CN102088432B - 一种ofdm系统的采样频差校正方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统的采样频差校正方法和装置，该校正方法首先将接收终端的过采样数据经过Farrow结构滤波器进行插值滤波或抽取滤波，然后对采样频差校正后的过采样数据进行下采样以获得基带OFDM时域符号，其次对OFDM时域符号去除保护间隔后做傅里叶变换得到OFDM频域符号，再次从OFDM频域符号抽取连续导频信息并估计采样频差以得到采样相对频差估计值，最后对其进行比例积分得到积分值。相应地，该校正装置包括Farrow结构滤波器、下采样单元、FFT单元、采样频差估计单元和比例积分单元等。采用该方法和装置能够有效地对采样频差进行实时估计和校正，具有精度高、稳定性好等优点。

Description

一种OFDM系统的采样频差校正方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是涉及一种OFDM系统的采样频差校正方法和装置。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)系统是一种多载波通信系统，其使用了信道带宽内的多个子载波发送数据，并且具有对多径延迟扩展和频率选择性衰落的耐受程度高、频谱使用的有效性高和抗干扰性良好等特性，可以用于传输速率较大的数据，具有广泛的应用前景，比如目前在CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中国移动多媒体广播)系统中就是采用OFDM技术作为调制传输技术。

在OFDM系统中，符号同步误差和发射机与接收机之间频率的不同步等因素将引起ISI(Inter-symbol Interference，符号间干扰)和ICI(Inter-carrierInterference，子载波间干扰)，从而造成接收性能下降。在实际应用过程中，由于OFDM符号周期较长，对符号同步偏移不是很敏感，ISI可以得到很好的抑制。但是，由于OFDM符号的子载波间隔比较小，系统对频率偏差十分敏感，采样频差的存在会导致接收端的OFDM符号的开窗位置发生漂移，导致OFDM符号各个子载波发生相位旋转，从而导致ICI的产生和增大，因此频差估计和修正是接收机对OFDM符号进行同步处理的首要任务。

目前，OFDM发送系统通常采用对待发送信息进行FFT(Fast FourierTransform，快速傅里叶变换)后经过子载波发送信息，并且在有效码元前部加上循环前缀构成的保护间隔，以便降低多径影响。同时在接收终端通常会采用采样时钟来实现接收OFDM符号的同步。但是，在OFDM数字广播系统的消费类接收终端中采样时钟通常所用的晶振品质较差，会导致更加严重的采样频差，从而影响了对OFDM符号进一步处理的准确性和有效性，因此如何对采样频率偏差进行有效校正是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种OFDM系统的采样频差的校正方法与装置，其能够在时域对过采样数据的采样频差进行实时有效地校正，适用于具有导频的OFDM数字通信系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种OFDM系统的采样频差校正方法，包括以下步骤：对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波；对滤波后的过采样数据进行时频变换得到OFDM频域符号；从OFDM频域符号提取连续导频信息，并进行采样频差估计，得到采样相对频差估计值

以及对采样相对频差估计值

进行比例积分得到当前采样相对频差积分值ζ′，并用积分值ζ′指导对过采样数据进行插值滤波或抽取滤波。

与此相对应地，本发明还提供了一种OFDM系统的采样频差校正装置，包括：滤波器，其用于对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波；时频变换单元，其用于对滤波后的过采样数据进行时频变换得到OFDM频域符号；采样频差估计单元，其用于对OFDM频域符号提取连续导频信息并进行采样频差估计，得到采样相对频差估计值；以及比例积分单元，其用于对采样相对频差估计值进行比例积分得到当前采样相对频差积分值，其中，滤波器、时频变换单元、采样频差估计单元和比例积分单元串联而成一个环路。

本发明的有益效果是，该采样频差校正方法利用对采样频差的处理结果反馈给Farrow结构滤波器以指导其对采样数据进行相应地插值处理或者抽取处理，从而实现对采样频差估计和校正的实时动态控制，并能够有效地校正OFDM系统的采样频差，提高系统的计算精度。使用该采样频差校正方法的校正装置还具有结构简单，稳定性高，适用范围广等优点。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的OFDM系统的采样频差校正方法的流程图；

图2是根据本发明优选实施例的OFDM系统的采样频差校正方法的信号处理原理图；

图3是根据本发明优选实施例的OFDM系统的采样频差校正方法中Farrow结构滤波器的结构原理图；

图4是根据本发明优选实施例的OFDM系统的采样频差校正装置的结构示意图；

图5是根据本发明优选实施例的OFDM系统的采样频差校正装置的结构原理图；

图6是OFDM系统的时隙结构原理图；以及

图7是根据本发明优选实施例的OFDM系统的采样频差校正装置中插值滤波器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的校正方法和装置适用于具有连续导频的OFDM数字通信系统。采用该校正方法，首先对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波；然后对滤波后的过采样数据进行时频变换得到OFDM频域符号；接下来从OFDM频域符号提取连续导频信息，并进行采样频差估计，得到采样相对频差估计值之后对采样相对频差估计值进行比例积分得到当前采样相对频差积分值ζ′，并用积分值ζ′指导对过采样数据进行插值滤波或抽取滤波。

图1示出了根据本发明的OFDM系统的采样频差校正方法的大致流程，其主要步骤包括：

S101：对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波，该插值滤波或抽取滤波的操作通过Farrow结构滤波器来进行。

图2示出的是该采样频差校正方法的信号处理原理，为了更清楚地理解本发明，下面将结合图2对该校正方法进行进一步说明。

在步骤S101中，采用Farrow结构滤波器来对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波，以校正采样频差。若系统发射端的采样速率为T，接收端的采样速率为T′，定义整数采样频差为分数采样频差为u_n＝nT/T′-m_n，n为样值序号，

表示对z下取整。若选定的低通滤波器，该滤波器的有效带宽应满足OFDM系统的带宽要求，可以用分段多项式 $h\left(t\right)=h\left[(i+u_n)T^{\′}\right]=\underset{l=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_l{\left(i\right)u}_n^l$ 表达，则Farrow结构滤波器的表达式为 $y\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n^l\underset{i=I_1}{\overset{l_2}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{l}x(m_n-i),$ 图3示出了Farrow结构滤波器的结构原理。在数字域采用Farrow结构滤波器进行滤波处理具有结构简单、稳定性能和实时性能好等优点，是一种使用广泛的插值\抽取滤波器。

S102：对滤波后的过采样数据进行时频变换得到OFDM频域符号。

对滤波后的过采样数据进行时频变换的步骤包括：由于CMMB接收终端的A/D转换器以高采样率对接收信号进行过采样，因此必须对滤波后的过采样数据进行下采样而使信号满足基带传输要求，获得基带OFDM时域符号；然后对OFDM时域符号去除保护间隔后进行FFT，从而通过时频转换而获得OFDM频域符号。

S103：从OFDM频域符号提取连续导频信息，并进行采样频差估计，得到采样相对频差估计值其主要利用关于零频点基本对称的38对连续导频进行估计得到采样相对频差估计值

假设一个系统的连续导频在OFDM符号的频率轴正负频域关于零频点对称分布，接收端第l个OFDM符号的第k个子载波z_l，k为连续导频，将正负频域分别称为right和left部分，在left部分，k∈[-(K-1)/2，0)，在right部分，k∈(0，(K-1)/2]，K为OFDM符号的有效子载波数。由相邻两个符号的第k个子载波得到：

X_l，k＝z_l，k·conjg(z_l-1，k)＝e^{j2π(1+g)(Δf+ζ·k)}·|H_l，k|²β²+noise    (1)

其中g＝N_g/N，N_g为OFDM符号保护间隔长度，N为OFDM符号总长度，β为导频能量因子，Δf为载波频差。对左右两部分的X_l，k的相角求和得到：

由相位角和

可以求得采样频率相对偏差ζ＝(T′-T)/T的估计值为：

得到采样频差估计值

后，对其进行比例积分，得到采样频差积分值并根据ζ与u_k的关系指导Farrow结构滤波器对过采样值进行插值处理或抽取处理。

S104：对采样相对频差估计值

进行比例积分得到当前采样相对频差积分值ζ′，并用积分值ζ′指导对过采样数据进行插值滤波或抽取滤波。

在步骤S104中，比例积分采用的冲击响应为：

$H\left(z\right)=K_p+\frac{z^{-1}}{1-z^{-1}}{K}_i---\left(4\right)$

用积分值ζ′指导插值滤波或抽取滤波的具体原则为：当ζ′＞0时，指导Farrow结构滤波器插入一个过采样值；当ζ′＜0时，指导Farrow结构滤波器在过采样数据序列中抽取一个采样值。

图4示出了根据本发明的OFDM系统中采样频差的校正装置，该装置主要包括后处理单元和串联成为一个反馈环路的Farrow结构滤波器1、时频变换单元2、采样频差估计单元3和比例积分单元4。该校正装置的具体结构如图5所示，时频变换单元2还可以包括下采样单元和FFT单元。

根据本发明的一个优选实施例，假设CMMB系统的带宽为8MHz，基带采样速率为10MHz，一帧包括40个时隙。每个时隙有25万个数据，时隙结构如图6所示，其包括一个发射机标识序列、两个同步序列及53个OFDM符号，每个OFDM符号有3076个有效子载波，其中含82个连续导频。

在校正装置中，Farrow结构滤波器1可以选用分段抛物插值滤波器，其对CMMB接收终端的过采样数据进行插值滤波，分段抛物插值滤波器的分段表达式为：

$y\left(t\right)=\underset{i=-2}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{i}x(-1-i)$

C_-2＝αu²-αu

                            (5)

C_-1＝-αu²+(α+1)u

C₀＝-αu²+(α-1)u+1

C₊₁＝αu²-αu

其中α＝0.5，与本实施例中采用的参数相对应的分段抛物插值滤波器的Farrow结构如图7所示，由反馈环路得到的采样相对频差积分值ζ′来决定数字化的当前插值滤波器变量u_n。

在下采样单元中，若CMMB接收终端A/D转换器以40MHz的采样率对接收信号进行采样，本实施例中采用4倍下采样以使基带信号数据y′(n)速率为10MHz。

在FFT单元中，10MHz的基带时隙信号经时隙同步后去掉OFDM符号保护间隔，得到每个时隙的53个OFDM符号，进行傅里叶变换得到频域OFDM符号，其采用的公式为：

$Y\left(k\right)=\mathrm{FFT}\left[y^{\′}\left(n\right)\right]=\frac{\sqrt{2}}{128}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{4095}{y}^{\′}\left(n\right)\·e^{-j2\mathrm{\πnk}/4096},0\≤k\≤4095,---\left(6\right)$

采样频差估计单元3主要用于进行连续导频的提取和采样频差的估计。在CMMB系统中OFDM符号有82个连续导频，该82个连续导频对应的子载波编号分别为：

0，22，78，92，168，174，244，274，278，344，382，424，426，496，500，564，608，650，688，712，740，772，846，848，932，942，950，980，1012，1066，1126，1158，1214，1244，1276，1280，1326，1378，1408，1508，1537，1538，1566，1666，1736，1748，1794，1798，1830，1860，1916，1948，2008，2062，2094，2124，2132，2142，2226，2228，2302，2334，2362，2386，2424，2466，2510，2574，2578，2648，2650，2692，2730，2796，2800，2830，2900，2906，2982，2996，3052，3075。

其中，左半部分中除第1538、1736和3075以外的38个连续导频与右半部分中除第0、1378和1537以外的38个连续导频关于零频点基本对称，即：若左半部分的连续导频在零频点左边标号为-k，则零频点右边总会有一标号为k-1的导频与之对应，由于这38对共计76个连续导频基本对称，所以可以用它们进行采样频差的估计。

CMMB系统一个时隙有53个OFDM符号，每次可以使用其中相邻的2≤L≤53个符号进行采样频差的估计，本实施例中令L＝53，即每个时隙获得一个采样频差的估计值。CMMB系统中N＝4096，N_g＝536，g＝536/4096，K＝3076。

从频域OFDM符号中抽取一个时隙中53个符号的连续导频后，由相邻的第l和第l-1两个符号的第k个子载波得到：

X_l，k＝z_l，k·conjg(z_l-1，k)＝e^{j2π(1+g)(Δf+ζ·k)}·|H_l，k|²+noise    (7)

在一个时隙内求得：

最后得到采样频差估计值为：

在比例积分单元4中对每个时隙的采样频差估计值进行比例积分，比例积分器的结构如图5所示，其中0＜(K_i-K_p)＜＜K_p＜＜1。对采样相对频差

采用公式(4)所示的冲击响应进行比例积分后获得积分值ζ′，然后根据ζ′与un的关系对插值Farrow滤波器进行调整，具体而言：

当ζ′＞0时，需要对过采样数据进行插值， $u=u_n=1+\frac{n(T-T^{\′})}{T^{\′}},$ u逐渐接近0，当u≤0时应插入Farrow结构滤波器在过采样数据序列中插入一个值。

当ζ′＜0时，需要对过采样数据进行抽取处理， $u=u_n=\frac{n(T-T^{\′})}{T^{\′}},$ u逐渐接近1，当u≥1时Farrow结构滤波器抽取应抽取一个采样值。

以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，依据本发明所附权利要求中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种OFDM系统的采样频差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波；

对滤波后的所述过采样数据进行时频变换得到OFDM频域符号；

从所述OFDM频域符号提取连续导频信息，并进行采样频差估计，得到采样相对频差估计值

；以及

对所述采样相对频差估计值进行比例积分得到当前采样相对频差积分值ζ′，并用所述积分值ζ′指导对所述过采样数据进行插值滤波或抽取滤波。

2.根据权利要求1所述的采样频差校正方法，其特征在于，所述插值滤波或抽取滤波采用Farrow结构滤波器来进行。

3.根据权利要求1所述的采样频差校正方法，其特征在于，所述对滤波后的所述过采样数据进行时频变换的步骤包括：

对滤波后的所述过采样数据进行下采样，获得基带OFDM时域符号；以及

对所述OFDM时域符号去除保护间隔后进行FFT，得到OFDM频域符号。

4.根据权利要求1所述的采样频差校正方法，其特征在于，所述从所述OFDM频域符号提取连续导频信息，并进行采样频差估计的步骤包括利用关于零频点对称的连续导频进行估计得到所述采样相对频差估计值

。

5.根据权利要求2所述的采样频差校正方法，其特征在于，所述用所述积分值ζ′指导对所述过采样数据进行插值滤波或抽取滤波的步骤包括：

当ζ′＞0时，指导所述Farrow结构滤波器插入一个过采样值；当ζ′＜0时，指导所述Farrow结构滤波器在所述过采样数据中抽取一个采样值。

6.一种OFDM系统的采样频差校正装置，其特征在于，包括：

滤波器，其用于对接收终端的过采样数据进行插值滤波或抽取滤波；

时频变换单元，其用于对滤波后的所述过采样数据进行时频变换得到OFDM频域符号；

采样频差估计单元，其用于对所述OFDM频域符号提取连续导频信息并进行采样频差估计，得到采样相对频差估计值；以及

比例积分单元，其用于对所述采样相对频差估计值进行比例积分得到当前采样相对频差积分值，

其中，所述滤波器、所述时频变换单元、所述采样频差估计单元和所述比例积分单元串联而成一个环路。

7.根据权利要求6所述的采样频差校正装置，其特征在于，所述滤波器为Farrow结构滤波器。

8.根据权利要求6所述的采样频差校正装置，其特征在于，所述时频变换单元包括：

下采样单元，其用于对滤波后的所述过采样数据进行下采样以获得基带OFDM时域符号；以及

FFT单元，其用于对去除保护间隔后的所述OFDM时域符号进行FFT以得到OFDM频域符号。

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