СПОСОБ ОЦЕНКИ СДВИГА ЧАСТОТЫ ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ OFDM СИГНАЛЫ
METHOD OF ESTIMATING FREQUENCY SHIFT FOR COMMUNICATION SYSTEMS USING OFDM SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам оценки частотного сдвига, и может быть использовано в аппаратуре беспроводных телекоммуникационных систем, использующих OFDM сигналы, а также в контрольно-измерительном оборудовании.
Известен способ оценки доплеровского сдвига частоты, описанный в патенте РФ [1]. Данный способ заключается в том, что оценку частоты производят с помощью четырех последовательных OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) символов (ranging code), причем первые два символа одинаковы и содержат код X и вторые два символа одинаковы и содержат код Х+1, после обнаружения первого ranging символа и определения времени задержки производится вычисление взаимной корреляционной функции с опорной последовательностью, далее производится прием второго, третьего и четвертого символов и вычисление взаимной корреляционной функции для каждого из них, далее производится операция свертки первой и второй взаимных корреляционных функций по трем точкам в пределах главного пика (который может быть найден при условии, что известна задержка сигнала), аналогично производится операция свертки между второй и третьей корреляционными функциями, а также между третьей и четвертой взаимными корреляционными функциями, затем производится вычисление разности фаз между первым и вторым символами путем деления мнимой части максимума свертки первой и второй взаимных корреляционных функций на действительную часть этой свертки, далее аналогично вычисляется разность фаз между вторым и третьим символами, а также между третьим и четвертым символами, значение сдвига частоты вычисляется путем усреднения разностей фаз между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым символами, полученное усредненное значение делится на 2π и на длительность символа.
Недостаткам данного способа является то, что для оценки частотного сдвига используется 4 пилотных OFDM символа, имеющих определенную структуру (первые два символа одинаковы и содержат код X, вторые два символа одинаковы и содержат код Х+1), такая длинная пилотная последовательность уменьшает эффективность использования частотно-временного ресурса. Также к недостаткам данного способа относится то, что в данном способе вычисление ВКФ для каждого принятого символа производится с опорной последовательностью (так как пилотный сигнал проходит многолучевой канал распространения радиоволн, он искажается и отличается от опорного сигнала, в результате снижается точность оценки разности фаз между символами). Данный недостаток устранен в следующем ниже способе.
Наиболее близким к заявляемому способу оценки частотного сдвига является способ, приведенный в описании изобретения [2]. В этом способе оценку частотного сдвига производят по пилотному сигналу, состоящему из двух повторяющихся частей. Производится прием сигнала, определение начала пилотного сигнала (временная синхронизация), далее производится оценка частотного сдвига, для этого рассчитывают взаимокорреляционную функцию между первой и второй частями пилотной последовательности. Определяют разность фаз между первой и второй частями пилотной последовательности как арктангенс отношения мнимой части к действительной для максимального значения рассчитанной ВКФ. Далее рассчитывается частотный сдвиг как разность фаз между первой и второй частями пилотной последовательности, деленная на длительность одной части пилотной последовательности и 2π. Недостатком этого технического решения является то, что оценка сдвига частоты определяются по одному пилот-сигналу, что при низких отношениях сигнал/шум и частотно-селективных замираниях приводит к ухудшению характеристик оценки параметров сигналов.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение точности оценки сдвига несущей частоты при низких отношениях сигнал/шум и частотно-селективных замираниях, при использовании одного пилотного OFDM символа, состоящего из 2 одинаковых повторяющихся частей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе оценки сдвига несущей частоты, включающем прием пилотной последовательности, определение начала пилотного сигнала (временная синхронизация), расчет взаимной корреляционной функции между первой и второй частями пилотного сигнала, расчет разности фаз между первой и второй частями пилот-сигнала как арктангенса отношения мнимой части пилот-сигнала к действительной, для максимального значения рассчитанной ВКФ, расчет частотного сдвига как разности фаз между первой и второй частями пилотной последовательности, деленной на длительность одной части пилотной последовательности и 2π, дополнительно вводятся: операция устранения частотного сдвига в цифровом виде для каждого OFDM символа, содержащегося в кадре, операция уточненной оценки частотного сдвига по N символам, следующим за пилотным символом, при условии что в уточненной оценке могут участвовать только те OFDM символы, которые могут быть безошибочно демодулированы, после грубой оценки частотного сдвига операция оценки передаточной функции канала связи по пилотным поднесущим, эквалайзирование, операция восстановления спектра каждого OFDM символа к первоначальному виду, заданному в передатчике, по минимальному расстоянию между полученным отсчетом спектра и соответствующим ему, регламентированным стандартом, по которому работает система связи, расчет отношения спектра одного из OFDM символов, участвующего в уточненной оценке частотного сдвига, к каждому из OFDM символов, участвующему в уточненной оценке частотного сдвига, умножение спектра каждого принятого OFDM символа (в первоначальном виде, без обработки), участвующего в уточненной оценке частотного сдвига, на рассчитанное отношение, расчет разности фаз между соседними OFDM символами, участвующими в уточненной оценке частотного сдвига, усреднение рассчитанных значений разности фаз, расчет уточненной оценки частотного сдвига как отношения усредненной оценки разности фаз на 2π и на длительность одного OFDM символа, расчет результирующей оценки частотного сдвига как суммы грубой и уточненной оценки.
Функциональная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - прием кадра, 2 - временная синхронизация, определение начала кадра, 3 - грубая оценка частоты по пилотной последовательности, 4 - устранение частотного сдвига, оцененного по пилотной последовательности в цифровом виде, 5 - оценка канала распространения радиоволн по пилотным поднесущим для каждого OFDM символа, участвующего в оценке, 6 - эквалайзирование, 7 - восстановление спектральных отсчетов каждого OFDM символа, участвующего в оценке частоты, к первоначальному виду, заданному в передатчике, 8 - изменение информационной составляющей каждого OFDM символа, участвующего в оценке частоты, 9 - оценка фазового набега между соседними символами из N принятых, 10 - усреднение фазового набега, 11 - расчет результирующего частотного сдвига.
Подробное описание способа
n
k
k
Приемником принимается и оцифровывается кадр, структура которого приведена на фиг. 2. Производится временная синхронизация с началом кадра по пилотному сигналу. Временная синхронизация может быть произведена по положению максимума взаимной корреляционной функции между принятым пилотным символом и опорным сигналом [3]. Далее производится грубая оценка частотного сдвига по принятому пилотному сигналу, структура которого приведена на фиг 3. Принятый пилотный сигнал может быть записан в следующем виде: , где: X - модулированная последовательность, N - размер преобразования Фурье. Обозначим первую половину пилотного сигнала как P1=P(1:N/2), а вторую половину как Р2=P(N/2+1:N), причем Р1=Р2. Производим расчет ВКФ первой и второй половины пилотного сигнала:
,
где: ifft - операция обратного преобразования Фурье, fft - операция прямого преобразования Фурье, * - знак комплексного сопряжения.
Расчет разности фаз производится по формуле:
где: Im - мнимая часть, Re - реальная часть.
Грубый расчет ухода по частоте рассчитывается по формуле:
,
где: Т - длительность пилотной последовательности.
Далее производится операция устранения частотного сдвига (по грубой оценке) для каждого символа в кадре. Пусть кадр содержит N OFDM символов, тогда компенсация частотного сдвига для каждого OFDM символа в кадре производится согласно выражению:
,
j
d
где: y(k)-j-й OFDM символ в кадре (j∈(1…N)), k - порядковый номер отсчета сигнала, i - мнимая единица, , f - частота дискретизации.
j
Далее следует точная оценка сдвига частоты. Она может быть произведена по всем информационным символам, содержащимся в кадре, при условии что биты в них могут быть безошибочно демодулированы (отношение сигнал/шум достаточно для демодуляции). Если кадр содержит OFDM символы, в которых используются высокие индексы модуляции (например QAM 256, QAM 512), и грубой оценки частоты недостаточно для их безошибочной демодуляции, то они не могут быть использованы для точной оценки частотного сдвига. Они могут быть демодулированы после точной оценки частотного сдвига и его устранения. Для точной оценки требуется дополнительная цифровая обработка. При выполнении всех дальнейших операций циклические префиксы не используются. Циклический префикс каждого OFDM символа отбрасывается, и вся дальнейшая обработка производится без него. Для оценки смещения частоты по информационным символам требуется, чтобы они были одинаковы для расчета ВКФ между соседними символами. OFDM символы, передаваемые в кадре, отличаются, поскольку они содержат случайные пользовательские данные. Кроме того, в OFDM системах связи каждый OFDM символ содержит циклический префикс, который также затрудняет расчет разности фаз между символами. В связи с этим для точной оценки частотного сдвига необходимо с помощью цифровой обработки изменить битовую последовательность в используемых OFDM символах, при этом не повлиять на частотный сдвиг, и привести ее к одному виду для каждого OFDM символа. Для этого производится оценка передаточной функции  беспроводного канала связи по пилотным поднесущим, для этих OFDM символов. Операция оценки беспроводного канала РРВ по пилотным поднесущим раскрыта в [4]. Спектр принятого OFDM символа можно записать в виде: Y(k)=S(k)×Н(k)+n(k), где: S(k) - спектр переданного сигнала, Н(k) - передаточная функция канала РРВ, n(k) - шум.
Зная полученную оценку , произведем оценку спектра переданного сигнала согласно выражению: .
j
Далее производится операция восстановления спектра для каждого сигнала, участвующего в оценке частоты, к первоначальному виду, заданному в передатчике, по минимальному расстоянию между принятым отсчетом спектра и соответствующим ему, регламентированным стандартом, по которому работает система связи. Спектр OFDM символа после восстановления обозначим Sν(k). Примеры сигнального созвездия до и после операции восстановления представлены соответственно на фиг. 4.
1
j
1
j
j
j
j
j
j
Далее выбирается один из сигналов, например первый Sν(k) (j=1), и производится расчет отношения между выбранным сигналом и всеми остальными, участвующими в оценке частотного сдвига, отношение сигналов запишем в виде: PF(k)=Sν(k)/Sν(k). После чего производится умножение спектра каждого OFDM символа, участвующего в оценке Y(k), на рассчитанное отношение сигналов PF: Yν=Y·PF. Теперь все OFDM символы, участвующие в оценке частотного сдвига, имеют одинаковое информационное наполнение, при этом сохранился фазовый набег, обусловленный рассинхронизацией опорных генераторов.
m
j
j+1
Для оценки разности фаз между соседними символами производится расчет ВКФ: Rν(k)=ifft(Yν(k)×Yν(k)*), m∈(1…N-1), * - знак комплексного сопряжения. Расчет разности фаз производится по формуле:
,
где: Im - мнимая часть, Re - реальная часть,
Рассчитанные значения разности фаз усредняются:
,
Уточненная оценка частотного сдвига рассчитывается по формуле:
,
с
симв
цп
симв
цп
Т=Т+Т, Т - длительность одного OFDM символа, Т - длительность циклического префикса.
Результирующая оценка частотного сдвига рассчитывается по формуле:
.
Предлагаемый способ позволяет повысить точность оценки сдвига несущей частоты за счет использования не только пилотной последовательности, но и информационных OFDM символов. Преимущество данного способа заключается в том, что для точной оценки частотного сдвига не требуются длинные пилотные последовательности, содержащие несколько символов, которые при этом занимают частотно-временной ресурс, что приводит к снижению скорости передачи данных.
Источники информации
1. Пат. РФ №2459354, МПК Н04В 001/69, H04W 008/20. Способ оценки сдвига несущей частоты в восходящем канале для беспроводных телекоммуникационных систем. Опубл. 20.08.2012.
2. Пат. США №2004/0081205, кл. H04L 27/26, Maximum likelihood synchronization for a communications system using a pilot symbol.
3. Пат. РФ №2367972, МПК G01S 5/06. Способ оценки точности определения местоположения источника радиоизлучения пассивной разностно-дальномерной системой. Опубл. 20.09.2009.
4. Рогожников Е.В., Абенов P.P., Вершинин А.С., Ворошилин Е.П. Исследование методов эквалайзирования для систем связи с использованием OFDM-сигналов // Вестник СибГУТИ. 2013. №1 (21). С. 50-56.