OFDM系統(tǒng)中基于時(shí)域過采樣的頻率同步算法

海玲

摘? 要：針對(duì)正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系統(tǒng)對(duì)頻率偏移極其敏感的問題，研究了基于訓(xùn)練序列的Schmidl頻偏估計(jì)算法，提出了一種基于時(shí)域過采樣的頻率同步算法。通過軟件仿真，得出結(jié)論，提出的算法在信噪比高的情況下能基本不失真的復(fù)原發(fā)端數(shù)據(jù)，在信噪比低的情況下優(yōu)勢(shì)非常明顯，發(fā)送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)能夠被很好地復(fù)原出來，同時(shí)該算法在頻率資源利用率方面，在信號(hào)傳輸速率方面，都比原有算法有所提高，在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)方便。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用（OFDM）;同步;頻率偏移;頻偏估計(jì)

中圖分類號(hào)：TP301? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to solve the problem that Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM） is sensitive to frequency offset，after studying the Schmidl frequency offset estimation algorithm based on training sequence，the frequency synchronization algorithm based on time-domain oversampling is proposed in this paper.The simulation results show that the proposed algorithm can recover the original data of the sender in the case of low SNR.And the algorithm not only can improve the utilization rate of the frequency resource and signal transmission rate，but also it is easy to implement.

Keywords：Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）;synchronization;frequency offset;frequency offset

estimation

1? ?引言（Introduction）

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的提出可以追溯到20世紀(jì)50年代，經(jīng)過十余年的發(fā)展，在60年代被首先應(yīng)用在軍工方面的無線信號(hào)高頻通信鏈路中。OFDM屬于多載波調(diào)制技術(shù)的一種，他不僅是正交頻分復(fù)用技術(shù)又是載波調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)具有頻譜利用率高，能方便地采用FFT技術(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，有很強(qiáng)的抗多徑衰落和窄帶噪聲的能力，易與其他技術(shù)結(jié)合等諸多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前移動(dòng)通信領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。對(duì)OFDM系統(tǒng)來說，對(duì)頻率偏移的研究至關(guān)重要。為了解決以上問題，國(guó)內(nèi)外的眾多專家、學(xué)者發(fā)表了很多的文獻(xiàn)對(duì)OFDM技術(shù)中的頻率同步問題進(jìn)行研究分析[1-3]文獻(xiàn)[3]研究了基于PN序列的時(shí)頻同步算法，該算法能估計(jì)小時(shí)倍和整數(shù)倍頻偏，但是需要在發(fā)送端前加訓(xùn)練序列，傳輸效率一般。文獻(xiàn)[4]中，提出構(gòu)造完全相同的兩個(gè)訓(xùn)練塊置于分組或幀的頭部，利用相同的結(jié)構(gòu)之間的時(shí)域相關(guān)性來進(jìn)行頻偏估計(jì)，這種算法有其優(yōu)勢(shì)，但存在問題，當(dāng)重復(fù)數(shù)遞增時(shí)精度會(huì)逐漸降低，這種算法的精度會(huì)隨著重復(fù)數(shù)的增加而降低，導(dǎo)致后續(xù)接下來的信道估計(jì)準(zhǔn)確度隨之下降，當(dāng)信道衰落時(shí)，系統(tǒng)性能變差。文獻(xiàn)[5]通過構(gòu)造具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練序列使得定時(shí)度量變得尖銳，有效提升了定時(shí)估計(jì)性能，但該算法無法估計(jì)頻偏。

2 載波頻偏的產(chǎn)生（Generation of carrier frequency

頻率偏差的存在主要由于發(fā)射端和接收端有振蕩器存在且接收信號(hào)的載波頻率會(huì)受到多普勒效應(yīng)的影響產(chǎn)生偏差，振蕩器的存在和多普勒效應(yīng)的影響結(jié)果是使頻率偏差在接收到的數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)，為了方便表達(dá)，假設(shè)接收信號(hào)的實(shí)際殘留頻率偏差與OFDM子載波的間隔用表示，則解調(diào)以后的信號(hào)表達(dá)式為：

式中，，表示調(diào)制載波與解調(diào)載波二者存在的頻率偏差，為了估算出該偏差并且將這一偏差減小引入了頻率同步。

載波頻率偏差之所以會(huì)出現(xiàn)是因?yàn)榘l(fā)射端和接收端存在不一樣的頻率。載波頻率偏差有兩種不同的情況，其中當(dāng)頻率偏差是子載波整數(shù)倍的時(shí)候，不會(huì)對(duì)OFDM的正交性能產(chǎn)生破壞性的影響，但是會(huì)產(chǎn)生很大的誤碼率，對(duì)系統(tǒng)傳輸帶來一定的影響，導(dǎo)致其不可靠。另一種情況則是頻率偏差是子載波間隔的小數(shù)倍，這個(gè)時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)的正交性能的破壞性是比較明顯的，也會(huì)對(duì)子載波產(chǎn)生一些干擾，影響系統(tǒng)性能的穩(wěn)定。載波頻率偏移對(duì)于單載波系統(tǒng)和多載波系統(tǒng)的影響是不一樣的，從其對(duì)單載波系統(tǒng)的影響來看，它會(huì)對(duì)接收端的信號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其相位發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但是可以將均衡器引入其中，以此來彌補(bǔ)載波頻率偏移的影響。但是對(duì)多載波系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是比較大的，不僅具有對(duì)單載波系統(tǒng)影響的缺點(diǎn)，而且會(huì)對(duì)多載波系統(tǒng)帶來很大干擾，導(dǎo)致信號(hào)的相位發(fā)生很大的變化，影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此需要引起重視，采取科學(xué)的估算方法。

3 Schmidl頻偏估計(jì)算法（Schmidl frequency offset estimation algorithm）

偏頻會(huì)對(duì)子載波的正交性造成一定的破壞，影響傳輸信息數(shù)據(jù)的不精確性，還會(huì)造成信號(hào)失真，對(duì)于整個(gè)OFDM系統(tǒng)的性能帶來很大影響，不能充分發(fā)揮正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。偏頻估計(jì)算法是數(shù)字通信中一個(gè)比較重要的問題，Schmidl頻偏估計(jì)算法是比較常用的方法，被廣泛應(yīng)用到OFDM系統(tǒng)中。Schmidl算法[4]的基本原理是：加入訓(xùn)練序列1和訓(xùn)練序列2被放置在OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)的頭部，訓(xùn)練序列1和訓(xùn)練序列2是兩個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練符號(hào)，當(dāng)偽隨機(jī)PN序列被在偶頻率上發(fā)送，且零獲得被在奇頻率上發(fā)送時(shí)，這樣發(fā)送的數(shù)據(jù)即可形成第一個(gè)訓(xùn)練符號(hào);第2個(gè)訓(xùn)練符號(hào)是由在奇頻率上傳輸?shù)谋粶y(cè)量的子信道和在偶頻率上傳輸一個(gè)偽隨機(jī)PN序列形成的，利用這些序列進(jìn)行頻偏估計(jì)。FFO小數(shù)頻偏估計(jì)以及整數(shù)倍頻率偏移IFO的表達(dá)式為：