徐洪亮，何大治，張文軍

(1.數(shù)字電視國家工程研究中心，上海 200125；2.上海交通大學(xué)，上海 200140)

新型OFDM前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)與接收算法

徐洪亮1，何大治2，張文軍2

(1.數(shù)字電視國家工程研究中心，上海 200125；2.上海交通大學(xué)，上海 200140)

對OFDM廣播系統(tǒng)中前導(dǎo)符號的頻域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了一種固定序列和信令序列奇偶交錯排列的新結(jié)構(gòu)，其中固定序列可用于整數(shù)倍頻偏估計和信道估計，信令序列用于承載信令內(nèi)容?；谠摻Y(jié)構(gòu)，給出了一個前導(dǎo)符號頻域的具體方案與參數(shù)。介紹了適用于該種結(jié)構(gòu)的接收算法，并基于上述參數(shù)與算法進(jìn)行了仿真試驗。仿真結(jié)果表明，該種前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的檢測與解碼性能，能夠適用于各類固定及移動場景。

正交頻分復(fù)用；前導(dǎo)符號；定時同步；恒包絡(luò)零自相關(guān)

在OFDM廣播及通信系統(tǒng)中，前導(dǎo)符號是一個特殊的組成部分，具有重要的作用。其功能包括：信號的初始發(fā)現(xiàn)、定時同步、頻偏估計、信道估計以及承載信令內(nèi)容等。為了實現(xiàn)所需功能并優(yōu)化性能，相比一般的OFDM符號，前導(dǎo)符號通常具有一些特殊的時域和頻域結(jié)構(gòu)與特性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的操作。例如，DVB-T2系統(tǒng)中的P1符號具有特殊的C-A-B時域結(jié)構(gòu)和離散的子載波位置[1]。

隨著低密度奇偶校驗碼(LDPC)、非規(guī)則星座映射(NUQAM)等技術(shù)的發(fā)展，OFDM廣播系統(tǒng)的整體性能得到提升，同時對前導(dǎo)符號提出更高的性能要求，需要具有比系統(tǒng)中其他符號更低的檢測與解碼門限。研究者在此做了大量工作，提出了一些新方案[2-3]。

為進(jìn)一步提高其在信號發(fā)現(xiàn)、頻偏估計等方面的性能，本文對前導(dǎo)符號的頻域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并提出了一種固定序列和信令序列奇偶交錯排列的新結(jié)構(gòu)。同時還介紹了適用于該種頻域結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)符號的接收算法。最后，還對所提出的結(jié)構(gòu)及算法進(jìn)行了仿真，并給出了性能分析結(jié)果。

1 前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 頻域結(jié)構(gòu)與子載波分配

一個前導(dǎo)符號的頻域結(jié)構(gòu)包含若干個子載波，個數(shù)記為NFFT。其中左右兩側(cè)的子載波不填充數(shù)據(jù)或信號，稱為虛擬子載波；只使用中間的子載波填充信號，稱為有效子載波。有效子載波個數(shù)記為NAC，且限定為偶數(shù)。

為進(jìn)行信道估計，需要信號中存在導(dǎo)頻。因此將所有有效子載波中的偶數(shù)位子載波填充為一個已知的序列，稱為固定序列(FC)。固定序列主要用于信號的檢測、定時同步、頻偏估計與信道估計，即固定序列主要決定了符號的檢測性能。

前導(dǎo)符號另一功能是承載信令信息，通過在有效子載波中的奇數(shù)位子載波填充信令序列(SC)來實現(xiàn)。填充時，首先將信令信息映射為信令序列集合中不同的信令序列。因此信令序列集合內(nèi)元素的個數(shù)為：NSC=2NSIG，其中NSIG為系統(tǒng)所能傳輸?shù)男帕畋忍財?shù)?？梢姡帕钚蛄兄饕獩Q定了符號的解碼性能。

該前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中取NFFT=1 024,NAC=706。

圖1 前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)子載波分配

由于固定序列和信令序列所發(fā)揮的功能不同，在約束前導(dǎo)符號總能量一定的前提下，可以調(diào)整這2個序列(即奇、偶子載波)能量的比值R，以取得更優(yōu)的檢測或解碼性能?？紤]到正確解碼信令信息總是以對前導(dǎo)符號的成功檢測及定時同步為前提的，因此該比值存在一個最優(yōu)解，此時前導(dǎo)符號的檢測與解碼能力相當(dāng)。

上述前導(dǎo)符號的頻域表達(dá)如下

(1)式中：P1X為所得頻域符號；n為頻域子載波的序號；SC(k),FC(k)分別為信令序列和固定序列,k為序列中元素的序號。

1.2 序列設(shè)計與優(yōu)化

信令序列的選擇應(yīng)遵循如下原則：

1)良好的相關(guān)性

信令解碼是通過計算接收信號與全部信令序列的互相關(guān)系數(shù)來完成的，在該過程中判定獲得最大相關(guān)系數(shù)時所對應(yīng)的本地序列序號即為信令信息。因此要求信令序列集合內(nèi)的全部序列具有良好的互相關(guān)性，以降低誤信令率。同時還要求其信令序列具有良好的自相關(guān)特性，即其循環(huán)自相關(guān)結(jié)果除主相關(guān)峰以外的模應(yīng)盡量小，以增加對抗多徑和殘留頻偏的魯棒性。

2)均勻的模值

與固定序列類似，信令序列也應(yīng)當(dāng)具有均勻的能量分布，序列中各元素的模值應(yīng)接近均值，以避免頻率選擇性信道下性能嚴(yán)重下降。這一要求對于前導(dǎo)符號信號符合發(fā)射頻譜模板要求也是有幫助的。

3)序列集合的生成與容量

基于一定生成規(guī)則生成信令序列集合相比基于DVB-T2所使用的偽隨機擴頻序列具有明顯的優(yōu)勢，包括序列的存儲與表達(dá)、集合的容量擴展能力等。此外將信令序列元素的定義空間從實數(shù)域擴展到復(fù)數(shù)域，也擴展了優(yōu)化空間、增強了性能。

綜合上述原則，確定信令序列基于Zadoff-Chu序列(ZC序列)產(chǎn)生。ZC序列是一類恒包絡(luò)零自相關(guān)序列(CAZAC)，具有如下特性：恒包絡(luò)，即任何CAZAC序列的幅值恒定；理想的自相關(guān)特性，即任意CAZAC序列與其循環(huán)移位所得序列互不相關(guān)；良好的互相關(guān)特性，任意2個CAZAC序列互相關(guān)值接近于零，并且與序列長度的倒數(shù)成正比；傅里葉變換時的互易性，即CAZAC的傅里葉變換或反變換所得到的序列仍為CAZAC序列。其中，傅里葉變換的互易性還表明為在OFDM通信系統(tǒng)中很低的功率峰均比(PAPR)。由于這些特性，ZC序列已被廣泛用于各類OFDM系統(tǒng)中，包括LTE，WiMAX等[4]。

本文所述信令序列生成公式如下所示。首先生成ZC基序列zi(n)

(2)

然后基于上述基序列，生成信令序列SCi(n)，公式如下

(3)

式中：Ni為序列長度；ui為序列根值；ki為序列移位值。

區(qū)別于LTE系統(tǒng)，每個信令序列SCi(n)都是從一個具有不同根值的ZC基序列循環(huán)移位得到，從而既避免多普勒頻移的影響，也使得能夠在需要的時候擴充信令序列集合。其中，每一個信令序列都由一組參數(shù)(ui,Ni,ki)唯一確定。在確定信令序列參數(shù)時應(yīng)保證集合中信令序列參數(shù)(ui,Ni)不重復(fù)。

類似的，在確定固定序列時同樣應(yīng)當(dāng)考慮其自相關(guān)特性及與信令序列集合的互相關(guān)特性。此外，還應(yīng)對由固定序列和全部信令序列組成的前導(dǎo)符號的PAPR特性進(jìn)行優(yōu)化。為簡化設(shè)計與優(yōu)化過程，對固定序列作如下約束

FC(n)=ejπωn

(4)

即固定序列為絕對值為1的恒模序列，其中ωn為序列中各元素的幅角(相位值)，其取值范圍為[0～2π)，通過優(yōu)選幅角值即確定該序列。

1.3 前導(dǎo)符號參數(shù)與生成

根據(jù)上兩節(jié)介紹的設(shè)計思路與原則，對各項目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，可確定各頻域設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)。其中，信令序列參數(shù)(ui,ki)及固定序列參數(shù)ωn因篇幅較長不在本文給出，其他部分參數(shù)如下：

1)信令序列基序列長度

2)固定/信令序列功率比：R=2

在得到該頻域結(jié)構(gòu)后，可通過下式生成時域主體信號

(6)

式中：P1A(t)為所得到的前導(dǎo)符號主體結(jié)構(gòu)時域信號；T為該信號的采樣周期?；谠撝黧w結(jié)構(gòu)，可分別生成循環(huán)前/后綴以形成所需的最終時域信號，本文不對時域結(jié)構(gòu)的設(shè)計及接收算法詳述。前導(dǎo)符號的生成流程如圖2所示。

圖2 前導(dǎo)符號生成流程

2 接收算法

如前文所述，前導(dǎo)符號在OFDM系統(tǒng)中承載了時間同步、頻率同步、信道估計等多重功能，這些功能的實現(xiàn)對應(yīng)前導(dǎo)符號在時域頻域上的不同設(shè)計特征。本節(jié)將主要介紹適用于該新型頻域結(jié)構(gòu)的一些接收算法。

2.1 時鐘同步

除基于循環(huán)前綴、后綴進(jìn)行延時相關(guān)外，還可基于頻域結(jié)構(gòu)中的固定序列進(jìn)行估計，此時可將固定序列視為訓(xùn)練序列?；谟?xùn)練序列的時間頻率同步方法相比時域方法，具有更高的估計精度及更低的檢測門限[5]。

將接收到的前導(dǎo)符號信號記為rn，將本地復(fù)現(xiàn)生成的信號記為sn，則可對其進(jìn)行互相關(guān)操作得到互相關(guān)系數(shù)Rm

(7)

為了消除收端由于載波頻率偏差而帶來的相差，可先分別對接收信號進(jìn)行差分處理，如

(8)

(9)

(10)

在不考慮噪聲及多徑時，上式可進(jìn)一步簡化為

(11)

由此可見，通過與本地序列進(jìn)行差分相關(guān)，可以完成采樣信號的定時同步估計，且該過程不受接收機包含的載波頻率偏差影響。此外，由于固定序列本身及其差分序列所具有的良好自相關(guān)特性，便得差分相關(guān)后能得到尖銳的相關(guān)峰，有利于微弱信號的檢測，且不存在峰值平臺，估計精度高。

2.2 整數(shù)倍頻偏估計

在完成定時粗同步及小數(shù)倍頻偏估計后，需要進(jìn)行整數(shù)倍頻偏(IFO)估計。為避免信號多徑及殘留時間偏差的影響，對整數(shù)倍頻偏的估計不是直接在頻域上進(jìn)行。首先根據(jù)定時同步的結(jié)果從采樣信號中截取出時域的主體部分進(jìn)行傅里葉變換得到相應(yīng)的頻域結(jié)構(gòu)，并對其分別進(jìn)行循環(huán)移位，移位值的取值范圍為[-N:+N]。對于每個移位值所得到的采樣序列，與本地生成的前導(dǎo)符號頻域信號進(jìn)行共軛相乘后，再進(jìn)行逆傅里葉變換，該變換結(jié)果中的每個峰值即對應(yīng)信號的一個主徑。將其中能量大于一定閾值的主徑能量進(jìn)行累加，記為Pn，其中n為當(dāng)前的移位值。

2.3 信號驗證

2.4 信令解碼

在完成上述定時同步、整數(shù)倍頻偏估計以及信號驗證后，即可進(jìn)行信令解碼。信令解碼需要將全部的信令序列集合分別與頻域前導(dǎo)符號指定位置(奇數(shù)位置)子載波結(jié)果求取互相關(guān)系數(shù)，其中互相關(guān)系數(shù)模最大的信令序列即為采樣信號所承載的信令序列，該序列在集合中的序號即為所承載的信令內(nèi)容。

3 性能仿真

基于所介紹的結(jié)構(gòu)與接收算法，對文章中給出的前導(dǎo)符號設(shè)計進(jìn)行了仿真。仿真中所使用的場景為：AWGN、TU6[6](最大多普勒頻偏為129 Hz)、移動單頻網(wǎng)，包括了靜態(tài)、動態(tài)以及單頻網(wǎng)(SFN)這3類典型信道。其中，定義TU6信道的最大多普勒頻偏為129 Hz；定義移動單頻網(wǎng)為兩簇到達(dá)時間差為25 μs的TU6信道，其最大多普勒頻偏均為39 Hz。

經(jīng)仿真，得到解碼性能曲線如圖3所示。

若以解碼誤碼率10-2為閾值，可分別得到各仿真場景下性能，見表1。

表1 前導(dǎo)符號解碼性能

信道解碼閾值/dBAWGN-860TU6(129Hz)-405MobileSFN-462

對前導(dǎo)符號的載波頻率偏差和采樣頻率偏(SFO)的最大容限進(jìn)行了仿真，仿真場景均為AWGN信道且信噪比為 3 dB， 并以解碼誤碼率10-2為閾值，結(jié)果如表2所示。

表2 頻率偏差容限

偏差類型最小值最大值載波頻率偏差/MHz-4+4采樣頻率偏差/ppm-1000+1000

PAPR是OFDM系統(tǒng)的一個重要性能參數(shù)。對該前導(dǎo)符號的PAPR進(jìn)行了仿真，如圖4所示?？梢钥吹剑瑢τ谌萘繛?12的全部信令序列集合，選擇任意信令序列所生成的前導(dǎo)符號，其PAPR不大于6.3 dB。

圖4 峰均功率比(PAPR)分布

通過與DVB-T2所定義的前導(dǎo)符號相比可知，本文所給出的前導(dǎo)符號在靜態(tài)動態(tài)等各類信道下的解碼性能、對頻率偏差的容限以及PAPR等各項性能，均大大優(yōu)于 DVB-T2[7]。

4 總結(jié)

本文介紹了一種新型OFDM前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)的設(shè)計。該設(shè)計分別將頻域符號的奇、偶數(shù)子載波用于承載固定信令與信令序列，從而在滿足傳輸一定數(shù)量的信令信息同時，還提供了一個已知波形用于整數(shù)倍頻偏估計、信號驗證、信道估計與相干檢測。通過優(yōu)選固定與信令序列，優(yōu)化了其相關(guān)特性，提高了整體性能。還介紹了適用于該頻域結(jié)構(gòu)的接收算法。

通過該種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)時域直接檢測、定時粗同步與小數(shù)倍頻偏估計，顯著提高了檢測性能；可進(jìn)行性能更優(yōu)的整數(shù)倍頻偏估計與信道估計；具備9 bit的信令承載能力，并可根據(jù)需要再行擴充，同時具有極高的解碼能力；通過優(yōu)選固定序列和信令序列，能夠得到很小的峰均功率比。

仿真結(jié)果表明，相比現(xiàn)有的一些廣播系統(tǒng)前導(dǎo)符號方案，所提出的前導(dǎo)符號頻域設(shè)計，具有很高的檢測與解碼能力，同時還具有信令擴展能力，能夠用于未來的新型地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)。

[1] ETSI. EN 302 755， Digital video broadcasting (DVB)： frame structure， channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)[S]. 2012.

[2] 劉菁菁，張超，潘長勇.新一代地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的前導(dǎo)符號設(shè)計[J].電視技術(shù)，2015，39(2)：3-6.

[3] HE L， WANG Z， YANG F， et al. A novel preamble design for OFDM transmission parameter signaling [C]//Proc. IEEE International Conference on Communications. [S.l.]：IEEE Press，2011：1-5.

[4] 任斌. CAZAC序列在LTE中的應(yīng)用研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

[5] TUFVESSON F， FAULKNER M， HOEHER P， et al. OFDM time and frequency synchronization by spread spectrum pilot technique [C]//Proc. Communication Theory Mini-Conference. New York： IEEE Press，1999：115-119.

[6] CORREIA L M. Wireless flexible personalized communications-COST 259： European co-operation in mobile radio research[M]. [S.l.]：John Wiley & Sons， 2001.

[7] ETSI TS 102 831， Digital video broadcasting (DVB)： implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) [S].2010.

責(zé)任編輯：閆雯雯

Innovative Frequency Structure for OFDM Preamble Symbol and Its Receiving Algorithm

XU Hongliang1, HE Dazhi2, ZHANG Wenjun2

(1.NationalEngineeringResearchCenterofDigitalTelevision，Shanghai200125，China； 2.ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200140，China)

Preamble symbol frequency structure of OFDM system is studied in this paper. A novel structure with interlaced fixed and signaling sequences is proposed, where the fixed sequence is mainly used for integer frequency offset (IFO) estimation and/or channel estimation, while signaling sequence is used to convey signaling information. A detailed design based on the structure is provided. Corresponding receiving algorithm is also discussed. The outstanding performance is proved by simulations and its future implementation is promised.

OFDM; preamble; time synchronization; CAZAC

國家自然科學(xué)基金項目(61420106008)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013AA013503)

TN911

A

10.16280/j.videoe.2015.17.022

2015-05-27

【本文獻(xiàn)信息】徐洪亮，何大治，張文軍.新型OFDM前導(dǎo)符號頻域結(jié)構(gòu)與接收算法[J].電視技術(shù),2015，39(17).