[发明专利]带有时变直流偏移的OFDM系统的载波频率偏移估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种带有时变直流偏移的正交分频复用系统的载波频率偏移估计方法。

背景技术

在无线通信中，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)技术是一种很有前途的技术，具有高效的频谱利用，对信道的多径衰落具有鲁棒性，并且可以基于快速傅立叶变换(FFT)和逆FFT(IFFT)简单实现，因此已经被新兴的无线系统广泛采用，诸如数字音频广播(DAB)，数字视频广播(DVB)，无线局域网络(WLAN)，3GPP长期演进(LTE)等。

但是，OFDM在实际应用中很容易受到各种干扰的影响。载波频率偏移(CFO)是人们最为熟悉的OFDM干扰之一。它会产生载波间干扰(ICI)，从而降低OFDM的性能。为了减少负面影响，在OFDM的接收过程中需要对CFO进行估计和相应的补偿。现有技术提供的OFDM系统的CFO估计一般采用最大似然(ML)估计，这种方法用于在加性高斯白噪声(AWGN)信道中OFDM系统的CFO估计，而在多径色散信道中其性能将恶化。进一步地，现有技术还提出了一种盲CFO估计方法，经证实它的性能等效于衰落信道中最大似然的盲CFO估计。

除CFO以外，OFDM也可能受到其他干扰的影响，比如直流偏移(DCO)。近几年，为了节约成本和功耗效率，移动接收器架构已经从超外差演化到直接变频。DCO是直接变频式接收机(DCR)的一种最常见的干扰。它来自本地振荡器(LO)信号或射频(RF)信号的自混合，由于混频器输入端口之间有 限的隔离，如在图1所示。在OFDM系统中，DCO不仅降低解调性能，而且也影响CFO估计。OFDM系统中静态DCO的CFO估计已经得到了很好的解决，可以通过模拟高通滤波器(HPF)滤除，或在数字域进行数据辅助的补偿或盲补偿。除了静态DCO，DCR还可以引入随时间变化的DCO(TV-DCO)。在OFDM系统中，为了覆盖衰落OFDM信号的高动态范围，DCR通常采用多种增益模式的低噪声放大器(LNA)。在图2中所示的增益模式开关阶段期间，DCO电平可能突变，而突变的高频分量可通过低噪声放大器(LNA)后的HPF，这导致了时变直流偏移(TV-DCO)的产生。只有少数研究涉及带有TV-DCO的OFDM系统的CFO估计。现有技术提出用差分滤波器(DFE)抑制TV-DCO对CFO估计的影响。此外，还提出最小二乘估计(LSE)算法，这种算法的性能比DFE更好，但具有较高的计算量。DFE和LSE算法可以分别扩展用于解决TV-DCO和同相/正交(I/Q)不平衡的OFDM系统的CFO估计。图1展示了DCR中DCO的产生。图2展示了在LNA增益模式切换阶段TV-DCO的产生。目前已有对于带有TV-DCO的OFDM系统进行CFO估计的算法，例如DFE和LSE，均为数据辅助算法。它们依赖于传输的训练序列，从而降低了有效数据传输速率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带有时变直流偏移的OFDM系统的载波频率偏移估计方法，其估计方法准确性高，误差小。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种带有时变直流偏移的OFDM系统的载波频率偏移估计方法，包括：

建立带有CFO和TV-DCO的OFDM系统的数学模型，其中，CFO表示载波频率偏移，DCO表示直流偏移，TV-DCO表示随时间变化的直流偏移，所述数学模型表示为r_N(m)＝P_N(ε)U_Nx_K(m)+I_Na(m)+c_Nb(m)+w_N(m)；

通过DCO补偿和功率泄漏最小化的方法估计CFO。

所述建立带有CFO和TV-DCO的OFDM系统的数学模型中：

接收到的矢量样本为：其中，m表示第m个OFDM块；

实子载波为：其中，S(k,m)是映射到第m个OFDM块的第k个子载波的调制码元；H(k,m)是相应频域信道的响应，φ(m)表示一个累积的相位偏移；

噪声符号为：其中，T表示矩阵的转置， 和分别表示长度为N的全1向量和长度为N的线性矢量，P_N(ε)表示ε引起的增量相位偏移，ε表示子载波间隔归一化的CFO。

实子载波的离散傅里叶逆变换(IDFT)用一个N×K阶的矩阵U_N表示，其中第(n,l)项的输入是u_l∈C_r