OFDM UWB抗多径干扰同步技术研究

孙童 任世杰

摘要：研究了多径环境正交频分复用超宽带（OFDM UWB）载波同步算法，比较了时域基于前导的载波频偏（CFO）估计算法、频域基于训练符号的Moose算法和频域基于导频的Classen算法，证明Classen算法具有更好的载波频偏估计性能和抗多径干扰能力。快速的载波频偏估计和抗多径干扰能力使OFDM UWB系统性能得到很大提高。

关键词：OFDM UWB;多径干扰;载波同步;频偏估计;交织

中图分类号：TN 911.22      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）19-0257-04

Abstract： Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra-Wideband （OFDM UWB） carrier synchronization algorithm is studied in multipath interference environment. For carrier frequency offset estimation， we compare the CP-based carrier frequency offset （CFO） algorithm in time domain， Moose algorithm based on training symbols and Classen algorithm based on pilot frequency in frequency domain. We prove that Classen algorithm has better carrier frequency offset estimation performance and anti-multipath interference ability. Through these research， fast carrier frequency offset estimation and anti-multipath interference ability improve the performance of OFDM UWB system.

Key words： orthogonal frequency division multiplexing ultra-wideband; multipath interference; carrier synchronization; frequency offset estimation; interleave

1 引言

OFDM具有频谱利用率高、抗频率选择性衰落强、便于硬件实现、频谱分配灵活、与MIMO技术结合更为方便的优势。但同时OFDM对频偏敏感，这就需要不断对其进行改进，以期达到最优性能，在抗多普勒频偏、抗多径干扰方面达到最佳[1，2]。

本文研究多径环境OFDM UWB的载波频率同步问题，以期改善UWB通信系统抗多普勒频移和抗多径干扰。首先分析OFDM UWB系统，研究了交织技术，然后对SISO OFDM系统中载波频率同步进行研究，对比研究几种典型的载波频率同步算法，包括时域基于CP的CFO估计、频移基于训练符号的Moose算法、频域基于导频的Classen算法，分别在白噪声信道和瑞利信道进行了仿真，对它们的性能进行比较，找出三种算法的优缺点。

2 OFDM UWB系统

2.1 OFDM UWB原理

OFDM技术是一种多载波传输技术，在无线通信领域有了广泛的应用并将成为下一代移动通信的核心技术之一。OFDM的基本原理是将高速串行的信息数据流经过编码后分配到N个并行的子载波上进行传输[3，4]。串并转换模块使其成为N路并行的低速数据流，并行数据流按照一定的顺序映射到OFDM符号不同的子载波上进行传输。超宽带无线通信系统发射单元功能框图如图1所示。

OFDM 符号连续不断的传输，多径信道将会不可避免的影响相邻的OFDM 符号，给无线系统带来符号间干扰（Inter symbol interference， ISI）和 码间干扰（Inter code interference， ICI）[5]。ISI的存在，使得系统误码率恶化;ICI的存在，破坏了子载波之间的正交性，使得系统性能下降。为了最大限度地减少ISI，相邻的OFDM 符号之间需要插入保护间隔（Guard Interval， GI）。保护间隔的长度一般要大于信道的最大时延拓展，这样才能保证一个OFDM符號的多径分量不会弥散到下一个OFDM符号，消除符号间干扰。

2.2 交织

为了系统具有抗干扰、抗突发错误能力，系统采用了信道交织、解交织功能。

信号在经过无线信道时，往往会受到各种影响而产生错误，比如随机错误和突发错误。交织是为了在时域或频域或者同时在时域、频域上分布传输的信息比特，将突发错误离散化处理，从而使得交织译码器可以将它们当作随机错误处理，从而提高系统的鲁棒性。

交织模块由三部分组成，包括符号间交织、符号内交织和符号内循环移位三部分，具体过程如图3所示。

1） 符号间交织

符号间交织通过改变OFDM符号的顺序，从而获得不同子带上的频域分集。符号间交织方法如下：首先将编码比特分割成若干数据块，每个数据块有[NCBP6S]个比特，然后使用大小为[NCBPS*6/NTDS]比特的块交织器来改变编码比特的序列顺序[5]。符号间交织器的输入输出信号关系式为：

[as[i]=a[iNCBPS+6NTDS×mod（i，NCBPS）]]               （1）

其中[a[i]]表示进入符号间交织模块的输入信号，[as[i]]表示符号间交织的输出信号，其中[i=0，1，...，NCBP6S-1]，则上式中，[.]是向下取整函数，mod（a， b）是求余函数。取[NCBP6S]为1200，[NCBPS]为100。[NTDS]为时频拓展因子。

2） 符号内交织

符号内交织通过在一个OFDM符号内，改变数据子载波的顺序，来获得子载波的频率分集，从而提高鲁棒性来对抗窄带干扰。首先将上一步的输出比特分组成大小为[NCBPS]比特的数据块，然后使用一个大小为[NTint*10]的规则块符号内交织器来改变序列顺序。如果[as[j]]表示符号内交织器的输入信号，[aT[j]]表示符号内交织器的输出信号，其中[j=0，...，NCBPS-1]，则符号内交织器的输入输出信号关系式为：

3） 符号内循环移位

符号内循环移位通过以确定的数值将连续的OFDM符号进行循环移位，在获得时域扩展的同时也获得更好的频域分集。在一个符号交织器范围内每个比特的块的循环移位方式不相同，如果[aT[i]]表示符號内循环移位器的输入信号，[b[i]]表示循环移位器的输出信号，其中[i=0，1，...，NCBP6S-1]，则符号内循环移位器的输入输出信号关系式为：

3 OFDM载波同步技术

3.1 时域基于CP的CFO估计技术

原理：利用CP与相应的 OFDM 符号后部之间的相位差进行载波频偏估计。假设CP大小为[NG]个采样，当符号同步理想时，大小为ε的CFO会引起接收信号[2πnε/N]大小的相位旋转，在假设信道影响忽略不计情况下，CFO会引起CP和相应的OFDM符号后部相隔N个采样点之间存在大小为[2πNε/N=2πε]的相位差，根据二者相乘后的相角得到CFO[6，7，8]：

此方法不能用于估计整数CFO。因为当[arg（）]用[tan-1（）]来实现时，CFO 估计的范围是[-0.5， +0.5），从而[ε<0.5]。

3.2 频域基于训练符号的CFO估计

原理：Moose方法利用两个重复前导之间的相位差进行载波频偏估计[9]。令CFO大小为[ε]，连续发射两个相同的训练符号，那么：

3.3 频域基于导频的CFO估计

原理：Classen方法利用在两个连续的OFDM符号中导频信号之间的相位差进行载波频偏估计[10]。在频域插入导频，并且在每个OFDM符号中发射，这样可以跟踪CFO，即利用导频进行CFO估计。

将同步之后的两个OFDM符号[Yln]和[Yl+Dn]保存在存储器中。通过FFT将其变成频域信号[YlkN-1k=0]和[Yl+DkN-1k=0]，以便提取导频。最后，再由导频估计出CFO，通过估计出的CFO 在时域对接收信号进行补偿。在这个过程中，实施两种不同的CFO估计模式：捕获模式和跟踪模式。在捕获模式中，估计包括IFO在内的大范围CFO。在跟踪模式中，只进行细CFO估计。

5 结论

针对多径环境OFDM UWB系统，为了抗多径干扰、抗突发错误，系统采用了信道交织、解交织功能。对比研究了三种不同的CFO估计技术，第一种是时域基于CP的CFO估计技术，第二种是Moose方法，第三种是Classen方法，分别研究了它们在白噪声信道和瑞利多径信道的载波频偏估计性能，在白噪声信道均具有良好的估计性能;在多径长度为0.125倍CP的环境，时域基于CP的CFO估计出现地板效应，并不像我们所期望的那样性能卓越;在多径长度为0.5倍CP以及1倍CP的环境，三种算法均具有良好的性能;在多径长度为1.5倍CP的环境，时域基于CP的CFO估计又出现地板效应，而Classen方法抗多径干扰效果最好;在多径长度为2倍CP的环境，三种算法均出现地板效应。

参考文献：

[1] 张靖， 黎海涛， 张平. 超宽带无线通信技术及发展[J]， 电信科学， 2001， VOL11.

[2] Faranak Nekoogar. Ultra-Wideband Communications： Fundamentals and Application [M]. Beijing： Person Education Publishing， 2006.

[3] Amol Dhere. Sub-optimal Metrics for UWB Reception in Narrow band Interference， in Proc. Annual IEEE International Symposium on Personal， Indoor and Mobile Radio Communications， 2007， no. 1-4244-1144-0/07.

[4] Huy Quang Quach， A. Van Dinh. Narrowband Interference Detection in UWB Systems， in Proc. Electrical and Computer Engineering， Canadian Conference on， Ottawa Ont， May 2006， pp. 904-907.

[5]Standard ECMA-368-High Rate Ultra-Wideband PHY and MAC Standard. ECMA International. Rue du Rhone 114 CH-1204 Geneva， 2005.

[6] Peled， A. Frequency domain data transmission using reduced computational complexity algorithms. IEEE Commun. Mag.， 2000， 38（5）： 964-967.

[7] Pollet， T.， van Bladel， M.， and Moenecla， M. BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and wiener phase noise[J]. IEEE Trans. on Commun.， 1995，43（2/3/4）：191-193.

[8] Daffara， F. and Adami， o. A new frequency detector for orthogonal multi-carrier transmission techniques[J]. IEEE VTC'95， 1995： 804-809.

[9] Moose， P.H. A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction[J]. IEE Trans. Commun.， 1994， 42：2908-2914.

[10] Classen， F. and Myer， H. Frequency synchronization algorithm for OFDM systems suitable for communication over frequency selective fading channels[J]. IEEE VTC94， 1994：1655-1659.

【通联编辑：梁书】