OFDM超短波接收机同步与信道估计技术研究与设计

摘要：超短波接收机在通信装备中数量较大、应用较广。美军联合战术无线电系统作为其主战装备，超短波接收机的宽带波形基于ODFM技术，实现56 Mbps速率的高速传输。文章结合工程实践从实战装备设计出发，对OFDM超短波接收机中的关键技术即系统同步和信道估计这两方面进行研究设计，以期为OFDM超短波无线电接收机的装备研制及实际应用奠定基础。

关键词：超短波接收机；OFDM；信道估计

中图分类号：TN924  文献标志码：A

0 引言

超短波接收机在军事通信中数量较大、应用较广。从使用上看，在人机交互友好、灵活组网、覆盖范围等方面均有了较大的提升；从技术上看，超短波收发机在抗干扰性、多任务化、小型化、低功耗等方面都有了很大的改进。美军联合战术无线电系统作为其主战装备，超短波接收机的宽带波形基于ODFM技术，实现56Mbps速率的高速传输［1］。

针对OFDM技术在超短波方面的应用，在调制解调算法方面的研究成果较多，但还没有较为全面的基于OFDM超短波接收机设计实现方面的成果。本文旨在结合工程实践从实战装备设计出发，对OFDM超短波接收机中的关键技术即系统同步和信道估计这两方面进行研究设计，以期为OFDM超短波无线电接收机的装备研制及实际应用奠定基础。

OFDM是一种利用载波间的正交性来提高频谱利用率的多载波调制技术。基本思想是将串行数据通过串并转换后，被多个正交子载波并行调制，使子载波的码元传输速率降低，码元符号周期增大，系统的抗衰落和抗干扰能力得到增强。OFDM各子载波频谱混叠但仍然保持正交性，其频谱利用率大大提高，非常适合用于移动通信的中高速传输［2］。

1 接收机同步技术研究与设计

1.1 接收机信道同步技术

接收机同步技术主要分为帧同步、载波同步和符号定时同步技术。

1.1.1 帧同步

对于突发发送的超短波电台通信系统而言，接收端信号的到达时刻是未知的，在接收空中的有效信号时，需要正确检测到OFDM帧的到达时刻。OFDM帧同步是接收机的第一个同步，其实现方法有很多，现主要研究基于能量检测和基于训练序列的两种帧同步方法［3］。

能量检测以噪声和有用信号为基础来判断相应频段内的授权用户信号是否到达，通过对预先设定的判决门限和检测到的信号能量做比较来确定。由此可见，能量检测的方法是比较简单的，它不需要较为复杂的计算处理，接收端也不需要预先被告知接收信号的相关先验信息。

基于训练序列实现帧同步是一种较为可靠的方法，不会受到多径信道影响，因此比较可靠。基于训练序列实现帧同步，可以采用两个以上的OFDM序列符号，这些训练序列的结构是可以重复的。采用的帧结构前面有OFDM训练序列，这些训练序列的目的是辅助同步。本文同样采用具有重复结构的短训练序列，通过延时相关算法达到帧同步目的。

1.1.2 载波同步

收发端时钟偏移以及收发端相对运动引起的多普勒频移都会导致频率偏移。频率偏移有整数倍频偏和小数倍频偏。如果载波频偏为整数倍的子载波间隔，即整数倍频偏，虽然此时子载波间仍然满足正交性，但是如果不进行补偿，误码性能仍然会明显下降。如果是小数倍频偏，子载波间的正交性遭到破坏，导致ICI。

1.1.3 符号定时同步

本文主要研究基于循环前缀和基于训练序列的同步技术：OFDM系统中，为了消除多径时延引起ISI，将OFDM符号尾部的数据拷贝到OFDM前端作为保护间隔，即称为循环前缀CP。可以利用CP实现帧同步，还可以通过短训练序列实现。采用发射机和接收机都是已知的标准训练序列可简化符号定时同步算法，接收端将接收到的数据跟本地的已知短训练序列进行相关运算，即在帧定时同步基础上进一步做细同步以确定符号起始点。

1.2 OFDM超短波接收机信道同步设计

1.2.1 帧同步设计

本文简要论述了帧同步技术，并提出两种实现方案。基于训练序列进行帧同步的性能较好，采用该方案进行帧同步设计。帧同步检测判决式如下：

mn=∑L-1k=0rn-kr*n-k-D∑L-1k=0rn-k-Dr*n-k-D=CnPn≥Th

设Th为置门限，通过mn与Th的关系来判断数据帧是否到来。在判决变量mn大于或等于Th时判定数据帧到来，否则判定数据帧未检测到。延时相关值用Cn表示，该值为复数，可以表示为Cn=an+jbn ，取模得到Cn=a2n+b2n。为了便于硬件实现，对模值取近似值，即Cn=a2n+b2n≈an+bn，因此可以增大判决门限Th。此外，比值需要使用除法器来实现，Th值可通过仿真先行获取，故设定Th=0.5。则：Cn＞Pn×Th=0.5Pn。

硬件实现时，0.5Pn可以直接对P右移一位实现，避免了复杂的除法运算。

1.2.2 载波同步设计

OFDM超短波接收机载波同步是在帧同步之后做，基于OFDM短训练序列实现载波同步。实际通信系统中必然存在噪声，即使发射端的两个训练序列一样，在经过无线信道衰落及噪声的影响后，接收端收到的序列与发射端的序列已经不同，不过两个序列之间仍然具有较大的相关性。在实际帧结构中，短训练序列通常多于两个，可以对多个短训练序列分别求频偏再取平均值以进一步提高CFO的精度。

1.2.3 符合定时同步和相位跟踪设计

OFDM接收机帧同步模块实现了对接收数据帧的粗同步，为了给FFT确定一个较为准确的定时起点需要对数据进行精确定时，符号定时模块就是为了确定这一精确时间点。

OFDM超短波接收机的符号同步采用短训练序列实现，将接收到的短训练序列STS跟已知的STS做相关可以得到多个峰值，峰值个数与接收机收到的STS个数相同。从硬件实现成本出发，需要考虑以下两个方面的开销并做简化处理：一方面，在寻找峰值时使用阈值的方法，也就是当相关值大于设定的阈值时，即认为此处为峰值，该方式可以避免最大值搜索。另一方面，使用STS做相关运算时，由于每个STS包含16个复数采样值，那么每个STS做相关运算需要  进行3×16次乘法运算。由于每个帧中包含多个STS用于符号定时同步，那么当有N个STS时一共需要进行48N次乘法运算，在N较大时硬件开销太大。因此，为了减少开销，这里采用数据量化的方式来降低乘法运算。按照上述方法，可以得到OFDM超短波接收機符号定时同步的实现结构。

基于短训练序列的接收机载波同步模块实现了频偏估计并且进行了补偿，但仍可能存在相位偏差导致星座符号旋转造成误判，因此需要做剩余相位跟踪与补偿以便更加准确地接收数据。此处，参考802.11a帧结构，插入4个导频用于补偿因子的计算。

2 接收机信道估计技术研究与设计

2.1 接收机信道估计技术

2.1.1 信道估计方法

由于超短波信道的复杂效应造成了接收信号的时频不确定性，导致频率选择性衰落对OFDM各子载波的影响不一致，在星座图上表现为相位的旋转与偏移。星座图的偏差会使接收机的数据误判概率加大，系统总体性能遭到恶化，因此实现时变信道下的OFDM系统同步之后，还需要进行信道估计，采用一定的信道估计技术对OFDM信号做信道估计和均衡，以便对接收数据做校正［4］。

盲估计和非盲估计是OFDM系统信道估计的两种方法。盲信道估计是利用接收数据自身的特点进行估计，不需要传送额外的信息，因此频谱效率高。然而，盲信道估计要获得准确的估计效果需要大量的数据支撑，所以会引起较大的数据处理延时，该方法不能应用于快衰落信道。目前，OFDM系统普遍使用非盲估计方法，主要有基于训练系列或者导频辅助的信道估计方法，接收端信道估计数据可以通过将接收信号与本地已知序列做相关计算得到，而且数据子载波信道响应可以采取插值方法来估计。OFDM系统信道估计可以借助导频或训练序列来实现。而且，在系统设计实现时，还必须考虑如何在满足系统战术技术指标需求的前提下，最大限度地降低软硬件实现复杂度，节约设计成本。

OFDM信道估计方法主要分析最小二乘法（LS）、最小均方误差法（MMSE）、线性最小均方误差估计（LMMSE）、基于SVD分解的LMMSE算法和基于DFT的信道估计5种。其优缺点如表1所示。

2.1.2 信道插值方法

OFDM信道插值方法主要分析最邻近插值法、线性插值法和三次样条插值法3种。通过对最小二乘法（线性插值）、线性最小均方误差和基于DFT的信道估计MSE、SER和BER性能仿真，得知采用线性插值的最小二乘法（LS）信道估计性能最差，而在LS基础上进行DFT变换估计的性能最好。同时，为了分析不同插值技术对于信道估计的影响，比较可见，采用最邻近插值法信道估计误差最大，而采用三次样条插值法估计最准确，但是三次样条插值法复杂度也最高。

2.2 OFDM超短波接收机信道估计设计

OFDM超短波接收机采用基于已知导频序列的方法实现系统同步，方案采用基于导频的维纳滤波内插数据的方法来实现信道估计，其帧结构如图1所示。

t1～t10是用于帧检测、载波粗同步和定时同步的短训练序列，T1和T2是用于载波细同步的长训练序列，与短训练序列之间的间隔用GI2表示，后面的8个OFDM符号中的导频数据用于信道估计及内插。

基于LTE相关协议，设定OFDM超短波接收机的带宽为20MHz，子载波间隔为15 kHz，详细系统参数如表2所示。

在高斯信道或无多普勒扩展条件下，OFDM系统发射机在进行数据发送时，可以假设在发射一个数据帧时间内无线信道的状态保持一致，因此OFDM的子载波频率响应可以通过OFDM帧中的训练序列进行估算。由于无线信道的多径特性和频率选择性衰落特性，为了减小发射机信号经过无线信道到达接收端后信号出现畸变或损伤，OFDM接收机采用均衡技术来解决此问题，虽然OFDM数据通过串并转换模块变换到了多路子载波上传输，频率选择性衰落影响得以降低，但是接收信号的相位旋转和信号幅值的不均匀畸变仍然需要解决。这就需要在接收端进行信道估计和均衡。由于超短波无线通信信道具有时变性，本文采用基于导频的维纳滤波内插数据的方法来进行信道估计。

假设信号是理想同步的，基于导频符号辅助的OFDM超短波接收机信道估计的实现过程如下：第一步，对接收信号做FFT，取出导频信号，根据已知导频做LS信道估计。第二步，基于MMSE思想的维纳滤波方法做内插，内插可以采用二维内插方法，也可以采用时频域分别内插的方法，即先做时域方向内插再做频域方向内插或者先做频域方向内插再做时域方向内插，本方案采用先频域后时域内插的方法，这样可以减少接收机处理时延。

先在频率方向对含有导频符号的OFDM进行信道估计及内插，然后对所有子载波在时间方向进行信道内插。对导频做LS信道估计，通过维纳滤波内插出所有数据处的信道响应，对估计出的信道响应与接收数据相乘，得到最终的解调数据。其实施步骤为：

（1）做频域内插，确定频域相关函数。考虑某种相关函数模型，根据理论统计，时延扩展的功率值是服从负指数分布的，频域相关函数可以表示为：

θn-n″，i-i″=11+j2π（n′-n″）τfilter/T

式中，1/T表示子载波之间的间隔，也就是FFT间隔长度T的倒数。

根据频域方向导频分布，求出导频位置之差，求出频域自相关函数及频域互相关函数，频域方向每个数据位置处的信道估计值为互相关函数、自相关函数的逆和导频信道估计值三者的乘积。

（2）做时域内插，确定时域相关函数。考虑一种经典多普勒频谱，时域内的相关函数可以表示为：

θi-i″=J0（2πfD，filter（i-i″）Ts）

式中，fD，filter=fmax，Ts是OFDM符号长度，也就是FFT周期T与保护时间之和。

根据时域方向导频分布，求出导频位置之差，时域自相关函数及时域互相关函数，时域方向每个数据位置处的信道估计值为互相关函数、自相关函数的逆和导频信道估计值三者的乘积。

按照上述方法，基于MATLAB工具对OFDM超短波接收機信道估计与均衡性能进行了仿真，实际效果如图2所示。

图2仿真中使用的频域方向滤波器阶数为30，时域方向滤波器阶数为12，多普勒为50 Hz，多径个数为6，多径时延为10 μs，OFDM调制方式为16QAM，采用COST207信道模型。从图2中可以看出，其信道估计及内插性能优于最邻近插值法、线性内插法和三次样条插值法，比如在BER为10-2时，维纳滤波插值法要比DFT内插方法好4 dB，比LS内插法好8 dB，达到了预期效果。

3 结语

以上对OFDM超短波接收机同步技术和信道估计技术进行了研究与设计：对帧同步技术、载波同步技术和符号定时同步技术进行了分析，设计了帧同步、载波同步、符号定时同步和相位跟踪模块方案，给出了实现结构；对典型信道估计和插值方法进行了仿真分析，结合OFDM接收机应用给出了性能优于典型设计方法的基于二维导频符号辅助的信道估计方案，给出了实现结构。

参考文献

［1］周建萍.IEEE802.11b/a/g调制信号解调的设计与实现［D］.重庆：重庆邮电大学，2017.

［2］郭俊杰.外军宽频多模战术无线电发展现状浅析［J］.移动通信，2016（20）：70-76.

［3］郭俊杰.外军士兵通信系统发展现状浅析［J］.移动通信，2016（23）：37-45.

［4］郭俊杰.外軍30-512M陆地战术电台发展现状浅析［J］.中国新通信，2016（21）：149.

（编辑 傅金睿）

Research and design of synchronization and channel estimation of OFDM receiver

Guo  Junjie

（Hebi Tianhai Electronic Information System Co.， Ltd.， Nanjing Branch， Nanjing 210012， China）

Abstract： Ultra-ultrashort wave receivers are large number and widely used in military communication equipment. As the US joint tactical radio system is the main battle equipment， the broadband waveform of the ultrashort wave receiver is based on ODFM technology to realize the high-speed transmission of 56 Mbps rate. Combined with the engineering practice， starting from the actual combat equipment design， this paper studies and designs the key technologies of OFDM ultra-short wave receiver， namely system synchronization and channel estimation， in order to lay a certain foundation for the equipment development and practical application of OFDM ultra-short wave radio receiver.

Key words： ultrashort wave receive; OFDM; channel estimation