CN101312443B - 一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术中正交频分复用技术领域,公开了一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统,包括速傅立叶变换单元、信道估计单元、信道跟踪单元、乘法均衡单元和解调单元。通过将信道估计单元估计出的频域信道状态信息反馈至接收数据和解调单元,实现接收系统的乘法均衡与解调。本发明同时公开了一种用于正交频分复用通信均衡与解调的方法。利用本发明,在多载波调制系统中,将信道估计、信道跟踪、信道均衡以及信道解调有机的结合起来设计,通过乘法均衡与解调结合的方式,代替传统的除法均衡,从而简化了多载波调制系统均衡的实现复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术中正交频分复用(OFDM)技术领域,尤其涉及一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统及方法。
背景技术
正交频分复用作为一种新型高效的数字传输方式被人们广泛的应用于现代通信协议中,如IEEE 802.x、ADSL及HIPERLAN II等。该技术相对于其他调制技术的显著优点是通过串行数据的并行传输实现在多径信道中信息的有效传递,且信道估计与均衡方式简单。
然而,目前多载波通信系统采用的均衡方式大都为除法方式,在实现过程中,除法方式相对于乘法方式无论采用DSP还是ASIC均要复杂,因此,希望提出一种利用乘法均衡方式代替除法均衡方式的方法,以降低多载波调制系统均衡的实现复杂度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的一个目的在于提供一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统,以简化多载波调制系统均衡的实现复杂度。
本发明的另一个目的在于提供一种用于正交频分复用通信均衡与解调的方法,以简化多载波调制系统均衡的实现复杂度。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明提供了一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统,该系统包括:
快速傅立叶变换(FFT)单元1,用于对接收的时域正交频分复用(OFDM)信号进行快速傅立叶变换FFT,将其变换至频域,得到频域信道状态信息输出给信道估计单元2、信道跟踪单元3和乘法均衡单元4;所述快速傅立叶变换FFT单元(1)根据接收到的时域OFDM信号rn及定时同步估计值,对一个OFDM信号做N点的FFT变换,将其转换至频域,得到频域信道状态信息Rk;所述其中N为FFT变换的总点数,n为接收信号的序号,k为子载波的序号;
信道估计单元2,用于计算前导符号中每个子载波上对应的频域信道状态信息,作为信道响应的初始值,输出给信道跟踪单元3;所述信道估计单元(2)计算前导符号频域每个子载波上对应的信道状态信息作为信道响应的初始值,为后续工作做准备;所述其中Xk为训练信息,k为子载波的序号;
信道跟踪单元3,用于计算当前符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号的导引子载波对应的信道信息的比值,得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数,将信道响应更新系数乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息,并反馈给乘法均衡单元4;
乘法均衡单元4,用于对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元3反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,并将得到的乘积输出给解调单元5;
解调单元5,用于通过信道估计单元2反馈的频域信道状态信息调整解调模板的尺寸,实现接收数据的正确解调;所述解调单元(5)根据信道估计单元(2)反馈的信道状态信息求得各子载波上携带的信息经过乘法均衡后被放大的系数并根据该系数在解调时逐个数据调整解调模板X′k(module)的尺寸,使得模板的大小和接收信号不同子载波上数据的缩放保持一致,实现对接收数据的正确解调。
上述方案中,所述信道跟踪单元3计算当前第p个符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号即第p-1个符号导引子载波对应的信道信息的比值并根据βk(pilot) p计算得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数αk;然后将信道响应更新系数αk乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息
上述方案中,所述乘法均衡单元4用于对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元3反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,得到的乘积为其中Rk为频域信道状态信息,Wk为噪声,Xk为训练信息。
为达到上述另一个目的,本发明还提供了一种用于正交频分复用通信均衡与解调的方法,该方法包括:
快速傅立叶变换(FFT)单元对接收的时域正交频分复用(OFDM)信号进行快速傅立叶变换(FFT),将其变换至频域,得到频域信道状态信息输出给信道估计单元、信道跟踪单元和乘法均衡单元;所述快速傅立叶变换FFT单元(1)根据接收到的时域OFDM信号rn及定时同步估计值,对一个OFDM信号做N点的FFT变换,将其转换至频域,得到频域信道状态信息Rk;所述其中N为FFT变换的总点数,n为接收信号的序号,k为子载波的序号;
信道估计单元计算前导符号中每个子载波上对应的频域信道状态信息,作为信道响应的初始值,输出给信道跟踪单元;所述信道估计单元(2)计算前导符号频域每个子载波上对应的信道状态信息作为信道响应的初始值,为后续工作做准备;所述其中Xk为训练信息,k为子载波的序号;
信道跟踪单元计算当前符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号的导引子载波对应的信道信息的比值,得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数,将信道响应更新系数乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息,并反馈给乘法均衡单元;
乘法均衡单元对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,并将得到的乘积输出给解调单元;
解调单元通过信道估计单元反馈的频域信道状态信息调整解调模板的尺寸,实现接收数据的正确解调;所述解调单元(5)根据信道估计单元(2)反馈的信道状态信息求得各子载波上携带的信息经过乘法均衡后被放大的系数并根据该系数在解调时逐个数据调整解调模板X′k(module)的尺寸,使得模板的大小和接收信号不同子载波上数据的缩放保持一致,实现对接收数据的正确解调。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
利用本发明提供的技术方案,在多载波调制系统中,将信道估计、信道跟踪、信道均衡以及信道解调有机的结合起来设计,通过乘法均衡与解调结合的方式,代替传统的除法均衡,从而简化了多载波调制系统均衡的实现复杂度。
附图说明
图1为目前基本OFDM系统模型的结构示意图;
图2为除法均衡时的16QAM星座图;
图3为乘法均衡时的16QAM星座图;
图4为本发明提供的用于正交频分复用通信均衡与解调系统的结构示意图;
图5为本发明提供的用于正交频分复用通信均衡与解调的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本发明通过合理的利用信道估计以及信道跟踪得到频域信道状态信息,在多载波调制系统中,将信道估计、信道跟踪、信道均衡以及信道解调有机的结合在一起,利用乘法均衡代替传统的除法均衡方式,有效简化了多载波调制系统接收机端均衡的实现复杂度。
下面首先对本发明的实现原理进行阐述:
如图1所示,图1为目前基本OFDM系统模型的结构示意图。x(i)表示在OFDM符号的第i个子载波上承载的信号,s(n)表示发射机的输出,N为OFDM系统的子载波数目。
r(n)为接收机的输入信号,由图1可知,r(n)能表示为:
表示卷积符号,h(n)为信道脉冲响应的采样,w(n)为加性噪声,其方差为δ2。
定义R(i)为接收到的时域信号经过FFT(Fast Fourier Transform)后的输出,R(i)可表示为:
H(i)与W(i)分别为h(n)和w(n)的FFT变换值,其中H(i)的初始值通过对前导符号做信道估计根据前导符号子载波上已知的信息得到。
对于数据符号对应的信道响应估计值,需要以信道估计得到的信道响应初始信息为基础乘以更新系数才能得到更新后的当前符号对应的信道信息,即需要进行信道跟踪。而信道跟踪主要利用数据符号频域内插入的导引子载波上的已知信息来计算更新系数,首先根据计算当前符号导引子载波上对应的信道信息然后除以上一个符号导引子载波上对应的信道信息得到各个导引子载波对应的信道响应更新值通过对βk(pilot) j进行不同的处理可以得到不同准确程度的更新系数,最简单的处理就是认为信道响应的变化在不同子载波上是统一的,所以各个子载波的更新系数相同,则更新系数将更新系数与前一个符号得到的信道响应值相乘就得到当前符号更新后的频域信道状态信息
如果采用除法均衡,那么x(i)的估计值为:
y(i)=x(i)+W(i)/H(i) (4)
由式(4)可知,y(i)的估计方差为δ2/|H(i)|2。
而采用乘法均衡,那么x(i)的估计值为:
y(i)=R(i)·H*(i)=x(i)·|H(i)|2+W(i)·|H(i)|2 (5)
由式(5)可知,y(i)的估计方差为δ2·|H(i)|4。虽然y(i)的估计方差增大但是除法器被省去所以硬件实现的复杂度大大降低。但是由于传送的信息也被放大了|H(i)|2倍,所以需要解调模块加以调整适应均衡后的数据输出。
在这里以16QAM调制为例,a为QAM符号,但是由于乘法均衡输出的数据被放大了|H(i)|2倍,所以解调需要用到的QAM符号需要变为a(i)=a·|H(i)|2,每个均衡后的符号y(i)需要映射成4个2进制比特量,将这4个2进制比特量分成2个集合,每个集合两个元素即bI,k,bQ,k,k=1,2,其中bI,k表达属于I路的比特,bQ,k表达属于Q路的比特。对比特bI,k,QAM星座图上被分成两个集合,一个是在QAM星座图上使bI,k=0的符号集,记为SI,k (0),另一个是在QAM使bI,k=1的符号集,即SI,k (0)的补集,记为SI,k (1),同样SQ,k (0)和SQ,k (1)有类似定义,那么bI,k属于0或者1的最大似然测度为:
由于需要判决bI,k是属于0还是1,那么bI,k的LLR(Log Likelihood Ratio)判决可以定义为:
由式(7),作归一化得:
LLR(bI,k)=[m0(bI,k)-m1(bI,k)]/4 (8)
当LLR(bI,k)大于0时,可以判断bI,k=1,即bI,k离SI,k (1)集合的点距离近,LLR(bI,k)越大,bI,k=1的似然度越高,也就是说bI,k离SI,k (1)集合中距离最近的点距离与bI,k离SI,k (0)集合中距离最近的点距离之差越大;当LLR(bI,k)小于0时,可以判断bI,k=0,当LLR(bI,k)等于0时,可判1也可判0。所以当-2|H(i)|2≤yI(i)≤2|H(i)|2时,bI,2被判决为1;当|yI(i)|>2|H(i)|2时,被判决为0,|yI(i)|越大于2|H(i)|2,为0的似然度越高;|yI(i)|越在原点附近,为1的似然度越高,同理可判决出bI1、bQ1和bQ2。
图2(a)~2(d)分别显示采用除法均衡时解调模块判决集合SI,k (0),SI,k (1),SQ,k (0),SQ,k (1)的区域(以标准IEEE802.11a为例),图3(a)~3(d)分别显示采用乘法均衡时解调模块判决集合SI,k (0),SI,k (1),SQ,k (0),SQ,k (1)的区域。所以可以看出乘法均衡时的解调只需要将原解调模板信号根据|H(i)|2来进行缩放计算时只需要多用到一个实数乘法器。
通过系统仿真证明,该乘法均衡方法有与除法均衡方式相同的均衡与解调效果,可广泛的应用于多载波调制系统中。
基于上述实现原理,本发明提供了一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统及方法,下面结合附图对本发明提供的用于正交频分复用通信均衡与解调的系统及方法分别进行描述。
如图4所示,图4为本发明提供的用于正交频分复用通信均衡与解调系统的结构示意图,该系统包括快速傅立叶变换FFT单元1、信道估计单元2、信道跟踪单元3、乘法均衡单元4和解调单元5。
其中,快速傅立叶变换FFT单元1,用于对接收的时域正交频分复用OFDM信号进行快速傅立叶变换FFT,将其变换至频域,得到频域信道状态信息输出给信道估计单元2、信道跟踪单元3和乘法均衡单元4。快速傅立叶变换FFT单元1根据接收到的时域OFDM信号rn及定时同步估计值,对一个OFDM信号做N点的FFT变换,将其转换至频域,得到频域信道状态信息Rk;所述其中N为FFT变换的总点数,n为接收信号的序号,k为子载波的序号。
信道估计单元2,用于计算前导符号中每个子载波上对应的频域信道状态信息,作为信道响应的初始值,输出给信道跟踪单元3。信道估计单元2计算前导符号频域每个子载波上对应的信道状态信息作为信道响应的初始值,为后续工作做准备。所述其中Xk为训练信息,Wk为噪声,k为子载波的序号。
信道跟踪单元3,用于计算当前符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号的导引子载波对应的信道信息的比值,得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数,将信道响应更新系数乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息,并反馈给乘法均衡单元4。信道跟踪单元3计算当前第p个符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号即第p-1个符号导引子载波对应的信道信息的比值并根据βk(pilot) p计算得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数αk;然后将信道响应更新系数αk乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息
乘法均衡单元4,用于对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元3反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,并将得到的乘积输出给解调单元5。乘法均衡单元4用于对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元3反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,得到的乘积为
解调单元5,用于通过信道估计单元2反馈的频域信道状态信息调整解调模板的尺寸,实现接收数据的正确解调。解调单元5根据信道估计单元2反馈的信道状态信息求得各子载波上携带的信息经过乘法均衡后被放大的系数并根据该系数在解调时逐个数据调整解调模板X′k(module)的尺寸,使得模板的大小和接收信号不同子载波上数据的缩放保持一致,实现对接收数据的正确解调。
如图5所示,图5为本发明提供的用于正交频分复用通信均衡与解调的方法流程图,该方法包括以下步骤:
步骤501:快速傅立叶变换FFT单元对接收的时域正交频分复用OFDM信号进行快速傅立叶变换FFT,将其变换至频域,得到频域信道状态信息输出给信道估计单元、信道跟踪单元和乘法均衡单元;
在本步骤中,快速傅立叶变换FFT单元对接收到的时域OFDM信号rn做快速傅立叶变换,将其变换至频域Rk,其中N为FFT变换的总点数,n为接收信号的序号,k为子载波的序号;
步骤502:信道估计单元计算前导符号中每个子载波上对应的频域信道状态信息,作为信道响应的初始值,输出给信道跟踪单元;
步骤503:信道跟踪单元计算当前符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号的导引子载波对应的信道信息的比值,得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数,将信道响应更新系数乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息,并反馈给乘法均衡单元;
在本步骤中,信道跟踪单元计算当前第p个符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号即第p-1个符号导引子载波对应的信道信息的比值并根据βk(pilot) p计算得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数αk。可以看到在计算βk(pilot) p的过程中需要用到实数除法,在这里允许引入实数除法是因为这里除法用到的数据比较规则并且执行次数很少所以实现难度小对系统资源影响不会太大,但是分母会由于量化精度的问题出现零值,此时数据不参加除法计算,所以在出现零值的情况下对应的βk(pilot) p不参与更新系数的计算。然后将信道响应更新系数αk乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息并反馈给乘法均衡单元4;
步骤504:乘法均衡单元对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,并将得到的乘积输出给解调单元;
步骤505:解调单元通过信道估计单元反馈的频域信道状态信息调整解调模板的尺寸,实现接收数据的正确解调;
在本步骤中,解调单元通过信道估计单元102反馈的信道状态信息求得各子载波上携带的信息经过乘法均衡后被放大的系数并根据该系数在解调时逐个数据调整解调模板X′k(module)的尺寸,使得模板的大小和接收信号不同子载波上数据的缩放保持一致,实现对接收数据的正确解调。但是由于量化精度的影响,的值有可能为0,此时数据出现模糊情况在硬判决的情况下可以判定为任意值,在软判决的情况下可以将其设为中间值。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于正交频分复用通信均衡与解调的系统,其特征在于,该系统包括:
快速傅立叶变换FFT单元(1),用于对接收的时域正交频分复用OFDM信号进行快速傅立叶变换FFT,将其变换至频域,得到频域信道状态信息输出给信道估计单元(2)、信道跟踪单元(3)和乘法均衡单元(4);所述快速傅立叶变换FFT单元(1)根据接收到的时域OFDM信号rn及定时同步估计值,对一个OFDM信号做N点的FFT变换,将其转换至频域,得到频域信道状态信息Rk;所述其中N为FFT变换的总点数,n为接收信号的序号,k为子载波的序号;
信道估计单元(2),用于计算前导符号中每个子载波上对应的频域信道状态信息,作为信道响应的初始值,输出给信道跟踪单元(3);所述信道估计单元(2)计算前导符号频域每个子载波上对应的信道状态信息作为信道响应的初始值,为后续工作做准备;所述其中Xk为训练信息,k为子载波的序号;
信道跟踪单元(3),用于计算当前符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号的导引子载波对应的信道信息的比值,得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数,将信道响应更新系数乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息,并反馈给乘法均衡单元(4):
乘法均衡单元(4),用于对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元(3)反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,并将得到的乘积输出给解调单元(5);
4.一种用于正交频分复用通信均衡与解调的方法,其特征在于,该方法包括:
快速傅立叶变换FFT单元对接收的时域正交频分复用OFDM信号进行快速傅立叶变换FFT,将其变换至频域,得到频域信道状态信息输出给信道估计单元、信道跟踪单元和乘法均衡单元;所述快速傅立叶变换FFT单元(1)根据接收到的时域OFDM信号rn及定时同步估计值,对一个OFDM信号做N点的FFT变换,将其转换至频域,得到频域信道状态信息Rk;所述其中N为FFT变换的总点数,n为接收信号的序号,k为子载波的序号;
信道估计单元计算前导符号中每个子载波上对应的频域信道状态信息,作为信道响应的初始值,输出给信道跟踪单元;所述信道估计单元(2)计算前导符号频域每个子载波上对应的信道状态信息作为信道响应的初始值,为后续工作做准备;所述其中Xk为训练信息,k为子载波的序号;
信道跟踪单元计算当前符号导引子载波上对应的信道信息与前一符号的导引子载波对应的信道信息的比值,得到当前符号信道响应相对于前一符号信道响应的更新系数,将信道响应更新系数乘以前一符号的信道响应信息得到当前符号更新后的频域信道状态信息,并反馈给乘法均衡单元;
乘法均衡单元对当前符号的接收数据进行乘法均衡,将接收的频域数据信息与信道跟踪单元反馈的更新后的频域信道状态信息的共轭值做乘法,并将得到的乘积输出给解调单元;
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