CN1472900A - 正交频分复用通信系统载波频率偏移估计方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用(OFDM)通信系统载波频率偏移估计方法，在系统帧的初始位置，加入特定设计的两种训练序列，利用A类训练序列互相关的结果来估计频率偏移的初始值，即进行频率偏移的粗估计，再采用B类训练序列进行自相关，得到信号频偏在小范围内的精确估计，即进行频率偏移的精估计，然后将两次估计的值联合得到系统频率偏移的精确值，最后控制数控振荡器产生系统频率偏移的纠正值，并将其与时域数据相乘，以进行频率偏移的补偿。本发明的方法精度高，计算量小，易于系统实现，可以用于OFDM无线局域网系统，也可以应用于其他各类OFDM系统的实现过程中。

Description

正交频分复用通信系统载波频率偏移估计方法

技术领域：

本发明涉及一种正交频分复用通信系统载波频率偏移估计方法，是一种对载波频率偏移进行估计和补偿的方法，属于数字通信领域。

背景技术：

正交频分复用(OFDM)是一种将高速串行数据转变为低速并行数据，并用多个相互正交的子载波分别调制并行数据的数据调制方式。虽然子载波频谱有交叠，但是由于各个子载波具有正交性，载波之间没有干扰，因此可以有效提高频谱利用效率。作为一种新兴的多载波调制技术，OFDM具有较强的抗多径衰落与频率选择性衰落特性，已在非对称数字用户线(ADSL)，数字电视广播(DVB)，无线局域网(IEEE802.11a)等许多领域得到了广泛应用。为保证OFDM系统各个子载波之间的正交性，其子载波频率必须满足：f_n＝f₀+n/T，其中T为符号周期。因此各子载波之间的频率间隔Δf＝1/T。由于系统器件本身的参数漂移和多普勒频移的影响，接收端的载波频率会发生偏移，这会导致严重的子载波间干扰(ICI)。如果频率偏移误差是子载波频率间隔Δf的整数倍n，则接收到的信号在频域上移动n个子载波的位置。这时候子载波仍然保持正交，但将完全破坏数据的正确接收。如果频率误差是子载波间隔的小数倍，将导致在频域采样点混叠其它子载波的能量，也即导致ICI，从而影响系统的BER性能。所以在接收端必须进行载波频率同步，也即对载波偏移误差进行估计并补偿。

一般频率同步在时间同步误差初步纠正后进行，根据估计算法在系统中的位置可以分为时域频率同步和频域频率同步两种。频域同步算法由Ferdinard Classen和Heinrich Meyr在文Frequency Synchronization Algorithms for OFDM SystemsSuitable for Communication Over Frequency Selective Fading Channels(inProc.IEEE Veh.Technol.Conf.，1994，pp.1655-1659)中提出，该方法主要是采用重复序列并结合DFT估计频率误差的方法，它可以提高频率偏移的估计范围，但需要FFT数据的前期处理过程，这些过程实际上会造成额外的误差，产生实际处理时延，同时也增加了系统的实现难度。而时域频率同步方法由Paul HMoose在文A Technique for Orthogonal Frequency Division MultiplexingFrequency Offset Correction(IEEE Trans.Commun.，vol.42，pp.2908-2914，Oct.1994)中提出的，其主要是基于最大似然(MLE，Maximum LikelihoodEstimation)的频率偏移估计算法，但它计算量大，精度不高，不易于系统的ASIC实现。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种正交频分复用通信系统载波频率偏移估计方法，该方法具有实现简单、计算量小，估计精度高的特点，能满足通信系统对频率偏移估计范围的要求。

为实现这个目的，本发明的技术方案中，首先在系统帧的初始位置，加入设计特定的训练序列，以利于进行频率偏移的估计；其次利用加入的部分训练序列的互相关的结果来估计频率偏移的初始值，即进行频率偏移的粗估计；再利用加入的部分训练序列进行自相关，得到信号频偏在小范围内的精确估计，即进行频率偏移的精估计；然后将两次估计的值联合得到系统频率偏移的精确范围；最后控制数控振荡器(NCO)产生系统频率偏移的纠正值，并将其与时域数据相复乘，以进行频率偏移的补偿。本发明的具体操作按如下步骤进行：

1、在系统帧的初始位置，加入特定设计的训练序列。因频偏估计需要，在待发数据前增加两类训练序列。其中前面一种训练序列的个数较多，但单个序列的采样点较少，称为A类训练序列。紧接A类训练序列之后的是个数较少，但单个序列的采样点数较多的另一种训练序列，称为B类训练序列。B类训练序列的循环前缀(CP)是B类训练序列尾部若干个数据的复制。A、B训练序列之后，是系统帧待发数据。其中单个A类训练序列的采样点个数是系统符号待发数据采样点个数的。

这样可以利用每帧的A类训练序列进行频率粗同步或粗估计，然后利用B类训练序列的循环前缀及数据的循环特性进行频率精同步或精估计。

2、利用A训练序列进行频率偏移的粗估计。

利用完全接收的最后若干个A类训练序列进行互相关，根据其结果来估计频率偏移的初始值，即进行频率偏移的粗估计。

频率偏移误差粗估计值f_δ1的表达式为

其中N为系统帧待发数据采样点长度，L_a为单个A类训练序列的采样点长度，Δf为系统各子载波之间的频率间隔， $R_A=\underset{m=0}{\overset{L_a-1}{\mathrm{\Σ}}}z(k_{\mathrm{AEnd}}-m)\·z^{*}(k_{\mathrm{AEnd}}-L_a-m)$

其中z(k_AEnd)为最后一个A训练序列的最后时域采样点，这里对两个A类训练序列长度的接收数据作相关，起到数值平均的作用。

由于N＝4L_a，所以粗估计f_δ1的范围为[-2Δf，2Δf]。

3、利用B训练序列进行频率偏移的精估计。

利用完全接收的若干个B类训练序列与B类训练序列的循环前缀进行自相关，根据其结果来估计频率偏移的精确值，即进行频率偏移的精估计。

频率偏移精估计值f_δ1的表达式为能够看出精估计的估计范围降小为[-Δf/4，Δf/4]。其中， $R_B=\underset{m=0}{\overset{L_{\mathrm{cph}}-1}{\mathrm{\Σ}}}z(k_{\mathrm{BEnd}}-m)\·z^{*}(k_{\mathrm{BEnd}}-L_b\×N_b-m)$

其中z(k_BEnd)为最后一个B类训练序列的最后时域采样点，N_b为B类训练序列的个数，L_b为单个B类训练序列的采样点长度，L_cpb为B类训练序列的循环前缀的采样点长度。

4、将频率粗估计和频率精估计综合得到频率偏移值。

将频率粗估计和精估计结合起来，得到系统的频率偏移值f_δ用下式表示： $f_{\mathrm{\δ}}=n\·\frac{\mathrm{\Δf}}{4}+f_{\mathrm{\δ}2}$ 其中

(

为下取整符号)，也即可以利用f_δ1和f_δ2得到频率偏移的精确的估计值。这种算法的频率偏移估计总的范围为[-2Δf，2Δf]。

5、利用NCO(数控振荡器)进行频率偏移的补偿。

计算出频率偏移值之后，可以使用数控振荡器(NCO)来纠正频率偏移，即对时域数据乘以频率偏移的纠正值：

，其中T_s为系统采样间隔。频率偏移的补偿是在完成频率精估计和粗估计之后并对它们结果进行综合后进行的，根据估计的结果得到纠正值并控制NCO产生频率偏移纠正值与时域信号相乘。

本发明首先通过频率粗估计得到频率偏移的大致范围，再经过频率精估计将频率偏移的范围进一步细化，因此频率偏移估计的精度高。在无线局域网中实施本发明的频率偏移估计算法，得到的结果显示，实测频率误差比较小，证明本发明对估计系统频率偏移的效果是明显的，使接收端能较好的恢复出用户数据。与频域频率同步算法相比，本发明的方法不需要等待FFT数据的前期处理过程，系统时延小；与基于最大似然的频率偏移估计算法相比，本发明的方法计算量小、精度高、易于系统的ASIC实现。本发明的方法不但对频率偏移估计的效果好，而且易于实现，因此，基于特定训练序列的载波偏移估计方法是估计系统频率偏移的一个比较理想的方法。

本发明可以用于OFDM无线局域网系统，也可以应用于DVBT，CDMA-OFDM，OFDMA等OFDM系统的实现过程中。

附图说明：

图1是插入本发明设计的训练序列后的OFDM系统帧结构示意图。

如图1所示，帧结构包括A、B两类训练序列和待发数据，其中B类训练序列和待发数据部分均包括循环前缀(CP)。A类训练序列的个数N_a大于B类训练序列的个数N_b，但单个A类序列的采样点个数小于B类训练序列的采样点个数。B类训练数据的循环前缀(CP)，是B类训练序列尾部若干个长度数据的复制。在插入的A、B训练序列之后，是系统帧原始的待发数据。

图2是本发明的频率同步算法实现结构。

如图2所示，本发明的方法包括频率粗估计、频率精估计、频率估计综合和利用NCO进行频率补偿几部分。其中频率粗估计通过某个A类训练序列与经过延时得到的其前面的A类训练序列相乘求和，也就是互相关之后求结果的相角得到粗同步的结果。频率精估计通过某个B类训练序列与经过延时得到的其前面的B类训练序列的循环前缀相乘求和，也就是自相关之后求结果的相角得到精同步的结果。将这两个步骤的结果综合得到频率控制字FCW，去控制数控振荡器NCO，将数控振荡器产生的值与时域数据相乘进行频率偏移的补偿。

图中K是为了保证将B类训练序列CP的第一个值输入进行频率精估计。NCO在每个时钟周期，相位累加器以频率控制字的值依次增加，计算好的相位值送入正、余弦发生器，再和系统基带信号复乘以弥补频率偏移。

图3是本发明在OFDM无线局域网发射接收系统的应用示意图。

如图3所示，在发射端，待发数据先进行卷积编码与交织、调制，再在待发数据前加上特定设计的A、B两类训练序列，以进行频率偏移的估计。数据经过这些处理之后，进行N点IFFT、增加数据部分的循环前缀，调制到中频与射频。在接收端，中频、射频数据通过解调成基带信号以后，先进行时间同步，之后就进行频率偏移的估计和补偿工作。其中频偏估计是先利用A类训练序列进行频率偏移粗估计，再利用B类训练序列进行频率偏移精估计，将粗、精估计的结果综合得到精确的频率偏移值并控制NCO产生频率偏移纠正值，并将其与系统基带信号进行复乘完成频率偏移的补偿。这样就完成了系统载波偏移的估计和补偿工作。然后数据经过去除循环前缀、N点FFT、频率均衡和解调、译码就可以恢复成用户数据。

具体实施方式：

以下通过具体的实施例对本发明的方案作进一步描述。

实施例：本发明的方法应用于OFDM无线局域网。

本发明在OFDM无线局域网发射接收系统的应用如图3所示。在发射端数据先经过卷积编码与交织、调制之后，首先在系统帧中加上特定设计的训练序列，以进行频率偏移的估计。在此由于系统帧中待发数据采样点长度为64，因此加入的每个A训练序列的采样点长度为 $\frac{1}{4}\×64=16$ ，A类训练序列为10个。根据A、B训练序列长度的关系，加入2个B类训练序列，每个B类训练序列的采样点长度为64，B类训练序列的循环前缀为32。对改进的帧进行64点IFFT(也就是OFDM的调制过程)，再加上待发数据循环前缀CP，调制到中频和射频。

在接收端，数据通过解调成基带信号以后，先进行时间同步，之后就进行频率偏移的估计和补偿工作。其中频偏估计是先利用加入的A类训练序列进行频率偏移粗估计，取最后两个已经被完整接收的A类训练序列进行互相关进行粗估计，其粗估计的公式为： $R_A=\underset{m=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}z(k_{\mathrm{AEnd}}-m)\·z^{*}(k_{\mathrm{AEnd}}-16-m)$ 取R_A的相位，可以得到频率偏移误差粗估计值f_δ1的表达式，

可以得到粗估计f_δ1的范围为[-2Δf，2Δf]

再利用B类训练序列进行频率偏移精估计，将B类训练序列和其循环前缀做自相关进行精估计，其精估计的公式为： $R_B=\underset{m=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}z(k_{\mathrm{BEnd}}-m)\·z^{*}(k_{\mathrm{BEnd}}-128-m)$

取R_B的相角，可以得到频率偏移精估计值f_δ2的表达式：

可以得到精估计的估计范围为[-Δf/4，Δf/4]。

将粗、精估计的结果综合得到精确的频率偏移值并控制NCO产生频率偏移纠正值，并将其系统基带信号进行复乘完成频率偏移的补偿。数据经过此处理之后，在经过去循环前缀、N点FFT、频率均衡以及解调、译码就可以得到用户数据。

本发明在无线局域网环境下实施取得了明显的效果，在信噪比为0-45dB之间，实测的载波偏移误差最大值仅为2.7kHZ，不超过无线局域网中子载波频率间隔的1％。在实际系统中，由此产生的ICI已经完全可以忽略。因此采用本发明方法可较好克服系统载波频率偏移，消除系统载波频率偏移的不良影响。

本发明的方法不仅可以对OFDM无线通信系统的载波偏移进行估计和补偿处理，包括如802.11系列协议等，也可以应用于CDMA-OFDM，OFDMA，DVBT等OFDM传输系统。所区别的地方仅为帧结构和系统总体结构的不同，802.11协议中是采用OFDM的调制方式；而CDMA-OFDM系统中采用的扩频和OFDM结合的方式，但是在这些系统中应用本发明的方法基本相同。

Claims (2)

1、一种正交频分复用通信系统载波频率偏移估计方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在每帧数据前加入特定设计的两类训练序列，其中A类训练序列的个数较多，单个序列采样点个数较少，B类训练序列紧接A类训练序列之后，其个数较少，单个序列采样点个数较多，B类训练序列的循环前缀CP是B类训练序列尾部若干个数据的复制；

2)利用完全接收的最后若干个A类训练序列进行互相关，根据其结果来估计频率偏移的初始值，即进行频率偏移的粗估计；

3)利用经过时间同步之后完全接收的若干个B类训练序列与B类训练序列的循环前缀进行自相关，根据其结果来估计频率偏移的精确值，即进行频率偏移的精估计；

4)将频率偏移精估计和频率偏移粗估计的值综合，得到系统频率偏移的精确范围；

5)控制数控振荡器NCO产生估计出的系统频率偏移的纠正值，并将其与系统基带信号进行复乘，以进行频率偏移的补偿。

2、如权利要求1所说的正交频分复用通信系统载波频率偏移估计方法，其特征在于单个A类训练序列的采样点个数是系统符号待发数据采样点个数的。

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