CN1881970B - Ofdm系统中补偿采样频偏与载波频偏的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正交频分复用(OFDM)通信系统中联合补偿采样频偏与载波频偏的方法与装置。它根据导频子载波的相位偏移，采用加权最小二乘法及其两种简化方式来估计子载波相位偏移曲线的斜率与截距，其权重由导频信道增益函数或信噪比来确定。通过估计的相位偏移曲线来补偿数据子载波的相位偏移。根据曲线斜率给出了FFT窗口漂移的精确估计量，用于FFT窗口控制器调整FFT窗口的位置，补偿采样频偏。根据曲线截距给出载波频偏的估计量，反馈补偿载波频偏。该发明提高了多径情况下采样频偏与载波频偏的补偿精度。

Description

OFDM系统中补偿采样频偏与载波频偏的方法和装置 

技术领域

一种应用于正交频分复用(OFDM)接收机中补偿采样频偏与载波频偏的方法与装置。它属于数字通信技术领域，涉及正交频分复用(OFDM)通信方式接收机基带解调中的采样频偏与载波频偏的估计与补偿。特别是一类加入导频(Pilots)信号的OFDM通信系统在多径信道传输中补偿采样频偏与载波频偏的方法及其装置。 

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是在信道上高效率发送数据的性能比较优越的技术，该技术使用了信道带宽内的多个子载波发送数据。同时，OFDM系统还具有对多径延迟扩展和频率选择性衰落的耐受程度、有效的频谱使用和良好的抗干扰等特性。目前在高比特数字用户线(HDSL)，数字音频广播(DAB)，数字视频广播(DVB)，无线局域网(WLAN)，无线城域网(WMAN)等领域获得广泛应用。 

通常OFDM发送系统采用快速付立叶变换(FFT)经子载波发送信息，并且在有效码元前部加上循环前缀构成的保护间隔，以便降低多径影响。在一类OFDM分组数据传输系统应用中，特别是无线分组数据传输场合(如无线局域网IEEE 802.11a/HiperLAN2标准，无线城域网IEEE802.16-2004标准中的OFDM模式)，在每个OFDM帧前加上周期性的前导码(Preamble)，用于帧头同步，载波频偏估计，以及信道估计，如图1所示。 

在Preamble处理之后，在均衡器的输出端，接收机时钟能与发送时钟准确同步，此时FFT窗没有偏移，但由于本地接收机采样时钟与发送采样时钟存在频率偏差(即采样频偏，一般在50ppm之内)，使得接收采样时钟将逐渐偏移发射时钟，引起FFT窗出现偏移。FFT窗偏移将造成当前OFDM符号各个子载波上出现相位偏移，且偏移量与子载波号成正比。同时下变频后得到的基带信号中残留有部分载波频偏。由于载波频偏估计存在偏差，在频偏校正之后的OFDM符号中仍然带有有少量的载波频偏。在这个残余载波频偏较小时，将引起当前OFDM符号的各个子载波上出现大致相同的相位偏差。因此采样偏差与载波偏差联合造成当前OFDM符号的各个子载波上出现近似线性变化的相位偏差。 

为了纠正采样频率偏差以及载波频率偏差，一般在OFDM的子载波中加入均匀分布的导频信号(Pilots)，导频子载波传输的内容接收机可预先知道。附图2描述了在IEEE802.11a系统中无噪声情况下但存在时钟频率偏差以及载波频率偏差时引起的子载波相位偏移。图2中各点 横坐标表示子载波号，纵坐标表示相位偏差量。其中方形点代表导频子载波(pilots)的相位偏差量。根据导频子载波的偏差，就可以估计出直线的斜率以及截距，继而求出各个数据子载波的相位偏差值。实际系统处于复杂环境下，信道中存在噪声以及多径干扰，使得各个子载波相位偏差出现扰动，如图3所示。为从导频信号精确估计出相位偏差曲线的斜率及截距，瑞典Linkoping大学的Mattias Olsson在其硕士论文：”A Rapid Prototype of an IEEE802.11aSynchronizer”中采用最小二乘方法来估计相位偏差曲线。但在信道中有多径传播存在的时候，系统中的各子载波的信道增益不同，如附图4，导致均衡后各子载波的信噪比不同。这将引起对导频子载波相位偏移的估计有不同的精度，使原有最小二乘估计方法的性能有所下降。 

发明内容： 

本发明为了解决在多径信道下OFDM系统中估计相位偏差曲线的性能下降这一技术问题，将导频子信道幅度增益或信噪比作为权重，采用加权最小二乘方法及其简化算法来提高相位偏差曲线的估计精度，能够在较大程度上提高曲线拟合精度，降低运算量，提高采样频偏与载波频偏校正精度，从而提高接收机整体性能。 

在曲线拟合的过程中，由于不同的数据点具有不同的精度。采用加权的方法给不同的精度的数据点分配不同的权重，得到的最小二乘曲线拟合效果要优于普通最小二乘曲线拟合方法。在OFDM通信系统中，由于多径效应的存在，不同的子信道具有不同的信道增益及信噪比，使得导频子载波的相位偏差估计具有不同的精度。这样采用给不同导频子载波加权的方法就能提高相位偏差曲线的估计精度。 

首先，根据Preamble信息或者其他方式获取OFDM各导频信道的信道增益值或者导频信道的信噪比。接下来提取当前OFDM符号通过FFT以及均衡后的导频子载波的相位值。计算导频子载波的相位偏差。将获取的导频信道幅度增益或信噪比作为权重，采用加权最小二乘算法及其简化方式来计算相位偏差曲线的斜率及截距。根据斜率得到FFT窗偏移的估计，控制FFT窗口控制器，根据截距得到载波频偏估计，反馈校正载波频偏。同时根据相位偏差曲线调整各数据子载波的相位偏差。 

本发明的特征依次包括如下步骤： 

1.获取导频子载波信道增益函数及信噪比值。 

2.从当前OFDM符号通过FFT及均衡后的输出子信道中提取导频子载波的导频值，通过与预设导频信号的比较，求各自的相位角度偏差。 

3.相位偏差曲线可由公式(1)近似表示 

θ(x)＝k·x+m                      (1) 

k代表直线的斜率，m代表直线的截距，x代表相应的子载波号。θ(x)代表对应子载波 x的相位偏差角。 

1)根据公式(2)(3)解二元一次方程组计算相位偏差曲线的斜率k及截距m： 

$m\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i+k\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·{\mathrm{\θ}}_i---\left(2\right)$

$m\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i+k\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i^2=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i\·{\mathrm{\θ}}_i---\left(3\right)$

其中P代表导频子载波的个数，ω_i取为导频信道幅度增益值或导频信道信噪比。θ_i表示提取的导频子载波相位偏差。 

2)为了简化计算，公式(2)(3)可以简化为公式(4)(5)如下式所示： 

$m=\frac{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·{\mathrm{\θ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i}---\left(4\right)$

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i\·({\mathrm{\θ}}_i-m)}{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i^2}---\left(5\right)$

3)或者将公式(5)简化为公式(6)： 

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i\·{\mathrm{\θ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i^2}---\left(6\right)$

4.得到k与m的估计后，根据θ(x)＝k·x+m来补偿各数据子载波的相位偏差。 

5.根据k与FFT窗口偏移量成正比例关系得到FFT窗口偏移量的估计，从而校正采样偏差； 

根据m与载波频偏近似成正比例关系来反馈校正载波频偏。 

根据以上步骤OFDM接收机可以正确校正采样频偏与载波频偏。在多径衰落信道下该方法有较好的性能。 

图1表示一类OFDM无线通信系统的物理层帧结构 

图2表示在无噪声情况下载波频率偏差及FFT窗偏移对各子载波相位偏差估计的影响。 

图3表示信道存在多径及噪声情况下载波频率偏差及FFT窗偏移对各子载波相位偏差估计的影响。 

图4表示OFDM系统在多径信道下各子信道的幅度增益。 

图5表示本发明的具体实施模块单元。 

图6表示采用本发明的OFDM基带接收系统结构图。 

具体实施方式

基于本发明的实施实例，应用IEEE 802.11a协议的无线局域网中的接收机子载波相位偏差估计与补偿，参照附图5，附图6，给出具体实施步骤。其中附图5中的单元为附图6中模块(16)(17)(18)的详细描述。 

1.接收机收到前导码(Preamble)后作载波频偏估计，时钟同步以及信道估计工作，我们称之为Preamble处理(11)，将频偏结果传给频偏校正单元(12)，并将信道估计系数传给均衡器(15)，触发FFT窗口控制器(13)工作。 

2.接收机每次接收的OFDM符号通过FFT窗口控制器(13)去除其中的CP部分后通过FFT模块(14)以及均衡器模块(15)。 

3.在均衡后输出各子载波中取得第-21、-7、7和21导频子载波的导频值，通过导频信号相位计算单元(40)求得四个导频信号相位角，再通过相角差计算单元(42)，减去预知的导频值相位角0或者π，得到四个导频的相位偏差角(附图6中的模块(16))。 

4.在权值计算单元(38)将信道幅度增益值依据信噪比归一化，得到归一化的权重值。 

5.依据公式(4)用加权曲线截距计算单元(44)计算加权的曲线截距。 

6.依据公式(5)或(6)用加权曲线斜率计算单元(46)计算加权后的曲线斜率。 

7.依据公式θ(x)＝k·x+m用数据子载波相移估计单元(48)估计48个数据子载波相位偏差。 

8.用数据子载波相移校正单元(50)校正48个数据子载波相位偏差。 

9.将加权斜率值计算单元(46)计算的曲线斜率k乘以系数

得到FFT窗偏移量的估计送给FFT窗口控制器(13)。 

10.将加权截距值计算单元(44)计算的曲线截距m乘以比例系数反馈送给载波频偏校正单元(12)。 

这里描述的模块以及单元既可以采用硬件实现，也可以采用软件实现，或软硬件的组合方式来实现。本发明技术方法并不局限于上述实施例，本领域内普通技术人员应理解的是可在本发明范围内做各种形式和细节上的改变。即本发明可用于符合IEEE 802.11a标准、HiperLAN2标准、IEEE 802.16标准的OFDM系统以及其他采用导频的OFDM通信系统。本发明 的最大优点在于引入了信道增益值或信噪比值作为最小二乘相位偏移曲线拟合的权重，提高了在多径信道下曲线拟合的精度。从该技术的实现效果看，在多径传输信道下相对于普通的最小二乘拟合方法有了较大的性能提高。 

Claims (6)

1.一种在正交频分复用OFDM接收机中联合估计与校正采样频偏与载波频偏的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

●通过前导码信号进行信道估计获取OFDM系统频域子载波信道增益值或信噪比，获取OFDM系统频域子载波信道增益值或信噪比，即为导频子载波权重；

●从经过快速傅立叶变换FFT和均衡处理后的当前OFDM符号中提取以规则间隔插入的导频信号；根据当前OFDM符号导频信号预定值求出导频相位偏差角；

●利用导频相位偏差角，导频子载波对应权重，导频子载波号，导频子载波个数这四个参数，通过加权最小二乘算法来拟合相位偏差曲线；

●利用拟合的相位偏差曲线来估计及补偿数据子载波的相位偏差；

●根据曲线的斜率来估计FFT窗口偏移量的大小，并控制FFT窗口控制器调整FFT窗口位置；

●根据曲线的截距来估计载波频偏的大小，反馈校正载波频偏。

2.如权利要求1所述的一种在正交频分复用OFDM接收机中联合估计与校正采样频偏与载波频偏的方法，其特征在于所述加权最小二乘算法方法如下：OFDM各子载波的相位偏差曲线可近似为直线如公式(1)所示；x表示子载波号，k代表直线的斜率，m代表直线的截距；在对k与m的估计中，计算式(2)(3)组成的二元一次方程组得到；其中P代表导频子载波的个数，ω_i代表权重，可采用对应导频子载波的信噪比或幅度增益值来表示；x_i表示导频信号对应的子载波号，θ_i表示导频信号对应子载波的相位偏差。

θ(x)＝k·x+m                        (1)

$m\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i+k\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·{\mathrm{\θ}}_i---\left(2\right)$

$m\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i+k\·\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i^2=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i\·{\mathrm{\θ}}_i---\left(3\right)$

3.如权利要求1或2所述的一种在正交频分复用OFDM接收机中联合估计与校正采样频偏与载波频偏的方法，其特征在于，还可用其简化形式来实现对斜率k与截距m的估计：

$m=\frac{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·{\mathrm{\θ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i}---\left(4\right)$

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i\·({\mathrm{\θ}}_i-m)}{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i^2}---\left(5\right)$ 或者 $k=\frac{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i\·{\mathrm{\θ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i\·x_i^2}---\left(6\right)$

4.如权利要求1或2所述一种在正交频分复用OFDM接收机中联合估计与校正采样频偏与载波频偏的方法，其特征在于得到斜率与截距的估计后，根据公式θ(x)＝k·x+m来补偿各数据子载波的相位偏差。

5.如权利要求1所述一种在正交频分复用OFDM接收机中联合估计与校正采样频偏与载波频偏的方法，其特征在于根据斜率与FFT窗口偏移量成正比例关系得到FFT窗口偏移量的估计，控制FFT窗口控制器调整FFT窗口位置，实现采样偏差校正；根据截距与频偏量成正比例关系来反馈校正载波频偏。

6.一种在正交频分复用OFDM接收机中估计与校正采样频偏与载波频偏的装置，其特征包括接收机、频偏校正单元、均衡器，FFT窗口控制器、导频信号相位计算单元、相位计算单元、相角差计算单元、权值计算单元、加权曲线截距计算单元、加权曲线斜率计算单元、数据子载波相移估计单元、数据子载波相移校正单元、载波频偏校正单元：其中：接收机收到前导码后作载波频偏估计，时钟同步以及信道估计工作，将频偏结果传给载波频偏校正单元，并将信道估计系数传给均衡器，触发FFT窗口控制器工作；

接收机每次接收的OFDM符号通过FFT窗口控制器后通过FFT模块以及均衡器模块；

在均衡后输出各子载波中取得导频子载波的导频值，通过导频信号相位计算单元求得导频信号相位角，再通过相角差计算单元，减去预知的导频值相位角，得到导频的相位偏差角；

在权值计算单元将信道幅度增益值依据信噪比归一化，得到归一化的权重值；用加权曲线截距计算单元计算加权的曲线截距；用加权曲线斜率计算单元计算加权后的曲线斜率；用数据子载波相移估计单元估计数据子载波相位偏差；用数据子载波相移校正单元校正数据子载波相位偏差；

将加权斜率值计算单元计算的曲线斜率k乘以系数

得到FFT窗偏移量的估计送给FFT窗口控制器；将加权截距值计算单元计算的曲线截距m乘以比例系数反馈送给载波频偏校正单元，其中N为OFDM系统中子载波的总数。

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