专利名称：Drm系统的载波和采样钟频率偏移联合估计方法
技术领域：
本发明涉及一种无线电通信系统中的载波和采样钟频率偏移联合估计方法，特别适合于世界数字无线电广播系统。
背景技术：
DRM(世界数字无线电广播系统)是一种新型的数字无线广播系统，它是短波、中波以及长波调幅广播频段的唯一的通用型非专利数字无线电广播系统。在同样的覆盖范围条件下，DRM发射机功率比传统的模拟发射机功率低6-9dB，数字广播比模拟广播的同邻频保护率低，抗多径干扰能力强，便于移动接收；音质可以达到CD或调频立体声的质量；能够提供附加数据和多媒体信息。另外，与DAB广播相比，它的接收机价格更容易被广大听众所接受。它的出现是30MHz以下频段广播复兴的标志，而且目前已经成为国际标准。
DRM系统采用了正交频分复用(OFDM)技术。OFDM可以看作是一种特殊的多载波技术。与单载波系统相比，多载波系统的同步更为复杂。与其它的多载波系统相比，DRM系统的短波信道传输环境更为恶劣，表现为更大的时延扩展、更强的时延信号功率、更大的相对多普勒扩展和存在多普勒频移等。因此，DRM系统的同步算法设计将更为复杂和具有挑战性。
在DRM接收机中，同步可以被划分为五个任务，即强健模式检测、符号定时同步、载波频率同步、采样钟同步和帧定时同步。本申请的目的是分析当前的工作在同步跟踪阶段的载波和采样钟频率偏移估计方法及其存在的问题，并提出了一种新的有效的联合频率偏移估计方法，其充分和巧妙的利用了DRM导频符号的特点。
DRM系统具有四种强健模式方式，即模式A、B、C和D。表1列出了这四种强健模式方式的典型用途。
表1 对应于不同的强健模式，定义了不同的OFDM参数集，如表2所示。
表2 在表2中，Ts表示OFDM符号的持续时间，Tg表示保护间隔的持续时间，Tu表示OFDM符号有用部分的持续时间，T表示基本的时间周期，等于83(1/3)μs。如果以T作为时间单位，则对应于四种模式A、B、C和D，其保护间隔的长度依次等于32、64、64和88。同理，有用部分的长度依次等于288、256、176和112。基于上述参数，可以确定IFFT和FFT的长度。通常IFFT和FFT的长度是有用部分长度的整数倍，而4倍是一个常用的参数。在这种条件下，IFF和FFT的长度依次等于288×4＝1152、256×4＝1024、176×4＝704和112×4＝448。表3列出了一个实际的DRM接收机采用的参数值。
表3 在DRM系统中，发射信号以传输超帧的形式组织起来。每个传输超帧包含三个传输帧。每个传输帧的持续时间为Tf，并包含Ns OFDM符号。并且一个OFDM帧包括 ●导频符号； ●控制符号； ●数据符号。
导频符号可以被用于帧同步、频率和时间同步、信道估计和强健模式识别。
导频符号的定义为在OFDM传输帧中，一些相位和幅度已知且固定的符号被称为导频符号。这些导频符号被用于信道估计和同步。它们的位置、幅度和相位都是经过仔细选择的，以获得最佳的性能，特别是初始的同步持续时间和可靠性。
该导频符号包括 ◆频率导频 这些导频被接收机用于检测接收信号的存在和估计信号的频率偏移。它们也可以被用于信道估计和各种不同的跟踪过程。
◆时间导频 这些导频位于每个传输帧的第一个OFDM符号。
时间导频主要用于完成模糊解析，这是因为保护时间相关只是在一个OFDM符号周期内提供一个快速和对频率不敏感的时间到达估计。这些导频被用于确定每个传输帧的第一个OFDM符号。它们还可以被用于频率偏移估计。所有时间导频的功率增益都为2。
◆增益导频 增益导频主要被用于相干解调。这些导频有规律的分布在时间和频率方向，接收机使用它们去估计信道响应。大部分增益导频的功率增益为2。
下面将描述现有技术中所采用的载波和采样钟频率偏移估计方法。
我们假设FFT运算的长度等于N，保护间隔的长度等于Ng。并假设ε表示相对载波频率偏移，ε＝Δf/F，这里Δf表示载波频率偏移，F表示子载波间隔。η表示相对的采样钟频率偏移，并且 这里，Ts和Ts′分别表示实际的和理想的AD采样时钟周期. 下面，我们将首先介绍两种传统的联合载波和采样钟频率偏移估计方法。然后，将提出本发明的方法，以克服现有方法的缺点。
传统方法1(参见参考文献2)基于DRM系统的频率导频。在DRM系统中，共有三个频率导频，分别位于固定的频率点上。这三个频率分别是750Hz、2250Hz和3000Hz。对于不同的模式，这三个频率导频的子载波序号如表4所示。
表4 令 这里，zk，f(j)表示接收机中第k个符号的第j个频率导频。ck，f(j)表示发射机中第k个符号的第j个频率导频。f(j)表示每个符号中第j个频率导频的载波序号，如表1所示。LF表示每个符号包含的频率导频数目，LF＝3.载波和采样钟频率偏移估计值可以表示为(参见参考文献2) 虽然可以使用频率导频完成载波和采样钟频率偏移估计，但是三个导频数目太少。在严重的频率选择性衰落信道情况下(在短波信道中，这是一个非常常见的情况)，这些频率导频可能会受到严重损坏，从而导致同步失败。
传统方法2(参见参考文献3)基于每个OFDM符号的增益导频。增益导频有规律的散落在每个符号中。图1给出了强健模式B的增益导频图案。
假设gk(j)表示第k个符号第j个增益导频的载波序号，LG(k)表示第k个符号包含的增益导频数目。定义载波序号向量 Gk＝[gk(0) gk(1)…gk(LG(k)-1)](6) Gk的元素按从小到大的顺序排列，即 gk(i-1)＜gk(i)，i＝1，...，LG(k)-1(7) 例如，在图1中，假设最小和最大载波序号分别为-15和15，则G0＝[-11 -5 1 7 13]和LG(0)＝5。
定义矩阵 假设Hk表示矩阵Xk·的伪逆，则 这里，Hkε和Hkε分别表示长度为LG(k)的向量。
令 这里，zk，gk(j)表示接收机中第k个符号的第j个增益导频，ck，gk(j)表示发射机中第k个符号的第j个增益导频。D表示增益导频图案的周期，其对应于四种强健模式，分别等于5、3、2和3。定义相位向量 Yk＝[yk(0) yk(1)…yk(LG(k)-1)] Yk是一个长度为LG(k)的向量。
由式(9)和(10)，则载波和采样钟的频率偏移估计值分别表示为(参见参考文献3)
参考文献列表
参考文献1ETSI Standard.ETSI ES 201 980.V2.1.1.2004-06.
参考文献2A.F.Kurpiers，V.Fischer.Open-SourceImplementation of a Digital Radio Mondiale(DRM)Receiver，9thInternational IEE Conference on HF Radio Systems and Techniques，Bath，United Kingdom，June 2003，86-90.
参考文献3In ho Hwang，Hwang soo Lee，Keon woo Kang.Frequency and timing period offset estimation technique for OFDMsystems.Electronics Letters，1998，34(6)520-521.
参考文献4van de Beek J J，Sandell M，Borjesson P O.MLestimation of time and frequency offset in OFDM systems.IEEETransactions on Signal Processing，1997，45(7)1800-1805.
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷提出了本发明，本发明的目的是提出一种无线电通信系统中的载波和采样钟频率偏移联合估计方法，特别适合于世界数字无线电广播系统，该方法具有更好地估计性能。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种无线电通信系统中的载波和采样钟频率偏移联合估计方法，所述方法包括步骤确定与接收到的各个符号相对应的已知导频的位置序号；按照所述位置序号相对于载波序号0呈偶对称的方式，对各个符号进行组合以形成完整导频图案；针对形成完整导频图案的各个符号的组合，获取载波和采样钟频率偏移估计值。
优选地，针对形成完整导频图案的各个符号的组合获取载波和采样钟频率偏移估计值的步骤包括针对形成完整导频图案的各个符号的组合，获取载波和采样钟的相位加权值；获取各个导频对应的相位值；利用所获得的载波和采样钟的相位加权值和各个导频对应的相位值，获取载波和采样钟频率偏移估计值。
优选地，用于形成完整导频图案的符号组合中的符号数取决于所述无线电通信系统中所采用的导频图案的周期。
优选地，所述导频为增益导频。
优选地，所述无线电通信系统为世界数字无线电广播系统。
优选地，用于形成完整导频图案的符号组合中的符号数取决于强健模式的种类。
通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得显而易见，其中 图1是在模式B下的增益导频图案的示意图； 图2是根据本发明实施例的用于计算相位元素的估计器的方框图； 图3是根据本发明实施例的用于计算载波估计值的估计器的方框图； 图4是根据本发明实施例的用于计算采样钟估计值的估计器的方框图； 图5是根据本发明实施例的载波和采样钟频率偏移联合估计方法的流程图； 图6是根据本发明的方法和传统方法的性能比较的示意图(载波频率偏移估计，信道1)； 图7是根据本发明的方法和传统方法的性能比较的示意图(载波频率偏移估计，信道3)； 图8是根据本发明的方法和传统方法的性能比较的示意图(采样钟频率偏移估计，信道1)；以及 图9是根据本发明的方法和传统方法的性能比较的示意图(采样钟频率偏移估计，信道3)。
具体实施例方式 下面将参考附图来说明本发明的优选实施例。
首先，定义一个新的载波序号向量G。向量G由D个连续符号的所有增益导频的载波序号组成，即 G＝Gk∪Gk-1∪…∪Gk-D+1(13) 注意，D个连续的符号将构成一个完整增益导频图案。令g(i)，i＝0，1，..，LG-1，表示向量G的第i个元素，这里LG表示D个连续符号包含的所有增益导频的数目。向量G的元素也是按照从小到大的顺序排列，即 g(i-1)＜g(i)，i＝1，...，LG(14) 例如，在图1中，假设最小和最大载波序号分别为-15和15，则G＝[-15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15]，LG＝16和D＝3。
定义矩阵 令H表示矩阵X的伪逆，则有 这里Hε和Hη分别表示长度为LG的向量。
定义一个新的相位向量Y，其包含LG的元素。向量Y可以表示为 Y＝Yk∪Yk-1∪…∪Yk-D+1(17) 令y(i)表示向量Y的第i个元素。y(i)和g(i)之间的关系可以描述为如果g(i)是载波序号向量G1，1＝k，k-1，…，k-D+1，的一个元素，即g(i)∈G1，则 根据式(16)和(18)，则载波和采样钟的频率偏移估计值可以分别表示为 根据DRM规范(参考文献1)，我们可以得到一重要的观察向量G是一个关于载波序号0偶对称的序列，如上面的例子所示。根据这个观察和矩阵原理，我们可以得到 这里， 根据式(21)和(22)，载波和采样钟的频率偏移估计值(19)和(20)又可以分别表示为 综上所述，如果载波序号向量具有偶对称特性，则hε(i)和hη(i)可以通过式(21)和(22)直接又很简单的得到，复杂和耗时的伪逆运算式(16)可以避免。
新的载波和采样钟频率偏移联合估计器的方框图如图2、3和4所示。图2是根据本发明实施例的用于计算相位元素的估计器的方框图。图3是根据本发明实施例的用于计算载波估计值的估计器的方框图。而图4是根据本发明实施例的用于计算采样钟估计值的估计器的方框图。
图5是根据本发明实施例的载波和采样钟频率偏移联合估计方法的流程图。
如图5所示，在步骤501，确定与接收到的各个符号相对应的已知导频的位置序号；在时间k处根据先前接收到的D个符号获取增益参考单元的LG个载波序号g(i)，并且按降序来排列。在步骤503，按照所述位置序号相对于载波序号0呈偶对称的方式，对各个符号进行组合以形成完整导频图案。在步骤505，针对形成完整导频图案的各个符号的组合，获取载波和采样钟的相位加权值，也就是，利用公式(21)和(22)来获取hε(n)和hη(n)。然后，在步骤507，获取各个导频对应的相位值，也就是，利用公式(18)来获取y(i)。最后，利用所获得的载波和采样钟的相位加权值和各个导频对应的相位值，获取载波和采样钟频率偏移估计值，即，利用公式(24)来获取载波频率偏移的估计值，而利用公式(25)来获取采样钟频率偏移估计值。
下面将通过计算机仿真评估和比较不同方法的性能。
选择均方根误差(RMS)作为性能测度，载波和采样钟频率偏移估计的均方根误差分别表示为 这里，M是仿真次数。在仿真中，M＝20000。C是一个常数，这里C＝100ppm。仿真参数载波频率偏移0.02F(F表示子载波间隔)，采样钟频率偏移20ppm，符号定时偏移为5，基带信号样点速率48KHz。DRM系统具有四种模式和6种信道模型。我们选择两种典型的情况模式B，频谱类型10KHz，信道1和3。
具体仿真结果如图6到9所示。可以看出，根据本发明的方法比传统方法(例如，参考文献2和3中的方法)具有更好的性能。在低信噪比情况下，例如10dB，传统方法1(参考文献2)的载波频率偏移估计的均方根误差大于子载波间隔的2％。如所知道的，对于OFDM同步，1-2％的载波估计精度是必须的。还可以看出，无论是在高信噪比还是在低信噪比情况下，传统方法1的采样钟频率偏移估计的估计精度都不能够满足需要。仿真结果还表明，根据本发明的方法和传统方法2(参考文献3)对信道模型敏感。在信道模型3的情况下，会发生明显的地板效应。
因此，根据本发明，提出了一种适合于DRM系统的新的联合的载波和采样钟频率偏移估计方法。
虽然频率导频和增益导频都可以用于载波和采样钟同步估计，但总共有三个频率导频，这个事实导致基于频率导频的方法其估计性能差，特别是在严重的多径信道或低SNR情况下。仿真结果也表明基于频率导频的传统方法1，其性能明显差于基于增益导频的方法，如传统方法2和本发明提出的方法。
另外，虽然传统方法2(参考文献3)也是基于增益导频，但是其需要复杂的伪逆运算去得到每个相位的加权系数。根据本发明的方法则充分利用了增益导频图案，并因此获得了一个具有偶对称性质的载波序号序列。基于序列的这个特性，可以得到一个简单的计算加权系数的方法，由此避免了复杂的矩阵运算。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。
权利要求
1、一种无线电通信系统中的载波和采样钟频率偏移联合估计方法，所述方法包括步骤
确定与接收到的各个符号相对应的已知导频的位置序号；
按照所述位置序号相对于载波序号0呈偶对称的方式，对各个符号进行组合以形成完整导频图案；
针对形成完整导频图案的各个符号的组合，获取载波和采样钟频率偏移估计值。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于针对形成完整导频图案的各个符号的组合获取载波和采样钟频率偏移估计值的步骤包括针对形成完整导频图案的各个符号的组合，
获取载波和采样钟的相位加权值；
获取各个导频对应的相位值；
利用所获得的载波和采样钟的相位加权值和各个导频对应的相位值，获取载波和采样钟频率偏移估计值。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于用于形成完整导频图案的符号组合中的符号数取决于所述无线电通信系统中所采用的导频图案的周期。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述导频为增益导频。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述无线电通信系统为世界数字无线电广播系统。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于用于形成完整导频图案的符号组合中的符号数取决于强健模式的种类。
全文摘要
根据本发明，提出了一种无线电通信系统中的载波和采样钟频率偏移联合估计方法，所述方法包括步骤确定与接收到的各个符号相对应的已知导频的位置序号；按照所述位置序号相对于载波序号0呈偶对称的方式，对各个符号进行组合以形成完整导频图案；针对形成完整导频图案的各个符号的组合，获取载波和采样钟频率偏移估计值。
文档编号H04B1/08GK101102297SQ20061009089
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月6日 优先权日2006年7月6日
发明者晨 陈, 朴范镇, 魏立军 申请人:北京三星通信技术研究有限公司, 三星电子株式会社