OFDM 中基于导频的自适应符号同步算法

1 引言
正交频分复用( OFDM) 是一种多载 波传输系统, 它在 抗多 径和窄带干扰方面具有良好的性能, 并且在实际应用中能够获 得较高的数据传输率和频谱利用率, 因而得到了越来越广泛的 应用, 有望成为第 四代 移动 通信 的核 心技术。 但是, OFDM 系 统对频率和时间同步误差非常敏感, 例如多普勒频移或由于发 射机与接收机载 波频 率之 间 的频 率偏 差, 都 会使 得 OFDM 系 统子载波间 的正 交性 受 到破 坏, 从 而导 致载 波 间干 扰 ( ICI) 。 此外, 在解调器中对 OFDM 符号 如果不 能准确 定时, 将产生 时 间同步误差, 引起 码间 干扰 ( ISI) 。ICI 和 ISI 严重 影响 OFDM 系统的性能, 造成较高的误码率( BER) 。
(a)定时偏差自适应调整示意图
(b)相位偏差自适应调整示意图
图 4 偏差自适应调整
( 2) 定时纠 偏 迭代 尺 度 βd 决 定 了 定时 纠 偏 的 速 度 和 精
度。当 d 的偏 差在 [ - βd, + βd ] 范 围 时, d 完 成 粗同 步, 因 而
WANG Ding, LI Zheng, WANG Hui-bin
( School of Electron Information, Northwestern Polytechnical University, Xi an Shanxi 710072, China)
Abstract: An adaptive symbol synchronization algorithm is proposed in Orthogonal Frequency Division Multiplexing ( OFDM) systems, which is based on pilot symbol and exploits the properties of FFT. The symbol timing and carrier phase offset is estimated jointly in frequency domain. The proposed estimator needs only simple computation and is little resource loss, which can adjust the synchronization acquisition and precision conveniently. Simulations demonstrate that the symbol synchronization is completed simply and effectively, which is very adaptive and performs at a sufficiently high level over multipath fading channels. Key words: OFDM; Symbol Synchronization Algorithm; Pilot Symbol; Adaptive Estimation
Y( k) 经信道估计和校 正后, 通过 并串 转换 和解 调恢 复二 进 制
信息 数 据 。
3 导频符号结构
本文提出的导频符号结构如图 2 所示。我们采用一种梳
状导频( Comb-type) , 这种导 频能 够较好 地适 应信 道与 信号 的
快速 变 化 。 导 频 信 号 满 足:
X( 1) = X( 2) = X( N /L + 1 )
( 2)
X( N - 1) = X( N - 2) = X[ N - ( N/L + 1) ] = X* ( 1)
( 3)
这里* 表示对复数取共轭, L 表示 GI 的长度。
子载波(k)
数据信号
导频信号
符 i-1 号i
i+1
0 1 2 3 N/L+1
N-(N/L+1) N-3 N-2 N-1
图 2 OFDM 导频符号结构
时间 同步 在 OFDM 系 统中 一般 分为两 类算 法: ①非 数 据 辅助类( Non-data-aided) , 即盲估计, 它是利用 OFDM 信号的 结 构和循环前缀( CP) 的 性质, 如利 用数据 经过 成型 滤波 器之 后 的循环平稳特性估 计[ 1,2] , 利 用 CP 的 冗余 相关 性估 计[ 3] 。② 数据辅助 类 ( Data-aided) , 即基 于 导 频类 [ 4,5] 。盲 估计 的 最 大 优点是: 避免由于插入导 频符号 而降低 带宽的 使用效 率, 但 是 这类算法计算量大、捕获 时间长, 为了 获得高 精度同 步需要 几 十甚至上百个 OFDM 块, 很 难在 实 时通 信系 统 中采 用。基 于 导频类的同步算法由于捕获快、精度高、灵活性强, 在实际应用 中被 大 量 采 用 。
B1=Sign{Im咱Y i(1)Y i*(2)暂} Y (K) B2=Sign{Im咱Y i(N-2)Y i*(N-1)暂}
d 估计 细同步完成
dact
B1-B2 =0 di+1=di-B1茁d 屹0 di+1=di
r=r1+r2 粗同步完成
图 3 符号定时同步算法框图
4. 2. 1 粗同步 粗同步的思路是通过同步 算法判 断当前 接收符 号的起 始
· 48·
计算机应用研究
2005 年
Y( k) = X( k) H( k) + W( k)
k = 0, 1, …, N - 1
( 1)
其中, H( k) 为信道 响应 函数 在第 k 个子载 波上 的参 数, W( k)
为加性高 斯 白 噪声 ( AWGN) 的 傅 里 叶 变 换, N 为 子 载 波 数。
的特性, 采用频域同步的方法对符号定时和载波相位偏差进行联合估计; 算法计算量小, 导频的占有资源少, 并
且同 步捕获 速度 、精度高 低可 以灵 活地 进行 调节 。仿真 结果 表明 , 提出的 算法 能够 简单 而有 效 地获 取 符 号同 步 ,
自适应性强, 即使在多径衰落信道中, 也能获得较好的性能。
2 OFDM 系统
图 1 为 OFDM 系统的等效基 带模型。二 进制信 息数据 经 过调制映射和串并转换被插入导 频后得 到复信 号 X( k) , 该 信 号经过 IFFT 由频 域 转 换 到 时 域, 然 后 信 号 被 插 入 保 护 间 隔 ( GI) 后经基带成型滤波器发射进入信道。
二进制 数据
第 12 期
王 顶等: OFDM 中基于导频的自适应符号同步算法
· 47·
OFDM 中 基 于 导 频 的 自 适 应 符 号 同 步 算 法 *
王 顶, 李 正, 王慧斌
( 西北 工业 大学 电 子信 息学 院, 陕 西 西安 710072)
摘 要: 提 出了 一种 在 OFDM( 正交 频分 复用 ) 系统 中基于 导频 符号 的自 适应 符号 同 步新 算 法, 该 算 法 利用 FFT
收稿日期: 2004- 10- 23; 修返日期: 2004- 12- 27 基金项目: 国防“973”计划资助项目( 51308)
本文提出一种基于导频的符号同步算法, 它采用频域同步 的方法对经过 FFT 后得 到的 导频 信 号进 行特 殊 运算, 从 而 完 成自适应同步。算法对符号定 时和载 波相位 偏差进 行联合 估 计, 其中符号定时同步被分为粗同步和细同步两个阶段。算法 的特点是: 需要插入导频数 和计算 量均很 少, 在不增 加导频 的 情况下, 改变插入导频的位 置, 可方便 地对同 步捕获 速度和 精 度进行调节。
偏差, βd 为定时 纠 偏 迭代 尺 度, sign 代 表 符 号 函 数。当 x≥ 0
时, sign( x) = 1; 当 x < 0 时, sign( x) = - 1。
( 1) 如果 B1 = sign{ Im[ Yi ( 1) Y*i ( 2) ] } = 1, 表明 di 是正 向
偏差, 则下一个符号 的 di +1 应 减少, di +1 = di - βd, 即 di +1 向 左
是在理想同步位置前( d < 0) 还是 后( d > 0) ; 相应 地进 行迭 代
调整, 然后以调整后的同步 位置为 当前同 步位置, 接 收下一 个
OFDM 符号, 重复以上步骤直至满足系统同步要求。
由式( 5) 可以计算下式:
Y( 1) Y* ( 2 ) = A2 |X( 1) |2 ej2Nπd
( 6)
由此, 可以得到下式:
sin( 2 πd /N) = Im[ Y( 1) Y* ( 2 ) ] /A2 |X( 1 ) |2
( 7)
这里 Im 表示对复数取虚部, 如果我们知道 A, 那么就 可以利 用
上式计算 d 值。实际的信道情况未知而且存在噪声造成无法
计算 d, 但我们可以对 d 应用递推迭 代的办法使 其逐步逼近 理
二进制 数据
X(k)
调 制
串 并 变 换
插 入 导 频
IFFT
插入 保护 间隔
Y (k)
解 调
并 串 变 换
信 道 校 正
FFT
去除 保护 间隔
图 1 OFDM 系统基带框图
并
串
变
换 信道 h(n)
串 并
堠 w(n)
变
换
在接收端, 假设 GI 的长度大于信道最大多径时延长度, 系 统不会产生 ISI, 此外, 由于 CP 的作用, OFDM 符号的延时副 本 内所包含的波形的周期个数也是整数, 时延信号不会在解调过 程中产生 ICI。这 样, 信 号 经 去 保 护 间 隔 后进 行 FFT, 信 号 Y ( k) 可表示为