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 中國人民解放軍95927部隊(河北 滄州 061000)

張維文(1986-)，男，碩士，研究方向：通信導(dǎo)航電子對抗。

摘要：針對正交頻分復(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符號同步方法。該方法利用重復(fù)共軛對稱的訓(xùn)練序列和改進(jìn)的定時測度與判決方法完成符號定時;利用序列的一致性與頻域差分編碼進(jìn)行頻偏估計。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算復(fù)雜度。

引言

　　OFDM技術(shù)主要應(yīng)用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)，影響著通信電子設(shè)備的發(fā)展。因為OFDM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^[1]，但OFDM的缺點之一是對同步偏移十分敏感，包括符號定時偏移(Symbol Timing Offset, STO)與載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset, CFO)。對于OFDM系統(tǒng)而言，STO會引起符號間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，而CFO則會導(dǎo)致子載波間干擾^[2](Inter-Carrier Interference, ICI)。OFDM可通過循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)減輕，甚至消除ISI，但這主要是建立在符號同步的基礎(chǔ)之上。

　　S&C算法利用兩個訓(xùn)練序列完成符號同步，該算法不受多徑干擾與CFO的影響，但其符號定時具有較大的不確定性;Minn算法的定時測度曲線具有較尖銳的峰值，而Park算法在準(zhǔn)確時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)使得定時測度在準(zhǔn)確時刻具有尖銳的峰值^[4]，但在多徑衰落信道中容易引起誤判，同時PN加權(quán)會降低頻偏估計精度;SD Choi算法利用零序列作為保護(hù)間隔以及CAZAC序列的共軛對稱特性完成符號定時[5]，但該算法不能實現(xiàn)頻偏估計;文獻(xiàn)[6]利用重復(fù)共軛對稱結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練序列實現(xiàn)符號同步，但在多徑干擾嚴(yán)重的信道中容易引起誤判;文獻(xiàn)[7]對訓(xùn)練序列的后半部分進(jìn)行PN加權(quán)，該方法同樣會降低頻偏估計精度;文獻(xiàn)[8]將訓(xùn)練序列疊加到數(shù)據(jù)符號上傳輸，雖然提高了傳輸效率，但誤碼率容易受到CP長度與功率分配因子影響，同時在多徑衰落信道中，接收信號與本地序列的相關(guān)性降低;文獻(xiàn)[9]利用改進(jìn)的CAZAC訓(xùn)練序列在時域同時完成符號定時與頻偏估計。

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

1 OFDM信號模型

2 OFDM同步算法

2.1 符號定時算法

　　對于OFDM符號定時算法，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PN序列，則A與B共軛對稱。本文利用該訓(xùn)練序列與改進(jìn)的定時測度以及判決方法實現(xiàn)符號定時。

　　設(shè)時域接收信號為r(n)，OFDM符號采樣點數(shù)為N+N_g。定時算法包含粗符號定時與細(xì)符號定時兩個階段。粗符號定時下的測度函數(shù)為：

　　　針對嚴(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)過修改的定時測度與判決方法，并將該算法稱為增強(qiáng)改進(jìn)定時(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)符號定時下的測度函數(shù)M_f (d)中的P_f (d)修改為：