[发明专利]一种OFDM系统的载波频率同步电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信信号调制技术，尤其涉及一种正交频分复用(OFDM)系统的载波频率同步电路及方法。

背景技术

OFDM技术因其抗多径干扰与抗频率选择性衰落的能力而被广泛应用于多种高速数据接入系统中，如无线局域网、高速数字用户环路、非对称数字用户环路、数字音频广播、数字视频广播和高清晰数字电视等场合。现在许多国际、国内标准已将OFDM技术作为物理层的传输手段。

由于OFDM技术可以较好的解决高速通信系统中的多径干扰和宽带传输等问题，因此该技术已经成为第四代移动通信技术(B3G/4G)的候选方案。目前卫星广播、数字移动电视广播、数字地面广播等标准都是采用OFDM技术作为核心技术。但是却存在一个问题：由于OFDM技术依赖频率的正交特性，一旦其正交性遭到破坏，其系统的误码率将急剧增加，这也是OFDM技术在应用中的一个主要缺陷。其产生频偏的主要原因在于射频电路接收和发送段中心频率失配；另一个原因在于收发双方有高速相对速度的多普勒频移。

在OFDM系统中，当产生载波频率偏差时，大于子载波间隔的频偏部分称为整数频偏Δf_I，整数频偏只是将接收机中快速傅立叶变换(FFT)的输出进行移位，并不破坏各个子载波间的正交性，但将会导致解调结果完全错误；小于子载波间隔的频偏部分称为小数频偏Δf_f，其会破坏子载波的正交性，引起子载波干扰，导致系统误码上升。通常情况下，需在时域首先进行小数频偏估计并补偿，以消除小数频偏引起的子载波间干扰后，再在频域进行整数频偏估计和补偿。

在广播电视系统中，由于频谱资源非常珍贵，系统带宽一般都比较窄。此外，由于长距离传输的信道环境非常恶劣，系统必须对抗较大的时延扩展，故系统子载波数目一般比较多，因而每个子载波间隔都比较小。这样，系统接收方的载波频率偏差一般都大于子载波间隔，需要对系统分为整数载波频偏与小数载波频偏分别进行估计。其中：

对于小数频偏，主要是利用相关特性来进行估计，如基于前导序列的延时相关方法等，该方法的主要问题是运算量大、功耗高，而便携式终端设备对功耗又非常敏感，因此对低功耗设备的设计要求高、难度大。

对于整数频偏，可以利用在频域中插入的离散导频或连续导频进行整数频偏Δf_I估计，整数频偏估计实际上是基于最大似然理论的。由于小数频偏已校正，子载波之间的干扰已基本消除。原来第k′th个子载波由于整数频偏，经FFT解调处理后已经偏移到k′th+Δf_I。设系统中连续导频c_k′其子载波位置k′∈C，则接收到的经解调后的连续导频移动到k∈C+Δf_I。对两个连续的OFDM符号l-1，l，进行共轭相关，求其最大峰值点偏移理想点的位置即整数频偏。但上述方法的缺点在于，该估计过程受噪声与多径衰落现象等干扰的影响较大。尤其是连续导频一般以突发能量发送，这样相关峰值点更加明显，如文献Speth，M.；Fechtel，S.；Fock，G.；Meyr，H.，Optimum receiver design for OFDM-based broadband transmission.II.A case study，IEEE Transactions on Communications，Vol.49，Apr.2001，PP571～578中公式12(即其中x_k为相邻两个OFDM符号连续导频的共轭相关值，C为连续导频的子载波位置，m为连续导频左右滑动的范围)所描述的内容。

此外，还可以采用基于插入的保护段进行整数载波频偏估计。在OFDM系统中，数据子载波与导频载波之和一般都小于FFT长度N，剩下的部分通过填充虚拟子载波来实现。这样在频谱两端就相当于有一个保护段，用以减小与相邻频段的干扰。这里，在每个OFDM符号内有固定子载波不加载任何信息，其发送功率为0，这一段虚拟子载波称为保护段。基于最大似然理论，当数据与导频子载波不在预先设计的滑动窗口内，滑动窗口内的能量达到最小值，此时滑动窗口与理想位置之间的距离就是整数频偏的大小。该算法受滑动窗口宽度和深衰落影响比较大，需要在滑动窗口宽度所导致的复杂度和性能之间做折衷。