適用于多徑衰落信道的OFDM同步方法

作者 張維文 李洪梁 趙明 孟德永 崔如心 中國(guó)人民解放軍95927部隊(duì)(河北 滄州 061000)

張維文(1986-)，男，碩士，研究方向：通信導(dǎo)航電子對(duì)抗。

摘要：針對(duì)正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系統(tǒng)在多徑衰落信道中容易受到同步誤差的影響，本文提出了兩種OFDM符號(hào)同步方法。該方法利用重復(fù)共軛對(duì)稱的訓(xùn)練序列和改進(jìn)的定時(shí)測(cè)度與判決方法完成符號(hào)定時(shí);利用序列的一致性與頻域差分編碼進(jìn)行頻偏估計(jì)。分析與仿真結(jié)果表明，在多徑衰落信道中與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方法具有更好的同步性能和較低的計(jì)算復(fù)雜度。

引言

　　OFDM技術(shù)主要應(yīng)用于軍用的無(wú)線高頻通信系統(tǒng)，影響著通信電子設(shè)備的發(fā)展。因?yàn)镺FDM具有較高的頻譜利用率與較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落能力等優(yōu)點(diǎn)^[1]，但OFDM的缺點(diǎn)之一是對(duì)同步偏移十分敏感，包括符號(hào)定時(shí)偏移(Symbol Timing Offset, STO)與載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset, CFO)。對(duì)于OFDM系統(tǒng)而言，STO會(huì)引起符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，而CFO則會(huì)導(dǎo)致子載波間干擾^[2](Inter-Carrier Interference, ICI)。OFDM可通過(guò)循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)減輕，甚至消除ISI，但這主要是建立在符號(hào)同步的基礎(chǔ)之上。

　　S&C算法利用兩個(gè)訓(xùn)練序列完成符號(hào)同步，該算法不受多徑干擾與CFO的影響，但其符號(hào)定時(shí)具有較大的不確定性;Minn算法的定時(shí)測(cè)度曲線具有較尖銳的峰值，而Park算法在準(zhǔn)確時(shí)刻具有脈沖形狀的尖峰[3]，但這兩種算法都具有較高的旁瓣，特別是在多徑衰落信道中容易引起誤判;GL Ren算法利用恒包絡(luò)零自相關(guān)(Constant Amplitude Zero Auto Correlation, CAZAC)序列與偽噪聲(Pseudo-Noise, PN)序列加權(quán)使得定時(shí)測(cè)度在準(zhǔn)確時(shí)刻具有尖銳的峰值^[4]，但在多徑衰落信道中容易引起誤判，同時(shí)PN加權(quán)會(huì)降低頻偏估計(jì)精度;SD Choi算法利用零序列作為保護(hù)間隔以及CAZAC序列的共軛對(duì)稱特性完成符號(hào)定時(shí)[5]，但該算法不能實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì);文獻(xiàn)[6]利用重復(fù)共軛對(duì)稱結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練序列實(shí)現(xiàn)符號(hào)同步，但在多徑干擾嚴(yán)重的信道中容易引起誤判;文獻(xiàn)[7]對(duì)訓(xùn)練序列的后半部分進(jìn)行PN加權(quán)，該方法同樣會(huì)降低頻偏估計(jì)精度;文獻(xiàn)[8]將訓(xùn)練序列疊加到數(shù)據(jù)符號(hào)上傳輸，雖然提高了傳輸效率，但誤碼率容易受到CP長(zhǎng)度與功率分配因子影響，同時(shí)在多徑衰落信道中，接收信號(hào)與本地序列的相關(guān)性降低;文獻(xiàn)[9]利用改進(jìn)的CAZAC訓(xùn)練序列在時(shí)域同時(shí)完成符號(hào)定時(shí)與頻偏估計(jì)。

　　本文提出的符號(hào)同步方法只需要一個(gè)重復(fù)共軛對(duì)稱的訓(xùn)練序列便能完成符號(hào)定時(shí)與頻偏估計(jì)，不僅對(duì)多徑干擾與CFO具有較強(qiáng)的魯棒性，而且可實(shí)現(xiàn)較大范圍的頻偏估計(jì)與較高的估計(jì)精度。對(duì)提出的同步方法進(jìn)行了理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該符號(hào)同步方法在多徑衰落信道中具有良好的性能。

1 OFDM信號(hào)模型

2 OFDM同步算法

2.1 符號(hào)定時(shí)算法

　　對(duì)于OFDM符號(hào)定時(shí)算法，傳統(tǒng)的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)為[CP,A_N?4,B_N?4,A_N?4,B_N?4]，該訓(xùn)練序列(去除CP)由四部分組成，如果只在偶數(shù)子載波上傳輸實(shí)PN序列，則A與B共軛對(duì)稱。本文利用該訓(xùn)練序列與改進(jìn)的定時(shí)測(cè)度以及判決方法實(shí)現(xiàn)符號(hào)定時(shí)。

　　設(shè)時(shí)域接收信號(hào)為r(n)，OFDM符號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)為N+N_g。定時(shí)算法包含粗符號(hào)定時(shí)與細(xì)符號(hào)定時(shí)兩個(gè)階段。粗符號(hào)定時(shí)下的測(cè)度函數(shù)為：

　　　針對(duì)嚴(yán)重復(fù)雜的多徑衰落信道，本文提出了另一種算法，其使用一種新的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過(guò)修改的定時(shí)測(cè)度與判決方法，并將該算法稱為增強(qiáng)改進(jìn)定時(shí)(Enhanced ImprovedTiming, EIT)算法。

　　新的訓(xùn)練序列由傳統(tǒng)訓(xùn)練序列加上后綴-A得到，其結(jié)構(gòu)為[CP,A_N?4,B_N?4,A_N?4,B_N?4,-A_N?4]，并將細(xì)符號(hào)定時(shí)下的測(cè)度函數(shù)M_f (d)中的P_f (d)修改為：