一種基于訓(xùn)練序列的OFDM聯(lián)合同步新算法

【摘要】OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，為保證OFDM信號(hào)的正確傳輸，必須保持其子載波之間的完全同步，否則將造成子載波間干擾和符號(hào)間干擾，嚴(yán)重影響OFDM系統(tǒng)的性能。本文提出一種新的訓(xùn)練序列同步算法，通過(guò)仿真，對(duì)新算法和傳統(tǒng)的Schmidl Cox時(shí)頻聯(lián)合同步算法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，采用新算法具有較高的頻偏估計(jì)精度和較大的估計(jì)范圍，同時(shí)使符號(hào)定時(shí)非常精確。

【關(guān)鍵詞】OFDM；訓(xùn)練序列；聯(lián)合同步；Schmidl Cox算法

Abstract：OFDM is the technology of Multi-Carrier Modulation.in order to ensure orthogonality between sub-carriers，the synchronization between the carriers is very strictly required，otherwise it will cause channel interference and ISI，seriously affect the OFDM system performance.A new algorithm based on pilot symbol in OFDM system is given，by simulation，the new algorithm and the traditional set of Schmidl Cox algorithm are compared.Simulation results show that the new algorithm has better performance of frequency offset and timing estimation.

Key Words：ofdm；pilot symbol；timing and frequency synchronization；Schmidl Cox algorithm

1.引言

OFDM是一種特殊的多載波傳輸技術(shù)，它將一個(gè)較寬的傳輸帶寬分割成互相正交的多個(gè)子載波用于并行傳輸數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)以其強(qiáng)的抗多徑傳播性能和高的頻譜利用率在無(wú)線通信中得到了深入研究和廣泛應(yīng)用，是首選的寬帶高速傳輸技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應(yīng)用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。OFDM同步方法可分為數(shù)據(jù)輔助的同步方法和盲同步方法[2]。本文在介紹一種基于數(shù)據(jù)輔助的經(jīng)典算法SchmidlCox的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)算法。通過(guò)仿真，得出新算法的良好估計(jì)性能。

2.SchmidlCox時(shí)頻聯(lián)合同步算法

Schmidl及Cox提出了一種基于訓(xùn)練符號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合同步算法[3]，在這種同步算法中，訓(xùn)練序列選取兩個(gè)OFDM符號(hào)，第一個(gè)符號(hào)用于符號(hào)定時(shí)同步以及小數(shù)倍頻偏的估計(jì)；第二個(gè)符號(hào)用于整數(shù)倍頻偏的估計(jì)。

圖1 SC方案幀結(jié)構(gòu)示意圖

圖1顯示的是SchmidlCox算法的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)示意圖。

設(shè)訓(xùn)練符號(hào)前后半部分各由L（N/2）個(gè)復(fù)采樣點(diǎn)組成，在接收信號(hào)中對(duì)于L對(duì)間隔為L(zhǎng)的采樣點(diǎn)，其中任何一對(duì)有近似相等的相位差，把L對(duì)采樣點(diǎn)的相位差累加求和結(jié)果會(huì)是一個(gè)較大的值，于是對(duì)L對(duì)采樣點(diǎn)共軛乘積后求和得

（1）

通過(guò)下面的迭代公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

（2）

這里d表示相對(duì)于在一個(gè)長(zhǎng)度為2L的抽樣窗口中第一個(gè)抽樣的時(shí)間系數(shù)。當(dāng)接收端搜尋第一個(gè)訓(xùn)練碼元的時(shí)候，該窗口就在時(shí)域滑動(dòng)[4]。定義接收到的第二個(gè)半部分的能量為：

（3）

由上述兩式得到一個(gè)度量函數(shù)M（d）為：

（4）

當(dāng)M（d）取最大值時(shí)d=dopt，此時(shí)接收信號(hào)r前半部分和后半部分兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的序列相關(guān)性最強(qiáng)，dopt就是OFDM符號(hào)的起始位置。

第一個(gè)訓(xùn)練符號(hào)TS1前后半部分的主要差別是相位差，相位差可由式（1）估計(jì)出：

（5）

當(dāng)能保證小于時(shí)，在跟蹤模式中頻偏估計(jì)：

（6）

實(shí)際的頻偏估計(jì)往往大于[4]，即包括整數(shù)和小數(shù)部分，設(shè)表示小數(shù)部分，z表示整數(shù)部分，即頻偏是兩倍載波間隔的z倍，載頻間隔Fu=1/NT。

此時(shí)頻偏估計(jì)為：

（7）

整數(shù)倍頻偏估計(jì)的算法的基木思想是：發(fā)端規(guī)定一種碼元的差分關(guān)系，收端通過(guò)循環(huán)移位的辦法利用差分關(guān)系進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到最大值時(shí)的移位數(shù)就是歸一化的整數(shù)倍頻偏。

將進(jìn)行IFFT前的兩個(gè)發(fā)送訓(xùn)練符號(hào)TS1'和TS2'記為x1，k，x2，k，做FFT運(yùn)算后的值定義為y1，k，y2，k。規(guī)定的前后兩個(gè)原始序列TS1'與TS2'的差分關(guān)系如下：

（8）

因?yàn)樾蛄蠺S1'第奇數(shù)個(gè)子載波數(shù)據(jù)為0，所以TS1'與TS2'兩個(gè)序列只能在偶數(shù)位置上建立一種差分關(guān)系，在接收端為已知[5，6]。符號(hào)y1，k，y2，k任一頻率相對(duì)于原訓(xùn)練符號(hào)TS1，TS2的頻偏是相等的，定義另一度量函數(shù)B（g）[6，7，8]為式（9）：

（9）

X是偶頻率下標(biāo)序列，X={-W，-W+2，…， -4，-2，2，4，…，W-2，W}，W是攜帶PN序列的偶頻率數(shù)，整數(shù)g覆蓋所有可能的頻偏范圍，計(jì)算B（g）值可以估計(jì)，當(dāng)B（g）值最大時(shí)gmax就是所要估計(jì)的，其估計(jì)范圍為[-N/2，N/2-1]。

3.新的同步方案

從圖1我們可以看出，在Schmidl算法中，TS1序列進(jìn)行符號(hào)定時(shí)和小數(shù)倍頻偏估計(jì)，TS1和TS2之間存在一種差分關(guān)系，利用這種差分關(guān)系進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)。該方案的估計(jì)精度較高，范圍也比較大，但是存在符號(hào)定時(shí)時(shí)刻難以確定的缺點(diǎn)。為此，提出一種新的同步方案，如圖2所示：

圖2 新方案幀結(jié)構(gòu)示意圖

在該方案中，TS1用于符號(hào)定時(shí)，TS2專門用于頻偏估計(jì)。該方案和SC方案相比主要有以下兩個(gè)不同點(diǎn)：（1）用于符號(hào)定時(shí)的碼元結(jié)構(gòu)不同；（2）SC方案是利用前后兩個(gè)訓(xùn)練序列之間的差分關(guān)系進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)，而新方案利用1個(gè)訓(xùn)練序列前后樣點(diǎn)之間的差分關(guān)系進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)。該方案在不增加同步碼元開銷的情況下.也能得到較高的頻偏估計(jì)精度和較大的估計(jì)范圍，同時(shí)使符號(hào)定時(shí)非常精確。

圖3 兩種定時(shí)算法對(duì)比

圖4 兩種算法定時(shí)性能比較

圖5 兩種算法的頻偏估計(jì)性能

定時(shí)：分析上述Schmidl算法，可以得出式（4）中的M（d）的取值和樣值點(diǎn)的關(guān)系圖如圖3所示。從圖中可以看出M（d）取值有一段平坦的峰值但沒(méi)有明顯的單峰值，這給定時(shí)點(diǎn)的準(zhǔn)確判定帶來(lái)困難。為此，我們新的訓(xùn)練序列特征[9]來(lái)進(jìn)行符號(hào)定時(shí)。則經(jīng)過(guò)IFFT變換后生成的數(shù)據(jù)序列TS1有下列的特點(diǎn)：

[AN/4BN/4A*N/4B*N/4] （10）

序列A和B是對(duì)稱的，即A（k）=B（N/4-1-k），k[0，N/4-1]。利用序列具有的這種共軛和對(duì)稱的關(guān)系所具有的非常優(yōu)良的自相關(guān)特性可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定時(shí)算法。

重新定義P（d），R（d）：

（11）

（12）

M（d）的取值如圖3所示，從圖3（下轉(zhuǎn)封三）（上接第124頁(yè)）中可以看出，新算法的M（d）取值具有尖峰單峰值，從而使定時(shí)時(shí)刻非常準(zhǔn)確。

在新算法中，計(jì)算P（d+1）和P（d）時(shí)參與相關(guān)運(yùn)算的數(shù)據(jù)系列己經(jīng)完全不一樣，這樣P（d+1）和P（d）內(nèi)就是隨機(jī)獨(dú)立的，加上序列的共扼對(duì)稱性使P（d）只有在準(zhǔn)確定時(shí)點(diǎn)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)明顯的單峰值，這就使得定時(shí)容易且精確。

頻偏估計(jì)：在SC算法中，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)要使用前后兩個(gè)符號(hào)序列，在保證估計(jì)的范圍和精度基本不變的情況下為了降低同步碼元的開銷，此處只利用一個(gè)符號(hào)序列進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)[10]。定義原始序列TS2'偶數(shù)位置上前后相鄰數(shù)據(jù)的差分關(guān)系為：

（13）

其定義的頻偏判決函數(shù)為：

（14）

4.性能仿真

為了評(píng)估算法的性能，對(duì)算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。仿真參數(shù)為：子載波個(gè)數(shù)為256，循環(huán)前綴個(gè)數(shù)為64，子載波的調(diào)制方式為QPSK，信道為AWGN信道和4徑信道。分別以定時(shí)偏移的均方誤差（MSE）和頻偏估計(jì)得均方誤差來(lái)衡量上述算法的性能。

從圖4我們可以看出，無(wú)論在AWGN信道還是多徑信道下，新算法的定時(shí)偏移的均方誤差都非常小，也就是新算法的定時(shí)準(zhǔn)確率很高。而Schmidl算法在SNR小于5時(shí)，定時(shí)偏移的均方誤差非常大，大于5后雖然明顯減小但依然比新算法大，沒(méi)有新算法準(zhǔn)確。從圖5可以看出，兩種算法的頻偏估計(jì)性能差不多，都具有較高的估計(jì)精度。但是無(wú)論是AWGN信道還是多徑信道下改進(jìn)的算法還是比SC算法稍微好一些。

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作者簡(jiǎn)介：劉平（1980—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)。