适用于多径衰落信道的OFDM同步方法

作者 张维文 李洪梁 赵明 孟德永 崔如心 中国人民解放军95927部队(河北 沧州 061000)

张维文(1986-)，男，硕士，研究方向：通信导航电子对抗。

摘要：针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系统在多径衰落信道中容易受到同步误差的影响，本文提出了两种OFDM符号同步方法。该方法利用重复共轭对称的训练序列和改进的定时测度与判决方法完成符号定时;利用序列的一致性与频域差分编码进行频偏估计。分析与仿真结果表明，在多径衰落信道中与传统方法相比，本文提出的方法具有更好的同步性能和较低的计算复杂度。

引言

　　OFDM技术主要应用于军用的无线高频通信系统，影响着通信电子设备的发展。因为OFDM具有较高的频谱利用率与较强的抗频率选择性衰落能力等优点^[1]，但OFDM的缺点之一是对同步偏移十分敏感，包括符号定时偏移(Symbol Timing Offset, STO)与载波频率偏移(Carrier Frequency Offset, CFO)。对于OFDM系统而言，STO会引起符号间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)，而CFO则会导致子载波间干扰^[2](Inter-Carrier Interference, ICI)。OFDM可通过循环前缀(Cyclic Prefix, CP)减轻，甚至消除ISI，但这主要是建立在符号同步的基础之上。

　　S&C算法利用两个训练序列完成符号同步，该算法不受多径干扰与CFO的影响，但其符号定时具有较大的不确定性;Minn算法的定时测度曲线具有较尖锐的峰值，而Park算法在准确时刻具有脉冲形状的尖峰[3]，但这两种算法都具有较高的旁瓣，特别是在多径衰落信道中容易引起误判;GL Ren算法利用恒包络零自相关(Constant Amplitude Zero Auto Correlation, CAZAC)序列与伪噪声(Pseudo-Noise, PN)序列加权使得定时测度在准确时刻具有尖锐的峰值^[4]，但在多径衰落信道中容易引起误判，同时PN加权会降低频偏估计精度;SD Choi算法利用零序列作为保护间隔以及CAZAC序列的共轭对称特性完成符号定时[5]，但该算法不能实现频偏估计;文献[6]利用重复共轭对称结构的训练序列实现符号同步，但在多径干扰严重的信道中容易引起误判;文献[7]对训练序列的后半部分进行PN加权，该方法同样会降低频偏估计精度;文献[8]将训练序列叠加到数据符号上传输，虽然提高了传输效率，但误码率容易受到CP长度与功率分配因子影响，同时在多径衰落信道中，接收信号与本地序列的相关性降低;文献[9]利用改进的CAZAC训练序列在时域同时完成符号定时与频偏估计。

　　本文提出的符号同步方法只需要一个重复共轭对称的训练序列便能完成符号定时与频偏估计，不仅对多径干扰与CFO具有较强的鲁棒性，而且可实现较大范围的频偏估计与较高的估计精度。对提出的同步方法进行了理论分析与仿真实验，结果表明该符号同步方法在多径衰落信道中具有良好的性能。

1 OFDM信号模型

2 OFDM同步算法

2.1 符号定时算法

　　对于OFDM符号定时算法，传统的训练序列结构为[CP,A_N⁄4,B_N⁄4,A_N⁄4,B_N⁄4]，该训练序列(去除CP)由四部分组成，如果只在偶数子载波上传输实PN序列，则A与B共轭对称。本文利用该训练序列与改进的定时测度以及判决方法实现符号定时。

　　设时域接收信号为r(n)，OFDM符号采样点数为N+N_g。定时算法包含粗符号定时与细符号定时两个阶段。粗符号定时下的测度函数为：

　　　针对严重复杂的多径衰落信道，本文提出了另一种算法，其使用一种新的训练序列结构以及经过修改的定时测度与判决方法，并将该算法称为增强改进定时(Enhanced ImprovedTiming, EIT)算法。

　　新的训练序列由传统训练序列加上后缀-A得到，其结构为[CP,A_N⁄4,B_N⁄4,A_N⁄4,B_N⁄4,-A_N⁄4]，并将细符号定时下的测度函数M_f (d)中的P_f (d)修改为：