专利名称：一种单载波分块传输系统中的定时跟踪方法
技术领域：
本发明涉及宽带数字通信同步方法，属于宽带无线通信技术领域。
背景技术：
通信技术在最近几十年，特别是二十世纪九十年代以来得到了长足发展，对人们日常生活和国民经济的发展产生了深远的影响。而未来通信技术正朝着宽带高速的方向发展，因此许多宽带数字传输技术受到广泛的关注，正交频分复用(以下简称OFDMOrthogonalFrequency Division Multiplexing)和单载波频域均衡(以下简称SC-FDESingle Carrierwith Frequency Domain Equalization)就是两种被人们重视的宽带数字传输技术，它们均属于分块传输技术。
在宽带无线通信系统中，由多径传播引起的频率选择性衰落会严重影响通信的可靠性。正交频分复用(OFDM)技术可以有效地克服频率选择性衰落带来的码间干扰，逐渐成为无线通信和移动通信领域的研究热点，在多种标准中成为支撑技术，例如无线局域网(WLANWireless Local Area Network)中的IEEE802.11a，欧洲电信标准化协会(ETSIEuropean Telecommunication Standard Institute)的HiperLAN/2，无线城域网(WMANWireless Metropolitan Area Network)中的IEEE802.16，有线数据传输中的各种高速数字用户线(xDSLDigital Subscriber Line)也都是基于OFDM技术的标准。
但是OFDM技术对载频同步比较敏感，而且峰均功率比Peak-to-Average Power Ratio(PAPR)较大，因此单载波频域均衡(SC-FDE)系统方案被提出来，该方案能有效地克服OFDM技术上的不足，并且与OFDM有相似的传输效率和实现复杂性，在IEEE802.16中与OFDM共同建议为物理层传输技术。SC-FDE是宽带无线传输中一种很有前途的抗多径干扰的方法，和OFDM一样采取分块传输，并且采用循环前缀Cyclic Prefix(CP)方式，这样就可以把信号与信道脉冲响应的线性卷积转化为循环卷积，并且消除了多径引起的帧间干扰。在接收端采用简单的频域均衡技术就可以消除符号间干扰，例如迫零(简称ZFZeroForcing)均衡和最小均方误差(简称MMSEMinimum Mean Square Error)均衡，因此SC-FDE技术目前受到越来越多的重视。
SC-FDE系统有以下几个主要特征(1)SC-FDE系统不存在PAPR问题，所以不需要使用昂贵的线性功率放大器；(2)存在时延扩展时，使用频域均衡的SC-FDE系统与OFDM系统有相似的传输效率和实现复杂度；(3)SC-FDE系统对定时偏差特别敏感。一般认为，SC-FDE可以容忍的定时偏差为0.02个抽样间隔以内；(4)纠错编码对于SC-FDE系统并非必要。
SC-FDE系统的同步技术分为定时同步和载波频率同步，其中定时同步可进一步分为SC-FDE帧同步和采样时钟同步。SC-FDE信号的帧沿着时间轴顺序到来，每帧SC-FDE信号由循环前缀和有用数据信息组成，帧同步就是确定每帧SC-FDE信号中有用数据信息的开始时刻，也就是确定傅立叶变换窗的开始时刻。采样时钟同步即抽样率同步，主要是接收机和发射机的采样时钟频率保持一致。发送端和接收端之间采样时钟的偏差，导致每个符号样本都会一定程度的偏离正确的采样时间，这个偏差随着样本数量的增加而线性增大。举例来说，对于5ppm(百万分之五)的抽样频率偏差，每10,000个抽样之后就会有一个0.05抽样间隔大小的时间偏离。定义相对时偏τ为绝对时偏与抽样间隔时间的比值(以下提到的时偏均是指相对时偏)，则如果一个SC-FDE帧包括100个采样，那么100帧后，相对时偏τ就会达到5％，这是SC-FDE系统无法承受的。
SC-FDE系统的定时同步一般分为以下两个步骤定时捕获和定时跟踪，又称为粗定时同步和细定时同步。接收端首先进行定时捕获，将定时偏差控制在较小的范围内，使系统能够正常工作。由前面的分析可知，采样时钟的偏差具有累积效应，为了维持较好的同步性能，必须进行定时跟踪。定时跟踪即细定时同步跟踪定时偏差的变化，防止其累积效应，保证定时同步的精度。所以，接收机必须要跟踪定时偏差的变化。
目前SC-FDE系统中的定时捕获算法一般是通过发送训练序列来实现，然后利用循环前缀与SC-FDE符号中被复制部分的相关性来实现定时跟踪。由于跟踪精度不高，所以间隔若干帧后就要发送训练帧来纠正，这降低了传输效率，而在移动通信及宽带接入系统中，频谱资源是非常宝贵的。
以下简单介绍含有同步模块的基带离散信号处理的SC-FDE系统。下面的信号是指发送端数/模(D/A)变换之前和接收端模/数(A/D)之后的信号，信道是离散化后的形式。如果采用软件无线电实现，也可以用中频离散信号处理完成，此时信号是中频离散信号，信道是等效中频离散信道，处理方式与基带相同。)发送端SC-FDE系统发送端经符号映射后发出的不包括CP的一帧离散SC-FDE信号为s(n)，(n＝0，1，…，N-1)，信道脉冲响应为h(n)，(n＝0，1，…，Lh-1)，其中Lh≤L，L为CP长度。
接收端信号传输过程中要受到加性白高斯噪声(AWGNAdditive White Gaussian Noise)的干扰，设噪声为w(n)，(n＝0，1，…，N-1)，接收端接收到的信号去掉CP后得到r(n)＝s(n)h(n)+w(n)，(n＝0，1，…，N-1) (1)“”表示循环卷积运算，频域表达式为R(k)＝S(k)H(k)+W(k)，(k＝0，1，…，N-1)(2)其中R(k)，S(k)，H(k)，W(k)分别为通过对r(n)，s(n)，h(n)，w(n)做N点离散傅里叶变换(以下简称DFTDiserete Fourier Transform)得到的频域形式，信号的DFT可以通过快速傅立叶变换(以下简称FFTFast Fourier Transform)算法实现，H(k)，(k＝0，1，…，N-1)为信道频域特性。
接收信号完成定时捕获后，信号中含有的剩余时偏真实值设为τ，则此时接收信号的频域表达式为R(k，τ)＝S(k)H(k)exp(j2πτ(k+L)/N)+W(k)exp(j2πτ(k+L)/N),(j=-1,k=0,1,···,N-1)---(3)]]>
系统正常工作时，要求时偏τ很小，一般小于2％。若接收信号剩余时偏估计值为 纠正后的接收信号为R(k,τ-τ~)=R(k,τ)exp(-j2πτ~(k+L)/N)]]>=S(k,τ-τ~)H(k)+W(k)exp(j2π(τ-τ~)(k+L)/N),(k=0,1,···,N-1)---(4)]]>令估计偏差τ0=τ-τ~,]]>则(4)式变为R(k，τ0)＝S(k，τ0)H(k)+W(k)exp(j2πτ0(k+L)/N)(5)这就是带有剩余时偏估计偏差τ0的接收信号的频域形式。
完成时偏捕获后，利用信道估计方法容易得到H(k)的估计 然后进行信道均衡，均衡可以采用如下三种方式之一(1)迫零均衡(ZF)；(2)最小均方误差(MMSE)；(3)混合均衡，即一部分子信道用迫零均衡，而另一部分子信道用最小均方误差均衡。以迫零均衡为例，均衡后的信号为X^(k,τ0)=R(k,τ0)/H^(k),(k=0,1,···,N-1)---(6)]]>其中， 表示信道频域响应H(k)的估计值，它是由信道估计算法给出。对 做N点的离散傅里叶逆变换(以下简称IDFTInverse Discrete FourierTransform)，可以通过快速傅立叶逆变换(以下简称IFFTInverse Fast FourierTransform)算法实现，然后根据判决规则进行信号检测，就可以得到这一帧SC-FDE数据信息的判决信号(n)。
发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种低代价、高精度且能满足实际应用要求的多径衰落信道中单载波分块传输系统中的定时跟踪方法。
本发明提出的单载波分块传输系统中的定时跟踪方法包括以下步骤(1)收发双方建立通信并且系统进入正常工作状态后，根据当前帧信道估计和判决的结果，重构与接收信号相对应的不含时偏的频域形式信号；(2)根据含有时偏的接收信号频域形式的实际值和步骤(1)所得的重构值计算新的剩余时偏估计偏差和时偏估计值；(3)利用步骤(2)计算出的时偏估计值纠正下一帧含有时偏的接收信号。
下面对以上步骤作详细说明第一步，收发双方建立通信并且系统进入正常工作状态后，根据当前帧信道估计和判决的结果，重构与接收信号相对应的不含时偏的频域形式信号。
系统正常工作时，判决后的SC-FDE数据帧信息(n)，(n＝0，1，…，N-1)的误码率会比较低，例如小于10-3，此时判决过程消除了绝大部分时偏和噪声的影响；对(n)，(n＝0，1，…，N-1)做N点FFT变换，得到其频域形式S^(k),(k=0,1,···,N-1),]]>再利用信道估计值 根据公式R^(k)=S^(k)H^(k),(k=0,1,···,N-1)---(7)]]>重构出不含时偏的接收信号的频域形式。
第二步根据含有时偏的接收信号频域形式的实际值和步骤(1)所得的重构值计算新的剩余时偏估计偏差和时偏估计值；含有剩余时偏估计偏差的接收信号频域形式与重构值分别由(5)式、(7)式给出，令R(k,τ0)=xk+jyk,(j=-1,k=0,1,···,N-1)---(8)]]>R^(k)=ak+jbk,(k=0,1,···,N-1)---(9)]]>由公式τ^0=Σk=0N-1[y(k)a(k)-x(k)b(k)]Σk=0N-1[(a2(k)+b2(k))2π(k+L)/N]---(10)]]>得到当前传输帧剩余时偏估计偏差τ0的估计值 根据公式τ~=τ~+τ^0]]>校正原时偏估计值，得到新的时偏估计值 第三步利用步骤(2)计算出的时偏估计值纠正下一帧含有时偏的接收信号。
利用公式(4)即R(k,τ-τ~)=R(k,τ)exp(-j2πτ~(k+L)/N)]]>纠正下一帧含有时偏的接收信号。
由于受噪声的影响，该估计值是一个随机变量，通过计算该估计值与实际剩余时偏的均方误差可以估计算法的精度。
本发明利用信号重构方法导出了一种单载波分块传输系统中定时偏差的估计方法，由此得到了一种定时跟踪方法，采用算法纠正方式而非传统的锁相环方式，计算复杂度低，实现简单，可跟踪范围较大，跟踪速度快，精度高，提高了传输效率，该方法可以用于基于SC-FDE技术的通信系统中，完成定时捕获后，利用该方法进行定时跟踪。
图1给出了按本发明实现的单载波分块传输系统定时跟踪方法的框图。
图2是在不同信噪比下本发明算法的跟踪性能仿真结果图。
图3是估计后剩余时偏的均方误差仿真结果图。
图中1.射频及中频解调模块，2.A/D转换模块，3.去CP模块，4.N点FFT模块，5.时偏纠正模块，6.均衡模块，7.N点IFFT模块，8.判决模块，9.N点FFT模块，10.重构模块，11.估计偏差计算模块，12.同步模块，该模块由四部分组成，12-1.载波频率同步子模块，12-2.抽样率同步子模块，12-3.时偏捕获子模块，12-4.时偏跟踪子模块，13.延迟模块。
具体实施方式
实施例图1给出了按本发明实现的单载波分块传输系统定时跟踪方法的框图。
各模块作用如下模块1射频及中频解调模块，在无线环境下，将接收天线接收到信号的频谱从射频或者中频上搬移到低频。在解调之前需要用同步模块中的频率同步数据纠正信号传输过程中引起的频偏。
模块2A/D转换模块，将解调后模拟信号变换为数字信号。A/D变换需要对模拟信号进行抽样，提供时钟信号的晶振需要跟发射机D/A模块的晶振频率相同，否则就会导致抽样率误差，因此在A/D变换之前要进行抽样率同步。
模块3去CP模块，将循环前缀去掉，这时就存在判断一帧数据从哪开始的问题，则去CP之前需要做定时捕获。
模块4N点FFT模块，将每帧N个数据变换到频域，得到N个信号的频域形式。
模块5时偏纠正模块，根据同步子模块中的时偏跟踪子模块输出的剩余时偏估计值 由公式R(k,τ-τ~)=R(k,τ)exp(-j2πτ~(k+L)/N)]]>纠正接收信号。结果送入模块6均衡，同时存储其实部和虚部。
模块6根据信道估计值 完成均衡。得到信道均衡后的信号 模块7N点IFFT模块，将均衡后得到的信号进行IFFT变换到时域。
模块8判决模块，将每帧N个均衡后的信号由判决量化规则得到判决后信号(n)。
模块9N点FFT模块，将判决后的数据立即进行FFT变换。
模块10重构模块，重构出 存储 的实部和虚部。
模块11估计偏差计算模块，根据模块10输出 和模块5输出R(k，τ0)的实部和虚部，计算出当前传输帧剩余时偏估计偏差τ0的估计值 模块12同步模块，由4个子模块组成，包括载波频率同步子模块12-1，抽样率同步子模块12-2，定时捕获子模块12-3和时偏跟踪子模块12-4。载波频率同步子模块12-1将载波频率同步数据送给射频及中频解调模块1；抽样率同步子模块12-2将同步信息送给A/D模块2；定时捕获子模块12-3将帧同步信息送给去CP模块3；时偏跟踪子模块12-4，根据公式τ~=τ~+τ^0]]>得到时偏估计值 将计算结果送给延迟模块13。
模块13延迟模块，延迟一帧，将 值送给时偏纠正模块5，纠正下一帧含有时偏的接收信号。
整个时偏跟踪过程包括FFT模块，重构模块，估计偏差计算模块，跟踪子模块，延迟模块和时偏纠正模块六部分组成。FFT模块将判决后的信号(n)变换到频域 重构模块利用公式R^(k)=S^(k)H^(k)]]>重构出不含时偏的 估计偏差计算模块根据公式τ^0=Σk=0N-1[y(k)a(k)-x(k)b(k)]Σk=0N-1[(a2(k)+b2(k))2π(k+L)/N]]]>计算出当前传输帧剩余时偏估计偏差τ0的估计值 跟踪子模块由公式τ~=τ~+τ^0]]>得到时偏估计值 经延迟模块延迟一帧，由时偏纠正模块根据剩余时偏估计值对下一帧含有时偏的接收信号进行时偏纠正，完成剩余时偏的跟踪，以上过程均为数字处理过程，其物理实现通过通用数字信号处理芯片编程实现。
该实施例仿真参数仿真环境Matlab7.0帧长N＝256CP长度32符号映射QPSK信道环境AWGN信道相对时偏τ＝0.1图2和图3为单载波分块传输系统的跟踪仿真结果。仿真结果表明，该算法跟踪速度快，精度高，严格将相对时偏锁定在2％以内，完全满足系统对定时跟踪精度的要求，具有很高的实用价值。本发明的突出优点为计算复杂度低，特别是计算量小，估计精度高，实现简单，可跟踪范围较大，不降低系统的频谱效率，属于真正意义上的盲估计跟踪方法。
为避免混淆，本说明书中所提到的一些名词做以下解释1.符号是指信息比特经过调制映射(也称符号映射)后的数据。一般是一个实部和虚部均为整数的复数。
2.帧信号对于OFDM，一帧信号在发送端是指做IFFT变换的N个符号，在接收端是指在去掉CP以后做FFT变换的N个符号。对于单载波分块传输SC-FDE系统，一帧信号在发送端是指相邻两个CP之间的N个信息符号，在接收端是指在去掉CP以后做FFT变换的N个符号。
权利要求
1.一种单载波分块传输系统中的定时跟踪方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)收发双方建立通信并且系统进入正常工作状态后，根据当前帧信道估计和判决的结果，重构与接收信号相对应的不含时偏的频域形式信号；(2)根据含有时偏的接收信号频域形式的实际值和步骤(1)所得的重构值计算新的剩余时偏估计偏差和时偏估计值；(3)利用步骤(2)计算出的时偏估计值纠正下一帧含有时偏的接收信号。
2.根据权利要求1所述的单载波分块传输系统中的定时跟踪方法，其特征在于所述第(1)步实现方法如下系统正常工作时，判决后的SC-FDE数据帧信息(n)，(n＝0，1，…，N-1)的误码率会比较低，例如小于10-3，此时判决过程消除了绝大部分时偏和噪声的影响；对(n)，(n＝0，1，…，N-1)做N点DFT变换，信号的DFT可以通过快速傅立叶变换算法实现，得到其频域形式 (k＝0，1，…，N-1)，再利用信道估计值 根据公式R^(k)=S^(k)H^(k),(k=0,1,···,N-1)]]>重构出不含时偏的接收信号的频域形式。
3.根据权利要求1所述的单载波分块传输系统中的定时跟踪方法，其特征在于所述第(2)步实现方法如下根据含有时偏的接收信号频域形式的实际值和步骤(1)所得的重构值计算新的剩余时偏估计偏差和时偏估计值；含有剩余时偏估计偏差的接收信号频域形式与重构值分别由(5)式即R(k，τ0)＝S(k，τ0)H(k)+W(k)exp(j2πτ0(k+L)/N)及(7)式即R^(k)=S^(k)H^(k),(k=0,1,···,N-1)]]>给出，令R(k,τ0)=xk+jyk,(j=-1,k=0,1,···,N-1)]]>R^(k)=ak+jbk,(k=0,1,···,N-1)]]>由公式τ^0=Σk=0N-1[y(k)a(k)-x(k)b(k)]Σk=0N-1[(a2(k)+b2(k))2π(k+L)/N]]]>得到当前传输帧剩余时偏估计偏差τ0的估计值 根据公式τ~=τ~+τ^0]]>校正原时偏估计值，得到新的时偏估计值
4.根据权利要求1所述的单载波分块传输系统中的定时跟踪方法，其特征在于所述第(3)步实现方法如下利用公式(4)即R(k,τ-τ~)=R(k,τ)exp(-j2πτ~(k+L)/N)]]>纠正下一帧含有时偏的接收信号；由于受噪声的影响，该估计值是一个随机变量，通过计算该估计值与实际剩余时偏的均方误差可以估计算法的精度。
全文摘要
本发明提供了一种单载波分块传输系统中的定时跟踪方法，包括以下步骤(1)收发双方建立通信并且系统进入正常工作状态后，根据当前帧信道估计和判决的结果，重构与接收信号相对应的不含时偏的频域形式信号；(2)根据含有时偏的接收信号频域形式的实际值和步骤(1)所得的重构值计算新的剩余时偏估计偏差和时偏估计值；(3)利用步骤(2)计算出的时偏估计值纠正下一帧含有时偏的接收信号。本发明计算复杂度低，实现简单，可跟踪范围较大，跟踪速度快，精度高，提高了传输效率，该方法可以用于基于SC－FDE技术的通信系统中，完成定时捕获后，利用该方法进行定时跟踪。
文档编号H04L27/00GK1694440SQ20051004366
公开日2005年11月9日 申请日期2005年6月6日 优先权日2005年6月6日
发明者杜岩, 张雪芬 申请人:山东大学