专利名称：一种分级并行频率捕获方法
技术领域：
本发明涉及频率捕获技术，属于信息技术领域。
背景技术：
正交频分复用OFDM(Othogonal Frequency Division Multiplexing)技术的概念可以追溯到上个世纪的50年代末，主要应用在军事通信中。由于该系统的结构复杂，早期的应用得到了限制。直到80年代中期，随着数字信号处理技术的大规模集成电路的发展，正交频分复用OFDM技术才走向实用化。如今，正交频分复用OFDM在非对称数字用户线路ADSL，甚高速数字用户线路VDSL，数字音频广播DAB，数字视频广播DVB以及无线局域网WLAN中得到了成功的应用，并已逐渐深入到无线信道的宽带传输中。
正交频分复用OFDM技术的原理就是把频域信道分成许多个相互正交的子信道，然后将数据流并行地调制到各子信道的载波上。由于各子信道的子载波相互正交，频谱相互交叠，所以大大提高了系统的频谱利用率。但是在正交频分复用系统中，存在一个主要的缺陷就是系统对载波频率偏移很敏感。因为当发射机和接收机之间的载频偏差将导致接收信号载频域内的偏移。根据载波频偏值的大小，可以将载波频偏分为整数级频偏和分数级频偏。其中，整数级频偏是指载波频偏是子载波频率间隔的整数倍。如果正交频分复用系统存在整数级频偏，子信道之间仍然能够保持正交，但是频率的采样值却已经在原来的子载波位置上发生了偏移，从而造成OFDM频域内符号映射的错位，使数据符号的误码率高达0.5。分数级频偏是指载波频率偏差是子载波频率间隔的分数倍。如果正交频分复用系统存在分数级频偏，则子信道之间的正交性就遭到破坏，从而引入了子信道之间的干扰，使得系统的误码率性能恶化。因此，频率同步在正交频分复用系统的实现中至关重要，它是系统性能优越性充分发挥的重要前提。
频率同步可以分为频率捕获和频率跟踪两个阶段。其中，频率捕获的目的就是在通信初始时刻尽快的捕获频率，并将残余频偏控制在频率跟踪的收敛范围内，一般频率捕获后的剩余偏频要求控制在一个子载波频率间隔的一半以内。而频率跟踪的目的就是尽可能的准确估计频率捕获后的剩余频率偏移。可见，频率捕获在正交频分复用OFDM系统的实现过程中非常关键，频率捕获的成功与否直接决定了OFDM系统在实际传输时通信链路的建立，因为当接收端捕获不到实际接收信号的载波频率，接收机将根本无法正常工作。同时，频率捕获的性能也会直接影响OFDM系统的整体性能。因为频率捕获后的剩余频偏大小不但会影响频率跟踪收敛的速度，而且也会影响OFDM符号定时的性能。
系统接收机的频率捕获主要就是估计接收信号的载波频率偏移。一般初始的频率捕获需要估计较大的整数倍的频率偏移。在正交频分复用OFDM系统中，频率的捕获既可以在时域完成，也可以在频域完成。一般正交频分复用OFDM系统中对于大范围的频率捕获通常时在频域中完成的，利用接收导频信号的信息来估计载波的频率偏移[请参阅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]。但是这种频率估计法需要增加一个FFT变换的复杂度，而且频率估计的精度一般只有0.5倍的子载波频率间隔。此外，频域的频率捕获法会受OFDM符号定时性能的影响，如果OFDM符号定时不准确，则符号经过FFT解调之后，就会在频域产生子载域产生子载波间的干扰(ICI)，从而恶化频率捕获的性能[请参阅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]。但是反过来，频率捕获的性能又会影响定时估计的性能，如基于互相关算法的定时估计需要克服大的整数倍的频率偏移的干扰。时域的频率捕获方法的特点是频率捕获很及时，通常采用最多的就是基于同步训练符号自相关相位检测法[请参阅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]。这种频率估计法的精度很高，如果接收信噪比不是很低，则频率估计的精度将远小于0.5。但是由于相位估计存在周期性的模糊性，则由此估计的频率也是有范围限制。所以，该频率估计法的一个最大缺点就是频率估计的范围受限。如果时域的频率捕获法需要扩大频率的捕获范围，就要采用传统的频率试错法或频率搜索法[请参阅F.Classen and H.Meyr，”synchronizationalgorithms for an OFDM system for mobile communication，”ITG-Fachtangung，pp.105-113，Oct，16-28，1994]。但是这种频率捕获的捕获时间和频率试错法的实现结构有关。如果采用串行的实现结构，则实现复杂度较低，但是频率捕获的时间较长；如果采用并行的实现结构，则频率捕获的时间较短，但是实现复杂度较高。
发明内容
频率捕获考察的主要指标是捕获时间的复杂度。在正交频分复用系统中，为了在时域能够快速在捕获较大的载波频偏，同时又尽量简化实现的复杂度，本发明提供了一种分级并行的频率搜索方法。与传统的单级并行频率捕获方法相比，分级并行的频率捕获方法不但可以加快频率大范围捕获的速度，而且又降低了频率捕获的实现复杂度，简化了OFDM系统接收机的实现结构。同时，这种分级并行的频率捕获方法可以应用到OFDM系统、单载波MC_CDMA，MIMO等其它通信系统中。
所谓的分级并行的频率捕获就是一种多级可变步长的频率捕获方法。频率捕获是按照分级的思想采用先粗后细的频率搜索完成的。第一级搜索的范围需要覆盖整个频率搜索的范围，它的特点就是搜索范围大，但是搜索的结果很粗略。而第二级搜索是在第一级搜索的结果附近再次精细搜索，它的特点是频率搜索的分辨率要比第一级搜索高，但是搜索的范围小。这种分级的频率搜索方法其实就是整合了以上两种不同频率搜索法的优势，使得频率搜索的整体性能和实现整体复杂度能够达到平衡。分级搜索中的搜索步长是根据搜索的粗细而变化的。在第一级搜索时需要加大搜索步长，而在第二级搜索时需要缩小搜索步长，第二级搜索的步长决定了最终频率搜索的精度。
一种分级并行频率捕获方法，包括首先进行第一级搜索，范围覆盖整个频率搜索的范围；其次在第一级搜索的结果附近进行第二级搜索；最后将第一级搜索的结果和二级搜索的结果进行比较得到最终的频率。
进一步搜索的准则是采用最大相关准则，当接收信号分别于相应参考序列的所有序列相关后，比较各相关器的输出值，选取最大的相关值作为搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值和对应参考序列的频偏值。
第一级的搜索步长设为2*m，第二级的搜索步长设为m，实际估计的最大载波频偏为±nHz，第一级的搜索将接收信号输入到第一级多路相关器组中进行粗略搜索，搜索范围定为(-n+m)~(n-m)，搜索的步长是2*m，则第一组参考序列的对应的频偏值就取在(-n+m)~(n-m)的频偏范围内，以2*m为间隔的点上，当接收信号分别于第一组参考序列的所有序列相关后，比较各相关器的输出值，选取最大的相关值作为粗搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值V1和对应参考序列的频偏值f1；
第一级搜索时频率搜索同时并行n/m路；第二级的搜索如果第一级搜索后得到的频率是f1，则第二级搜索就是在频偏值范围为(f1-m，f1+m)的区域内以m的步长进行搜索；将接收信号输入到第二级多路相关器组中进行搜索，第二组参考序列对应的频偏值就分别取f1-m和f1+m；比较相关器的输出值，选取最大的相关值作为细搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值V2和对应参考序列的频偏值f2；第二级搜索时频率搜索并行2路；所述的将第一级搜索的结果和第二级搜索的结果进行比较是指若第一级搜索后取到频偏值为f1，第二级搜索又在频偏值为(f1-m，f1+m)的搜索中取得频偏值f2，将频偏f1对应的相关值V1和频偏f2对应的相关值V2再做一次比较，选取相关值较大的频偏值作为最终的分级搜索后得到的频偏值。
本发明分级并行频率捕获法，在采用频率试错法或频率搜索法捕获频率时，接收端可以根据实际的频率捕获要求，灵活的配置频率搜索的级数和步长。同时，为了进一步提高捕获频率的精度，实际频率估计时可以结合常用的训练符号自相关相位检测法。因为该方法不但频率估计的精度很高，而且实现的复杂度很低，可以作为频率捕获的一种辅助方法来提高频率估计的精度。这样在载波频率捕获后，剩余的载波频偏很容易就控制在频率跟踪的范围之内。
图1是同步训练符号的一般时域结构示意图；图2是频率捕获的一般流程示意图；图3是本发明一种实施例多路并行相关器捕获载波频偏结构示意图；图4是本发明一种实施例的分级并行的频率捕获方法的原理示意图。
具体实施例方式
在实际的正交频分复用OFDM系统中采用并行的频率试错法或频率搜索法实现频率捕获，首要的任务就是要降低频率试错法或频率搜索法的实现复杂度，特别是在载波频率偏移很大的时候，这种频率捕获方法需要实现复杂度控制在接收机可接受的范围内。在传统的单级并行的频率捕获中，影响复杂度的因素主要取决于尝试频率或搜索频率的数目和尝试步长或搜索步长的大小。本发明提供了一种低复杂度的分级并行的频率捕获法，将通常采用的单级定步长频率捕获机制，变成多级可变步长的频率捕获。这种分级并行的频率捕获法不但在实现上要比传统单级并行的捕获法复杂度低，而且频率捕获的实现结构变得非常的灵活，它可以根据不同的频率捕获范围，选择不同的并行级数和不同的捕获步长来控制实现的复杂度。
请参阅附图1-4，假设频率捕获采用两级的分级并行搜索法。第一级的搜索步长设为2*m，第二级的搜索步长设为m。实际估计的最大载波频偏为±nHz(一般可以预先设定n为m的整数倍大小)，结合附图4描述具体的频率搜索过程如下1)首先是进行第一级的粗搜索。将接收信号输入到第一级多路相关器组中进行粗略搜索，此时，第一级的粗搜索范围定为(-n+m)~(n-m)，搜索的步长是2*m，则第一组参考序列的对应的频偏值就取在(-n+m)~(n-m)的频偏范围内，以2*m为间隔的点上。在采用并行搜索的模式下，此时的频率粗搜索需要并行n/m路。搜索的准则是采用最大相关准则，也等效于采用最大似然准测。当接收信号分别于第一组参考序列的所有序列相关后，比较各相关器的输出值，选取最大的相关值作为粗搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值V1和对应参考序列的频偏值f1。
2)当粗搜索完成后，接着就在粗估计的频率附近进行第二级的细搜索。如果粗搜索后得到的频率是f1，则细搜索就是在频偏值范围为(f1-m，f1+m)的区域内以m的步长进行搜索。此时频率细搜索只需要并行2路，因为在频率f1处粗搜索已经作了判断，所以在细搜索时没有必要再重复了。将接收信号输入到第二级多路相关器组中进行细搜索，细搜索的方法与粗搜索方法是一样的，只是选用的参考序列不同，此时的第二组参考序列对应的频偏值就分别取f1-m和f1+m。比较2路相关器的输出值，也选取最大的相关值作为细搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值V2和对应参考序列的频偏值f2。
3)最后，将粗搜索的结果和细搜索的结果进行比较。例如，粗搜索后取到频偏值f1，细搜索又在频偏值为(f1-m，f1+m)的搜索中取得频偏值f2，将频偏f1对应的相关值V1和频偏f2对应的相关值V2再做一次比较，选取相关值较大的频偏值作为最终的分级搜索后得到的频偏值。这样就完成了整个搜索过程。
采用上述分级并行的频率捕获法总共所需的频率搜索次数是2+n/m，即并行搜索的路数就是2+n/m。如果采用传统的单级并行的频率捕获法，在搜索精度都为m的条件下，总共所需的频率搜索次数是2*n/m+1，即并行的路数是2*n/m+1，这几乎是分级并行搜索法的两倍。由此可见，采用分级并行的频率捕获法，在频率搜索精度相同的前提下，接收端并行的路数要比传统的单级并行时所需的并行路数减少几乎一半，这大大降低了接收机的实现复杂度。
假设正交频分复用OFDM系统采用3.5M系统带宽，子载波的数目是256，则子信道的带宽是44.53KHz。如果实际的载波频率偏移最大为70KHz，则频率捕获需要估计的最大频率范围是(-6，6)。同步训练符号采用IEEE 802.16d的规定的结构形式。采用频率搜索法并行捕获频率，频率搜索分为两级，第一级的粗搜索步长为4，第二级的细搜索步长为2。操作步骤如下1)频率第一级搜索。第一级的频率粗搜索范围是(-4，0，4)。频率第一级搜索采用接收的同步训练符号与本地参考序列并行互相关，其中参考序列分别经过了频偏为-4，0，4的相位旋转。取互相关峰值最大的参考序列对应的频偏f1为频率第一级搜索的结果。
2)频率第二级搜索。第二级的频率细搜索的范围是(f1-2，f1+2)，如果f1＝0的话，则第二级搜索的范围就是(-2，2)，第二级搜索的步长是2，此时只需两路并行搜索即可，对于频率f1不再重复搜索。第二级搜索的方法与第一级搜索的方法是一样的，也是接收的同步训练符号与本地参考序列并行互相关，只是此时的参考序列旋转的相位是由频率f1-2和f1+2产生的。最后取互相关最大值得到的频率就是第二级搜索得到的频率。
3)将第一级搜索得到的频率f1和第二级搜索得到的频率f2进行比较。即将频率f1的对应的互相关值和频率f2对应的互相关值比较后取最大值，由此选定的频率就是最终分级搜索到的频率。
4)由于频率第二级搜索的步长为2，则分级搜索的最终搜索精度为2。理论上，搜索得到的频率估计相比实际的载波频偏还存在(-1，1)的残留频偏误差。为了将剩余的频偏控制在频率跟踪的收敛区域内(一般至少为0.5)，可以结合采用常用的训练符号自相关相位检测法估计剩余频偏。通过将搜索得到的频率直接补偿到接收的同步训练符号后，对同步训练符号自相关后，由相关值的相位信息来估计剩余频偏。
权利要求
1.一种分级并行频率捕获方法，其特征在于包括首先进行第一级搜索，范围覆盖整个频率搜索的范围；其次在第一级搜索的结果附近进行第二级搜索；最后将第一级搜索的结果和二级搜索的结果进行比较得到最终的频率。
2.根据权利要求1所述的分级并行频率捕获方法，其特征在于搜索的准则是采用最大相关准则，当接收信号分别于相应参考序列的所有序列相关后，比较各相关器的输出值，选取最大的相关值作为搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值和对应参考序列的频偏值。
3.根据权利要求1所述的分级并行频率捕获方法，其特征在于第一级的搜索步长设为2*m，第二级的搜索步长设为m，实际估计的最大载波频偏为±nHz，第一级的搜索将接收信号输入到第一级多路相关器组中进行粗略搜索，搜索范围定为(-n+m)~(n-m)，搜索的步长是2*m，则第一组参考序列的对应的频偏值就取在(-n+m)~(n-m)的频偏范围内，以2*m为间隔的点上，当接收信号分别于第一组参考序列的所有序列相关后，比较各相关器的输出值，选取最大的相关值作为粗搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值V1和对应参考序列的频偏值f1。
4.根据权利要求3所述的分级并行频率捕获方法，其特征在于第一级搜索时频率搜索同时并行n/m路。
5.根据权利要求1所述的分级并行频率捕获方法，其特征在于第二级的搜索如果第一级搜索后得到的频率是f1，则第二级搜索就是在频偏值范围为(f1-m，f1+m)的区域内以m的步长进行搜索；将接收信号输入到第二级多路相关器组中进行搜索，第二组参考序列对应的频偏值就分别取f1-m和f1+m；比较相关器的输出值，选取最大的相关值作为细搜索的结果，并分别记录下得到的最大相关值V2和对应参考序列的频偏值f2。
6.根据权利要求5所述的分级并行频率捕获方法，其特征在于第二级搜索时频率搜索并行2路。
7.根据权利要求1所述的分级并行频率捕获方法，其特征在于所述的将第一级搜索的结果和第二级搜索的结果进行比较是指若第一级搜索后取到频偏值为f1，第二级搜索又在频偏值为(f1-m，f1+m)的搜索中取得频偏值f2，将频偏f1对应的相关值V1和频偏f2对应的相关值V2再做一次比较，选取相关值较大的频偏值作为最终的分级搜索后得到的频偏值。
全文摘要
一种分级并行频率捕获方法，包括首先进行第一级搜索，范围覆盖整个频率搜索的范围；其次在第一级搜索的结果附近进行第二级搜索；最后将第一级搜索的结果和二级搜索的结果进行比较得到最终的频率；本发明分级并行频率捕获法，在采用频率试错法或频率搜索法捕获频率时，接收端可以根据实际的频率捕获要求，灵活的配置频率搜索的级数和步长。同时，为了提高捕获频率的精度，实际频率估计时可以结合常用的训练符号自相关相位检测法，可以作为频率捕获的一种辅助方法来提高频率估计的精度，这样在载波频率捕获后，剩余的载波频偏很容易就控制在频率跟踪的范围之内。
文档编号H04L27/26GK1855905SQ20051002562
公开日2006年11月1日 申请日期2005年4月29日 优先权日2005年4月29日
发明者周平, 张小东, 李明齐, 卜智勇 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 上海无线通信研究中心