基于重复序列的频偏估计方法及系统与流程

本发明是关于无线通信领域，特别是关于一种基于重复序列的频偏估计方法及系统。

背景技术：

接收机中的初始同步捕获一般要求在有收发信机之间的频率偏差情况下实现同步。为保证大频偏下的捕获以及同步，ofdm(正交频分复用)系统中常使用重复序列。基于重复序列的同步方案常使用滑动自相关运算，在一定的初始频率偏差范围内，当接收窗滑动到重复信号的起始位置时，自相关幅度达到最大，此时自相关值的角度可以估计频偏。为降低对收发信机的晶振精确度的要求从而降低实现成本，通常要求捕获过程可以对抗较大的频偏，如802.11a和802.15.4g系统允许的频偏精度达20ppm，则接收机在初始捕获过程中需要克服40ppm的频偏，为此根据系统工作的射频信号中心频率范围，802.11a和802.15.4g分别设计了基本重复序列长度为ofdm有用符号长度(即基带fft长度)的1/4和最低1/8，则自相关运算的间隔通常设计为一个较小的长度，以达到初始捕获过程可对抗的最大频偏为ofdm系统子载波间隔的2倍和4倍。但这种大的频偏覆盖范围下的频偏估计精度受限。

基于重复序列的初始捕获/粗同步过程中获得的频偏估计精度依赖于使用的总重复序列的长度、信噪比及定时偏差的大小。显然粗频偏估计的精度越高，对后续的基于自相关特性的精同步检测概率影响越小，对后续的数据解调过程的累计相位差也越小，越有利于提高后续数据解调的性能。对1.2m带宽的802.15.4gmr-ofdm，其短训练序列的基本重复段为1/8的fft长度(傅里叶变换长度)，当系统工作在870m频段时，40个ppm的频偏对应[-4，4]个子载波间隔的频率捕获范围，接收机中通常使用前后连续的基本重复段(1/8fft长度间隔的自相关)的自相关累加值来实现定时和频率估计。可以分析这种大的频偏覆盖范围相比小频偏覆盖范围的方案降低了同数据长度和同信噪比下的频偏估计精度。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于重复序列的频偏估计方法及系统，其能够提高大频偏覆盖范围下的频偏估计精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于重复序列的频偏估计方法，其包括：接收机以长度ng为间隔对采样信号作滑动自相关运算并求和得到一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第一频偏估计值，并将该第一频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第一相对频偏值，其中，n为基带傅里叶变换的长度，g为大于1的整数；接收机以长度nh为间隔对所述采样信号作滑动自相关运算并求和得到另一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第二频偏估计值，并将该第二频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第二相对频偏值，其中，nh＝n*h，h为大于等于1的整数；在最大的整数频偏范围内通过所述第一相对频偏值对所述第二相对频偏值进行校准，获得最终的频偏估计值。

在本发明的一实施方式中，在最大的整数频偏范围内通过所述第一相对频偏值对所述第二相对频偏值进行校准，获得最终的频偏估计值包括：将所述最大的整数频偏范围扩大h倍，然后将扩大了h倍的整数频偏范围中的每个整数分别除以h获得多个商值；将所述第二相对频偏值与该多个商值分别求和值；将每个和值与所述第一相对频偏值进行比较，将与该第一相对频偏值最接近的和值作为最终的频偏估计值。

本发明还提供了一种基于重复序列的频偏估计系统，其包括：第一相对频偏值计算模块、第二相对频偏值计算模块、校准模块。第一相对频偏值计算模块，用于以长度ng为间隔对接收机的采样信号作滑动自相关运算并求和得到一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第一频偏估计值，并将该第一频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第一相对频偏值，其中，n为基带傅里叶变换的长度，g为大于1的整数；第二相对频偏值计算模块，以长度nh为间隔对所述采样信号作滑动自相关运算并求和得到另一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第二频偏估计值，并将该第二频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第二相对频偏值，其中，nh＝n*h，h为大于等于1的整数；校准模块与所述第一相对频偏值计算模块以及所述第二相对频偏值计算模块均相连，用于在最大的整数频偏范围内通过所述第一相对频偏值对所述第二相对频偏值进行校准，获得最终的频偏估计值。

在本发明的一实施方式中，所述校准模块包括：商值求取模块、和值求取模块、比较模块。商值求取模块用于将所述最大的整数频偏范围扩大h倍，然后将扩大了h倍的整数频偏范围中的每个整数分别除以h获得多个商值；和值求取模块与所述商值求取模块相耦合，用于将所述第二相对频偏值与该多个商值分别求和值；比较模块与所述和值求取模块相耦合，用于将每个和值与所述第一相对频偏值进行比较，将与该第一相对频偏值最接近的和值作为最终的频偏估计值。

与现有技术相比，根据本发明的基于重复序列的频偏估计方法及系统，首先以长度为ofdm的fft长度的1/g(g为大于1的整数)为间隔对捕获的采样信号进行自相关运算以及累加运算，估计一个没有相位模糊度的第一相对频偏值，同时以ofdm的fft长度的h倍为间隔(h为大于等于1的整数)对捕获的采样信号进行自相关运算和累加运算，估计一个具有相位模糊度的但精度更高的第二相对频偏值，在最大的整数频偏范围内，通过没有相位模糊度的第一相对频偏值对具有相位模糊度的但精度更高的第二相对频偏值进行校准，从而获得更为精确的频偏估计值。本发明适用于突发和连续ofdm系统的接收端频率同步过程，可以在大的频偏覆盖范围下提高频偏估计的精度。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的基于重复序列的频偏估计方法的流程图；

图2是根据本发明一实施方式的基于重复序列的频偏估计系统的模块组成。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

为了在大的频偏覆盖范围情况下能够提高频偏估计的精度，本发明提供了一种基于重复序列的频偏估计方法及系统，首先以长度为ofdm的fft长度的1/g(g为大于1的整数)为间隔对捕获的采样信号进行自相关运算以及累加运算，估计一个没有相位模糊度的第一相对频偏值，同时以ofdm的fft长度的h倍为间隔(h为大于等于1的整数)对捕获的采样信号进行自相关运算和累加运算，估计一个具有相位模糊度的但精度更高的第二相对频偏值，在最大的整数频偏范围内，通过第一相对频偏值对第二相对频偏值进行校准，获得更为精确的频偏估计值。本发明适用于突发和连续ofdm系统的接收端频率同步过程，可以在大的频偏覆盖范围下提高频偏估计的精度。

如图1所示，在一实施方式中，基于重复序列的频偏估计方法包括步骤s1～步骤s3。

在步骤s1中，接收机以长度ng为间隔对采样信号作滑动自相关运算并求和得到一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第一频偏估计值，并将该第一频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第一相对频偏值。其中，n为基带傅里叶变换的长度，g为大于1的整数。

在步骤s2中，接收机以长度nh为间隔对采样信号作滑动自相关运算并求和得到另一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第二频偏估计值，并将该第二频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第二相对频偏值。其中，nh＝n*h，h为大于等于1的整数。

在步骤s3中，在最大的整数频偏范围内通过第一相对频偏值对第二相对频偏值进行校准，获得最终的频偏估计值。

具体而言，在最大的整数频偏范围内通过第一相对频偏值对第二相对频偏值进行校准，获得最终的频偏估计值包括：将最大的整数频偏范围扩大h倍，然后将扩大了h倍的整数频偏范围中的每个整数分别除以h获得多个商值；将第二相对频偏值与该多个商值分别求和值；将每个和值与第一相对频偏值进行比较，将与该第一相对频偏值最接近的和值作为最终的频偏估计值。

为了更清楚的说明，在另一实施例再次进行阐述，该实施例应用在宽带sun-ofdm系统中，其中，fft长度为n＝128，短训练序列为1/8周期的重复序列。

首先，空口信号经接收机天线、射频前端，载波下变频、ad、数字滤波等过程，然后在1倍于基带速率下被采样到基带，以y(n)来表示采样信号，＝0，1，…，接收机对基带数据以g为大于1的整数，本实施例中，g取8)为延迟作滑动自相关运算：

其中，n0为起始接收数据的时间索引，s(i)为第i段基本重复段的符号{+1，-1}，l为采样间隔，取值范围为0～ng-1之间的整数，上面的时间分辨率为1个基带采样。

这种运算也可以使用迭代方法进行运算以减少每个滑动采样期间的计算量。为提高度量值的信噪比，可作如下累加运算：

其中，m为自相关累加的次数。

使用滑动自相关的累加和其它相关运算，可以确定定时位置，设定时位置为nc，并由此定位时刻的as(nc)的角度计算收发信机之间的第一相对频率偏移(相对于子载波间隔δf)估计如下：

该相对频偏估计范围为[-g/2，g/2]。

然后在滑动过程中增加nh(nh＝nh，h为大于等于1的整数)为间隔的自相关运算及其累加：

其中根据定时同步算法确定的粗定时时刻nc，计算一个具有相位模糊度导致的偏离实际相对频偏整数个子载波间隔的高精度相对频偏如下：

该相对频偏估计范围为[-1/(2h)，1/(2h)]。

然后，根据要求的最大相对频偏(相对于ofdm系统的子载波间隔)范围如[-g/2，g/2]，g可取2，4或者8，用估计的相对频偏对进行校准如下：

初始化：

校准尝试：

校准结束时刻的即为原始最大相对频偏范围内的精度提高后的相对频偏估计。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种基于重复序列的频偏估计系统。如图1所示，在一实施方式中，基于重复序列的频偏估计系统包括：第一相对频偏值计算模块10、第二相对频偏值计算模块11、校准模块12。第一相对频偏值计算模块10用于以长度ng为间隔对接收机的采样信号作滑动自相关运算并求和得到一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第一频偏估计值，并将该第一频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第一相对频偏值，其中，n为基带傅里叶变换的长度，g为大于1的整数。

第二相对频偏值计算模块11用于以长度nh为间隔对接收机的采样信号作滑动自相关运算并求和得到另一个自相关值，根据该自相关值的相位获取第二频偏估计值，并将该第二频偏估计值相对于子载波间隔的相对频偏记为第二相对频偏值，其中，nh＝n*h，h为大于等于1的整数。

校准模块12与第一相对频偏值计算模块10以及第二相对频偏值计算模块11均相连，用于在最大的整数频偏范围内通过第一相对频偏值对第二相对频偏值进行校准，获得最终的频偏估计值。

具体地，校准模块12包括：商值求取模块12a、和值求取模块12b、比较模块12c。商值求取模块12a用于将最大的整数频偏范围扩大h倍，然后将扩大了h倍的整数频偏范围中最小的数减去1后得到一整数，并将该整数以及扩大了h倍的整数频偏范围中的每个整数分别除以h获得多个商值；和值求取模块12b与商值求取模块12a相耦合，用于将第二相对频偏值与该多个商值分别求和值；比较模块12c与和值求取模块12b相耦合，用于将每个和值与第一相对频偏值进行比较，将与该第一相对频偏值最接近的和值作为最终的频偏估计值。

综上，根据本实施方式的基于重复序列的频偏估计方法及系统，首先以长度为ofdm的fft长度的1/g(g为大于1的整数)为间隔对捕获的采样信号进行自相关运算以及累加运算，估计一个没有相位模糊度的第一相对频偏值，同时以ofdm的fft长度的h倍为间隔(h为大于等于1的整数)对捕获的采样信号进行自相关运算和累加运算，估计一个具有相位模糊度的但精度更高的第二相对频偏值，在最大的整数频偏范围内，通过没有相位模糊度的第一相对频偏值对具有相位模糊度的但精度更高的第二相对频偏值进行校准，从而获得更为精确的频偏估计值。本发明适用于突发和连续ofdm系统的接收端频率同步过程，可以在大的频偏覆盖范围下提高频偏估计的精度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。