《電子技術(shù)應用》
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基于訓練序列的OFDM頻率同步改進算法
2017年電子技術(shù)應用第3期
王思撥，馬社祥，孟 鑫，王俊峰
天津理工大學 計算機與通信工程學院，天津300384
摘要： 針對現(xiàn)有正交頻分復用(OFDM)通信系統(tǒng)中頻率同步算法存在的同步精度不高、估計范圍較小等問題，設計了一種訓練序列結(jié)構(gòu)，并給出了相應的估計函數(shù)，提出了基于訓練序列的頻率同步改進算法。頻率同步改進算法是在準確的符號定時之后，根據(jù)時域訓練序列結(jié)構(gòu)的共軛對稱性，利用新的度量函數(shù)求出小數(shù)倍頻偏；根據(jù)接收端頻域訓練序列的循環(huán)移位估計整數(shù)倍頻偏。理論分析和仿真結(jié)果表明，改進算法頻偏估計的均方誤差較低，擴大了小數(shù)倍頻偏估計范圍，提高了整數(shù)倍頻偏的正確檢測概率。
中圖分類號： TN919.3
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.026
中文引用格式： 王思撥，馬社祥，孟鑫，等. 基于訓練序列的OFDM頻率同步改進算法[J].電子技術(shù)應用，2017，43(3)：104-107.
英文引用格式： Wang Sibo，Ma Shexiang，Meng Xin，et al. Improved frequency synchronization method for OFDM systems based on training sequence[J].Application of Electronic Technique，2017，43(3)：104-107.
Improved frequency synchronization method for OFDM systems based on training sequence
Wang Sibo，Ma Shexiang，Meng Xin，Wang Junfeng
School of Computer and Communication Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China
Abstract： In this paper, a new training sequence is designed and an improved frequency synchronization method is proposed for OFDM systems, aim to overcome the low synchronization precision and the small estimation range. The proposed method is based on training sequence to estimate, and the corresponding carrier frequency offset(CFO) estimation function is presented. After accurate timing synchronization, the fractional frequency offset(FFO) can be obtained by using the new metric function, according to the conjugate characteristic of the training sequence structure in the time domain. And the integer frequency offset(IFO) can be estimated by the cyclic shift of the training sequence of the received signal in the frequency domain. Theoretical analysis and simulation results show that the mean square error(MSE) of the frequency offset estimation is relatively low, and the range of fractional frequency offset estimation is expanded, the correct detection probability of the integer frequency offset is higher than other methods.
Key words : OFDM; frequency synchronization; training sequence; MSE; correct detection probability

0 引言

    2013年5月，在國際電信聯(lián)盟無線電通信工作組(ITU-R Working Party 5B)會議上，多國政府和國際航標協(xié)會(IALA)提出了VDES(VHF Data Exchange System)。VDES是針對AIS加強和升級的系統(tǒng)，由AIS(Automatic Identification System)、ASM(Application Specific Messages)以及VDE(VHF Data Exchange) 所組成的集成系統(tǒng)。VDES允許多于一種編碼速率和調(diào)制方式，可以在系統(tǒng)規(guī)模和業(yè)務可用性上提供更多的靈活性。VDE采用自適應調(diào)制和編碼來使頻譜效率和吞吐量最大。2015年10月，國際電信聯(lián)盟無線電通信第5研究組建議VDES采用ITU-RM.2092-0建議書[1]。在VDE-SAT上/下行鏈路50 kHz專用信道中，可以采用OFDM技術(shù)。在VDES中的VDE-SAT上/下行鏈路通信時，衛(wèi)星通信的環(huán)境給OFDM技術(shù)的使用造成了同步問題。

    OFDM同步技術(shù)主要是對OFDM系統(tǒng)中符號定時偏差(Symbol Timing Offset，STO)和載波頻率偏差(Carrier Frequency Offset，CFO)進行估計，同步方法可分為兩類：(1)非數(shù)據(jù)輔助方法[2]，主要是利用循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)的盲估計算法；(2)數(shù)據(jù)輔助的估計方法[3-7]。數(shù)據(jù)輔助類算法中最經(jīng)典的是由SCHMIDL M等人[2]提出的同步算法(以下簡稱S&C算法)，但循環(huán)前綴導致這種算法存在定時平臺，造成定時模糊現(xiàn)象。MINN H及PARK B等人[4，5]對S&C算法進行了改進，雖然有效地防止了定時估計的峰值平臺問題，但是在糾正小數(shù)倍載波偏差時誤差較大，且要求訓練序列的偶數(shù)位是等比數(shù)列，這樣才能糾正整數(shù)倍載波偏差，算法復雜度高[8，9]。文獻[6]中雖然利用CAZAC(恒包絡零自相關(guān))序列設計的訓練符號可以準確定時，但在定時同步時都使用了本地序列，存在計算量大的缺點，并且載波頻偏估計的性能沒有得到改進。Guo Yi等人在文獻[7]中提出使用實訓練序列，利用時域訓練序列的共軛特性，準確定時。但是在對小數(shù)倍頻偏估計時，由于訓練序列中沒有重復結(jié)構(gòu)，只能用基于循環(huán)前綴的ML算法進行估計，估計范圍較小，低信噪比下估計性能較差，整數(shù)倍頻偏估計算法復雜。本文利用Guo Yi的符號定時方法準確定時后，對頻率同步算法改進，根據(jù)時域訓練序列結(jié)構(gòu)的共軛對稱性，利用新的度量函數(shù)求出小數(shù)倍頻偏；根據(jù)接收端頻域訓練序列的循環(huán)移位估計整數(shù)倍頻偏。本文頻率同步改進算法在不降低估計精度的前提下擴大了小數(shù)倍頻偏估計的范圍，提高了整數(shù)倍頻偏的正確檢測概率。

1 OFDM系統(tǒng)模型

    定義發(fā)送信號為x(n)，接收信號為y(n)，帶有循環(huán)前綴的發(fā)送端信號可以表示為：

tx4-gs1-2.gif

2 訓練序列結(jié)構(gòu)的設計

    在發(fā)送端，在頻域設計新的訓練序列，偶數(shù)位發(fā)送：

    tx4-gs3.gif

    奇數(shù)位發(fā)送：

tx4-gs4-6.gif

tx4-t1.gif

    在接收端，時域接收信號可以表示為：

tx4-gs7-12.gif

    可根據(jù)式(12)估計出準確符號定時位置，如圖2所示。估計出符號定時偏差后，對信號進行補償，實現(xiàn)符號定時同步。

tx4-t2.gif

3 改進的頻偏估計算法

    經(jīng)符號同步算法估計出符號起始點，在時域上進行小數(shù)倍載波頻偏估計；補償后，將信號從時域變換至頻域，在頻域進行整數(shù)倍載波頻偏估計。

3.1小數(shù)倍載波頻偏估計

    在接收端準確定時后，在時域上對小數(shù)倍頻偏估計，時域接收信號可以表示為： 

tx4-gs13.gif

tx4-t3.gif

tx4-gs14-19.gif

3.2 整數(shù)倍載波頻偏估計

    當頻偏ε只存在小數(shù)倍頻偏時，可用上述方法準確估計；當頻偏中存在整數(shù)倍頻偏時，經(jīng)過小數(shù)倍頻偏估計且補償后，接收信號中僅存在偶數(shù)倍頻偏[3]。在接收端補償小數(shù)倍頻偏后，只存在整數(shù)倍頻偏εi，且εi為偶數(shù)，時域接收信號可以表示為：tx4-gs20-s1.gif利用FFT對接收信號解調(diào)后，Y(k)=X(k-εi)，Y(k)為X(k)的循環(huán)移位，得到Y(jié)(k)的偶數(shù)位序列：

     tx4-gs20.gif

    通過求解碼后的訓練序列能量值最大處，定位原偶數(shù)位訓練序列的非零訓練序列起始位置，該位置的移位個數(shù)即為估計的整數(shù)倍頻偏：

tx4-gs21.gif

4 仿真結(jié)果及分析

    在理論分析的基礎上進行仿真實驗，對本文算法的性能進行測試。在仿真過程OFDM系統(tǒng)的主要參數(shù)為：FFT/IFFT的變換長度為128，循環(huán)前綴長度為32，子載波采用16QAM調(diào)制方式，仿真次數(shù)為100次。

    圖4為各算法在不同的CFO下MSE的性能對比。如圖4(a)所示，當ε=0.3時，本文算法MSE性能優(yōu)于MINN H算法和PARK B算法，在較低信噪比下Guo Yi算法MSE性能明顯降低，而本文能保持良好的MSE性能。在圖4(b)中，當ε=2.3時，實際頻偏值超出了MINN H算法和PARK B算法的估計范圍, MINN H算法和PARK B算法不能用于頻偏估計，本文算法比Guo Yi算法有更好的估計性能。

tx4-t4.gif

    圖5中比較了本文算法與Guo Yi算法的整數(shù)倍頻偏估計性能。從圖5中可以看出，本文算法在信噪比較低時整數(shù)倍頻偏正確檢測的概率較高，具有更好的同步性能。

tx4-t5.gif

tx4-5-s1.gif

tx4-t6.gif

5 結(jié)論

    本文在符號定時準確的基礎上，對OFDM系統(tǒng)的載波頻率偏差進行估計，提出了一種基于新型訓練序列結(jié)構(gòu)的OFDM頻率同步的改進算法。根據(jù)接收端的時域接收信號中存在部分共軛特性進行小數(shù)倍頻偏估計，在頻域根據(jù)訓練符號的移位估計出整數(shù)倍的頻偏。理論推導和仿真結(jié)果都表明，本文算法擴大了小數(shù)倍頻偏的估計范圍，小數(shù)倍頻偏估計在低信噪比下有更好的MSE性能，提高了整數(shù)倍頻偏的正確檢測概率，具有很好的估計性能。

參考文獻

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[3] SCHMIDL T M，COX D C.Robust frequency and timing synchronization for OFDM[J].IEEE Trans.Commun.，1997，45(12)：1613-1621.

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[6] 嚴春林，李少謙，唐友喜，等.利用CAZAC序列的OFDM頻率同步方法[J].電子與信息學報，2006，28(1)：139-142.

[7] Guo Yi，Liu Gang，Ge Jianhua.A novel time and frequency synchronization scheme for OFDM systems[J].IEEE Trans on Consumer Electronics，2008，54(2)：321-325.

[8] CHO Y S，KIM J，YANG W Y，et al.MIMO-OFDM wireless communication with MATLAB[M].1st ed.John Wiley and Sons(Asia) PteLtd，2010.

[9] NISHAD P K，SINGH P.Carrier frequency offset estimation in OFDM Systems[C].Proceedings of 2013 IEEE Conference on Information and Communication Technonlogies(ICT2013),2013：885-889.



作者信息:

王思撥，馬社祥，孟  鑫，王俊峰

（天津理工大學 計算機與通信工程學院，天津300384）

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