[一种CMMB接收机OFDM频偏估计方法] 频偏估计

　　摘要:面向CMMB接收机,本文分析了载波频率偏差对OFDM系统的影响,提出了一种OFDM频偏估计方法,实现了小数频偏和整数频偏估计。该算法在CMMB系统中的仿真结果表明,小数频偏估计方法具有较高的精度,整数频偏估计方法能够快速、准确地估计整数频偏。
　　关键字:正交频分复用,移动多媒体广播,小数频偏估计,整数频偏估计
　　中图分类号:TN934.3文献标识码:A
　　
　　1 引言
　　
　　中国数字移动多媒体广播(CMMB)标准是中国国家广电总局于2006年10月颁布的中国移动多媒体广播行业标准,该标准于2006年11月1日起正式实施。为了提高系统的性能和移动性,CMMB标准采用了正交频分复用(OFDM)调制技术。
　　OFDM调制是一种正交多载波调制方式,其优点显著[1]:
　　 (1)高频谱效率:OFDM是已被证明的通过对其子载波注水而接近于信息论容量极有效的调制方案。
　　 (2)实现的低复杂度:在OFDM中应用FFT和IFFT减小了调制解调器的复杂度,特别是接收机的复杂度。应用FFT,每一个OFM符号的运算复杂度为N*logN左右。而应用均衡器的单载波系统的复杂度至少为N*L,其中N是序列长度,L是均衡器的抽头数。
　　 (3)较强的抗衰落和干扰能力:OFDM对频率选择性衰落和干扰具有鲁棒性。借助于信道状态信息,对于任意的信道特性曲线和干扰模式都可以有效地进行最大似然检测。
　　但是,OFDM系统也有一个明显的缺点:对载波频率偏移敏感。OFDM接收机端的载波频率偏移(简称“频偏”)可以导致子载波失去正交性,并且因此引入信道间干扰(ICI)以及严重地损害系统的性能。高精度的载波频偏估计在OFDM通信中具有极高的重要性。
　　
　　2频偏对OFDM系统的影响
　　
　　产生频偏的一个主要原因是射频电路接收端和发送端中心频率不匹配。如果发送端载波中心频率为ft,接收端载波中心频率为fr,则源数据x(n)在发送端为:
　　
　　假设OFDM系统中子载波间隔为f,频偏可以表示为Δf=(ΔfI+Δff)*f。其中,ΔfI为整数,Δff *f表示整数频偏, Δff为小数,Δff *f表示小数频偏。整数频偏造成频域子载波的移位,小数频偏破坏子载波间的正交性,产生ICI。如图1所示,当载波频偏为Δf=0时,CMMB接收机QPSK解映射后的星座图。如图2所示,当载波频偏为Δf=0.1*f时,CMMB接收机QPSK解映射后的星座图。 载波频偏引入了大量的噪声,导致数据的误判。
　　
　　3小数频偏估计方法
　　
　　在CMMB的帧结构中[3],每1秒有40个时隙,每个时隙包括1个信标和53个OFDM符号。在每个信标中,提供了两个频带受限的伪随机序列作为前导序列。当系统带宽为8 MHz时,前导序列长度L为2048,当系统带宽为2 MHz时,前导序列长度L为512。
　　
　　4整数频偏估计方法
　　
　　整数频偏估计可以在频域或者时域进行。频域整频偏估计方法主要基于频域导频[5]。该方法受到导频数量的制约,如果OFDM符号中导频的数目较少,则估计的准确性较差。时域整频偏估计方法主要采用基于时域训练序列的算法。在时域,频偏的影响体现在信号相位的旋转,利用接收训练序列与本地训练序列的相关性可以估计出整数频偏。假定整频偏估计范围为[-M*f,M*f ],其中f是子载波间隔,该范围内的所有频点依次对本地训练序列进行整频偏调整。然后,将时域训练序列与频偏调整后的本地训练序列分别进行相关运算,依此计算整数频偏。考虑到CMMB系统中基于前导序列的帧结构,基于时域训练序列的整频偏估计方法更为适用。
　　但是,由于本地时域训练序列的频偏调整覆盖了[-M*f,M*f ]内的所有整频点。该算法每次整频偏估计需要的时间与2*M成正比。此外,该方法要求接收训练序列与本地训练序列时间同步,否则影响估计的准确性。对于一个实际的OFDM接收系统,时间同步点通常都存在一定的误差±ΔTsync。因此,采用基于时域训练序列的整频偏估计方法时,还需要对时域训练序列的起始位置进行扫描。即接收信号的时域训练序列的起始位置在[-ΔTsync ,ΔTsync]区间依次变化,获得2*ΔTsync个时域训练序列,分别与本地训练序列进行相关,从而得到整数倍频偏。所以,每次整频偏估计需要的时间与2*ΔTsync成正比。
　　综合以上两个因素,若一次相关计算的时间为TC,基于时域训练序列的时域整频偏估计方法得到一次估计结果的时间为4*M *ΔTsync*TC。当期望估计范围M较大,或者时间同步误差ΔTsync较大时,估计的时间都会非常长。在确保系统性能的前提下,通常缩短估计时间的方法是减小相关时间TC。但是,减小TC需要增加相关运算的并行度,在硬件上增加了乘法器的数目及相关逻辑。
　　基于上述问题,本文提出一种时域整频偏估计方法,能够在存在时间同步误差的情况下,快速实现接收信号的时域训练序列与本地已知训练序列的相关,准确估计整数频偏。具体步骤如下:
　　 (1)补偿时域训练序列的小数频偏
　　5CMMB接收机中的仿真实现
　　
　　在CMMB接收机中仿真实现了前文所述的OFDM频偏估计方法。CMMB接收机相关参数见表1,仿真中信道非理想因素参数见表2,频偏估计算法的参数设置见表3。
　　 整数频偏的仿真结果如图3、图4所示。其中,图3是粗整频偏估计结果,从图中可知粗整数频偏范围的中心值为12,从而确定粗整数频偏范围为[11,13],图4是细整数频偏估计结果,进一步确定整频偏估计结果为12。
　　表4是最终的频偏估计结果。小数频偏估计误差低于1%,整数频偏不仅估计准确,而且估计时间约为常规算法的1/20。
　　
　　6总结
　　
　　OFDM系统对载波频率偏移非常敏感。面向CMMB接收机,本文提出了一种OFDM频偏估计方法,分别估计小数频偏和整数频偏。小数频偏估计采用基于时域前导序列的延时相关算法,具有较高的精度。针对实际硬件系统需求,提出一种快速整频偏估计算法,能够快速、准确地估计整数频偏。在CMMB系统中的仿真结果验证了所提出频偏估计算法的性能。
　　
　　参考文献
　　[1] 刘辉. 基于OFDM的无线宽带网络设计与优化[M]. 西安交通大学出版社,2008,29.
　　[2] Moose, P.H.. A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction [J]. IEEE Transactions on Communications, Oct. 1994,Vol.42, Issue 10, Page(s):2908- 2914
　　[3] GY/T220.1-2006. 移动多媒体广播第1部分:广播信道帧结构、信道编码和调制[S]. 中华人民共和国国家广播电影电视总局,2006
　　[4] Van de Beek, J.-J.; Sandell, M.; Isaksson, M.; Ola Borjesson, P. Low-complex Frame Synchronization in OFDM Systems [C]. IEEE International Conference on Universal Personal Communications,Nov. 1995,Page(s):982-986
　　[5] Eu-Suk Shim; Hyun Yang; Jee-Hyun Kim; Hyoung-Kyu Song. Improved Pilot Symbol-Assisted Estimation of Integer Frequency Offset for OFDM [C]. International Conference on Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications, Aug. 2007,Page(s):51-51
　　
　　作者简介
　　李刚,博士学位,主要研究方向为通信基带芯片的算法与ASIC实现。目前在上海华虹集成电路有限责任公司设计二部从事CMMB项目开发。
　　
　　ADI 公司推出业界首款完全差分衰减精密放大器
　　
　　 ADI最近推出业界首款完全差分衰减精密放大器 AD8475。这款放大器解决了工业、仪器仪表和医疗应用中的一个常见问题,能使高达±10 V 的信号与单电源 ADC 接口。AD8475具有高精度和低功耗的特点,能够驱动最高18位分辨率和4MSPS(每秒百万采样)的 ADC(模数转换器)。该放大器提供0.4倍和0.8倍可选的衰减增益,并且可以对最高±12 V 的差分输入进行电平转换。AD8475能够有效驱动高压应用中的低压、高精度差分输入 SAR 型 ADC,同时节省电路板空间并降低功耗。
　　 在最高±10 V 和±5 V 的两种信号与单电源5V 或3V ADC 接口的应用中,AD8475能够将这两种信号电平整合起来,从而简化设计,使设计人员无需使用多个组件就能实现类似的结果。出色的性能规格,如10nV/√Hz 输出噪声、100MHz 带宽和50V/μs 压摆率等,使 AD8475能够驱动精密 ADC,包括 ADI 公司的 AD7986 18位2MSPS ADC、AD7641 18位2MSPS SAR 型 ADC 和 AD7622 16位2MSPS 差分 ADC。总谐波失真加噪声(THD+N)低至110dB,因此 AD8475也适合驱动高速Σ-Δ型 ADC。
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