CN1317843C - 数字通信系统中载频同步方法和通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在数字通信系统中载频同步方法和装置，其主要是在发送端，每隔一段数字调制后的通信信号插入训练符号并加以发送，该训练符号由频域中间隔的冲击函数序列构成；在接收端，通过快速傅立叶变换将接收到的训练符号变换到频域；将该频域内的训练符号乘以训练符号的共轭符号后划分为相同长度的多段，对每段赋予相应的加权因子，将多段叠加为一段；对该段中的数据做Chirp-Z变换和插值运算，获得最大幅值位置；由最大幅值位置根据等式fe=fs(-K/2)/N估算出频率偏移；利用获得的频率偏移，控制高频振荡器的振荡频率，使高频振荡器的振荡频率跟随所述频率偏移变化，达到载频同步。

Description

数字通信系统中载频同步方法和通信装置

                                技术领域

本发明涉及数字通信系统，具体涉及该系统中的载频同步方法和实施该方法的发射机和接收机。

                                背景技术

在数字通信系统中，发射机或接收机的本地振荡器的频偏或多谱勒效应引起的载频偏移，会导致通信质量下降。尤其在正交频分复用(OFDM)通信系统中，对频率偏移相当敏感，如果不进行频率同步，OFDM通信系统将无法通信。为了解决此问题，频率同步是关键，现有频率同步的方案中最常用的是，在一端通信装置的发射机，随同通信信号发送相同的两个训练符号，然后在另一端通信装置的接收机，通过比较先后发送的两个训练符号的相位差来估计出频率偏移。当估计出频率偏移后，将频偏信息通过环路滤波器，然后去控制振荡器来调整本地载波的频率，以便让本地载波频率与发送端载波频率同步。该技术方案存在的缺点是需要两个相同的训练符号，系统开销较大，而且采用一般差分方法的精度低。

                                发明内容

本发明为了解决上述问题，其目的在于提供一种系统开销小、精度高、能有效对抗频率选择性衰落影响的数字通信系统中载频同步的方法和实施该方法的发射机和接收机。

本发明的再一目的提供一种频率偏移估算系统开销小的数字通信系统中载频同步的方法和实施该方法的发射机和接收机。

本发明的再一目的提供一种计算复杂度低精度高的载频同步的方法和实施该方法的发射机和接收机。

本发明数字通信系统中载频同步的方法包含以下步骤：

a：在发送端，每隔一段数字调制后的通信信号插入一个训练符号并加以发送，该训练符号在频域中由间隔的冲激函数序列构成，该频域中间隔的冲激函数序列由每段中的一个冲激函数组成，其中共有M段，M为正整数；

b：在接收端，从接收到的信号中提取训练符号，通过快速傅立叶变换将接收到的训练符号变换到频域；

c：将所述频域内的所述训练符号乘以训练符号的共轭符号后，划分为相同长度的多段，对每段赋予相应的加权因子，将所述多段叠加为一段；

d：对所述一段中的数据做Chirp-Z变换和插值运算，获得最大幅值位置；

e：由最大幅值位置根据等式 $\mathrm{fe}=\mathrm{fs}(\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}-K/2)/N$ 估算出频率偏移，其中，fe为频率偏移，fs为采样频率，K为所述段内的数据点数，N为训练符号对应的长度， 为最大幅值的位置；

f：利用e步骤获得的频率偏移，控制高频振荡器的振荡频率，使高频振荡器的振荡频率跟随所述频率偏移变化，达到载频同步。

本发明的数字通信系统中的发射机，包含对通信信号进行数字调制的数字调制器和对调制后的通信信号进行发送的无线前端，其特征在于，所述发射机还包含：

产生频域中间隔冲激函数序列构成的训练符号的训练符号产生装置，所述频域中间隔的冲激函数序列由每段中的一个冲激函数组成，其中共有M段，M为正整数；和

连接在所述数字调制器与所述无线前端之间每隔一段调制后的通信信号插入一个所述训练符号的复接装置。

本发明的数字通信系统中的接收机，包含对接收信号进行下变频的下变频器，对变频后信号进行定时同步的定时同步器，产生高频振荡供所述下变频器变频用的高频振荡器，其特征在于，还包含：

从与接收信号关联的包含有训练符号的信号中提取训练符号的训练符号提取装置，其中，每隔一段所述信号后插入有一个所述训练符号；

将所述训练符号变换到频域的快速傅立叶变换装置；

将频域内的所述训练符号划分为相同长度的多段、对每段赋予相应的加权因子、将所述多段叠加成一段的加权叠加装置；

对加权叠加后的所述一段进行Chirp-Z变换和插值、获得最大幅值位置的最大幅值位置运算装置；

利用最大幅值位置按照等式 $\mathrm{fe}=\mathrm{fs}(\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}-K/2)/N$ 估算出频率偏移的频率偏移估算装置，该频率偏移估算装置输出频率偏移，控制高频振荡器的振荡频率，使高频振荡器的振荡频率跟随该频率偏移变化，达到载频同步，式中，fe为频率偏移，fs为采样频率，K为所述段内的数据点数，N为训练符号的长度， 为最大幅值的位置。

如上构成的本发明方法和通信装置，具有开销小、精度高等优点。此外，还能方便地用于信道估计、定时同步，计算复杂度也相对较低。

                            附图简要说明

图1示出本发明一实施例的发射机和接收机的部分结构原理图。

                            具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的较佳实施例。

参见图1，图1中虚线上半部分示出本发明一实施例的数字通信系统中通信装置发射机的部分结构图，这里仅示出本发明的改进结构部分和其与已有技术相关联的部分。发射机的其它组成部分属已有技术，因而省略其图示和说明。该发射机包含对通信信号进行数字调制的数字调制器1和对调制后的通信信号进行发送的无线前端4，它们属已有技术。本发明的特征在于，还包含产生频域中间隔冲激函数序列构成的训练符号的训练符号产生装置3和连接在数字调制器1与无线前端4之间、每隔一段经数字调制器1调制后的通信信号插入训练符号的复接装置2。

该数字通信系统可以是正交频分复用通信系统，数字调制是正交频分复用调制，所述“每隔一段经数字调制器1调制后的通信信号”是一个或若干个正交频分复用符号。

在一实施例中，上述训练符号的频域中间隔冲激函数序列由每段中一个冲激函数，共M段组成，1≤M≤N，N为发送通信信号用的子载波数。

训练符号可以在频域中由M个正、负相间的冲激函数组成，但这并不是唯一的结构，训练符号的最基本特征是由频域中间隔的冲激函数序列构成。

参见图1中虚线的下半部分，示出了本发明一实施例的对端通信装置中接收机的部分结构原理图。该对端通信装置与虚线上半部分的通信装置相互通信。该下半部分仅示出本发明改进部分和与改进部分相关联的已有技术部分，其余已有技术部分未图示并省略其说明。

本发明一实施例的数字通信系统中的接收机，包含对接收信号进行下变频的下变频器6，对变频后信号进行定时同步的定时同步器5，产生高频振荡供所述下变频器6变频用的高频振荡器14。本发明的特征在于还包含：从定时同步器5定时同步后的接收信号中提取训练符号的训练符号提取装置7，虽然本实施例中训练符号提取装置7是从定时同步器5的输出信号中提取训练符号的，但也可从接收机中包含有训练符号的任何地方输出的信号中加以提取；将训练符号提取装置7输出的训练符号变换到频域的快速傅立叶变换装置8；将快速傅立叶变换装置8输出的频域内的训练符号乘以训练符号的共轭符号后划分为相同长度的多段、对每段赋予相应的加权因子、将多段叠加成一段的加权叠加装置9；对加权叠加后的一段进行Chirp-Z变换和插值、获得最大幅值位置的最大幅值位置运算装置10；利用最大幅值位置按照等式 $\mathrm{fe}=\mathrm{fs}(\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}-K/2)/N$ 估算出频率偏移的频率偏移估算装置12，该频率偏移估算装置12输出频率偏移，控制高频振荡器14的振荡频率，使高频振荡器14的振荡频率跟随该频率偏移变化，达到载频同步，式中，fe为频率偏移，fs为采样频率，K为所述段内的数据点数，N为训练符号的长度， 为最大幅值的位置。

为了便于理解，下面演算一下对叠加后的一段进行Chirp-Z变换、插值、获得最大幅值位置的过程。

设叠加后的K点数据为y_i，0≤i≤K-1

1、找到频域内的最大幅值的粗略位置Ω₀， ${\mathrm{\Ω}}_0=\arg \underset{i}{\max }\left|y_i\right|,0\≤i\≤K-1;$

2、通过K点IFFT变换将序列y＝(y₀，y₁，∧，y_K-1)变换到时域，D＝(d₀，d₁，∧d_K-1)＝IFFT(y₀，y₁，∧，y_K-1)

3、将Ω₀-1到Ω₀+1区间的频谱划分为2M段，利用Chirp-Z算法搜索该区域内的最大幅值的位置增量信息。

3.1选择L＝2^m＞P+2M， $W=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N\·M}},$ 产生序列h_L(n)

$h_L\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{W}^{{-n}^2/2},& 0\≤n\≤2M-2\\ W^{-{(n-L)}^2/2},& 2M-2\≤n\≤L-1\end{array}\right.$

3.2H(k)＝FFT[h_L(n)]，0≤k≤L-1

$3.3y\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{d}_n\·e^{-j2\mathrm{\π}({\mathrm{\Ω}}_0-1)n/P}\·W^{-n^2/2},& 0\≤n\≤K-1\\ 0,& K\≤n\≤L-1\end{array}\right.$

3.4Y(k)＝FFT[y(n)]，0≤k≤L-1

3.5V(n)＝IFFT[Y(k)·H(k)]，0≤n≤L-1

$3.6X\left(k\right)=V\left(k\right)\·W^{k^2/2},0\≤k\≤2M-1$

3.7找到该区间内最大幅值的位置增量信息 ${\mathrm{\Ω}}_1=\arg \underset{k}{\max }\left|X\left(k\right)\right|,$ 0≤k≤2M-1

4、通过二次插值得到该区间内最大幅值的精确位置增量

$\widehat{{\mathrm{\Ω}}_1}={\mathrm{\Ω}}_1+[\frac{3\·\left|X({\mathrm{\Ω}}_1-1)\right|-4\·\left|X\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)\right|+\left|X({\mathrm{\Ω}}_1+1)\right|}{2\·\left|X({\mathrm{\Ω}}_1-1)\right|-4\·\left|X\left({\mathrm{\Ω}}_1\right)\right|+2\·\left|X({\mathrm{\Ω}}_1+1)\right|}-1]$

从而获得出在整个频谱上最大幅值的精确位置 $\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}={\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}}_1+{\mathrm{\Ω}}_0.$

在上述实施例中，数字通信系统可采用正交频分复用通信系统。

在加权叠加装置9中，可将训练符号分为M段，每段有K点，满足等式K＝N/M，其中，训练符号长度N等于子载波数，M为小于N的正整数。

在高频振荡器14与频率偏移估算装置12之间可接有对该频率偏移估算装置12输出的频率偏移进行环路滤波的环路滤波器13。

在加权叠加装置9中，加权因子按照受信道影响小的段加权因子大、受信道影响大的加权因子小，使得受信道影响小的段对频率估计作出大的贡献。

在加权叠加装置9中，各段的加权因子可取相应段内的平均能量，也可取相应段内峰值的幅值。

以上描述的本发明方法及发射机和接收机不仅适用于正交频分复用通信系统，也适用于任一种数字通信系统。

在快速傅立叶变换装置8中，进行快速傅立叶变换是一种已知手段。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明作出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (17)

1、一种数字通信系统中载频同步的方法，其特征在于，包含以下步骤：

a：在发送端，每隔一段数字调制后的通信信号插入一个训练符号并加以发送，该训练符号在频域中由间隔的冲激函数序列构成，所述频域中间隔的冲激函数序列由每段中的一个冲激函数组成，其中共有M段，M为正整数；

b：在接收端，从与接收信号关联的包含有训练符号的信号中提取训练符号，通过快速傅立叶变换将接收到的训练符号变换到频域；

c：将所述频域内的所述训练符号乘以训练符号的共轭符号后，划分为相同长度的多段，对每段赋予相应的加权因子，将所述多段叠加为一段；

d：对所述一段中的数据做Chirp-Z变换和插值运算，获得最大幅值位置；

e：由最大幅值位置根据等式 $\mathrm{fe}=\mathrm{fs}(\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}-K/2)/N$ 估算出频率偏移，其中，fe为频率偏移，fs为采样频率，K为所述段内的数据点数，N为训练符号对应的长度，N为正整数，

为最大幅值位置；

f：利用e步骤获得的频率偏移，控制高频振荡器的振荡频率，使高频振荡器的振荡频率跟随所述频率偏移变化，达到载频同步。

2.、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字通信系统是正交频分复用通信系统，步骤a中的所述数字调制是正交频分复用调制，所述一段数字调制后的通信信号是一个或若干个正交频分复用符号。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤c中所述训练符号分为M段，每段有K个数据点，满足等式K＝N/M，其中，所述训练符号长度N等于子载波数，M≤N。

4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤c中的加权因子按照受信道影响小的段加权因子大、受信道影响大的加权因子小的原则来定，使得受信道影响小的段对频率估计作出大的贡献。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述段的加权因子取该段内的平均能量。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述段的加权因子取该段内峰值的幅值。

7、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤f之前还包含对所述频率偏移进行环路滤波的步骤。

8、一种数字通信系统中的发射机，包含对通信信号进行数字调制的数字调制器和对调制后的通信信号进行发送的无线前端，其特征在于，所述发射机还包含：

产生频域中间隔的冲激函数序列构成的训练符号的训练符号产生装置，所述频域中间隔的冲激函数序列由每段中的一个冲激函数组成，其中共有M段，M为正整数；和

连接在所述数字调制器与所述无线前端之间每隔一段调制后的通信信号插入一个所述训练符号的复接装置。

9、如权利要求8所述的发射机，其特征在于，所述数字通信系统是正交频分复用通信系统，所述数字调制是正交频分复用调制，所述一段数字调制后的通信信号是一个或若干个正交频分复用符号。

10、一种数字通信系统中的接收机，包含对接收信号进行下变频的下变频器，对变频后信号进行定时同步的定时同步器，产生高频振荡供所述下变频器变频用的高频振荡器，其特征在于，还包含：

从与接收信号关联的包含有训练符号的信号中提取训练符号的训练符号提取装置，其中，每隔一段所述信号后插入有一个所述训练符号；

将所述训练符号变换到频域的快速傅立叶变换装置；

将频域内的所述训练符号乘以训练符号的共轭符号后划分为相同长度的多段、对每段赋予相应的加权因子、将所述多段叠加成一段的加权叠加装置；

对加权叠加后的所述一段进行Chirp-Z变换和插值、获得最大幅值位置的最大幅值位置运算装置；

利用最大幅值位置按照等式 $\mathrm{fe}=\mathrm{fs}(\stackrel{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Ω}}-K/2)/N$ 估算出频率偏移的频率偏移估算装置，该频率偏移估算装置输出频率偏移，控制高频振荡器的振荡频率，使高频振荡器的振荡频率跟随该频率偏移变化，达到载频同步，式中，fe为频率偏移，fs为采样频率，K为所述段内的数据点数，N为训练符号的长度，N为正整数，

为最大幅值的位置。

11、如权利要求10所述的接收机，其特征在于，所述训练符号提取装置与定时同步器的输出相连，从定时同步器输出信号中提取训练符号。

12、如权利要求10所述的接收机，其特征在于，所述数字通信系统是正交频分复用通信系统。

13、如权利要求10或12所述的接收机，其特征在于，所述训练符号分为M段，每段有K个数据点，满足等式K＝N/M，其中，所述训练符号长度N等于子载波数，M为小于等于N的正整数。

14、如权利要求10或12所述的接收机，其特征在于，在所述高频振荡器与所述频率偏移估算装置之间接有对该频率偏移估算装置输出的频率偏移进行环路滤波的环路滤波器。

15、如权利要求10或12所述的接收机，其特征在于，所述加权因子按照受信道影响小的段加权因子大、受信道影响大的加权因子小的原则来定，使得受信道影响小的段对频率估计作出大的贡献。

16、如权利要求15所述的接收机，其特征在于，所述段的加权因子取该段内的平均能量。

17、如权利要求16所述的接收机，其特征在于，所述段的加权因子取该段内峰值的幅值。