一种OFDM系统同步跟踪方法和装置与流程

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种OFDM系统同步跟踪方法和装置，尤其涉及基于802.11a/g/n/ac协议的OFDM系统同步跟踪方法和装置。

背景技术：

在802.11a/g/n/ac协议中，OFDM是一种重要的调制解调技术，此技术能够大幅地提升数据传输速率。但是OFDM对于载波频率偏移(频偏)与定时偏移(时偏)十分敏感。频偏和时偏的存在极可能导致接收机的解调性能下降。频偏是由于发送方与接收方载波频率偏差引起的，频偏会破坏OFDM的正交性和旋转相位值，导致接收机的解调性能严重下降，所以在通信过程中通常会在帧头加入OFDM训练符号给接收方估计频偏并消除它。但是在噪声影响下接收帧帧头的初始频偏估计不能保证频偏被准确地估计和被完全地消除，只能把频偏值控制在一定范围内。残余的频偏会继续影响着接收机的解调性能。所以后续的频偏跟踪是非常有必要的。时偏是由于发送方与接收方的晶振频率差异或者多普勒频率漂移所引起的。晶振的差异使抽样时钟的相位漂移，从而导致定时偏差随时间产生变化。时偏对一个系统基本是不可避免的。它会导致OFDM的子载波相位旋转，从而下降接收机的解调性能。所以在帧头进行定时同步后，时偏跟踪也是非常有必要的。在802.11a/g/n/ac OFDM系统里，协议规定了每个OFDM符号里都会有若干个接收机已知的pilot导频插入到信息子载波当中，以此给接收端做同步跟踪的操作。现有技术利用这些pilot导频进行同步跟踪的方法有不少。但是在噪声影响下，数量有限的pilot导频所估计的频偏值与时偏值的准确性相当有限，不能让解调性能发挥至最佳，另外，现有技术多数是在时域进行频偏值估计和补偿，这就需要使用逆傅里叶变换器，电路实现的复杂度非常高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种OFDM系统同步跟踪方法和装置，克服现有技术802.11协议的OFDM系统采用pilot导频进行同步跟踪，频偏估计值与时偏估计值准确性不高的缺陷，以及在时域进行频偏值估计和补偿，导致电路复杂度高的缺陷。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种OFDM系统同步跟踪方法，包括步骤：

A1、对接收的数字信号进行OFDM符号划分，对划分好的OFDM符号依次进行快速傅里叶变换，将其从时域变换到频域，得到频域OFDM符号序列，依次对频域OFDM符号序列中的每一个频域OFDM符号执行步骤A2到步骤A5；

A2、分别提取当前频域OFDM符号里的信息子载波符号、导频符号、直流子载波，对信息子载波符号进行检测和判决生成还原信息子载波符号；

A3、将当前OFDM符号里的导频符号、直流子载波和还原信息子载波符号合成还原OFDM符号；

A4、对还原OFDM符号进行频偏估计和时偏估计，获取相应的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值；

A5、利用频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值对频域OFDM符号序列中的下一个频域OFDM符号进行相位补偿，补偿后的频域OFDM符号设为当前频域OFDM符号，返回步骤A2。

根据本发明的实施例，所述步骤A2包括步骤：采用最大似然法硬判决生成还原信息子载波符号。

根据本发明的实施例，所述步骤A4包括步骤：利用回路滤波器对频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值进行纠正，计算纠正后新的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值。

根据本发明的实施例，所述步骤A4包括步骤：回路滤波器包括频偏回路滤波器和时偏回路滤波器，频偏回路滤波器用于对频偏估计相位旋转值进行纠正，时偏回路滤波器用于对时偏估计相位旋转值进行纠正。

一种OFDM系统同步跟踪装置，包括符号定时器、快速傅立叶变换器、相位旋转补偿器、信息子载波提取器、信道估计器、检测器、导频子载波提取器、子载波硬判决器、OFDM符号合成器、频偏与时偏估计器、频偏回路滤波器、时偏回路滤波器、相位旋转估计值计算器，符号定时器、快速傅立叶变换器、相位旋转补偿器、信息子载波提取器、检测器、子载波硬判决器、OFDM符号合成器、频偏与时偏估计器、频偏回路滤波器、相位旋转估计值计算器依次相连，相位旋转补偿器、信道估计器、检测器依次相连，信息子载波提取器、导频子载波提取器、OFDM符号合成器依次相连，符号定时器用于对接收的数字信号进行OFDM符号划分，快速傅立叶变换器用于对划分好的OFDM符号依次进行快速傅里叶变换，将其从时域变换到频域，得到频域OFDM符号序列，信道估计器用于根据经所述相位旋转补偿器透传的训练序列进行信道估计，得到信道估计值，信息子载波提取器用于提取当前频域OFDM符号里的信息子载波符号，导频子载波提取器用于提取当前频域OFDM符号里的导频符号、直流子载波，检测器用于对信息子载波符号进行检测，子载波硬判决器用于对信息子载波符号进行判决并生成还原信息子载波符号，OFDM符号合成器用于将当前OFDM符号里的导频符号、直流子载波和还原信息子载波符号合成还原OFDM符号，频偏与时偏估计器用于对还原OFDM符号进行频偏估计和时偏估计，获取相应的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值，频偏回路滤波器用于对频偏估计相位旋转值进行纠正，时偏回路滤波器用于对时偏估计相位旋转值进行纠正，相位旋转估计值计算器用于计算相应的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值，相位旋转补偿器用于利用频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值对频域OFDM符号序列中的下一个频域OFDM符号进行相位补偿，补偿后的频域OFDM符号设为当前频域OFDM符号。

根据本发明的实施例，子载波硬判决器采用最大似然法硬判决生成还原信息子载波符号。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明采用信息子载波硬判决反馈和pilot子载波结合的方式估计OFDM符号的频偏与时偏相位旋转值，大大提高了估计的准确性，并在频域处理部分给下一个OFDM符号提供相位旋转补偿，整个同步跟踪流程不只提高了跟踪的准确度，而且降低了电路时序实现的复杂度。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为802.11a/g/n/ac OFDM符号子载波分布示意图；

图2为本发明装置示意图；

图3为本发明回路滤波器示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明OFDM系统同步跟踪方法，包括步骤：

A1、对接收的数字信号进行OFDM符号划分，对划分好的OFDM符号依次进行快速傅里叶变换，将其从时域变换到频域，得到频域OFDM符号序列，依次对频域OFDM符号序列中的每一个频域OFDM符号执行步骤A2到步骤A5；

A2、分别提取当前频域OFDM符号里的信息子载波符号、导频符号、直流子载波，对信息子载波符号进行检测和判决生成还原信息子载波符号；

A3、将当前OFDM符号里的导频符号、直流子载波和还原信息子载波符号合成还原OFDM符号；

A4、对还原OFDM符号进行频偏估计和时偏估计，获取相应的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值；

A5、利用频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值对频域OFDM符号序列中的下一个频域OFDM符号进行相位补偿，补偿后的频域OFDM符号设为当前频域OFDM符号，返回步骤A2。

根据本发明的实施例，所述步骤A2包括步骤：采用最大似然法硬判决生成还原信息子载波符号。所述步骤A4包括步骤：利用回路滤波器对频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值进行纠正，计算纠正后新的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值。回路滤波器包括频偏回路滤波器和时偏回路滤波器，频偏回路滤波器用于对频偏估计相位旋转值进行纠正，时偏回路滤波器用于对时偏估计相位旋转值进行纠正。

本发明OFDM系统同步跟踪装置，包括符号定时器、快速傅立叶变换器、相位旋转补偿器、信息子载波提取器、信道估计器、检测器、导频子载波提取器、子载波硬判决器、OFDM符号合成器、频偏与时偏估计器、频偏回路滤波器、时偏回路滤波器、相位旋转估计值计算器，符号定时器、快速傅立叶变换器、相位旋转补偿器、信息子载波提取器、检测器、子载波硬判决器、OFDM符号合成器、频偏与时偏估计器、频偏回路滤波器、相位旋转估计值计算器依次相连，相位旋转补偿器、信道估计器、检测器依次相连，信息子载波提取器、导频子载波提取器、OFDM符号合成器依次相连，符号定时器用于对接收的数字信号进行OFDM符号划分，快速傅立叶变换器用于对划分好的OFDM符号依次进行快速傅里叶变换，将其从时域变换到频域，得到频域OFDM符号序列，信道估计器用于根据经所述相位旋转补偿器透传的训练序列进行信道估计，得到信道估计值，信息子载波提取器用于提取当前频域OFDM符号里的信息子载波符号，导频子载波提取器用于提取当前频域OFDM符号里的导频符号、直流子载波，检测器用于对信息子载波符号进行检测，子载波硬判决器用于对信息子载波符号进行判决并生成还原信息子载波符号，OFDM符号合成器用于将当前OFDM符号里的导频符号、直流子载波和还原信息子载波符号合成还原OFDM符号，频偏与时偏估计器用于对还原OFDM符号进行频偏估计和时偏估计，获取相应的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值，频偏回路滤波器用于对频偏估计相位旋转值进行纠正，时偏回路滤波器用于对时偏估计相位旋转值进行纠正，相位旋转估计值计算器用于计算相应的频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值，相位旋转补偿器用于利用频偏估计相位旋转值和时偏估计相位旋转值对频域OFDM符号序列中的下一个频域OFDM符号进行相位补偿，补偿后的频域OFDM符号设为当前频域OFDM符号。根据本发明的实施例，子载波硬判决器采用最大似然法硬判决生成还原信息子载波符号。

下面通过具体的实施例来阐述本发明的技术方案。

接收机前端的解调流程如下：

1.接收信号经过模拟电路被送入模数转换器，从模拟信号转换为数字信号。

2.降采样器会把模数转换器输出的数字信号进行降采样，将其采样频率降至基带解调所需要的频率。

3.频偏补偿与符号定时是起初始同步的作用。频偏补偿凭借在帧头训练符号估计的频偏值降低接收信号的频偏影响。符号定时器则在帧头训练符号确定快速傅里叶变换(FFT)在每个OFDM符号的开窗位置，即对接收的一连串数字信号进行OFDM符号划分。

4.快速傅里叶变换器对每一个划分好的OFDM符号依次进行快速傅里叶变换，将其从时域变换到频域。

同步跟踪算法过程

下面将详细地描述本发明的同步跟踪装置如何在接收机解调过程中运作，给接收机提供可靠的同步跟踪支持，在实施例中假设天线模式为SISO；被跟踪的OFDM符号总数量为Y，假设有用子载波(信息子载波，pilot子载波(导频子载波)，DC子载波)总数为N+1；k表示每个OFDM符号有用子载波的索引，表示范围为

装置的运作流程如下：

第一步：设索引y＝1。y代表要进行同步跟踪的OFDM符号的索引。y＝1则为第一个被同步跟踪的OFDM符号。

第二步：相位旋转补偿器对快速傅里叶转换器输出的第y个OFDM进行相位补偿，即纠正频偏与时偏造成的相位旋转错误。其纠正算法表示为：

等式中：(1)R_y(k)表示为快速傅里叶变换器输出的第y个接收的OFDM符号的第k个子载波。(2)是第y个OFDM符号的第k个子载波的相位旋转补偿值。(3)是被相位旋转补偿后的第y个OFDM符号的第k个子载波。

等式(1)可再进一步表示为：

等式中：(1)H(k)表示为第k个子载波的信道估计信息。(2)S_y(k)表示为第y个发送的OFDM符号的第k个子载波。(3)表示为第y个OFDM符号的第k个子载波的相位旋转值。(4)θ_y(k)＝a_y+k·b_y，a_y与b_y分别表示为频偏相位旋转值和时偏相位旋转值。(5)Z_y(k)表示第k个子载波的高斯白噪声。

当y＝1，因此第一个被跟踪的OFDM符号没有相位旋转补偿。

第三步：检测器检测了第y个OFDM的信息子载波后，被检测的信息子载波将被送去子载波硬判决器进行最大似然法硬判决。目前，业界存在的检测方法种类很多，而且不同的通信方式都有各自需要的检测方法。在此，由于我们举例本次通信是单天线发送单天线接收(SISO)，检测方法为LS检测，即：

最大似然法硬判决的算法表示为：代表在发送端可能发送的子载波符号；ξ为所有可能发送的符号的集合。被还原的表示为第y个还原的OFDM符号的第k个子载波符号(只有信息子载波)。

假设所有可能发送的符号为以下四个：

然后，我们会把对ξ集合里的四个可能发送的符号分别进行距离计算：

然后，分别选取最小距离的d_y,l(k)对应的作为的最大似然判决值。最终，得到还原的

第四步：pilot子载波生成器生成第y个OFDM原有的pilot子载波(导频子载波)。OFDM符号合成器把已经硬判决的信息子载波和生成的pilot子载波进行组合，重新塑造第y个原有的OFDM符号(包含信息子载波，pilot子载波，DC子载波)。

第五步：频偏与时偏估计器将结合重新塑造的原有的第y个OFDM符号信道估计器的信道估计信息H(k)，以及相位旋转补偿器输出的进行频偏与时偏的相位旋转值估计。这里使用的估计算法如下：

以上等式(5)、等式(6)中：(1)a_y和b_y分别表示为频偏相位旋转量和时偏相位旋转量。(2)imag{·}表示为取数值的虚部。(3)[·]^*表示为数值的复数共轭。

第六步：频偏相位旋转估计值与时偏相位旋转估计值分别被送到各自的回路滤波器进行纠正。回路滤波器的结构与参数可根据实际需求而定。在这里，二阶回路滤波器的参数K_p设为0.25，K_i设为和0.125。

第七步：被回路滤波器纠正后的频偏相位旋转估计值与时偏相位估计旋转值被送到相位旋转值计算器进行第k个子载波相位旋转值的计算。计算方式表示为：θ'_y(k)＝a_y+k·b_y，θ'_y(k)表示为相位旋转估计值。

第八步：第k个子载波相位旋转估计值θ'_y(k)将与之前的y-1个OFDM符号的第k个子载波的相位旋转估计值进行累加形成即：然后，送入相位旋转补偿器通过查表方式产生指数形式的相位旋转补偿值，即：准备给第y+1个接收的OFDM符号R_y+1(k)进行相位旋转补偿。

第九步：索引y＝y+1。如果y≤Y，则回到第二步，否则算法结束。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。