新型OFDM前導符號頻域結構與接收算法

徐洪亮，何大治，張文軍

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

新型OFDM前導符號頻域結構與接收算法

徐洪亮1，何大治2，張文軍2

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

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

正交頻分復用；前導符號；定時同步；恒包絡零自相關

在OFDM廣播及通信系統中，前導符號是一個特殊的組成部分，具有重要的作用。其功能包括：信號的初始發現、定時同步、頻偏估計、信道估計以及承載信令內容等。為了實現所需功能并優化性能，相比一般的OFDM符號，前導符號通常具有一些特殊的時域和頻域結構與特性，從而能夠實現相應的操作。例如，DVB-T2系統中的P1符號具有特殊的C-A-B時域結構和離散的子載波位置[1]。

隨著低密度奇偶校驗碼(LDPC)、非規則星座映射(NUQAM)等技術的發展，OFDM廣播系統的整體性能得到提升，同時對前導符號提出更高的性能要求，需要具有比系統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]。

為進一步提高其在信號發現、頻偏估計等方面的性能，本文對前導符號的頻域結構進行了研究，并提出了一種固定序列和信令序列奇偶交錯排列的新結構。同時還介紹了適用于該種頻域結構的前導符號的接收算法。最后，還對所提出的結構及算法進行了仿真，并給出了性能分析結果。

1 前導符號頻域結構設計

1.1 頻域結構與子載波分配

一個前導符號的頻域結構包含若干個子載波，個數記為NFFT。其中左右兩側的子載波不填充數據或信號，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。有效子載波個數記為NAC，且限定為偶數。

為進行信道估計，需要信號中存在導頻。因此將所有有效子載波中的偶數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位子載波填充信令序列(SC)來實現。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元素的個數為：NSC=2NSIG，其中NSIG為系統所能傳輸的信令比特數?？梢?，信令序列主要決定了符號的解碼性能。

該前導符號頻域結構如圖1所示，圖中取NFFT=1 024,NAC=706。

圖1 前導符號頻域結構子載波分配

由于固定序列和信令序列所發揮的功能不同，在約束前導符號總能量一定的前提下，可以調整這2個序列(即奇、偶子載波)能量的比值R，以取得更優的檢測或解碼性能?？紤]到正確解碼信令信息總是以對前導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解，此時前導符號的檢測與解碼能力相當。

上述前導符號的頻域表達如下

(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 序列設計與優化

信令序列的選擇應遵循如下原則：

1)良好的相關性

信令解碼是通過計算接收信號與全部信令序列的互相關系數來完成的，在該過程中判定獲得最大相關系數時所對應的本地序列序號即為信令信息。因此要求信令序列集合內的全部序列具有良好的互相關性，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特性，即其循環自相關結果除主相關峰以外的模應盡量小，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，信令序列也應當具有均勻的能量分布，序列中各元素的模值應接近均值，以避免頻率選擇性信道下性能嚴重下降。這一要求對于前導符號信號符合發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勢，包括序列的存儲與表達、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域擴展到復數域，也擴展了優化空間、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)產生。ZC序列是一類恒包絡零自相關序列(CAZAC)，具有如下特性：恒包絡，即任何CAZAC序列的幅值恒定；理想的自相關特性，即任意CAZAC序列與其循環移位所得序列互不相關；良好的互相關特性，任意2個CAZAC序列互相關值接近于零，并且與序列長度的倒數成正比；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。

區別于LTE系統，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(ui,Ni,ki)唯一確定。在確定信令序列參數時應保證集合中信令序列參數(ui,Ni)不重復。

類似的，在確定固定序列時同樣應當考慮其自相關特性及與信令序列集合的互相關特性。此外，還應對由固定序列和全部信令序列組成的前導符號的PAPR特性進行優化。為簡化設計與優化過程，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)，通過優選幅角值即確定該序列。

1.3 前導符號參數與生成

根據上兩節介紹的設計思路與原則，對各項目標參數進行聯合優化，可確定各頻域設計關鍵參數。其中，信令序列參數(ui,ki)及固定序列參數ωn因篇幅較長不在本文給出，其他部分參數如下：

1)信令序列基序列長度

2)固定/信令序列功率比：R=2

在得到該頻域結構后，可通過下式生成時域主體信號

(6)

式中：P1A(t)為所得到的前導符號主體結構時域信號；T為該信號的采樣周期。基于該主體結構，可分別生成循環前/后綴以形成所需的最終時域信號，本文不對時域結構的設計及接收算法詳述。前導符號的生成流程如圖2所示。

圖2 前導符號生成流程

2 接收算法

如前文所述，前導符號在OFDM系統中承載了時間同步、頻率同步、信道估計等多重功能，這些功能的實現對應前導符號在時域頻域上的不同設計特征。本節將主要介紹適用于該新型頻域結構的一些接收算法。

2.1 時鐘同步

除基于循環前綴、后綴進行延時相關外，還可基于頻域結構中的固定序列進行估計，此時可將固定序列視為訓練序列?；谟柧毿蛄械臅r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]。

將接收到的前導符號信號記為rn，將本地復現生成的信號記為sn，則可對其進行互相關操作得到互相關系數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行差分處理，如

(8)

(9)

(10)

在不考慮噪聲及多徑時，上式可進一步簡化為

(11)

由此可見，通過與本地序列進行差分相關，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特性，便得差分相關后能得到尖銳的相關峰，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 整數倍頻偏估計

在完成定時粗同步及小數倍頻偏估計后，需要進行整數倍頻偏(IFO)估計。為避免信號多徑及殘留時間偏差的影響，對整數倍頻偏的估計不是直接在頻域上進行。首先根據定時同步的結果從采樣信號中截取出時域的主體部分進行傅里葉變換得到相應的頻域結構，并對其分別進行循環移位，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，與本地生成的前導符號頻域信號進行共軛相乘后，再進行逆傅里葉變換，該變換結果中的每個峰值即對應信號的一個主徑。將其中能量大于一定閾值的主徑能量進行累加，記為Pn，其中n為當前的移位值。

2.3 信號驗證

2.4 信令解碼

在完成上述定時同步、整數倍頻偏估計以及信號驗證后，即可進行信令解碼。信令解碼需要將全部的信令序列集合分別與頻域前導符號指定位置(奇數位置)子載波結果求取互相關系數，其中互相關系數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容。

3 性能仿真

基于所介紹的結構與接收算法，對文章中給出的前導符號設計進行了仿真。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，包括了靜態、動態以及單頻網(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；定義移動單頻網為兩簇到達時間差為25 μs的TU6信道，其最大多普勒頻偏均為39 Hz。

經仿真，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 前導符號解碼性能

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

對前導符號的載波頻率偏差和采樣頻率偏(SFO)的最大容限進行了仿真，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系統的一個重要性能參數。對該前導符號的PAPR進行了仿真，如圖4所示?？梢钥吹?，對于容量為512的全部信令序列集合，選擇任意信令序列所生成的前導符號，其PAPR不大于6.3 dB。

圖4 峰均功率比(PAPR)分布

通過與DVB-T2所定義的前導符號相比可知，本文所給出的前導符號在靜態動態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，均大大優于 DVB-T2[7]。

4 總結

本文介紹了一種新型OFDM前導符號頻域結構的設計。該設計分別將頻域符號的奇、偶數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量的信令信息同時，還提供了一個已知波形用于整數倍頻偏估計、信號驗證、信道估計與相干檢測。通過優選固定與信令序列，優化了其相關特性，提高了整體性能。還介紹了適用于該頻域結構的接收算法。

通過該種結構，能夠實現時域直接檢測、定時粗同步與小數倍頻偏估計，顯著提高了檢測性能；可進行性能更優的整數倍頻偏估計與信道估計；具備9 bit的信令承載能力，并可根據需要再行擴充，同時具有極高的解碼能力；通過優選固定序列和信令序列，能夠得到很小的峰均功率比。

仿真結果表明，相比現有的一些廣播系統前導符號方案，所提出的前導符號頻域設計，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字電視廣播系統。

[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.新一代地面數字電視系統中的前導符號設計[J].電視技術，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中的應用研究[D].北京：北京郵電大學，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

國家自然科學基金項目(61420106008)；國家高技術研究發展計劃項目(2013AA013503)

TN911

A

10.16280/j.videoe.2015.17.022

2015-05-27

【本文獻信息】徐洪亮，何大治，張文軍.新型OFDM前導符號頻域結構與接收算法[J].電視技術,2015，39(17).