time has come，”IEEE CommunicationsMagazine，Volume：28 Issue：5，May 1990，Page(s)：5-14；和文献：Yun Hee Kim；Iickho Song；Hong Gil Kim；Taejoo Chang；Hyung Myung Kim，“Performance analysis of a coded OFDM system in time-varying multipathRayleigh fading channels，”Vehicular Technology，IEEE Transactions on，Volume：48 Issue：5，Sept.1999，Page(s)：1610-1615所述。

OFDM技术的弱点之一是对时间和频率同步的要求特别是频率同步要求比单载波系统要高得多。一般要求采用OFDM技术的系统在接收端频率偏移不超过其子载波间隔的2％，见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDMsystems，”，Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805所述。

众所周知，OFDM同步分为时间同步和频率同步。同步模块的位置见图1中的模块11。时间同步的目的是在收到的串行数据流中找出各个OFDM符号的边界；而频率同步的目的是求出并纠正收端相对发端的频率偏移。

在使用OFDM技术的系统中，取得时间同步之后，可采用计算差分相关(对复数而言相关是共轭相乘)的方法来计算频率偏移信息，见文献Moose，P.H.，“A technique for orthogonalfrequency division multiplexing frequency offset correction，”Communications，IEEE Transactions on，Volume：42Issue：10，Oct.1994，Page(s)：2908-2914。

差分相关的基本原理如下(见图2)：首先发端在数据中放入两端相同的训练序列，然后收端根据如下计算公式用差分相关值估计频偏：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}\right[k+\mathrm{\θ}\left]r\right[k+\mathrm{\θ}+d\left]\right)---\left(1\right)$

其中，θ表示己估计的时间同步点，

表示估计的频率偏移值，r[k]为接收信号，m代表训练序列的长度，d代表差分距离。

差分相关距离J的选择对频率偏移的估计性能有很大影响。差分距离d选择较大或者较小都各有优缺点：若差分距离d选择较大，则优点是对频率偏差估计的精度较高，但缺点是对频率偏差估计的范围较小；若差分距离d选择较小，则优点是对频率偏移估计的范围较大，但缺点是对频率偏移估计的精度较低，见文献Tufvesson，F.；Edfors，O.；Faulkner，M.；“Timeand fiequency synchronization fbr OFDM using PN-sequence preambles，”Vehicular Technology Conference，1999.VTC 1999-Fall.IEEE VTS 50th，Volume：4，1999，Page(s)：2203-2207 vol.4所述。

常规的OFDM频率同步方法只进行一次频率偏移估计，所以只能选择一个固定的差分距离d，因此必然具有上述估计范围小或者估计精度低的缺点，导致性能不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于OFDM频率同步的turbo方法，使得OFDM系统的频偏估计同时具有范围大和精度高的优点。

本发明的创新之处在于：发端在发射数据中连续重复地放置多个已知序列，收端通过对接收数据多次计算不同差分距离的差分相关值，从而进行多次频率偏移估计，每次估计后对数据进行频率偏移补偿，补偿后再对数据进行频率偏移计算，如此循环反复，直至最后估计出的频率偏移小于某一门限，我们称之为用于OFDM频率同步的turbo方法，简称turbo方法。若此门限设为ε，则表示补偿后的频率偏移误差小于OFDM子载波间隔的ε倍。显然，这可以克服常规方法只进行一次频率偏移估计所导致的缺点，将差分距离d选择较大和选择较小的优点结合起来，提高了估计性能。

按照本发明的用于OFDM频率同步的turbo方法，其特征在于它包含下列步骤：

1)发端在将某个已知序列连续放置多次构成训练序列(如图3所示)；

2)发端将上述训练序列与相同点数的OFDM原始数据进行点对点带权叠加，构成OFDM发射数据发射出去，其数学表达式如下：

$s\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}\·d\left[k\right]+\sqrt{\mathrm{\ρ}}\·t\left[k\right]& k\∈[i,i+N_t]\\ d\left[k\right]& \mathrm{others}\end{array}\right.$

其中，i为训练序列在OFDM符号中的起点下标，N_t为训练序列长度。

3)收端在取得OFDM的时间同步的基础上，对接收数据进行多次(差分距离可变的)差分相关计算。在此过程中，每计算一次，都得到一个频率偏移估计值，将频偏估计值与设定门限比较，然后判断是否作频偏补偿，直至最后估计出的频率偏移小于某一门限(如图4、5所示)；

本专利的差分距离的变化原则是：首先选择较小的差分距离d，利用其可以纠正大范围频率偏移的优点来将大部分的频率偏移估计并补偿，这样可以缩小剩余的频率偏移的范围；然后选择较大的差分距离d，利用其可以纠正小范围内高精度频率偏移的优点来将剩余部分的频率偏移估计出来并给予补偿。

需要说明的是，OFDM符号中含有的已知序列，可选择为PN序列。

这种设计方法的依据是：

1)权值ρ的物理意义是训练序列的能量相对于发射数据总能量的归一化值。为保证准确实现同步，可以在捕获阶段通过提高ρ值来提高发射数据中训练序列成分的信号功率，而在跟踪阶段降低ρ值。调节ρ可以实现最佳时间和频率同步。当ρ＝1时，发射数据完全为训练序列信号；当ρ＝0时，发射数据完全为OFDM原始数据。ρ值的选择也是本专利的技术之一。

2)由于训练序列中的各个已知序列均相同，因此它们之间的相关性可以体现频率偏移；

3)由于发端在训练序列中放置多个相同的已知序列，因此可以满足收端差分距离变化的需要；

4)由于差分距离可变，因此可以兼顾较大范围和较高精度的频率偏移估计；

5)由于将估计出的频率偏差立即用于频率偏移补偿，因此可以将估计的精度提高。

综上所述，本发明的核心思想是：发端在发射数据中连续重复地放置多个训练序列，收端通过对接收数据多次计算不同差分距离的差分相关值，从而进行多次频率偏移估计，每次估计后对数据进行频率偏移补偿，补偿后再对数据进行频率偏移计算，如此循环反复，直至最后估计出的频率偏移小于某一门限。

本发明具有以下特征：

1、本发明中训练序列中由某个已知序列连续重复多次构成。

2、本发明中发射数据是训练序列数据与相同点数的OFDM原始数据点对点带权叠加而成。

3、本发明中训练序列数据与OFDM原始数据点对点带权叠加时的权值为ρ，不同的OFDM符号所取的ρ可以不同，但在同一个OFDM符号内，ρ的值不变。

4、本发明中收端对接收数据进行多次的差分相关计算。

5、本发明中收端各次的差分相关计算中差分的距离可以不同。

6、本发明中收端各次的差分相关计算中差分的距离的选择原则是先小后大。

7、本发明中收端将每次差分相关计算得到的频率同步信息立即用于对接收数据的纠正，从而构成一个实时反馈的turbo机制。

从本发明的用于OFDM频率同步的turbo方法的步骤可以看出，应用本专利所述的方法可以极大地提高OFDM系统同步的性能，能够保证在大范围内纠正指定精度的频偏，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为一般的OFDM系统框图

图中，1为串并转换模块，2为映射模块，3为IFFT模块，4为并串转换模块，5为添加保护时隙模块，6为D/A低通滤波模块，7为上变频模块，8为信道模块，9为下变频模块，10为A/D低通滤波模块，11为同步模块，12为去保护时隙模块，13为FFT模块，14为一阶均衡模块，15为映射模块，16为并串模块；

图2为差分相关的基本原理图

图2中的训练数据1～m构成的17和18完全相同，就是图3中的任意一个已知序列，由于只有对应数据间才具有相关性，因而差分距离只能选择为对应数据位之间的距离，注意图2中的差分距离并不一定为训练数据的个数m，它还取决于两个训练序列之间相隔的数据点数；

图3为本专利说明的OFDM符号中训练序列的放置结构

图中训练序列由多个已知序列构成，n个已知序列19、20、21、22完全相同，而且它们是连续放置的，即相邻的两个已知序列之间无间隔；

图4为本专利说明的收端计算差分距离的可选性示意图

如图所示，由上面的说明可知，由于OFDM符号中的训练序列中的已知序列是连续重复放置的，故差分距离选择为已知序列长度的整数倍，如1倍、2倍等等，最大取决于发端连续放置的已知序列的个数；

图5为本专利的turbo方法在收端的实施框图

具体实施方式

下面以给出一个具体的OFDM配置下，本专利的实现步骤。需要说明的是：下例中的参数并不影响本专利的一般性。

设OFDM有用符号长度为N＝4096，取ρ＝1，表示发射数据完全为训练序列信号。已知序列选择周期为127的m序列，记为m[i]i∈[0，126]，则，训练序列中可以含有的m序列的重复次数(即一个OFDM符号中含有的的个数)为4096/127＝32。则发端将m序列重复33次放入一个OFDM符号中(最后一个m序列会被截尾)发射出去。收端首先取得时间同步，也就是找到OFDM符号的起点，OFDM有用数据记为d[i] i∈[0，4095]；与此同时也找到了m序列的开始点。下面开始估计并补偿频偏：

(1)设定频偏门限为ε_th＝0.01；

(2)首先将从起点开始的32个m序列分别与本地m序列作相关，得到32个相关值，记为c[i] i∈[0，31]；

$c\left[i\right]=\underset{k=0}{\overset{127}{\mathrm{\Σ}}}d[i\·27+k]\·m^{*}\left[k\right]---i\∈\left[\mathrm{0,31}\right]---\left(2\right)$

(3)选择差分距离d为m序列的长度127；

(4)取θ＝d/127，按照如下公式进行差分相关运算：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{N}{2\mathrm{\π}\·d}{\tan }^{-1}\left(\underset{k=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\right[k]\·c[k+\mathrm{\θ}\left]\right)---\left(3\right)$

其中，K为累加次数，由如下公式给出：

                              K＝32/θ-1        (4)

(5)判断 $\widehat{\mathrm{\ϵ}}>{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{th}}?,$ 是，向下继续步骤6；否则计算结束，将数据送往后端。

(6)按照下式对数据进行频率补偿：

$d\left[i\right]=d\left[i\right]\·e^{-j\frac{2\mathrm{\πi}\widehat{\mathrm{\ϵ}}}{N}}---i=0,1,...,N-1---\left(5\right)$

(7)选择差分距离d加倍(需要说明的是：例中的差分距离的改变方式，并不影响本专利相关部分的一般性)，重复步骤4。

由步骤(5)可看出，最后估计出的频偏精度一定小于预设的门限ε_th，从而说明采用本专利的方法可以保证将频偏估计误差控制在一个很小的范围内，提高了频率同步性能。

Claims (3)

1、一种用于OFDM频率同步的turbo方法，其特征包含以下步骤：

步骤1：发端在将某个已知序列连续放置多次构成训练序列；

步骤2：发端将上述训练序列与相同点数的OFDM原始数据进行点对点带权叠加，构成OFDM发射数据发射出去；

步骤3：收端在取得OFDM的时间同步的基础上，对接收数据进行多次差分相关计算，且差分距离可变；在此过程中，每计算一次，都得到一个频率偏移估计值，将频偏估计值 与设定门限ε比较，根据比较结果决定是否对频率偏移作相应的频率偏移补偿，如此循环，直至最后估计出的频率偏移小于某一门限。

2、根据权利要求1所述的一种用于OFDM频率同步的turbo方法，其特征是所述的差分距离的变化原则是：首先选择较小的差分距离d，利用其可以纠正大范围频率偏移的优点来将大部分的频率偏移估计并补偿，这样可以缩小剩余的频率偏移的范围：然后选择较大的差分距离d，利用其可以纠正小范围内高精度频率偏移的优点来将剩余部分的频率偏移估计出来并给予补偿。

3、根据权利要求1所述的一种用于OFDM频率同步的turbo方法，其特征是所述的训练序列数据与OFDM原始数据点对点带权叠加时的权值为ρ，不同的OFDM符号所取的ρ可以不同，但在同一个OFDM符号内，ρ的值不变。

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