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：通信導航電子對抗。

摘要：針對正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系統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。該方法利用重復共軛對稱的訓練序列和改進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行頻偏估計。分析與仿真結果表明，在多徑衰落信道中與傳統方法相比，本文提出的方法具有更好的同步性能和較低的計算復雜度。

引言

　　OFDM技術主要應用于軍用的無線高頻通信系統，影響著通信電子設備的發展。因為OFDM具有較高的頻譜利用率與較強的抗頻率選擇性衰落能力等優點^[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系統而言，STO會引起符號間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，而CFO則會導致子載波間干擾^[2](Inter-Carrier Interference, ICI)。OFDM可通過循環前綴(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之上。

　　S&C算法利用兩個訓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算法利用恒包絡零自相關(Constant Amplitude Zero Auto Correlation, CAZAC)序列與偽噪聲(Pseudo-Noise, PN)序列加權使得定時測度在準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加權會降低頻偏估計精度;SD Choi算法利用零序列作為保護間隔以及CAZAC序列的共軛對稱特性完成符號定時[5]，但該算法不能實現頻偏估計;文獻[6]利用重復共軛對稱結構的訓練序列實現符號同步，但在多徑干擾嚴重的信道中容易引起誤判;文獻[7]對訓練序列的后半部分進行PN加權，該方法同樣會降低頻偏估計精度;文獻[8]將訓練序列疊加到數據符號上傳輸，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性降低;文獻[9]利用改進的CAZAC訓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共軛對稱的訓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具有較強的魯棒性，而且可實現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行了理論分析與仿真實驗，結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，傳統的訓練序列結構為[CP,A_N?4,B_N?4,A_N?4,B_N?4]，該訓練序列(去除CP)由四部分組成，如果只在偶數子載波上傳輸實PN序列，則A與B共軛對稱。本文利用該訓練序列與改進的定時測度以及判決方法實現符號定時。

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

　　　針對嚴重復雜的多徑衰落信道，本文提出了另一種算法，其使用一種新的訓練序列結構以及經過修改的定時測度與判決方法，并將該算法稱為增強改進定時(Enhanced ImprovedTiming, EIT)算法。

　　新的訓練序列由傳統訓練序列加上后綴-A得到，其結構為[CP,A_N?4,B_N?4,A_N?4,B_N?4,-A_N?4]，并將細符號定時下的測度函數M_f (d)中的P_f (d)修改為：