一种基于FFT的OFDM信号捕获与频率校正方法与流程

本发明涉及一种基于fft的ofdm信号捕获与频率校正方法。

背景技术：

为了实现一个高速的无线通信系统，由多径引起的频率选择性衰落一直是影响系统性能的重要问题，正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)技术能够有效抑制和消除由于信道时延扩展引起的频率选择性衰落、具有较高的频谱利用率，而在高速无线通信系统中得到广泛应用。但是，ofdm对载波频率同步误差和定时误差更为敏感，载波频率的偏差会破坏子载波间的正交性，从而引入载波间干扰(ici)。在解调器中对ofdm符号的不正确定时，产生定时同步误差，将引入码间干扰(isi)。ici和isi严重影响ofdm系统的误比特率(ber)。

文献1(崔小准，陈豪，胡光锐等.一种新的突发ofdm传输系统定时和载波频率捕获联合算法[j].计算机学报，2004，27(12):1712-1718.)提出了一种新的正交频分多路(ofdm)传输系统定时和载波频率捕获联合算法。但是由于定时和捕获都是在时域进行的，捕获灵敏度很低，且抗干扰能力差。文献2(刘晓胜，刘佳生，孙贺等.用于电力线通信系统的ofdm定时同步算法[j].电力自动化设备，2018，38(1):179-183)提出了一种新的正交频分复用定时同步算法。该算法在本地相关法的基础上，对schmidl算法和park算法的定时函数的计算过程进行改进，实现信号的定时同步。该方法利用时域信号进行同步，容易受到信道影响，在与本地信号相关时相关峰不明显，从而降低灵敏度。专利1(一种ofdm帧同步方法，201810219261.0，2018)提供了一种ofdm系统帧同步方法，对接收信号进行自相关运算，并对运算结果进行归一化。该方法能够抗严重噪声，但不能抗周期性的干扰信号。专利2(一种用于ofdm的帧同步方法、装置及接收机，201310576960.8，2013)根据预先设定的起始位置和相关窗长度，从接收到的信号中选取数据序列，计算前半部分和后半部分的相关值并与门限比较，得出帧同步结果。该方法不能进行频率估计和校正。专利3(一种移动多媒体广播系统定时粗同步捕获方法，200710124223.9，2007)本发明公开了一种移动多媒体广播系统定时粗同步捕获方法，利用物理帧各时隙中完全相同的信号段,采用延迟相关的方法。该方法采用延时相关算法，当信道中存在单频干扰时，系统将受到干扰不能工作。

以上众多研究中，还没有看到利用数据的频域信息进行同步计算的，同时也没有看到将定时同步与频率校正同时进行的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种基于fft的ofdm信号捕获与频率校正方法，能够抵抗单频或周期性信号的干扰，有效避免由单频信号或其他同样具有周期性信号所引起的误补和漏包问题，极大的提高了捕获的灵敏度与准确性，提高了捕获精度，减少了计算时延，提高了捕获的可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于fft的ofdm信号捕获与频率校正方法，包含以下步骤：

步骤s1、从ofdm信号中抽取多组数据进行多次迭代傅里叶变换fft，获得多组频域信号；

步骤s2、进行定时同步操作，根据每组频域信号的能量判断是否捕获到ofdm信号；

步骤s3、对捕获到的ofdm信号进行频偏估计和频率校正。

所述的步骤s1包含以下步骤：

步骤s1.1、对接收数据进行m倍抽取；

步骤s1.2、对抽取后的数据做n点傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号；

其中m×n等于接收端短训练序列的点数；

步骤s1.3、通过数据累积对数据进行平滑处理。

所述的步骤s2包含以下步骤：

步骤s2.1、计算多组频域信号的能量和值和门限值；

步骤s2.2、根据能量和值和门限值判断是否捕获到ofdm信号。

所述的步骤s2.1包含以下步骤：

步骤s2.1.1、计算频域数据各点的能量值：各点频域数据的能量值等于每一点实部的平方加上虚部的平方；

步骤s2.1.2、计算每组频域数据的能量和：计算每组频域数据中具有固定地址的若干点频域数据的能量值的和；

步骤s2.1.3、将各组频域数据的能量和相加，作为捕获的能量和值；

步骤s2.1.4、对能量和值进行l点累加求和，作为判决门限。

所述的步骤s2.2包含以下步骤：

步骤s2.2.1、判断能量和值是否大于门限值，若是，进行步骤s2.2.2，若否，进行步骤s2.1；

步骤s2.2.2、判断能量和值是否大于信号的最小能量值，若是，进行步骤s2.2.3，若否，进行步骤s2.1；

步骤s2.2.3、判断能量和值是否连续大于门限值q个点，若是，进行步骤s2.2.4，若否，进行步骤s2.1；

步骤s2.2.4、在能量合值大于门限值的数据内使用当前点比较上一个点的方法寻找能量和值最大值；

步骤s2.2.5、能量和值最大值是否连续大于后续h个点，若是，则输出捕获指示，完成定时同步，进行步骤s3，若否，进行步骤s2.1。

所述的步骤s3包含以下步骤：

步骤s3.1、频偏估计：在时域中截取p点做傅里叶变换，计算每一点的能量值，找出最大值，计算最大值与没有频偏的能量值位置之间的频率偏差；

步骤s3.2、频率校正：根据频率偏差对数据进行频率校正；

根据最大值频率偏差，根据数据采样率和傅里叶变换的点数，转换成频率，对输入数据进行校正。

本发明利用短训练符号在频域只有固定点存在能量的特性，对数据进行多次迭代fft处理并求和，使捕获信号能量突出，且具有抗干扰的能力，极大的提高了捕获的灵敏度与准确性，提高了捕获精度和减少了计算时延，利用频域信息同时进行定时同步与频率校正，不需要进行第二次频率估计，能够抵抗单频或周期性信号的干扰，有效避免由单频信号或其他同样具有周期性信号所引起的误补和漏包问题，提高了捕获的可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于fft的ofdm信号捕获与频率校正方法的流程图。

图2是数据迭代的示意图。

图3是判断是否捕获到ofdm信号的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种基于fft的ofdm信号捕获与频率校正方法，包含以下步骤：

步骤s1、从ofdm信号中抽取多组数据进行多次迭代傅里叶变换fft，获得多组频域信号；

步骤s2、进行定时同步操作，根据每组频域信号的能量判断是否捕获到ofdm信号；

步骤s3、对捕获到的ofdm信号进行频偏估计和频率校正。

ofdm信号的帧结构为20个周期重复的短训练序列和2个周期重复的长训练序列，然后为所发送数据。其中短训练序列主要用途是进行信号检测、定时粗同步和频率偏差估计。短训练序列在频域上只有固定位置有能量值；在20个短训练序列长度内，任意截取数据做fft，不会改变能量值的位置。

所述的步骤s1包含以下步骤：

步骤s1.1、对接收数据进行m倍抽取；

从捕获起始时刻开始，对接收数据进行m倍抽取，m值决定捕获的工作时钟；

步骤s1.2、对抽取后的数据做傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号；

进行n点傅里叶变换，其中m×n等于接收端短训练序列的点数，保证在频域内只有一组数据的能量值是最大的；

步骤s1.3、通过数据累积对数据进行平滑处理；

如图2所示，相邻两组数据并不是完全不同的，fft的n点窗口每次滑动t点，第二次傅里叶变换的起始位置是上一次起始位置的后延t点，对数据进行平滑处理，避免信号突变带来的频域值变化剧烈，从而导致捕获能量波动大、系统不稳定的问题。

所述的步骤s2包含以下步骤：

步骤s2.1、计算多组频域信号的能量和值和门限值；

步骤s2.2、根据能量和值和门限值判断是否捕获到ofdm信号。

进一步，所述的步骤s2.1包含以下步骤：

步骤s2.1.1、计算频域数据各点的能量值：各点频域数据的能量值等于每一点实部的平方加上虚部的平方；

步骤s2.1.2、计算每组频域数据的能量和：计算每组频域数据中具有固定地址的若干点频域数据的能量值的和；

短训练序列在频域内只在已知固定的a个位置(a的数值根据段训练序列而定)存在能量值，考虑频偏带来的影响，将已知点和左右各8个点的能量求和，所得结果即为该组频域数据的能量和；当信号到来时，能量和会变得越来越大，而噪声的频域分布相对均匀且能量值低，每组频域数据累加结果基本相同；

步骤s2.1.3、将各组频域数据的能量和相加，作为捕获的能量和值；

对能量和值进行平滑处理，避免信号突变带来的频域值变化剧烈，从而导致捕获能量波动大、系统不稳定的问题；

步骤s2.1.4、对能量和值进行l点累加求和，作为判决门限；

门限值是用来判断信号是否到来的条件之一，门限值的计算为能量和的进一步平滑处理，对能量和的l个点进行累加求和，获得的门限值相比能量和要滞后，能量和能够超出门限而噪声部分不会超出门限；

所述的l的数值范围4-8，较佳地为6。

如图3所示，所述的步骤s2.2包含以下步骤：

步骤s2.2.1、判断能量和值是否大于门限值，若是，进行步骤s2.2.2，若否，进行步骤s2.1；

步骤s2.2.2、判断能量和值是否大于信号的最小能量值(工程应用中调试得到该信号的最小能量值)，若是，进行步骤s2.2.3，若否，进行步骤s2.1；

考虑到工程应用中实际信号的能量值存在最小值，所以能量和应大于最小能量值；

步骤s2.2.3、判断能量和值是否连续大于门限值q个点，若是，进行步骤s2.2.4，若否，进行步骤s2.1；

为了避免在噪声段会有个别能量值满足前两个条件，还要判断能量和值要连续大于门限值q个点；

所述的q的数值范围10-30，较佳地为25；

步骤s2.2.4、在能量合值大于门限值的数据内使用当前点比较上一个点的方法寻找能量和值的最大值；

步骤s2.2.5、能量和值和值的最大值是否连续大于后续h个点，若是，则输出捕获指示，完成定时同步，进行步骤s3，若否，进行步骤s2.1；

当找到最大值时，为避免由于噪声影响产生局部最大值的问题，找到的最大值需要连续大于后续h个点；

所述的h的数值范围3-10，较佳地为5。

所述的步骤s3包含以下步骤：

步骤s3.1、频偏估计：在时域中截取p点做傅里叶变换，计算每一点的能量值，找出最大值，计算最大值与没有频偏的能量值位置之间的频率偏差；

当得到步骤s2.2.5中的捕获指示时，选取步骤s1中的p点长度数据，同样对数据进行傅里叶变换，此时能够确定选取数据为短训练序列部分，所以在没有频偏时的能量值位置是已知的，找到计算所得能量值的最大值，计算最大值位置与已知位置的偏差；

为了保证计算精度，应满足n≤p≤m*n；

步骤s3.2、频率校正：根据频率偏差对数据进行频率校正；

根据步骤s3.1中求出的最大值位置偏差，根据数据采样率和傅里叶变换的点数，转换成频率，对输入数据进行校正。

本发明提供了一种基于fft的ofdm信号捕获与频率校正的方法，利用短训练符号在频域只有固定点存在能量的特性，对数据进行多次迭代fft处理并求和，使捕获信号能量突出，且具有抗干扰的能力，极大的提高了捕获的灵敏度与准确性，提高了捕获精度和减少了计算时延，利用频域信息同时进行定时同步与频率校正，不需要进行第二次频率估计，能够抵抗单频或周期性信号的干扰，有效避免由单频信号或其他同样具有周期性信号所引起的误补和漏包问题，提高了捕获的可靠性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。