專利名稱：一種分級并行頻率捕獲方法
技術領域：
本發明涉及頻率捕獲技術，屬于信息技術領域。
背景技術：
正交頻分復用OFDM(Othogonal Frequency Division Multiplexing)技術的概念可以追溯到上個世紀的50年代末，主要應用在軍事通信中。由于該系統的結構復雜，早期的應用得到了限制。直到80年代中期，隨著數字信號處理技術的大規模集成電路的發展，正交頻分復用OFDM技術才走向實用化。如今，正交頻分復用OFDM在非對稱數字用戶線路ADSL，甚高速數字用戶線路VDSL，數字音頻廣播DAB，數字視頻廣播DVB以及無線局域網WLAN中得到了成功的應用，并已逐漸深入到無線信道的寬帶傳輸中。
正交頻分復用OFDM技術的原理就是把頻域信道分成許多個相互正交的子信道，然后將數據流并行地調制到各子信道的載波上。由于各子信道的子載波相互正交，頻譜相互交疊，所以大大提高了系統的頻譜利用率。但是在正交頻分復用系統中，存在一個主要的缺陷就是系統對載波頻率偏移很敏感。因為當發射機和接收機之間的載頻偏差將導致接收信號載頻域內的偏移。根據載波頻偏值的大小，可以將載波頻偏分為整數級頻偏和分數級頻偏。其中，整數級頻偏是指載波頻偏是子載波頻率間隔的整數倍。如果正交頻分復用系統存在整數級頻偏，子信道之間仍然能夠保持正交，但是頻率的采樣值卻已經在原來的子載波位置上發生了偏移，從而造成OFDM頻域內符號映射的錯位，使數據符號的誤碼率高達0.5。分數級頻偏是指載波頻率偏差是子載波頻率間隔的分數倍。如果正交頻分復用系統存在分數級頻偏，則子信道之間的正交性就遭到破壞，從而引入了子信道之間的干擾，使得系統的誤碼率性能惡化。因此，頻率同步在正交頻分復用系統的實現中至關重要，它是系統性能優越性充分發揮的重要前提。
頻率同步可以分為頻率捕獲和頻率跟蹤兩個階段。其中，頻率捕獲的目的就是在通信初始時刻盡快的捕獲頻率，并將殘余頻偏控制在頻率跟蹤的收斂范圍內，一般頻率捕獲后的剩余偏頻要求控制在一個子載波頻率間隔的一半以內。而頻率跟蹤的目的就是盡可能的準確估計頻率捕獲后的剩余頻率偏移。可見，頻率捕獲在正交頻分復用OFDM系統的實現過程中非常關鍵，頻率捕獲的成功與否直接決定了OFDM系統在實際傳輸時通信鏈路的建立，因為當接收端捕獲不到實際接收信號的載波頻率，接收機將根本無法正常工作。同時，頻率捕獲的性能也會直接影響OFDM系統的整體性能。因為頻率捕獲后的剩余頻偏大小不但會影響頻率跟蹤收斂的速度，而且也會影響OFDM符號定時的性能。
系統接收機的頻率捕獲主要就是估計接收信號的載波頻率偏移。一般初始的頻率捕獲需要估計較大的整數倍的頻率偏移。在正交頻分復用OFDM系統中，頻率的捕獲既可以在時域完成，也可以在頻域完成。一般正交頻分復用OFDM系統中對于大范圍的頻率捕獲通常時在頻域中完成的，利用接收導頻信號的信息來估計載波的頻率偏移[請參閱M.Speth，S.A.Fechtel，and H.Meyr，”Optimum Receiver Design for OFDM-Based Br_oadbandTransmission——Part IIA case Stduy“，IEEE，Trans.Commun，Vol.49，Nov，2001，pp571-578]。但是這種頻率估計法需要增加一個FFT變換的復雜度，而且頻率估計的精度一般只有0.5倍的子載波頻率間隔。此外，頻域的頻率捕獲法會受OFDM符號定時性能的影響，如果OFDM符號定時不準確，則符號經過FFT解調之后，就會在頻域產生子載域產生子載波間的干擾(ICI)，從而惡化頻率捕獲的性能[請參閱M.Speth，S.A.Fechtel，and H.Meyr，”Optimum Receiver Design for Wireless Broad-Bandsystems Using OFDM——PartI“，IEEE，Trans.Commun，Vol.47，Nov，1999，pp1668-1677]。但是反過來，頻率捕獲的性能又會影響定時估計的性能，如基于互相關算法的定時估計需要克服大的整數倍的頻率偏移的干擾。時域的頻率捕獲方法的特點是頻率捕獲很及時，通常采用最多的就是基于同步訓練符號自相關相位檢測法[請參閱T.M.Schmidle andD.C.Cox，”Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM”IEEETrans.Commun.Vol.45，No.12，DEC，1997，pp1613-1621；T.Keller，L.Piazzo，P.Mandarini，and L.Hanzo，”Orthogonal Frequency Division MultiplexSynchronization Techniques for Frequency-Selective Fading Channals”，IEEE journalon selected areas in communications，Vol.19，No.6，Jun，2001，pp999-1008]。這種頻率估計法的精度很高，如果接收信噪比不是很低，則頻率估計的精度將遠小于0.5。但是由于相位估計存在周期性的模糊性，則由此估計的頻率也是有范圍限制。所以，該頻率估計法的一個最大缺點就是頻率估計的范圍受限。如果時域的頻率捕獲法需要擴大頻率的捕獲范圍，就要采用傳統的頻率試錯法或頻率搜索法[請參閱F.Classen and H.Meyr，”synchronizationalgorithms for an OFDM system for mobile communication，”ITG-Fachtangung，pp.105-113，Oct，16-28，1994]。但是這種頻率捕獲的捕獲時間和頻率試錯法的實現結構有關。如果采用串行的實現結構，則實現復雜度較低，但是頻率捕獲的時間較長；如果采用并行的實現結構，則頻率捕獲的時間較短，但是實現復雜度較高。
發明內容
頻率捕獲考察的主要指標是捕獲時間的復雜度。在正交頻分復用系統中，為了在時域能夠快速在捕獲較大的載波頻偏，同時又盡量簡化實現的復雜度，本發明提供了一種分級并行的頻率搜索方法。與傳統的單級并行頻率捕獲方法相比，分級并行的頻率捕獲方法不但可以加快頻率大范圍捕獲的速度，而且又降低了頻率捕獲的實現復雜度，簡化了OFDM系統接收機的實現結構。同時，這種分級并行的頻率捕獲方法可以應用到OFDM系統、單載波MC_CDMA，MIMO等其它通信系統中。
所謂的分級并行的頻率捕獲就是一種多級可變步長的頻率捕獲方法。頻率捕獲是按照分級的思想采用先粗后細的頻率搜索完成的。第一級搜索的范圍需要覆蓋整個頻率搜索的范圍，它的特點就是搜索范圍大，但是搜索的結果很粗略。而第二級搜索是在第一級搜索的結果附近再次精細搜索，它的特點是頻率搜索的分辨率要比第一級搜索高，但是搜索的范圍小。這種分級的頻率搜索方法其實就是整合了以上兩種不同頻率搜索法的優勢，使得頻率搜索的整體性能和實現整體復雜度能夠達到平衡。分級搜索中的搜索步長是根據搜索的粗細而變化的。在第一級搜索時需要加大搜索步長，而在第二級搜索時需要縮小搜索步長，第二級搜索的步長決定了最終頻率搜索的精度。
一種分級并行頻率捕獲方法，包括首先進行第一級搜索，范圍覆蓋整個頻率搜索的范圍；其次在第一級搜索的結果附近進行第二級搜索；最后將第一級搜索的結果和二級搜索的結果進行比較得到最終的頻率。
進一步搜索的準則是采用最大相關準則，當接收信號分別于相應參考序列的所有序列相關后，比較各相關器的輸出值，選取最大的相關值作為搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值和對應參考序列的頻偏值。
第一級的搜索步長設為2*m，第二級的搜索步長設為m，實際估計的最大載波頻偏為±nHz，第一級的搜索將接收信號輸入到第一級多路相關器組中進行粗略搜索，搜索范圍定為(-n+m)~(n-m)，搜索的步長是2*m，則第一組參考序列的對應的頻偏值就取在(-n+m)~(n-m)的頻偏范圍內，以2*m為間隔的點上，當接收信號分別于第一組參考序列的所有序列相關后，比較各相關器的輸出值，選取最大的相關值作為粗搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值V1和對應參考序列的頻偏值f1；
第一級搜索時頻率搜索同時并行n/m路；第二級的搜索如果第一級搜索后得到的頻率是f1，則第二級搜索就是在頻偏值范圍為(f1-m，f1+m)的區域內以m的步長進行搜索；將接收信號輸入到第二級多路相關器組中進行搜索，第二組參考序列對應的頻偏值就分別取f1-m和f1+m；比較相關器的輸出值，選取最大的相關值作為細搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值V2和對應參考序列的頻偏值f2；第二級搜索時頻率搜索并行2路；所述的將第一級搜索的結果和第二級搜索的結果進行比較是指若第一級搜索后取到頻偏值為f1，第二級搜索又在頻偏值為(f1-m，f1+m)的搜索中取得頻偏值f2，將頻偏f1對應的相關值V1和頻偏f2對應的相關值V2再做一次比較，選取相關值較大的頻偏值作為最終的分級搜索后得到的頻偏值。
本發明分級并行頻率捕獲法，在采用頻率試錯法或頻率搜索法捕獲頻率時，接收端可以根據實際的頻率捕獲要求，靈活的配置頻率搜索的級數和步長。同時，為了進一步提高捕獲頻率的精度，實際頻率估計時可以結合常用的訓練符號自相關相位檢測法。因為該方法不但頻率估計的精度很高，而且實現的復雜度很低，可以作為頻率捕獲的一種輔助方法來提高頻率估計的精度。這樣在載波頻率捕獲后，剩余的載波頻偏很容易就控制在頻率跟蹤的范圍之內。
圖1是同步訓練符號的一般時域結構示意圖；圖2是頻率捕獲的一般流程示意圖；圖3是本發明一種實施例多路并行相關器捕獲載波頻偏結構示意圖；圖4是本發明一種實施例的分級并行的頻率捕獲方法的原理示意圖。
具體實施例方式
在實際的正交頻分復用OFDM系統中采用并行的頻率試錯法或頻率搜索法實現頻率捕獲，首要的任務就是要降低頻率試錯法或頻率搜索法的實現復雜度，特別是在載波頻率偏移很大的時候，這種頻率捕獲方法需要實現復雜度控制在接收機可接受的范圍內。在傳統的單級并行的頻率捕獲中，影響復雜度的因素主要取決于嘗試頻率或搜索頻率的數目和嘗試步長或搜索步長的大小。本發明提供了一種低復雜度的分級并行的頻率捕獲法，將通常采用的單級定步長頻率捕獲機制，變成多級可變步長的頻率捕獲。這種分級并行的頻率捕獲法不但在實現上要比傳統單級并行的捕獲法復雜度低，而且頻率捕獲的實現結構變得非常的靈活，它可以根據不同的頻率捕獲范圍，選擇不同的并行級數和不同的捕獲步長來控制實現的復雜度。
請參閱附圖1-4，假設頻率捕獲采用兩級的分級并行搜索法。第一級的搜索步長設為2*m，第二級的搜索步長設為m。實際估計的最大載波頻偏為±nHz(一般可以預先設定n為m的整數倍大小)，結合附圖4描述具體的頻率搜索過程如下1)首先是進行第一級的粗搜索。將接收信號輸入到第一級多路相關器組中進行粗略搜索，此時，第一級的粗搜索范圍定為(-n+m)~(n-m)，搜索的步長是2*m，則第一組參考序列的對應的頻偏值就取在(-n+m)~(n-m)的頻偏范圍內，以2*m為間隔的點上。在采用并行搜索的模式下，此時的頻率粗搜索需要并行n/m路。搜索的準則是采用最大相關準則，也等效于采用最大似然準測。當接收信號分別于第一組參考序列的所有序列相關后，比較各相關器的輸出值，選取最大的相關值作為粗搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值V1和對應參考序列的頻偏值f1。
2)當粗搜索完成后，接著就在粗估計的頻率附近進行第二級的細搜索。如果粗搜索后得到的頻率是f1，則細搜索就是在頻偏值范圍為(f1-m，f1+m)的區域內以m的步長進行搜索。此時頻率細搜索只需要并行2路，因為在頻率f1處粗搜索已經作了判斷，所以在細搜索時沒有必要再重復了。將接收信號輸入到第二級多路相關器組中進行細搜索，細搜索的方法與粗搜索方法是一樣的，只是選用的參考序列不同，此時的第二組參考序列對應的頻偏值就分別取f1-m和f1+m。比較2路相關器的輸出值，也選取最大的相關值作為細搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值V2和對應參考序列的頻偏值f2。
3)最后，將粗搜索的結果和細搜索的結果進行比較。例如，粗搜索后取到頻偏值f1，細搜索又在頻偏值為(f1-m，f1+m)的搜索中取得頻偏值f2，將頻偏f1對應的相關值V1和頻偏f2對應的相關值V2再做一次比較，選取相關值較大的頻偏值作為最終的分級搜索后得到的頻偏值。這樣就完成了整個搜索過程。
采用上述分級并行的頻率捕獲法總共所需的頻率搜索次數是2+n/m，即并行搜索的路數就是2+n/m。如果采用傳統的單級并行的頻率捕獲法，在搜索精度都為m的條件下，總共所需的頻率搜索次數是2*n/m+1，即并行的路數是2*n/m+1，這幾乎是分級并行搜索法的兩倍。由此可見，采用分級并行的頻率捕獲法，在頻率搜索精度相同的前提下，接收端并行的路數要比傳統的單級并行時所需的并行路數減少幾乎一半，這大大降低了接收機的實現復雜度。
假設正交頻分復用OFDM系統采用3.5M系統帶寬，子載波的數目是256，則子信道的帶寬是44.53KHz。如果實際的載波頻率偏移最大為70KHz，則頻率捕獲需要估計的最大頻率范圍是(-6，6)。同步訓練符號采用IEEE 802.16d的規定的結構形式。采用頻率搜索法并行捕獲頻率，頻率搜索分為兩級，第一級的粗搜索步長為4，第二級的細搜索步長為2。操作步驟如下1)頻率第一級搜索。第一級的頻率粗搜索范圍是(-4，0，4)。頻率第一級搜索采用接收的同步訓練符號與本地參考序列并行互相關，其中參考序列分別經過了頻偏為-4，0，4的相位旋轉。取互相關峰值最大的參考序列對應的頻偏f1為頻率第一級搜索的結果。
2)頻率第二級搜索。第二級的頻率細搜索的范圍是(f1-2，f1+2)，如果f1＝0的話，則第二級搜索的范圍就是(-2，2)，第二級搜索的步長是2，此時只需兩路并行搜索即可，對于頻率f1不再重復搜索。第二級搜索的方法與第一級搜索的方法是一樣的，也是接收的同步訓練符號與本地參考序列并行互相關，只是此時的參考序列旋轉的相位是由頻率f1-2和f1+2產生的。最后取互相關最大值得到的頻率就是第二級搜索得到的頻率。
3)將第一級搜索得到的頻率f1和第二級搜索得到的頻率f2進行比較。即將頻率f1的對應的互相關值和頻率f2對應的互相關值比較后取最大值，由此選定的頻率就是最終分級搜索到的頻率。
4)由于頻率第二級搜索的步長為2，則分級搜索的最終搜索精度為2。理論上，搜索得到的頻率估計相比實際的載波頻偏還存在(-1，1)的殘留頻偏誤差。為了將剩余的頻偏控制在頻率跟蹤的收斂區域內(一般至少為0.5)，可以結合采用常用的訓練符號自相關相位檢測法估計剩余頻偏。通過將搜索得到的頻率直接補償到接收的同步訓練符號后，對同步訓練符號自相關后，由相關值的相位信息來估計剩余頻偏。
權利要求
1.一種分級并行頻率捕獲方法，其特征在于包括首先進行第一級搜索，范圍覆蓋整個頻率搜索的范圍；其次在第一級搜索的結果附近進行第二級搜索；最后將第一級搜索的結果和二級搜索的結果進行比較得到最終的頻率。
2.根據權利要求1所述的分級并行頻率捕獲方法，其特征在于搜索的準則是采用最大相關準則，當接收信號分別于相應參考序列的所有序列相關后，比較各相關器的輸出值，選取最大的相關值作為搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值和對應參考序列的頻偏值。
3.根據權利要求1所述的分級并行頻率捕獲方法，其特征在于第一級的搜索步長設為2*m，第二級的搜索步長設為m，實際估計的最大載波頻偏為±nHz，第一級的搜索將接收信號輸入到第一級多路相關器組中進行粗略搜索，搜索范圍定為(-n+m)~(n-m)，搜索的步長是2*m，則第一組參考序列的對應的頻偏值就取在(-n+m)~(n-m)的頻偏范圍內，以2*m為間隔的點上，當接收信號分別于第一組參考序列的所有序列相關后，比較各相關器的輸出值，選取最大的相關值作為粗搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值V1和對應參考序列的頻偏值f1。
4.根據權利要求3所述的分級并行頻率捕獲方法，其特征在于第一級搜索時頻率搜索同時并行n/m路。
5.根據權利要求1所述的分級并行頻率捕獲方法，其特征在于第二級的搜索如果第一級搜索后得到的頻率是f1，則第二級搜索就是在頻偏值范圍為(f1-m，f1+m)的區域內以m的步長進行搜索；將接收信號輸入到第二級多路相關器組中進行搜索，第二組參考序列對應的頻偏值就分別取f1-m和f1+m；比較相關器的輸出值，選取最大的相關值作為細搜索的結果，并分別記錄下得到的最大相關值V2和對應參考序列的頻偏值f2。
6.根據權利要求5所述的分級并行頻率捕獲方法，其特征在于第二級搜索時頻率搜索并行2路。
7.根據權利要求1所述的分級并行頻率捕獲方法，其特征在于所述的將第一級搜索的結果和第二級搜索的結果進行比較是指若第一級搜索后取到頻偏值為f1，第二級搜索又在頻偏值為(f1-m，f1+m)的搜索中取得頻偏值f2，將頻偏f1對應的相關值V1和頻偏f2對應的相關值V2再做一次比較，選取相關值較大的頻偏值作為最終的分級搜索后得到的頻偏值。
全文摘要
一種分級并行頻率捕獲方法，包括首先進行第一級搜索，范圍覆蓋整個頻率搜索的范圍；其次在第一級搜索的結果附近進行第二級搜索；最后將第一級搜索的結果和二級搜索的結果進行比較得到最終的頻率；本發明分級并行頻率捕獲法，在采用頻率試錯法或頻率搜索法捕獲頻率時，接收端可以根據實際的頻率捕獲要求，靈活的配置頻率搜索的級數和步長。同時，為了提高捕獲頻率的精度，實際頻率估計時可以結合常用的訓練符號自相關相位檢測法，可以作為頻率捕獲的一種輔助方法來提高頻率估計的精度，這樣在載波頻率捕獲后，剩余的載波頻偏很容易就控制在頻率跟蹤的范圍之內。
文檔編號H04L27/26GK1855905SQ20051002562
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月29日 優先權日2005年4月29日
發明者周平, 張小東, 李明齊, 卜智勇 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 上海無線通信研究中心