一种基于训练序列的新的OFDM频率同步方法

摘要

本发明公开了一种新的基于训练序列的OFDM频率同步方法。发端把训练序列叠加在OFDM有用数据上，收端利用接收信号和已知的训练序列的相关性来进行频率粗同步操作，同时使用循环前缀做频率第一次精同步；进行抑制OFDM数据对训练干扰的操作，在接收端重建出更加准确的训练序列，再做第二次频率精同步。此种同步方法即克服了基于循环前缀的传统频率同步方法频率捕获范围较小的缺点，也大大地抑制了基于训练序列的传统频率同步方法训练序列对OFDM数据的干扰，从而可以通过训练序列良好的相关特性获得较好的频率同步效果。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及通信技术中基于训练序列的频率同步方法。

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。它已成功应用于有线、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，也大量地涉及了OFDM技术。OFDM这种新的调制技术也可应用于新一代的移动通信系统中。使用OFDM技术将大大地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，”IEEECommunications Magazine，Volume：28 Issue：5，May 1990，Page(s)：5-14；和文献：Yun Hee Kim；IickhoSong；Hong Gil Kim；Taejoo Chang；Hyung Myung Kim，“Performance analysis of a coded OFDM system intime-varying multipath Rayleigh fading channels，”Vehicular Technology，IEEE Transactions on，Volume：48 Issue：5，Sept.1999，Page(s)：1610-1615所述。

在OFDM系统中，频率同步是一项关键的技术，频率同步的目的是求出并纠正收端的频率偏移，同步模块的位置见图1中的模块1。OFDM技术的弱点之一是对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％，内容详见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequencyoffset in OFDM systems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805。

常规的OFDM频率同步方法有三种：

①利用循环前缀与OFDM符号间的相关性，可以实现频率同步。参见文献van de Beek，J.J.；Sandell，M.；Borjesson，P.O.，“ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems，”Signal Processing，IEEE Transactions on，Volume：45 Issue：7，July 1997，Page(s)：1800-1805。

②发端用训练序列填充OFDM符号，可以有如下两种填充方式：a)将训练序列放在OFDM的循环前缀中；b)将训练序列放在OFDM的循环前缀前。然后接收端根据接收信号和已知训练序列的相关性来进行频率同步。

③发端把训练序列叠加在OFDM有用数据上，收端根据接收信号和已知的训练序列的相关性来进行频率同步。参见文献Tufvesson，F.；Edfors，O.；Faulkner，M.，“Time andfrequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles，”Vehicular TechnologyConference，1999.VTC 1999-Fall.IEEE VTS 50th，Volume：4，1999，Page(s)：2203-2207。

然而，上述OFDM同步的设计方法都有缺点，方法①的缺点是收端的相关峰值不明显，而且其频偏估计的范围只有OFDM系统子载波间隔的1/2。方法②的缺点在于训练序列与OFDM原始数据之间为时分(或者频分)复用形式，这造成了数据传输效率的下降。方法③的缺点是训练序列对数据干扰过大，以及发射数据的能量效率较低。

发明内容

本发明的任务是提供一种高性能的基于训练序列的频率同步方法，即采用本发明的方法，可以克服传统方法的诸多缺点，从而可以通过训练序列良好的相关特性获得较好的同步效果。

本发明的创新之处在于：①首先在发端把训练序列叠加在OFDM有用数据上，收端利用接收信号和已知训练序列的相关性来进行频率粗同步操作，同时使用循环前缀做频率第一次精同步；②经过频率粗同步和第一次频率精同步后，进行抑制OFDM数据对训练序列干扰的操作，然后在接收端重建出更加准确的训练序列，再做第二次频率精同步。其频率同步性能优于传统方法。

按照本发明的一种基于训练序列的新的OFDM频率同步方法，发射端包含：

步骤1  如图2所示，c表示有用长度为N的训练序列信号，d表示有用长度为N的OFDM数据信号，对训练序列和OFDM数据信号分别进行功率归一化处理，使训练序列和OFDM数据的功率分别为ρ和1-ρ。

步骤2  然后将此训练序列符号c与此OFDM符号d在发射端进行叠加，添加保护前缀后发射到信道。将训练序列与数据叠加的好处是同步时系统不会浪费带宽。

其特征是接收端包括下面的步骤：

步骤3  频率粗同步：如图3模块8所示，频率粗同步的功能是，利用接收端接收信号和本地训练序列的相关性，校正频率偏移偏差相对于子载波间距Δf归一化后的整数部分。

步骤4  第一次频率精同步：如图3模块9所示，第一次频率精同步的功能是，利用循环前缀校正频率偏差相对于子载波间距Δf归一化后的小数部分。

步骤5  抑制OFDM数据对训练序列的影响：如图3所示，对经过频率粗同步、第一次频率精同步和频率校正后的接收信号进行FFT(快速富利叶变换)操作，得到序列R；然后进行OFDM数据和训练序列分离操作，即先重建出接收OFDM数据信号然后从总的接收信号r′中减去重建出的OFDM数据信号就得到了接收信号中的训练序列，经过上述操作以后，接收端的OFDM数据信号和训练序列被分离开来，OFDM数据信号对训练序列的干扰被大大地降低了。

步骤6  第二次频率精同步：如图3模块12所示，利用步骤5中得到的训练序列进行第二次频率精同步操作。此时用于同步的训练序列信号受到OFDM数据信号的干扰较小，因此频率同步精度更高。同步方法与步骤3相同。

需要说明的是，在接收端进行频率粗同步步骤3之前，接收信号已经取得时间同步。

从上述步骤可以看出，采用本发明的频率同步方法，即可以克服传统方法中采用循环前缀进行同步操作的缺点，也可以克服传统方法中采用训练序列进行同步操作的缺点，使系统获得较高的频率同步性能。

附图说明

图1是传统的基于训练序列的接收机工作原理图

其中，1是同步单元，2是去除保护时隙单元，3是FFT单元，4是信道估计单元，5是信道衰落补偿单元，6是数据解调与判决单元。

图2是本专利的发射机中训练序列和OFDM数据的叠加方式图。

其中，c表示训练序列信号，d表示OFDM数据信号，为训练序列的幅度因子，为OFDM数据信号的幅度因子。

图3是本专利中的接收机结构框图。

其中，7是频率粗同步单元，8是第一次频率精同步单元，9是频率校正单元，10是重建接收OFDM数据单元，11是第二次频率精同步单元。r表示接收信号，r′表示去除掉保护前缀后的接收信号，R表示经过多载波解调后的接收信号，表示重建出的接收OFDM数据信号。

图4是具体实施方式中采用的频率粗同步和第一次频率精同步结构框图。

其中，12是接收信号与本地训练序列相关单元，13是频率粗同步差分相关处理单元，14是求相位角单元，15是归一化单元，16是第一次频率精同步差分相关处理单元(相关长度和差分距离与模块13不同)。K表示接收信号与本地训练序列的相关处理长度，Ω和N分别表示频率粗同步和第一次频率精同步的差分距离，Г和G分别表示频率粗同步和第一次频率精同步的差分处理长度，τ表示时延，ξ(n，τ)和ζ(n，τ)分别表示频率粗同步和第一次频率精同步的最终相关处理结果，Δf表示子载波间隔，f表示频率偏移估计结果。

图5是具体实施方式中采用的重建接收OFDM数据信号的框图。

其中，17是时延单元，18是CAZAC序列产生器，19是IFFT单元，20是频率粗同步和第一次时间同步得到的频率偏移单元。λ是由信道估计可信度决定的部分干扰对消因子。

图6是本专利的实施步骤框图。

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，保护间隔长度为G＝1024。训练序列选择具有良好的周期相关特性和常幅度特性的CAZAC序列。

在发射端：对有用长度为N的训练序列信号和有用长度为N的OFDM数据信号分别进行功率归一化处理，使训练序列和OFDM数据的功率分别为ρ和1-ρ；然后将此训练序列信号与此OFDM信号在发射端进行叠加，添加保护前缀后发射到信道，进行频率同步处理之前我们假设已经取得时间同步，即τ＝0。

在接收端：①如图3所示，首先进行频率粗同步7和第一次频率精同步8，具体步骤参见图4，将接收信号r(n)经过单元12与本地训练序列进行相关处理操作，相关处理长度K小于N，然后再经过单元13进行间距为Ω的差分相关处理，相关处理长度为Г，经过以上两步操作后，得到判决信号ξ(n，τ)，经过求相位角单元14，得到对应的频率偏差，把频率偏差对子载波间距Δf进行归一化处理15，即可校正频率偏差的整数部分；同时把接收信号经过单元17做相距N点的差分相关处理，相关处理长度为G，得到判决信号ら(n，τ)，经过求相位角单元14，得到对应的频率偏差，即可校正频率偏差的小数部分。②然后如图3，根据频率粗同步和第一次频率精同步的结果，对经过单元2去除保护时隙后的信号进行频率校正9，然后经过FFT变换单元3完成多载波调制的解调功能，得到信号R。③再次，进行重建接收端OFDM数据信号的操作，即模块10完成的功能，具体步骤参见图5：从序列R中抽取导引信息在单元4进行一阶线性信道估计；同时进行训练序列接收信号的重建，即先由训练序列产生器单元18产生发端所用的CAZAC序列，将产生的序列乘以幅度因子然后将重建后的训练序列与信道估计结果和部分干扰对消因子λ相乘，再从序列R中减去此乘积结果，即完成部分干扰对的功能，减小训练序列对数据信号的干扰，就得到了比直接解调更准确的数据信息；将此数据信息与信道估计模块的输出结果取倒数相乘，也就是去除数据信息的信道衰落，补偿后的信号通过数据解调与判决单元6输出；然后将输出的结果经过IFFT变换单元19，再乘以幅度因子信道估计结果，然后与频率偏移单元20相乘，进行频率偏移补偿，得到信号完成接收端OFDM数据信号的重建。④然后从总的接收信号中减去重建出的OFDM数据信号，就得到了接收端的训练序列信号；最后用这个消除了OFDM数据信号干扰的训练序列在进行第二次频率精同步，即图3中单元11完成的功能，同步过程与单元7相同，就得到更精确的频率同步效果。