專利名稱：一種多徑信道下的ofdm頻率同步方法
技術領域：
本發明屬于無線通信或有線通信領域，它特別涉及OFDM的同步方法。
背景技術：
OFDM技術由于具有數據傳輸速率高，抗多徑干擾能力強，頻譜效率高等優點，越來越受到重視。它已成功用于有線、無線通信。如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技術。OFDM這種新的調制技術也可用于新一代的移動通信系統中。使用OFDM技術將大大提高新一代移動通信系統的傳輸數據率和頻譜效率，且具有很好的抗多徑能力。
OFDM技術的弱點之一是對時間和頻率同步的要求特別是頻率同步要求比單載波系統要高得多。一般要求采用OFDM技術的系統在接收端頻率偏移不超過其子載波間隔的2％。
OFDM同步分為時間同步和頻率同步。同步模塊的位置見圖1中的模塊11。OFDM頻率同步的目的是估計并補償收發之間的頻率偏移。
設N為OFDM系統中的FFT長度，Ng為OFDM符號的循環前綴長度，經過時間同步，取得接收序列γ[n]中OFDM符號的起點估計值 后，常規的頻率偏移估計方法有兩種1)利用OFDM符號的循環前綴，按照(1)式進行頻率偏移估計(如圖2所示)ϵ^=12πargΣn=α^α^+Ng-1(r[n]r*[n+N])---(1)]]>這種同步方法的缺點是頻率偏移估計范圍較小，只有正負1/2個子載波間隔。
2)參見文獻“Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequencepreambles”(利用PN前導序列的OFDM時間頻率同步方法，Tufvesson，F.Edfors，O.，Faulkner，M.，Vehicular Technology Conference，1999.VTC 1999-Fall.IEEE VTS 50th，Volume4，1999，Page(s)2203-2207)，發端將長為K的PN序列為m[n]n∈
在OFDM符號中連續重復放置構成長為N訓練序列t[n](如圖3所示)。相應地，收端把接收信號和已知的PN序列m[n]按照(2)式進行相關計算，得到頻率偏移估計值(如圖4所示)
ϵ^=-N2πKP·Σl=0L-P-1[(Σi=0K-1m*[i]·r[n+Ng+lK+i])]]>(Σi=0K-1m*[i]·r[n+Ng+(l+P)K+i])*]---(2)]]>其中， 為PN序列m[n]在訓練序列t[n]中完整重復的次數。P為一調整頻率同步精度和范圍參數，一般取P＝1。也就是說，收端先將接收序列與本地序列進行相關運算，之后再進行差分相關，從而得到頻率偏移估計值。
這種頻率同步方法的弱點是在多徑信道下，接收序列中含有多徑成分，但由于PN序列的相關特性，在進行頻率偏移估計時只能利用其中的最強徑的成分，因此在多徑衰落信道其頻率同步精度不高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種多徑信道下利用PN序列的OFDM頻率同步方法，它可以利用多徑信道中的多徑信息，在多徑信道環境下能夠提供較高的頻率同步精度。
本發明是一種多徑信道下的OFDM頻率同步方法，發端將某個PN序列周期延拓構成訓練序列，將其與OFDM原始數據序列進行點對點帶權疊加，加入保護前綴后發送出去，其特征在于收端取得OFDM時間同步后，根據發端訓練序列的權值不同，可以采用如下三種方法之一進行頻率同步A)當發端發送的序列不完全是訓練序列時，先用接收序列與本地PN序列計算相關，將此結果再計算差分相關，從而得到第一次頻率偏移估計值，將其進行補償后，再利用循環前綴計算差分相關，從而得到并補償第二次頻率偏移估計值；B)當發端發送的序列完全是訓練序列時，用接收序列直接計算差分相關(如圖5所示)，從而得到并補償頻率偏移估計值；C)當發端發送的序列完全是訓練序列時，用接收序列直接計算差分相關(如圖5所示)，從而得到并補償第一次頻率偏移估計值，再利用循環前綴計算差分相關，從而得到并補償第二次頻率偏移估計值。
即，本發明方法包括下列步驟一、發端發端對發射信號的處理步驟如下(如圖6示)1)設長為K的PN序列為m[n]n∈
，m[n]∈{12(1+j),-12(1+j)},]]>將
m[n]按照(3)式周期延拓至FFT點數N，得到訓練序列t[n]t[n]＝m[n mod K] n∈
(3)2)將訓練序列t[n]與長度為N點的歸一化OFDM原始數據序列d[n]按照(4)式進行點對點帶權疊加，得到序列d′[n]d′[n]=ρ·t[n]+1-ρ·d[n],n∈
---(4)]]>其中，序列t[n]和d[n]的功率均為1，ρ表示訓練序列在發送序列中所占的功率比值。
3)利用序列d′[n]，按照(5)式加入OFDM循環前綴，構成OFDM符號s[n] 4)將s[n]發送出去(s[n]的構成如圖7所示)。
二、收端收端進行時間同步，得到OFDM符號的起點 后，本發明的特征是它還包括對接收序列r[n]的頻率同步處理步驟(如圖8所示)(A)當發端的s[n]不完全是訓練序列y[n](即0＜ρ＜1)時，采用下述步驟進行頻率同步1)將接收序列γ[n]與本地PN序列m[n]按照(6)式計算差分相關，得到第一次頻率偏移估計值 ϵ^1=-N2πKP·arg(Σl=0L-P-1[(Σi=0K-1m*[i]·r[α^+Ng+lK+i))]]>·(Σi=0K-1m*[i]·r[α^+Ng+(l+P)K+i])*]---(6)]]>2)用第一次頻率偏移估計值 按照(7)式補償序列γ[n]，得到序列γ1[n]r1[n]=r[n]e-j2πnϵ^1N,n∈[α^,α^+N+Ng-1]---(7)]]>3)利用循環前綴，將序列γ1[n]按照(8)式計算差分相關，從而得到第二次頻率偏移估計值 ϵ^2=-12πargΣn=α^α^+Ng-1(r[n]r*[n+N])---(8)]]>4)用第二次頻率偏移估計值 按照(9)式補償序列γ1[n]，得到序列γ2[n]r2[n]=r1[n]e-j2πnϵ^1N,n∈[α^,α^+N+Ng-1]---(9)]]>5)將序列γ2[n]送往后端。
(B)當發端的s[n]完全是訓練序列t[n](即ρ＝1)時，可以采用下述步驟進行頻率同步1)將接收序列r[n]按照(10)式直接計算差分相關，得到頻率偏移估計值 ϵ^=-N2πKP·arg(Σl=0L-P-1Σi=0K-1r[α^+Ng+lNm+i]·r*[α^+Ng+(l+P)Nm+i])---(10)]]>2)用頻率偏移估計值 按照(11)式補償序列γ[n]，得到序列γ1[n]r1[n]=r[n]e-j2πnϵ^N,n∈[α^,α^+N+Ng-1]---(11)]]>3)將序列r1[n]送往后端。
(C)當發端的s[n]完全是訓練序列t[n](即ρ＝1)時，可以采用下述步驟進行頻率同步1)將接收序列γ[n]按照(12)式直接計算差分相關，得到第一次頻率偏移估計值 ϵ^1=-N2πKP·arg(Σl=0L-P-1Σi=0K-1r[α^+Ng+lNm+i]·r*[α^+Ng+(l+P)Nm+i])---(12)]]>2)用第一次頻率偏移估計值 按照(13)式補償序列r[n]，得到序列γ1[n]r1[n]=r[n]e-j2πnϵ^1N,n∈[α^,α^+N+Ng-1]---(13)]]>3)利用循環前綴，將序列γ1[n]按照(14)式計算差分相關，從而得到第二次頻率偏移估計值
ϵ^2=-12πargΣn=α^α^+Ng-1(r[n]r*[n+N])---(14)]]>4)用第二次頻率偏移估計值 按照(15)式補償序列γ1[n]，得到序列γ2[n]r2[n]=r1[n]e-j2πnϵ^1N,n∈[α^,α^+N+Ng-1]---(15)]]>5)將序列γ2[n]送往后端。
本發明的創新之處在于在利用PN序列進行頻率偏移估計時，全部或者部分地將接收序列自身進行差分相關計算，從而進行頻率偏移估計。在多徑信道下，接收序列中含有多徑成分，本發明的這種處理方法可以使接收序列中的多徑成分各自對齊，因此可以充分利用多徑信息，頻率同步精度優于常規方法。
這種設計方法的依據是1)當選擇的PN序列m[n]具有優良自相關特性時，易于實現OFDM的時間和頻率同步。
2)常規頻率同步方法中利用的是循環前綴的相關性，由于其差分距離(FFT長度)較大導致頻率偏移估計范圍較小，而本發明中發端的t[n]由m[n]周期延拓而成，收端差分距離可以是PN序列m[n]的周期長度，小于FFT長度，所以頻率偏移估計范圍較大。
3)多徑信道下，接收序列含有多徑成分。由于PN序列的特性，常規頻率同步方法二只能與接收序列中的最強徑成分對齊，而將其它徑成分作為干擾進行抑止，因此只能利用最強徑成分。而本發明提出的三種頻率同步方法都至少有一部分處理是利用了接收序列本身進行差分相關，因而接收序列的多徑成分各自對齊，得到了利用，因此頻率同步精度較之前的方法有大的改進。
本發明具有以下特點1、發端的訓練序列由某個PN序列周期延拓構成。
2、收端在取得時間同步后進行頻率同步。
3、使用方法(A)作頻率同步時，接收序列與本地PN序列作相關，提取出訓練序列成分，然后作差分相關，求出第一次頻率偏移估計值后對其進行補償，再利用OFDM符號的循環前綴進行差分相關計算，從而估計并補償第二次頻率偏移估計。
4、使用方法(B)作頻率同步時，不與本地PN序列作相關，而是在接收序列內部作差分相關，從而得到并補償頻率偏移估計值。
5、使用方法(C)作頻率同步時，比方法(B)多進行一次頻率偏移估計和補償，由于利用循環前綴進行頻率估計具有精度高的優點，因此最終的頻率偏移估計的精度很高。
本發明具有以下優點1、本發明提出的頻率同步方法與原方法相比，由于利用了多徑信道中的多徑信號，其頻率估計精度較以前大大提高；2、本發明提出了三種頻率同步方法，可以針對不同情況靈活選擇，提高了頻率同步方法選擇的靈活度；3、本發明提出的頻率同步方法(A)，由于先作了第一次頻率偏移估計并對其進行補償，之后再利用循環前綴作第二次粗頻率偏移估計，也具有頻率估計范圍大和精度高的優點；4、本發明提出的頻率同步方法(B)和(C)，由于進行頻率偏移估計時不需要將接收序列先與本地PN序列進行相關運算信息，所以可以節省計算開銷，提高計算速度；5、本發明提出的頻率同步方法(B)和(C)，選擇合適的PN序列長度及參數P，可以同時達到頻率估計范圍大和精度高的優點；6、由于收端對訓練序列信號已知，還可利用它進行信道估計或其它用途。


圖1為常規的OFDM系統框中，11為同步模塊。
圖2為常規頻率同步方法一中的頻率偏移估計方法框中，γ[n]為接收序列，N為OFDM系統FFT點數，z-N表示延時N點，(·)*表示取共軛值，arg(·)表示求相位， 表示頻率偏移估計值。
圖3為用于同步的訓練序列的構成示意中，訓練序列由長為K的PN序列周期延拓所得，總長度為FFT點數N，其中最后一個PN序列可能不完整，Ts表示每個序列中每個點的持續時間，T表示加入循環前綴前的OFDM符號持續時間。
圖4為常規頻率同步方法二中的頻率偏移估計方法框中，m
，m[1]，...，m[K-1]為PN序列數據，z-K·P表示延時K·P點，K·P+1表示延時K·P+1點，可以看出，接收序列γ[n]先與本地序列進行相關運算，之后再進行差分相關運算。
圖5為本專利所述的頻率同步方法(B)、(C)中的頻率偏移估計方法框中，可以看出，接收序列并不與本地序列進行相關運算，而是直接自身進行差分相關運算。
圖6為發端信號流程中，ρ表示訓練序列在發送序列中所占的功率比值，通過選擇ρ是否等于1，可以使發送序列完全是訓練序列或者是訓練序列和OFDM原始數據序列的疊加。
圖7為發送序列的構成示意中，發送序列由訓練序列和OFDM原始數據序列點對點帶權疊加而成，循環前綴22、23為26、27的復制，Tg表示循環前綴的持續時間。
圖8為收端信號處理流程中，ρ表示訓練序列在發送序列中所占的功率比值，系統在完成時間同步后進行頻率同步操作，頻率同步方法可使用方法(A)、(B)或(C)。
具體實施例方式
下面給出一個具體的OFDM配置下本專利的實施方法。
設OFDM系統中FFT長度為N＝4096，循環前綴長度為Ng＝1024。PN序列周期為K＝127，選擇訓練序列在發送序列中所占的功率比值為ρ＝0.5。
一、發端記周期為K＝127的m序列為m[n] n∈
，m[n]∈{12(1+j),-12(1+j)}.]]>將m[n]按照(3)式周期延拓構成訓練序列t[n]，則m[n]在訓練序列t[n]中的重復次數為 由于ρ＝0.5，所以訓練序列對應的權值為ρ=0.5=22,]]>原始OFDM數據序列對應的權值為1-ρ=1-0.5=22.]]>按照上述權值及(4)、(5)式，用訓練序列t[n]和歸一化OFDM原始數據序列d[n]構成OFDM符號s[n]發送出去。
二、收端收端首先取得時間同步后，然后進行頻率同步。由于發端選擇ρ＝0.5＜1，因此按照方法(A)進行頻率同步，具體來說，就是首先將接收序列γ[n]按照式(6)進行第一次頻率偏移估計，然后按照(7)式進行第一次頻率偏移補償，再按照式(8)進行第二次頻率偏移估計，之后按照式(9)進行第二次頻率偏移補償，最后向后端送出頻率同步后的序列γ2[n]。
權利要求
1.一種多徑信道下的OFDM頻率同步方法，發端將某個PN序列周期延拓構成訓練序列，將其與OFDM原始數據序列進行點對點帶權疊加，加入保護前綴后發送出去，其特征在于收端取得OFDM時間同步后，根據發端訓練序列的權值不同，可以采用如下三種方法之一進行頻率同步A)當發端發送的序列不完全是訓練序列時，先用接收序列與本地PN序列計算相關，將此結果再計算差分相關，從而得到第一次頻率偏移估計值，將其進行補償后，再利用循環前綴計算差分相關，從而得到并補償第二次頻率偏移估計值；B)當發端發送的序列完全是訓練序列時，用接收序列直接計算差分相關，從而得到并補償頻率偏移估計值；C)當發端發送的序列完全是訓練序列時，用接收序列直接計算差分相關，從而得到并補償第一次頻率偏移估計值，再利用循環前綴計算差分相關，從而得到并補償第二次頻率偏移估計值。
全文摘要
本發明提供了一種多徑信道下利用PN序列的OFDM頻率同步方法，它是發端將某個PN序列周期延拓構成訓練序列，將其與OFDM原始數據序列進行點對點帶權疊加，加入保護前綴后發送出去，收端根據發端訓練序列的權值不同，采用如下三種方法之一進行頻率同步A)先用接收序列與本地PN序列計算相關，然后再計算差分相關，得到并補償第一次頻率偏移估計值，再利用循環前綴計算并補償第二次頻率偏移估計值；B)用接收序列直接計算差分相關，從而得到并補償頻率偏移估計值；C)在B)的基礎上，再利用循環前綴計算并補償第二次頻率偏移估計值。
文檔編號H04J1/00GK1599298SQ0313584
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月18日 優先權日2003年9月18日
發明者房家奕, 嚴春林, 唐友喜, 李少謙 申請人:電子科技大學