專利名稱：：數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及數(shù)字通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法。技術(shù)背景OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交步員分復(fù)用)是一種多載波調(diào)制方式，具有頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑干擾的優(yōu)點(diǎn)。在0F匿系統(tǒng)中，由于發(fā)送和接收晶振之間存在一定程度上的失配，或在移動無線通道存在多普勒頻移，發(fā)送端和接收端存在載波頻率偏移，稱為載波頻偏(以下簡稱頻偏)。頻偏對子載波間隔歸一化可分為整數(shù)頻偏和分?jǐn)?shù)頻偏，即子載波間隔整數(shù)倍部分和小于子載波間隔部分。OFDM系統(tǒng)對于頻偏非常敏感。分?jǐn)?shù)間隔會造成ICI(InterCarrierInterference,子載波間干擾)，整數(shù)頻偏會造成頻域符號數(shù)據(jù)的循環(huán)移位。通常，在時(shí)域?qū)Ψ謹(jǐn)?shù)頻偏進(jìn)行估計(jì)并校正，校正后的數(shù)據(jù)在頻域?qū)Υ笥?個(gè)子載波的整數(shù)頻偏進(jìn)行估計(jì)和糾正?，F(xiàn)有的估計(jì)方法復(fù)雜度比較高，一般都需要用到大量復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，對硬件資源的額外開銷比較大，計(jì)算時(shí)間比較長。一種常用的整數(shù)頻偏估計(jì)方法是基于已知的符號，接收符號在頻域上與己知數(shù)據(jù)做循環(huán)移位相關(guān)，通過尋找相關(guān)峰來估計(jì)整數(shù)頻偏。例如在T-DMB(TerrestrialDigitalMultimediaBroadcasting,地面數(shù)字多媒體廣播)系統(tǒng)中，將接收到的PRS(PhaseReferenceSymbol,相位參考符號)與已知PRS序列做循環(huán)移位相關(guān)。在這個(gè)例子中，考慮到消除信道的影響，通常在相關(guān)之前還要對接收的PRS符號相鄰子載波之間進(jìn)行差分計(jì)算，由此所引入的復(fù)數(shù)乘法操作會進(jìn)一步增加算法的復(fù)雜度。這種方法在衰落信道的情況下通?？煽啃员容^低。由于已知序列的相關(guān)性，整數(shù)頻偏估計(jì)范圍比較?。焕缭谒隼又?，估計(jì)范圍為土16個(gè)子載波間距。因?yàn)橛?jì)算復(fù)雜以及已知符號通常位于幀頭位置，所以通常需要消耗一幀的時(shí)間。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法，它能夠降低計(jì)算的復(fù)雜度，可靠性高，所需時(shí)間短。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，在頻域信號中選取連續(xù)的多個(gè)符號，然后按如下步驟進(jìn)行估計(jì)步驟一，在頻域信號數(shù)據(jù)的每個(gè)符號中選取相同長度的第一段和第二段兩段頻域信號數(shù)據(jù)序列。設(shè)％.為第it個(gè)符號在第/個(gè)子載波上加載的頻域信號數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)l^U"，2其中，*=0,1,...，M-1，/=0,1,...,2Z1+2Z2_1，m為第一段在符號中的起始位置，"為第二段在符號中的起始位置，丄1+丄2為每段選取數(shù)據(jù)的長度；步驟二，將每個(gè)符號的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)部和虛部的絕對值相加；相加后生成的頻域信號數(shù)據(jù)序列為^,-lRe(^,)l+llm(Ul，其中，yt=0,l,...,M-1，/二0,l,…，2Z!+2i:2-1;步驟三，將頻域信號數(shù)據(jù)序列、中的多個(gè)符號累加，累加的結(jié)果形成新的頻域信號數(shù)據(jù)序列《，《=|!%;步驟四，將第一段與第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列逐點(diǎn)相減，或者將第二段與第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列逐點(diǎn)相減，取計(jì)算結(jié)果的符號，生成頻域信號數(shù)據(jù)比較序列；步驟五，將頻域信號數(shù)據(jù)比較序列逐點(diǎn)累加，生成符號累加序列，并尋找最小值或最大值的位置值；步驟六，根據(jù)最小值或最大值的位置值計(jì)算整數(shù)頻偏值。采用本發(fā)明的方法，可以在時(shí)域僅對分?jǐn)?shù)頻偏進(jìn)行估計(jì)并校正后，數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT(快速傅立葉變換)，在頻域進(jìn)行整數(shù)頻偏的估計(jì)。由于沒有乘法操作，能夠有效降低算法復(fù)雜度，電路實(shí)現(xiàn)額外資源消耗小。采用本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)的電路僅需要數(shù)百邏輯門，現(xiàn)有技術(shù)所需硬件資源通常為本發(fā)明的數(shù)十倍以上；計(jì)算速度快，只需要若干符號的時(shí)間；估計(jì)范圍大，可靠性好，可以有效地克服多個(gè)單音干擾的影響。下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖1是本發(fā)明的控制流程圖；圖2是本發(fā)明的方法中實(shí)施步驟一與步驟二后所產(chǎn)生的結(jié)果示意圖；圖3是本發(fā)明的方法中實(shí)施步驟三至步驟六的過程示意圖。具體實(shí)施方式在OFDM系統(tǒng)中只使用整個(gè)帶寬中的低頻部分子載波。在高頻邊緣部分，通常插入幅度為零的子載波用來作為保護(hù)帶，這些子載波稱為虛擬子載波。通過尋找虛擬子載波與其他子載波的邊界，就可以估計(jì)整數(shù)頻偏值。具體實(shí)現(xiàn)的方法是，在得到OF畫系統(tǒng)頻域信號，即OFDM系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行FFT之后，在頻域信號中選取連續(xù)的多個(gè)符號進(jìn)行整數(shù)頻偏估計(jì)。假設(shè)選取M個(gè)符號，分別標(biāo)號為h*=0,1,...,M-1。設(shè)OFDM系統(tǒng)子載波數(shù)目為7V，。所接收到的頻域信號數(shù)據(jù)可以描述為氣,，"O，l，...,M-l，/=0，l，...,iV-l，為第A個(gè)符號在第f個(gè)子載波上加載的頻域信號數(shù)據(jù)。然后按如圖1所示的步驟進(jìn)行估計(jì)步驟一，在頻域信號數(shù)據(jù)中選取數(shù)據(jù)。OFDM系統(tǒng)中通常虛擬子載波增加在開頭和結(jié)尾兩邊，利用虛擬子載波位置的性質(zhì)，選取符合下面標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。在每個(gè)符號中選取長度相同的兩段，記某一符號序列為4，/=0,1,...，7V-1，選取的長度為A+^，在符號中選取的第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列記為S.，第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列記為e,，7、0,1,...,A+A-l。第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列從頻域信號數(shù)據(jù)序列4的前一半，即/=0,l,...,iV/2-l中選取，并滿足當(dāng)hO,l,...,A-l，假設(shè)所接收信號中不存在頻偏時(shí)，i^對應(yīng)為虛擬子載波，即g所對應(yīng)的頻域信號數(shù)據(jù)序列4中的點(diǎn)是由虛擬子載波數(shù)據(jù)所生成的；當(dāng)7=11,11+1,...,/1+丄2-1，假設(shè)所接收信號中不存在頻偏時(shí)，S對應(yīng)為數(shù)據(jù)子載波。也就是說，所選取的頻域信號數(shù)據(jù)序列S.前A個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是虛擬子載波數(shù)據(jù)，后A個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是有效子載波數(shù)據(jù)。按照類似的規(guī)則在符號4內(nèi)選取第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列"，第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列2,從頻域信號數(shù)據(jù)序列4的后一半，即^=^/2^/2+1,...^-1中選取，并滿足當(dāng)/=0,1,...,11-1，假設(shè)所接收信號中不存在頻偏時(shí)，g對應(yīng)為有效子載波；當(dāng)/=-1，假設(shè)所接收信號中不存在頻偏時(shí)，&對應(yīng)為有效子載波。也就是說，滿足前A個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是有效子載波數(shù)據(jù)，后丄2.都是虛擬子載波數(shù)據(jù)。將序列s和e,合并為新的序列fiys/"+丄,^與^的選擇關(guān)系到整數(shù)頻偏的估計(jì)范圍，理論上，估計(jì)范圍就應(yīng)該是-^+lA個(gè)子載波間距。因此^與A應(yīng)該選擇的比較大，但應(yīng)保持所選取的兩段分別在前一半符號與后一半符號的范圍之內(nèi)。但^與Z2的長度將會影響到實(shí)現(xiàn)時(shí)的硬件資源的數(shù)量以及計(jì)算量。通常，可以選取^>=^使得估計(jì)范圍在正負(fù)兩端保持對稱。在頻域信號序列^的每一個(gè)符號中按照相同的方法選取數(shù)據(jù)，記為其中m為第一段在符號中的起始位置，"為第二段在符號中的起始位置。步驟二，將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)部和虛部的絕對值相加。虛擬子載波的幅度為零，由于信道以及系統(tǒng)噪聲的影響，接收到的虛擬子載波具有比較小的幅度。為了尋找虛擬子載波的邊界，需要考察信號點(diǎn)的幅度。求幅度運(yùn)算相對復(fù)雜，而復(fù)點(diǎn)實(shí)部虛部絕對值之和實(shí)現(xiàn)起來方便簡單。對于步驟一所挑選的數(shù)據(jù)\,.，*=0,1,...,M-1，/=0,1，...，2^+2丄2-1進(jìn)行計(jì)算，則生成的頻域信號數(shù)據(jù)序列為Ct,,=|ReD|+|lmU|，A;=0,1,...,M-1，/=0,1,—,2^+2丄2-1(結(jié)合圖2所示)。步驟三，將頻域信號數(shù)據(jù)序列、中的多個(gè)符號累加，累加的結(jié)果形A/—1成新的頻域信號數(shù)據(jù)序列",=2>,,。把多個(gè)符號累加之后，由于非相干累加的增益，可以進(jìn)一步增大虛擬子載波與有效子載波幅度之差，還可以消除由于信道所引起的某些子載波信號幅度衰減。具體實(shí)施時(shí)，當(dāng)選取的符號數(shù)量比較多時(shí)，為了節(jié)省資源，可以考慮在計(jì)算中進(jìn)行向右移位處理，即《=/2'，其中,為向右移位的次數(shù)。移位處理在節(jié)省資源的同時(shí)，減小了虛擬子載波與其他子載波幅度差，但仍然具有累加所產(chǎn)生的平均效果(結(jié)合圖2所示)。將所生成的序列重新分成兩段。第一段序列為A=《，^0,1,...,A+A-l，即《序列的前一半；第二段序列為^=《+^,/=o,i,...,a+A-i，即",序列的后一半。如果不存在頻偏，第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列p,中前^個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為虛擬子載波計(jì)算產(chǎn)生，第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列^中后^個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為虛擬子載波計(jì)算產(chǎn)生。如果系統(tǒng)中存在頻偏，假設(shè)頻偏為^個(gè)子載波間隔，F(xiàn)可以取正值或者負(fù)值，則實(shí)際情況則為第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列中前^—F個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列后Z2+F個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由虛擬子載波計(jì)算產(chǎn)生。因此，找到在頻域信號數(shù)據(jù)序列P'中虛擬子載波段的真實(shí)長度義，就可以計(jì)算出^=^—Z(結(jié)合圖3所示)。步驟四，生成頻域信號數(shù)據(jù)比較序列。將第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列p,與第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列《逐點(diǎn)相減，取計(jì)算結(jié)果的符號，得到一個(gè)新的只包含+1、-l和O的序列，"w'g"(p,i)，"G，1，…，a+Z廣1，生成頻域信號數(shù)據(jù)比較序列。理論上這個(gè)序列可能會包含o，由于步驟一中頻域信號數(shù)據(jù)序列的選取，保證相減的兩個(gè)數(shù)據(jù)其中一個(gè)是由虛擬子載波計(jì)算得到，另外一個(gè)是由承載數(shù)據(jù)子載波計(jì)算得到，因此，實(shí)際上相減等于零的概率非常小。這個(gè)過程也就是對兩段數(shù)據(jù)序列進(jìn)行了逐點(diǎn)比較，所得結(jié)果理論上應(yīng)該是前^—F個(gè)數(shù)據(jù)為-1，后^+F個(gè)數(shù)據(jù)為+l。當(dāng)然也可以用第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列減第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列(逐點(diǎn)相減)來計(jì)算(結(jié)合圖3所示)。步驟五，將頻域信號數(shù)據(jù)比較序列逐點(diǎn)累加，生成符號累加序列，并尋找最小值。生成的累加序列為A=i>,，^0,1,...,A+A-l。由于累加的結(jié)果，生成的符號累加序列為一個(gè)倒尖峰的形狀。也就是說，前^—F個(gè)數(shù)據(jù)為依次減小，后^+"個(gè)數(shù)據(jù)為依次增大。因此，第^—F個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該是整個(gè)序列的最小值。找到這個(gè)最小值的位置，記為^。如果在步驟四中采用了第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列減第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列(逐點(diǎn)相減)來計(jì)算，則應(yīng)找整個(gè)序列的最大值。顯然，I的取值范圍是^A"2-、注意，通常即使存在多個(gè)單音干擾也不會改變最小值或最大值的位置(結(jié)合圖3所示)。步驟六，根據(jù)最小值或最大值的位置值計(jì)算整數(shù)頻偏值。由步驟五所找到的最小值或最大值的位置值I，就可以計(jì)算出整數(shù)頻偏值^=1>_^。由位置值I的取值范圍為^^+Z2-1，可以得到整數(shù)頻偏值F的范圍為A-(A+A-0，即-這一點(diǎn)在步驟一中曾提及(結(jié)合圖3所示)。采用本發(fā)明的方法得到的整數(shù)偏頻的可靠性需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。驗(yàn)證的方法如下要求步驟五中的最小值僅有一個(gè)；或者采用更保守的驗(yàn)證，要求對于步驟五所得到的最小值或最大值的位置值X，在步驟三所產(chǎn)生的序列A、仏中應(yīng)滿足2;^〈&，&+1>2&+1。對于驗(yàn)證失敗的情況，則認(rèn)為估計(jì)結(jié)果不具備可靠性，需要重新進(jìn)行估計(jì)。在絕大多數(shù)情況下，可靠性驗(yàn)證都可以通過。只有在信道非常惡劣的情況下，可能會出現(xiàn)不滿足可靠性的情況。上面雖然是以O(shè)FDM系統(tǒng)為例對本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，但是本發(fā)明并不僅限于OFDM系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于單載波系統(tǒng)。只要頻譜為相似的形狀，即頻譜左右兩邊為零值，就可以同樣應(yīng)用本發(fā)明的方法。下面給出一個(gè)具體的應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)的實(shí)例，闡述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟。需要指出的是，這個(gè)例子不影響本發(fā)明的一般性。T-DMB標(biāo)準(zhǔn)模式I，子載波數(shù)為2048，有效子載波數(shù)為1536，系統(tǒng)帶寬2.048MHz，子載波間距l(xiāng)kHz。虛擬子載波數(shù)目為511。每符號內(nèi)子載波序號記為02047，則虛擬子載波序號為0255,17932047，直流子載波1024。在分?jǐn)?shù)頻偏估計(jì)與糾正，以及FFT之后，在一幀內(nèi)選取最后幾十個(gè)符號進(jìn)行計(jì)算。假定選取頻偏估計(jì)范圍為士192kHz，則在符號內(nèi)應(yīng)選取兩段計(jì)算數(shù)據(jù)分別對應(yīng)子載波序號為64448，16011985。權(quán)利要求1.一種數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法，其特征在于在頻域信號中選取多個(gè)符號，然后按如下步驟進(jìn)行估計(jì)步驟一，在頻域信號數(shù)據(jù)的每個(gè)符號中選取相同長度的第一段和第二段兩段頻域信號數(shù)據(jù)序列。設(shè)ak，i為第k個(gè)符號在第i個(gè)子載波上加載的頻域信號數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''separators=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mrow><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mo>+</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>&le;</mo><mi>i</mi><mo>&lt;</mo><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mrow><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>&le;</mo><mi>i</mi><mo>&lt;</mo><mn>2</mn><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable><mo>,</mo></mfenced></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="A2007100380450002C1.gif"wi="74"he="12"top="70"left="80"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->其中，k＝0，1，...，M-1，i＝0，1，...，2L1+2L2-1，m為第一段在符號中的起始位置，n為第二段在符號中的起始位置，L1+L2為每段選取數(shù)據(jù)的長度；步驟二，將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)部和虛部的絕對值相加；相加后生成的頻域信號數(shù)據(jù)序列為ck，i＝|Re(bk，i)|+|Im(bk，i)|，其中，k＝0，1，...，M-1，i＝0，1，...，2L1+2L2-1；步驟三，將頻域信號數(shù)據(jù)序列ck，i中的多個(gè)符號累加，累加的結(jié)果形成新的頻域信號數(shù)據(jù)序列di，<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><msub><mi>c</mi><mrow><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>;</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0002"file="A2007100380450002C2.gif"wi="21"he="9"top="154"left="85"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->步驟四，將第一段與第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列逐點(diǎn)相減，或者將第二段與第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列逐點(diǎn)相減，取計(jì)算結(jié)果的符號，生成頻域信號數(shù)據(jù)比較序列；步驟五，將頻域信號數(shù)據(jù)比較序列逐點(diǎn)累加，生成符號累加序列，并尋找最小值或最大值的位置值；步驟六，根據(jù)最小值或最大值的位置值計(jì)算整數(shù)頻偏值。2、如權(quán)利要求1所述的數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法，其特征在于步驟一所述的選取其標(biāo)準(zhǔn)為，設(shè)在每個(gè)符號中選取的長度為^+^，第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列記為5，第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列記為A，/=0,1,...，1_+丄2-1;第一段頻域信號數(shù)據(jù)序列巧從符號的前一半中選取，并滿足當(dāng)j一o,i,...,A-i，假設(shè)所接收信號中不存在頻偏時(shí)，5對應(yīng)為虛擬子載波，第二段頻域信號數(shù)據(jù)序列《從頻域信號數(shù)據(jù)序列G的后一半中選取，并滿足當(dāng)^^，…，A"「1，《對應(yīng)為有效子載波。3、如權(quán)利要求2所述的數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法，其特征在于在選取的長度為^+丄2中^=丄2，使得估計(jì)范圍在正負(fù)兩端保持對稱。4、如權(quán)利要求1所述的數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法，其特征在于當(dāng)選取的符號數(shù)量比較多時(shí)，將步驟三中的累加結(jié)果進(jìn)行向右移位處理，即《=Z、，/2'，其中^為向右移位的次數(shù)。全文摘要本發(fā)明公開了一種數(shù)字通信系統(tǒng)整數(shù)頻偏的估計(jì)方法，包括如下步驟在頻域信號中選取多個(gè)符號，在每個(gè)符號中選取相同長度的兩段數(shù)據(jù)；將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)部和虛部的絕對值相加；將多個(gè)符號累加；將生成的兩段序列逐點(diǎn)相減并取符號，生成比較序列；將比較序列逐點(diǎn)累加，生成符號累加序列，并尋找最小值；根據(jù)最小值計(jì)算整數(shù)頻偏值。本發(fā)明能夠降低計(jì)算的復(fù)雜度，可靠性高，消耗時(shí)間少，不僅適用于OFDM系統(tǒng)，而且適用于單載波系統(tǒng)。文檔編號H04L27/26GK101267417SQ20071003804公開日2008年9月17日申請日期2007年3月14日優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日發(fā)明者馮晨暉,張卓鵬,蔣朱成申請人:卓勝微電子(上海)有限公司