新型OFDM前导符号频域结构与接收算法

徐洪亮，何大治，张文军

(1.数字电视国家工程研究中心，上海 200125；2.上海交通大学，上海 200140)

新型OFDM前导符号频域结构与接收算法

徐洪亮1，何大治2，张文军2

(1.数字电视国家工程研究中心，上海 200125；2.上海交通大学，上海 200140)

对OFDM广播系统中前导符号的频域结构进行了研究，提出了一种固定序列和信令序列奇偶交错排列的新结构，其中固定序列可用于整数倍频偏估计和信道估计，信令序列用于承载信令内容。基于该结构，给出了一个前导符号频域的具体方案与参数。介绍了适用于该种结构的接收算法，并基于上述参数与算法进行了仿真试验。仿真结果表明，该种前导符号频域结构具有优异的检测与解码性能，能够适用于各类固定及移动场景。

正交频分复用；前导符号；定时同步；恒包络零自相关

在OFDM广播及通信系统中，前导符号是一个特殊的组成部分，具有重要的作用。其功能包括：信号的初始发现、定时同步、频偏估计、信道估计以及承载信令内容等。为了实现所需功能并优化性能，相比一般的OFDM符号，前导符号通常具有一些特殊的时域和频域结构与特性，从而能够实现相应的操作。例如，DVB-T2系统中的P1符号具有特殊的C-A-B时域结构和离散的子载波位置[1]。

随着低密度奇偶校验码(LDPC)、非规则星座映射(NUQAM)等技术的发展，OFDM广播系统的整体性能得到提升，同时对前导符号提出更高的性能要求，需要具有比系统中其他符号更低的检测与解码门限。研究者在此做了大量工作，提出了一些新方案[2-3]。

为进一步提高其在信号发现、频偏估计等方面的性能，本文对前导符号的频域结构进行了研究，并提出了一种固定序列和信令序列奇偶交错排列的新结构。同时还介绍了适用于该种频域结构的前导符号的接收算法。最后，还对所提出的结构及算法进行了仿真，并给出了性能分析结果。

1 前导符号频域结构设计

1.1 频域结构与子载波分配

一个前导符号的频域结构包含若干个子载波，个数记为NFFT。其中左右两侧的子载波不填充数据或信号，称为虚拟子载波；只使用中间的子载波填充信号，称为有效子载波。有效子载波个数记为NAC，且限定为偶数。

为进行信道估计，需要信号中存在导频。因此将所有有效子载波中的偶数位子载波填充为一个已知的序列，称为固定序列(FC)。固定序列主要用于信号的检测、定时同步、频偏估计与信道估计，即固定序列主要决定了符号的检测性能。

前导符号另一功能是承载信令信息，通过在有效子载波中的奇数位子载波填充信令序列(SC)来实现。填充时，首先将信令信息映射为信令序列集合中不同的信令序列。因此信令序列集合内元素的个数为：NSC=2NSIG，其中NSIG为系统所能传输的信令比特数。可见，信令序列主要决定了符号的解码性能。

该前导符号频域结构如图1所示，图中取NFFT=1 024,NAC=706。

图1 前导符号频域结构子载波分配

由于固定序列和信令序列所发挥的功能不同，在约束前导符号总能量一定的前提下，可以调整这2个序列(即奇、偶子载波)能量的比值R，以取得更优的检测或解码性能。考虑到正确解码信令信息总是以对前导符号的成功检测及定时同步为前提的，因此该比值存在一个最优解，此时前导符号的检测与解码能力相当。

上述前导符号的频域表达如下

(1)式中：P1X为所得频域符号；n为频域子载波的序号；SC(k),FC(k)分别为信令序列和固定序列,k为序列中元素的序号。

1.2 序列设计与优化

信令序列的选择应遵循如下原则：

1)良好的相关性

信令解码是通过计算接收信号与全部信令序列的互相关系数来完成的，在该过程中判定获得最大相关系数时所对应的本地序列序号即为信令信息。因此要求信令序列集合内的全部序列具有良好的互相关性，以降低误信令率。同时还要求其信令序列具有良好的自相关特性，即其循环自相关结果除主相关峰以外的模应尽量小，以增加对抗多径和残留频偏的鲁棒性。

2)均匀的模值

与固定序列类似，信令序列也应当具有均匀的能量分布，序列中各元素的模值应接近均值，以避免频率选择性信道下性能严重下降。这一要求对于前导符号信号符合发射频谱模板要求也是有帮助的。

3)序列集合的生成与容量

基于一定生成规则生成信令序列集合相比基于DVB-T2所使用的伪随机扩频序列具有明显的优势，包括序列的存储与表达、集合的容量扩展能力等。此外将信令序列元素的定义空间从实数域扩展到复数域，也扩展了优化空间、增强了性能。

综合上述原则，确定信令序列基于Zadoff-Chu序列(ZC序列)产生。ZC序列是一类恒包络零自相关序列(CAZAC)，具有如下特性：恒包络，即任何CAZAC序列的幅值恒定；理想的自相关特性，即任意CAZAC序列与其循环移位所得序列互不相关；良好的互相关特性，任意2个CAZAC序列互相关值接近于零，并且与序列长度的倒数成正比；傅里叶变换时的互易性，即CAZAC的傅里叶变换或反变换所得到的序列仍为CAZAC序列。其中，傅里叶变换的互易性还表明为在OFDM通信系统中很低的功率峰均比(PAPR)。由于这些特性，ZC序列已被广泛用于各类OFDM系统中，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为序列长度；ui为序列根值；ki为序列移位值。

区别于LTE系统，每个信令序列SCi(n)都是从一个具有不同根值的ZC基序列循环移位得到，从而既避免多普勒频移的影响，也使得能够在需要的时候扩充信令序列集合。其中，每一个信令序列都由一组参数(ui,Ni,ki)唯一确定。在确定信令序列参数时应保证集合中信令序列参数(ui,Ni)不重复。

类似的，在确定固定序列时同样应当考虑其自相关特性及与信令序列集合的互相关特性。此外，还应对由固定序列和全部信令序列组成的前导符号的PAPR特性进行优化。为简化设计与优化过程，对固定序列作如下约束

FC(n)=ejπωn

(4)

即固定序列为绝对值为1的恒模序列，其中ωn为序列中各元素的幅角(相位值)，其取值范围为[0～2π)，通过优选幅角值即确定该序列。

1.3 前导符号参数与生成

根据上两节介绍的设计思路与原则，对各项目标参数进行联合优化，可确定各频域设计关键参数。其中，信令序列参数(ui,ki)及固定序列参数ωn因篇幅较长不在本文给出，其他部分参数如下：

1)信令序列基序列长度

2)固定/信令序列功率比：R=2

在得到该频域结构后，可通过下式生成时域主体信号

(6)

式中：P1A(t)为所得到的前导符号主体结构时域信号；T为该信号的采样周期。基于该主体结构，可分别生成循环前/后缀以形成所需的最终时域信号，本文不对时域结构的设计及接收算法详述。前导符号的生成流程如图2所示。

图2 前导符号生成流程

2 接收算法

如前文所述，前导符号在OFDM系统中承载了时间同步、频率同步、信道估计等多重功能，这些功能的实现对应前导符号在时域频域上的不同设计特征。本节将主要介绍适用于该新型频域结构的一些接收算法。

2.1 时钟同步

除基于循环前缀、后缀进行延时相关外，还可基于频域结构中的固定序列进行估计，此时可将固定序列视为训练序列。基于训练序列的时间频率同步方法相比时域方法，具有更高的估计精度及更低的检测门限[5]。

将接收到的前导符号信号记为rn，将本地复现生成的信号记为sn，则可对其进行互相关操作得到互相关系数Rm

(7)

为了消除收端由于载波频率偏差而带来的相差，可先分别对接收信号进行差分处理，如

(8)

(9)

(10)

在不考虑噪声及多径时，上式可进一步简化为

(11)

由此可见，通过与本地序列进行差分相关，可以完成采样信号的定时同步估计，且该过程不受接收机包含的载波频率偏差影响。此外，由于固定序列本身及其差分序列所具有的良好自相关特性，便得差分相关后能得到尖锐的相关峰，有利于微弱信号的检测，且不存在峰值平台，估计精度高。

2.2 整数倍频偏估计

在完成定时粗同步及小数倍频偏估计后，需要进行整数倍频偏(IFO)估计。为避免信号多径及残留时间偏差的影响，对整数倍频偏的估计不是直接在频域上进行。首先根据定时同步的结果从采样信号中截取出时域的主体部分进行傅里叶变换得到相应的频域结构，并对其分别进行循环移位，移位值的取值范围为[-N:+N]。对于每个移位值所得到的采样序列，与本地生成的前导符号频域信号进行共轭相乘后，再进行逆傅里叶变换，该变换结果中的每个峰值即对应信号的一个主径。将其中能量大于一定阈值的主径能量进行累加，记为Pn，其中n为当前的移位值。

2.3 信号验证

2.4 信令解码

在完成上述定时同步、整数倍频偏估计以及信号验证后，即可进行信令解码。信令解码需要将全部的信令序列集合分别与频域前导符号指定位置(奇数位置)子载波结果求取互相关系数，其中互相关系数模最大的信令序列即为采样信号所承载的信令序列，该序列在集合中的序号即为所承载的信令内容。

3 性能仿真

基于所介绍的结构与接收算法，对文章中给出的前导符号设计进行了仿真。仿真中所使用的场景为：AWGN、TU6[6](最大多普勒频偏为129 Hz)、移动单频网，包括了静态、动态以及单频网(SFN)这3类典型信道。其中，定义TU6信道的最大多普勒频偏为129 Hz；定义移动单频网为两簇到达时间差为25 μs的TU6信道，其最大多普勒频偏均为39 Hz。

经仿真，得到解码性能曲线如图3所示。

若以解码误码率10-2为阈值，可分别得到各仿真场景下性能，见表1。

表1 前导符号解码性能

信道解码阈值/dBAWGN-860TU6(129Hz)-405MobileSFN-462

对前导符号的载波频率偏差和采样频率偏(SFO)的最大容限进行了仿真，仿真场景均为AWGN信道且信噪比为 3 dB， 并以解码误码率10-2为阈值，结果如表2所示。

表2 频率偏差容限

偏差类型最小值最大值载波频率偏差/MHz-4+4采样频率偏差/ppm-1000+1000

PAPR是OFDM系统的一个重要性能参数。对该前导符号的PAPR进行了仿真，如图4所示。可以看到，对于容量为512的全部信令序列集合，选择任意信令序列所生成的前导符号，其PAPR不大于6.3 dB。

图4 峰均功率比(PAPR)分布

通过与DVB-T2所定义的前导符号相比可知，本文所给出的前导符号在静态动态等各类信道下的解码性能、对频率偏差的容限以及PAPR等各项性能，均大大优于 DVB-T2[7]。

4 总结

本文介绍了一种新型OFDM前导符号频域结构的设计。该设计分别将频域符号的奇、偶数子载波用于承载固定信令与信令序列，从而在满足传输一定数量的信令信息同时，还提供了一个已知波形用于整数倍频偏估计、信号验证、信道估计与相干检测。通过优选固定与信令序列，优化了其相关特性，提高了整体性能。还介绍了适用于该频域结构的接收算法。

通过该种结构，能够实现时域直接检测、定时粗同步与小数倍频偏估计，显著提高了检测性能；可进行性能更优的整数倍频偏估计与信道估计；具备9 bit的信令承载能力，并可根据需要再行扩充，同时具有极高的解码能力；通过优选固定序列和信令序列，能够得到很小的峰均功率比。

仿真结果表明，相比现有的一些广播系统前导符号方案，所提出的前导符号频域设计，具有很高的检测与解码能力，同时还具有信令扩展能力，能够用于未来的新型地面数字电视广播系统。

[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] 刘菁菁，张超，潘长勇.新一代地面数字电视系统中的前导符号设计[J].电视技术，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中的应用研究[D].北京：北京邮电大学，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.

责任编辑：闫雯雯

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

国家自然科学基金项目(61420106008)；国家高技术研究发展计划项目(2013AA013503)

TN911

A

10.16280/j.videoe.2015.17.022

2015-05-27

【本文献信息】徐洪亮，何大治，张文军.新型OFDM前导符号频域结构与接收算法[J].电视技术,2015，39(17).