《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種用于OFDM時域頻偏估計(jì)的頻偏取值判決機(jī)制
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第7期
吳 斌, 周玉梅, 朱勇旭, 張振東
中國科學(xué)院微電子研究所, 北京100029
摘要: 提出了一種可適用于OFDM時域頻偏估計(jì)的頻偏取值判決機(jī)制,根據(jù)兩個自相關(guān)峰值估算出大范圍頻偏粗值和小范圍頻偏粗值,由頻偏取值控制狀態(tài)器根據(jù)大范圍頻偏粗值和小范圍頻偏粗值的數(shù)值邏輯關(guān)系,確定頻偏取值狀態(tài),由頻偏取值執(zhí)行器根據(jù)頻偏取值狀態(tài)計(jì)算準(zhǔn)確的最終頻偏數(shù)值。經(jīng)802.11n接收機(jī)系統(tǒng)的頻偏仿真測試表明,在IEEE TGN多徑信道A~信道F條件下,其頻偏估計(jì)均方誤差<10-2誤差(SNR>5),估算范圍達(dá)正負(fù)2.5倍子載波頻率間隔。
中圖分類號: TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2010)07-0122-05
A frequency offset value arbiter for OFDM time domain frequency offset estimation
WU Bin, ZHOU Yu Mei, ZHU Yong Xu, ZHANG Zhen Dong
Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China
Abstract: A new frequency offset arbiter method is derived. Which firstly estimate the coarse value for the large scale frequency offset and the fine value for the small scale frequency offset, then according to the numerical relation between the large scale frequency offset and the small scale ones ,the frequency offset state utility confirms the frequency offset arbiter’s state, lastly the frequency offset operator calculates the correct frequency offset. The method is simulated in the 802.11n receiver system which works in the IEEE TGN multipath channel mode A~F, the frequency offset MSE is less than 10-2(SNR>5),the estimate scale is positive or negative 2.5 times sub-carrier frequency interval.
Key words : OFDM; frequency synchronization; frequency offset arbiter;

    正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)因其出色的抗多徑能力和很高的頻譜利用率在無線局域網(wǎng)WLAN(802.11a/g/n/HiperLan)、無線城域網(wǎng)Wimax(802.16d/e)、LTE下行鏈路等寬帶分組數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但OFDM技術(shù)對頻偏比較敏感,頻偏會破壞子載波之間的正交性,引起載波間干擾,使得系統(tǒng)性能急劇下降。要想實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的良好性能,需要進(jìn)行精確的頻率估計(jì)和頻率補(bǔ)償。
    參考文獻(xiàn)[1]提出了載波頻偏的最大似然估計(jì)算法,該算法采用兩個連續(xù)的相同訓(xùn)練序列,缺點(diǎn)是估計(jì)范圍小。參考文獻(xiàn)[2]提出了一種穩(wěn)健頻率同步方法,需要兩個訓(xùn)練符號,利用第一個訓(xùn)練符號完成幀檢測及小數(shù)倍頻偏估計(jì),兩個訓(xùn)練符號結(jié)合進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì),算法復(fù)雜度較高,延時較大。參考文獻(xiàn)[3]對參考文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了改進(jìn),提高了估計(jì)精度,降低了運(yùn)算復(fù)雜度,但估計(jì)范圍較小。參考文獻(xiàn)[4]提出了在頻域上估計(jì)整數(shù)倍頻偏的方法,該方法通過對接收信號做FFT運(yùn)算之后在頻域上循環(huán)移位,與本地信號做相關(guān)尋找峰值的方法來估計(jì)整數(shù)倍頻偏。參考文獻(xiàn)[5]提出了一種針對特殊訓(xùn)練序列所設(shè)計(jì)的頻域整數(shù)倍頻偏估計(jì)方法,參考文獻(xiàn)[4]、[5]都要求在精確完成符號細(xì)同步的基礎(chǔ)上進(jìn)行整數(shù)倍頻偏的估計(jì)。參考文獻(xiàn)[6]提出了一種通過預(yù)先相位旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)符號細(xì)同步和整數(shù)倍頻偏的時域聯(lián)合估計(jì),該方式的運(yùn)算開銷較大。參考文獻(xiàn)[7]、[8]提出了一種分步的頻偏同步方法,先利用短訓(xùn)練序列在大范圍內(nèi)對載波頻偏實(shí)施估計(jì)與補(bǔ)償,然后利用長訓(xùn)練序列對頻率粗同步后的信號進(jìn)行殘余頻偏的精確估計(jì)。該方法第二次估計(jì)需要在第一次估計(jì)出的頻偏值補(bǔ)償后的基礎(chǔ)上完成,并且第二次估計(jì)和補(bǔ)償占用信道估計(jì)的時間,導(dǎo)致運(yùn)算開銷和接收延時開銷都較大。
    針對上述問題,本文提出了一種可用于OFDM時域頻偏估計(jì)的頻偏取值判決機(jī)制,在普通的時域頻偏估計(jì)器的基礎(chǔ)上,增加本文所提出的頻偏取值判決結(jié)構(gòu),僅需增加少量運(yùn)算開銷即可獲得精度高、范圍寬、抗多徑和噪聲干擾能力強(qiáng)的頻偏估計(jì)結(jié)果。
1 時域頻偏估計(jì)系統(tǒng)模型
1.1時域頻偏估計(jì)算法模型


1.2自相關(guān)長度與頻偏估計(jì)精度/范圍的關(guān)系
    OFDM基帶符號間隔時間:


    參考文獻(xiàn)[2]從理論上分析了基于重復(fù)符號結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻偏估計(jì)時,估計(jì)精度與相關(guān)長度、信噪比的關(guān)系。公式(9)、(10)定量說明了時域頻偏估計(jì)方法中相關(guān)長度與估計(jì)精度、估計(jì)范圍的定量關(guān)系。圖1是在D取16、32、48、64等不同長度時,頻偏估計(jì)均方誤差隨信噪比的變化曲線。

2 時域頻偏取值判決器算法模型
2.1頻偏取值判決器所解決的關(guān)鍵問題

    根據(jù)上述分析,時域頻偏算法估計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)點(diǎn)主要需要解決頻偏估計(jì)精度、頻偏估計(jì)范圍、頻偏估計(jì)運(yùn)算復(fù)雜度、頻偏估計(jì)魯棒性等4個方面的矛盾。
    根據(jù)第1節(jié)時域頻偏估計(jì)的系統(tǒng)算法模型分析可得出結(jié)論,采用長度較短的相關(guān)器可進(jìn)行大范圍的頻偏估計(jì),估計(jì)精度較低;采用長度較長的相關(guān)器可進(jìn)行小范圍的頻偏估計(jì),估計(jì)精度較高。
 根據(jù)上述思路,可嘗試采用雙自相關(guān)器達(dá)到高精度、大范圍的頻偏估計(jì)和補(bǔ)償?shù)哪康?。但在具體的工作機(jī)制設(shè)計(jì)上,可采用不同方法:(1)串行模式,即相關(guān)器按時間先后順序順次工作,接收先后不同的數(shù)據(jù)序列,實(shí)現(xiàn)順次的串行頻偏估計(jì)的工作模式;(2)并行模式,即相關(guān)器同時并行工作,接收相同時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)序列,實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)和補(bǔ)償?shù)牟⑿刑幚砟J健?br/>  部分研究成果[7-8]所采用的是串行的工作方式,即先基于短點(diǎn)數(shù)相關(guān)器,利用短訓(xùn)練序列在大范圍內(nèi)對載波頻偏實(shí)施捕獲與補(bǔ)償,基于長點(diǎn)數(shù)相關(guān)器,利用長訓(xùn)練序列進(jìn)行殘余頻偏的精確估計(jì)與較正。
 結(jié)合參考文獻(xiàn)[7-8],可說明串行方式機(jī)制的缺點(diǎn)所在。其所依據(jù)的協(xié)議規(guī)范是802.11a/g,以802.11a/g/n所使用的訓(xùn)練序列為例作進(jìn)一步說明,短訓(xùn)練序列總計(jì)10個重復(fù)的16點(diǎn)序列,長訓(xùn)練序列總計(jì)是2個重復(fù)的64點(diǎn)序列加32點(diǎn)循環(huán)前綴。短訓(xùn)練序列的前2~4個重復(fù)序列通常需要作為自動增益控制(AGC)使用。而長訓(xùn)練序列通常需要用作信道估計(jì)和均衡。采用參考文獻(xiàn)[7-8]所述的同步機(jī)制,所帶來的問題主要有兩方面:(1)頻率同步串行處理導(dǎo)致細(xì)頻率同步基于長訓(xùn)練序列才能完成,需要在第一次頻率補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上才能完成,占用了信道估計(jì)時間,增加了接收機(jī)信號處理延時;(2)符號細(xì)同步過程未能在完成頻偏補(bǔ)償之后進(jìn)行,這是由于頻偏、多徑、噪聲的影響,即便頻率估計(jì)準(zhǔn)確,也不易保證符號同步的準(zhǔn)確性。
 而本文所提出的頻偏取值判決器,適合自相關(guān)器工作于并行模式,其主要作用在于根據(jù)兩相關(guān)器同時估算出的頻偏粗值,利用小范圍頻偏粗值和大范圍頻偏粗值與準(zhǔn)確頻偏值的數(shù)值邏輯關(guān)系,建立一個準(zhǔn)確的頻偏取值判決機(jī)制。
 從原理上分析,根據(jù)公式(6),利用訓(xùn)練序列的自相關(guān)對抗多徑能力強(qiáng)于利用訓(xùn)練序列與本地訓(xùn)練序列的互相關(guān),因而在進(jìn)行時域頻偏估計(jì)時,通常是利用訓(xùn)練序列的互相關(guān)性進(jìn)行的。但自相關(guān)峰值測度函數(shù)有一個測度平臺,以及受多徑和噪聲的影響,導(dǎo)致峰值判決器工作不可能十分準(zhǔn)確。造成在&phi;&rarr;&pi;或者&phi;&rarr;-&pi;所計(jì)算的?準(zhǔn)值容易出現(xiàn)誤差而估計(jì)錯誤,從而直接導(dǎo)致最終的頻偏估計(jì)值出現(xiàn)錯誤。由公式(4)、(6)、(8)得出:

 另一方面,根據(jù)公式(10)和圖1,容易分析并得出結(jié)論,當(dāng)D值較小時,頻偏估計(jì)值范圍較大,精度較低,尤其是在多徑和頻偏自身因素影響下,峰值判決有可能出現(xiàn)不太準(zhǔn)確的情況,這種情況下,大范圍頻偏粗值估算不準(zhǔn)確,需要借助小范圍頻偏粗值界定大范圍頻偏準(zhǔn)確取值。(具體判決方法見下節(jié))。
    本文所提出的頻偏取值判決機(jī)制,解決的核心問題是利用小范圍頻偏值與大范圍頻偏值的數(shù)值邏輯關(guān)系,判斷小范圍頻偏粗值與大范圍頻偏粗值所出現(xiàn)的準(zhǔn)確區(qū)域,并根據(jù)小范圍頻偏估計(jì)粗值、大范圍頻偏估計(jì)粗值得到最終的準(zhǔn)確頻偏取值。
2.2 改進(jìn)的時域頻偏估計(jì)器的系統(tǒng)架構(gòu)
   本文提出的頻偏取值判決器是雙自相關(guān)器時域頻偏估計(jì)器的組成部分,該時域頻偏估計(jì)器與傳統(tǒng)的時域頻偏估計(jì)器在結(jié)構(gòu)上的差別主要體現(xiàn)在三個方面:(1)相關(guān)器采用的是自相關(guān)器;(2)并行采用了兩個雙自相關(guān)器;(3)基于兩個雙自相關(guān)器所估算的粗值經(jīng)過頻偏取值判決器得出最后的頻偏取值正確結(jié)果。圖2是頻偏取值估計(jì)器的基本架構(gòu)。

2.3 頻偏取值判決器的工作原理
 本文提出的頻偏取值判決器是雙自相關(guān)器時域頻偏估計(jì)器的核心組成部分。根據(jù)2.1節(jié)分析,頻偏取值判決器的作用即是利用小范圍頻偏值與大范圍頻偏值的數(shù)值范圍邏輯關(guān)系,從而準(zhǔn)確判斷小范圍頻偏粗值與大范圍頻偏粗值所應(yīng)出現(xiàn)的準(zhǔn)確區(qū)域,進(jìn)而得到最終的準(zhǔn)確頻偏取值。
   當(dāng)估計(jì)的載波頻偏范圍在間隔范圍內(nèi),設(shè)計(jì)的頻偏取值判決器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。頻偏取值判決器主要包括兩部分,即頻偏取值狀態(tài)表控制器和頻偏取值執(zhí)行器。頻偏取值狀態(tài)表控制器的作用在于根據(jù)小范圍頻偏粗值與大范圍頻偏粗值確定頻偏取值執(zhí)行器的輸入狀態(tài)。也即是確定小范圍頻偏粗值與大范圍頻偏粗值的準(zhǔn)確取值范圍。頻偏取值執(zhí)行器的作用在于根據(jù)取值狀態(tài)表控制器的狀態(tài)輸出,由頻偏粗值獲取最終準(zhǔn)確頻偏取值。


    本文所設(shè)計(jì)的頻偏取值狀態(tài)表控制器的數(shù)值邏輯表達(dá)式如(14)所示。根據(jù)公式可以看出,取值狀態(tài)表控制器共有5種不同的輸出工作狀態(tài)。
    根據(jù)這5種狀態(tài)得出公式(15)的取值表達(dá)執(zhí)行式。由小范圍粗值和大范圍粗值得到最終的頻偏估計(jì)值。
    
3 仿真結(jié)果及分析
3.1仿真系統(tǒng)模型和仿真條件

    本文依據(jù)802.11n協(xié)議規(guī)范[9]搭建了OFDM系統(tǒng)模型,子載波數(shù)目為64,子載波間隔為312.5 kHz,基帶符號率為20 MHz,采用802.11n Non-HT單流數(shù)據(jù)模型,采用802.11n標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的訓(xùn)練序列、信標(biāo)、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),利用其前導(dǎo)短訓(xùn)練序列進(jìn)行小數(shù)倍和整數(shù)倍聯(lián)合頻偏估計(jì)。在matlab7.04環(huán)境下完成所有仿真測試。文中仿真所采用的信道依據(jù)IEEE TGN規(guī)范搭建了針對家庭住宅、辦公室等不同應(yīng)用場景的6種信道模型[10](A~F)。如表1所示。

3.2系統(tǒng)仿真測試模式
    為了對所提出的頻偏取值判決器的估計(jì)精度、估計(jì)范圍、抗多徑和噪聲的魯棒性等方面的參數(shù)及性能指標(biāo)進(jìn)行全面的仿真、測試、評估,本文設(shè)計(jì)了如下多種測試及評估方案:
    (1)信噪比掃描測試(頻偏估計(jì)均方誤差)
 信噪比從1~35,頻偏值固定為200 kHz~800 kHz(如圖4~圖5);

   (2)頻偏掃描測試(頻偏估計(jì)均方誤差)
 頻偏值從-800 kHz~800 kHz;信噪比為5~25(如圖6~圖7)。
3.3 仿真結(jié)果分析
    圖4、圖5對頻率取值判決機(jī)制在特定的頻偏點(diǎn)(200 kHz、400 kHz)的頻偏估計(jì)均方誤差隨信噪比(1~35)的變化做了掃描仿真,每個掃描點(diǎn)仿真循環(huán)次數(shù)為200次,每次掃描仿真均包括對IEEE TGN的A~F等6種信道模型下的遍歷仿真,仿真結(jié)果表明,該頻偏取值判決器具備良好的抗多徑和抗噪聲的性能,能在IEEE TGN的6種信道模型下,取得頻偏估計(jì)均方誤差<10-2誤差(SNR>5)。該方法具備在多徑信道條件下穩(wěn)定而又高精度的頻偏估計(jì)性能。
    圖6、圖7對頻率取值判決機(jī)制在特定的信噪比(5、15)的頻偏估計(jì)均方誤差隨頻偏的變化做了掃描仿真,每個掃描點(diǎn)仿真循環(huán)次數(shù)為200次,并且每次掃描仿真均包括對IEEE TGN的A~F等6種信道模型下的遍歷仿真,仿真結(jié)果表明,該頻偏取值判決器具備良好的抗多徑和抗噪聲的性能,能在IEEE TGN的所有6種信道模型下,對寬范圍(-800 kHz~800 kHz)的頻偏取得頻偏估計(jì)均方誤差<10-2.12(SNR>10)。該方法具備在多徑和噪聲條件下對大頻偏變化范圍的穩(wěn)定而又精確的頻偏估計(jì)性能。

 本文提出的一種可適用于OFDM時域頻偏估計(jì)的頻偏取值判決機(jī)制,首先根據(jù)2個自相關(guān)峰值估算出大范圍頻偏粗值和小范圍頻偏粗值,其次由頻偏取值控制狀態(tài)器根據(jù)大范頻偏粗值和小范圍頻偏粗值的數(shù)值邏輯關(guān)系,確定頻偏取值狀態(tài),最后由頻偏取值執(zhí)行器根據(jù)頻偏取值狀態(tài)計(jì)算準(zhǔn)確的最終頻偏數(shù)值。
 該方法僅通過增加少量帶加減的運(yùn)算開銷(頻偏取值判決器中的頻偏取值狀態(tài)控制器和頻偏取值執(zhí)行器),可獲得寬頻偏估計(jì)范圍(估算范圍可達(dá)正/負(fù)2.5倍子載波頻率間隔),高精度的頻偏估算結(jié)果(在IEEE TGN多徑信道A~信道F條件下,頻偏估計(jì)均方誤差<10-2誤差(SNR>5)),抗多徑和噪聲的魯棒性強(qiáng)(所有掃描點(diǎn)仿真均在IEEE TGN A~F信道中仿真通過,完成信噪比從1~35的掃描測試)。對不同頻偏的頻偏估計(jì)穩(wěn)定度高(-800 kHz~800 kHz)的掃描模式具備較為一致的頻偏估計(jì)性能。
 本文所提出的頻偏取值判決機(jī)制非常適合無線局域網(wǎng)802.11a/g/n及其他分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)腛FDM寬帶通信系統(tǒng)的頻偏估計(jì)實(shí)際系統(tǒng)使用。
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