OFDM系统频偏自适应跟踪算法的研究

摘 要：为了减小正交频分复用系统受频率偏差的影响，在OFDM系统中设计了一种新的载波频偏估计算法。频偏估计包括跟踪和捕获两个阶段，文中采用变步长自适应算法来进行跟踪，这个跟踪算法的捕捉范围是整个信号带宽的一半。通过此方法，不但可以利用前向纠错的方式来避免反馈，而且可以缩减复数乘法的次数以降低计算复杂度和系统功耗。该方法运算复杂度低，并具有较好的收敛性，能改善ODFM的解调性能。从计算机的仿真效果可以看出无论是在AWGN信道上还是在多径信道上都表现出了卓越的性能。

关键词：OFDM技术；频率偏差；自适应跟踪；变步长自适应算法

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A

文章编号：1004373X(2008)0308902

Research of Adaptive Frequency Offset Tracking Algorithm in OFDM System

MO Ningchun,JIANG Fengju,TIAN Jiang

(Shanghai Metto Communication Corporation Limited,Shanghai,200333,China)

Abstract：To reduce the impact of carrier frequency offset in OFDM system,this thesis designs a new carrier frequency offset estimation scheme for OFDM system.The carrier frequency offset estimation includes acquisition and tracking.we adopt variable step size adaptive algorithm.The acquisition range of the proposed algorithm is as large as one half of the overall signal bandwidth.Through this method we can not only avoid the feedback by using forward error correction,but also reduce the times of complex multiplication in order to reduce the power consumption of the system.This algorithm not only has low complexity and fast convergence nut also can improve the demodulation performance of OFDM puter simulation illustrates the superior performance of the proposed algorithm with regard to estimation accuracy in both AWGN channel and multi―path channel.

Keywords：technology of OFDM;frequency offset;adaptive tracking;variable step size adaptive algorithm

随着通信的发展，第四代移动无线通信系统的实现目标是无所不至、高速率、高质量的多媒体传输。但可利用的频带日趋紧张，除了开发新的频谱资源外，采用高效的抗干扰调制技术，提高频带利用率一直为人们所关心的问题。因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求，同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干扰，达到改善系统性能的目的。正交频分复用(OFDM)在众多技术中解决了上述问题，显示出了优越的性能。

1 OFDM系统的原理及频偏要求

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种新型高效的编码技术，他能有效地对抗多径传输，使得受到干扰的信号能够可靠地接收。目前普遍认为在宽带无线接入领域采用OFDM是发展的趋势，而且他将成为未来移动通信系统的关键技术。

OFDM的主要思想是将需要传输的数据比特经数字调制(如MPSK,MQAM等)后成为复信号Sk，通过N点的IFFT变换，完成多载波调制，使信号能够在N个子载波上并行传输，变换后的信号经并串转换，将串行数据尾部的L个点复制到前部，作为循环前缀，构成一个长为L+N的完整的OFDM数据帧，这N+L个抽样点经过D/A后输出。在接收端经同步算法，估计出帧定时点和频率偏移，删去循环前缀，再经N点FFT变换后即得解调数据。

OFDM系统中比较关键的问题是在高速无线通信中对载波频率偏差的敏感性。系统的频偏通常由接收端和发送端晶体振荡器的频率差及运动产生的多普勒频移造成的。由于载波频率偏差会破坏子载波之间的正较性，因此和单载波系统相比，对系统性能的影响更大。

2 频偏计算公式

3 变步长自适应算法应用到频偏跟踪

频偏跟踪一般用最陡下降法，因为其采用固定步长故有收敛速度慢、跟踪曲线起伏大、跟踪精度低的缺点。为了提高跟踪速度，减小稳态误调，本文采用变步长的跟踪算法，为了提高算法性能，在初始收敛阶段步长较大，而在收敛阶段，由于误差较小故步长较小。这样与最陡下降法比既有较快的收敛速度和跟踪速度又有很小的稳态失调，对第r个OFDM符号：

令v为步长因子，故有迭代公式如下：

将步长调整为和估计偏差成正比后:

因为初始阶段，估计偏差很大，收敛阶段估计偏差很小，将步长调整为和估计偏差成正比，故变步长自适应算法有较好的性能。

4 仿真性能分析

根据变步长自适应算法进行仿真，步长因子α=0.005，由于不同子载波的性能要比最陡下降法优秀，故取60个子载波，将两者之间的BPSK星座图和其跟踪曲线的最小均方误差相比较，变步长自适应算法的收敛速度大大加快，迅速收敛到归一化频偏值0.1，绝大多数数据已经回到了0°和180°附近，只有较少的点偏离较远，随着帧数增加，算法结果迅速收敛于真实值。

图1 最陡下降法BPSK星座图

图2 变步长算法BPSK星座图

图3 最陡下降法的均方误差

图4 变步长算法的均方误差

5 结 语

本文提出一种变步长自适应算法对OFDM系统频偏进行跟踪，基于这种变步长自适应算法相对于传统的最陡下降法算法而言具有自身的优势，能够极大地减小所需的捕获时间，因而能够有效地提高算法的估计精度。该算法应用到频偏跟踪，将显著降低运算复杂度，而且速度快，精度高，解调方便，抗干扰能力强。

参考文献

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[4]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.

作者简介

莫宁春 1979年出生，就职于上海美多通信设备有限公司，硕士在读。主要研究方向为无线通信。

蒋锋聚 1977年出生，华东理工大学工程硕士在读，主要研究方向为数字信号处理。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。