CN101312446A

CN101312446A - 基于加权导频的相位跟踪补偿方法

Info

Publication number: CN101312446A
Application number: CNA2008101071013A
Authority: CN
Inventors: 姚小城; 肖宛昂; 鉴海防; 石寅
Original assignee: SUZHOU ZHONGKE
Current assignee: Kweifa Semiconductor Suzhou Co ltd
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2028-07-07
Also published as: CN101312446B

Abstract

基于加权导频的相位跟踪补偿方法，包括如下步骤：1.划定由四个权值组成的权值等级，以其为元素构成多个权值组合，计算每一权值组合中每个元素相对于该权值组合中所有元素的归一化权值，以所有归一化权值建立归一化查询表；2.确定一帧信号中每个OFDM信号中导频的权值；3.根据上述导频的权值及OFDM信号所属权值组合，在归一化查询表中查询对应的归一化权值，并用该归一化权值加权该导频，得到加权导频；4.将实部为负的加权导频做关于原点的对称变换，使其实部为正，求和实部为正的加权导频，对结果进行模值归一化，所得值的相位即为OFDM信号的偏移相位；5.用偏移相位对该OFDM信号相位补偿。具有实现容易的特点，并且降低了系统对信噪比的要求。

Description

基于加权导频的相位跟踪补偿方法

技术领域

本发明涉及一种相位跟踪补偿方法，尤其是一种基于加权导频的相位跟踪补偿方法。

背景技术

正交频分复用(Ort hogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种无线环境下的多载波并行传输技术，具有高效的频谱利用率、优良的抗窄带干扰和多径衰落能力。在目前的许多无线应用中，例如，数字音频广播(DBA，Digital Audio Broadcast)、数字视频广播(DVB，Digital Video Broadcast)、WLAN(IEEE802.11a和IEEE802.11g)以及WiMAX(IEEE802.16)等均使用了OFDM技术，它是业界公认的第四代无线移动通信中的关键技术。OFDM的基本思想是在频域内将给定的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，所有子载波之间具有正交性，并且各子载波并行传输。这样一来，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的(频带窄)，信号带宽小于信道的相对带宽，因此可以大大消除信号波形间的干扰。

虽然OFDM系统较单载波系统能更充分地利用频带，但相对增加的符号周期会使得其对频率偏移较单载波通信系统更加敏感。造成频率偏移的原因主要有Doppler频移、发射机和接收机晶振的不稳定性等，这些都容易造成子载波干扰和误码率的增加。

OFDM系统对载波的正交性有着严格的要求，通常将相位噪声定义为载波相位和本地晶振相位之差，相位噪声对OFDM系统的影响不容忽视。由于移动终端使用的调谐器的功率谱不是理想的Dirac函数，而是具有一定的带宽，该带宽即为相位噪声的影响。在OFDM系统中，其作用于频偏类似，相位噪声产生的星座图旋转可以通过导频来校正。

每个OFDM符号的子载波中都有四个是用于导频信号的，用来保证在频率发生漂移和存在相位噪声的情况下进行稳定的相干检测。这些导频信号被插在编号为-21、-1、7、21的子载波的位置上，它们由一个二进制序列伪码进行BPSK调制，以防止谱线的产生。

频率偏移估计并不能完全估计出准确的频率偏移值，也就是说频率偏移估计不是完全理想的，总会有些残留的载波频率偏差，这些残留的载波频率偏差可以和相位偏差一同进行校正。这些残留的频率偏差即使在系统允许的范围之内，那么也会导致星座图上点的旋转。图1给出了IEEE802.11a系统在10个OFDM符号期间，SNR为12dB，残留载波频率偏差为3KHz(约占子载波间隔的1％)时，QPSK星座点的旋转情况，从图1中可以看到，此时星座图中的点有的已经越过了实线所示的边界，这样的话，解调就可能会出现错误。

根据以上分析可知，残留载波频率偏移会造成解调错误，那么必须要进行纠正。对于WLAN系统，一般采用数据辅助跟踪的算法，用导频数据对残留载波频率偏移造成的相位偏移进行估算，最后纠正相位偏移。具体算法如下：

假设第n个OFDM符号内插入的导频符号为P_n，k，k＝0，1，...，N_p-1。当相位偏差(包括残留的载波频率偏差所引起的相移)为

时，由于相位偏差对于所有子载波是相同的，所以有第k个子载波上的接收符号(不考虑噪声影响)

载波相位跟踪是在信道估计以后进行的，所以在做载波相位跟踪的时候，已经得到了信道的频域估计

那么定义中间变量

因此，中间变量的幅角即为所要求的相位偏差：

当求得相位偏差以后，要对数据进行相位补偿。求得相位偏差并对当前的数据进行补偿。

这种补偿方法虽然解决了相位偏差的问题，但是当网络的信噪比较低时，噪声对导频的影响增加，相位偏差估计的误差变大。还有该方法硬件实现较复杂，占用面积较大。

目前为止，已经提出了多种改进相位跟踪补偿的方法，其中效果较好的是相位偏差反馈补偿，根据求得的相位偏差不断修正频偏估计和相位估计，每隔m个符号进行一次频偏估计和修正，但是，这种方法实现较为复杂，而且对频偏估计精度提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于加权导频的相位跟踪补偿达到减少甚至消除相位误差的方法，从而降低WLAN的误码率(BER)和误包率(PER)。本方法应用在相位偏移幅度位于+π/2之间的情况，该方法的实施对原有的相位跟踪补偿算法进行了很大的改进和简化，实现容易，降低了系统对信噪比的要求。

本发明应用于IEEE 802.11a WLAN的接收端物理层，用于消除信道估计后残留的相位误差，它包括如下步骤：

第一步，划定一个由四个权值组成的权值等级，以四个权值为元素构成多个权值组合，对于每个权值组合，计算其中每个元素相对于其所在的权值组合中所有元素的归一化权值，以得到的所有归一化权值建立一个归一化查询表；

第二步，确定一帧信号中每个OFDM信号中导频的权值，并对接收到的OFDM信号进行延时处理；

第三步，根据每个OFDM信号中导频的权值及该OFDM信号所属的权值组合，在归一化查询表中查询该导频权值对应的归一化权值，并用查表得到的归一化权值加权该导频，得到加权导频；

第四步，将实部为负的加权导频做关于原点的对称变换，使其实部为正，对所有实部为正的加权导频求和，并对求和结果进行模值归一化处理，所得值的相位即为该OFDM信号的偏移相位；

第五步，用偏移相位，对该OFDM信号进行相位补偿。

由于上述技术方案的采用，本发明的优点在于：

1、现有技术中的相位补偿方法在获得导频权值后将导频与权值相乘然后除以权值之和，这样就引进了一个乘法和一个除法。本发明所公布的方法是将上述一个乘法和一个除法简化为一个乘法完成，具体的，将每个导频权值除以导频权值和所得的结果生成一个归一化查询表，然后直接用导频与对应表中的值相乘、求和，这样就得到了模值近似为1，相位为偏转相位的一个复数。

2、因为正实部的导频参考值的相位为0，而且基于复数和的相位与两加数相位之间的关系特点，比求角度平均具有更高的可信度，所以在第三步用正实部加权导频和的相位直接代替偏转的相位值。由于本发明应用在相位偏移幅度在+π/2之间的情况，所以可以直接根据得到的正实部导频权值的相位来获得偏转相位，正实部的获取是基于实部是否为正的判断、并对负实部加权导频做关于原点的对称，这样，所有的加权导频均转换成正实部加权导频，他们的和的相位即为该OFDM信号的偏移相位，这样就精简了根据协议查表找寻加扰系数并将其与加权导频相乘的步骤。

附图说明

图1为QPSK星座点的旋转情况，是IEEE802.11a系统在10个OFDM符号期间，SNR为12dB，残留载波频率偏差为3KHz(约占子载波间隔的1％)时的情况；

图2为本发明所公布的基于加权导频的相位跟踪补偿方法的流程框图；

图3为本发明所公布的基于加权导频的相位跟踪补偿方法与现有技术中的导频相位补偿效果的仿真比较图。

具体实施方式

基于加权导频的相位跟踪补偿方法，如图2的流程框图所示，包括以下步骤：

第一步，划定一个由四个权值组成的权值等级，四个权值为[0，1]闭区间中的任意四个值，如(1/8，1/4，1/2，1)，以这四个权值为元素构成多个权值组合，对于每个权值组合，计算其中每个元素相对于其所在的权值组合中所有元素的归一化权值，以得到的所有归一化权值建立一个归一化查询表，这里，归一化查询表占用128个存储地址，由于该权值等级包含四个不同的权值，因此任取四个权值的和的可能性(即权值组合数目)最多为35，具体的，

取四个不同值的可能性：1；

取3个不同值的可能性：12＝4×3；

取2个不同值的可能性：18＝6×3；

取同1个权值的可能性：4＝4×1；

但由于所取权值之间的相关特性，真正的和的可能性小于32。则权值与和的商的可能性少于32×4＝128；

以(1/8，1/4，1/2，1)为例。和的最小值为1/8+1/8+1/8+1/8＝1/2，和的最大值为1+1+1+1＝4，和之间的最小分辨率为1/8，则和的种类最多为(4-1/2)/(1/8)+1＝29；

这里选用128个存储地址，也主要考虑到实现的方便。

第二步，在信号估计步骤确定一帧信号中每个OFDM信号中导频的权值，并对接收到的OFDM信号进行延时处理，这里，假定一帧中的所有OFDM信号中导频所属的权值等级相同，即每个导频的权值是该等级四个权值中的一个，这里，还可以根据对接收到信号可信度的要求，对一帧信号重新划定权值等级，即重新在[0，1]闭区间中选定4个权值，并相应的生成归一化查询表供之后的步骤查询，如(0，1/8，1/2，1)。

第三步，根据每个OFDM信号中导频的权值及该OFDM信号所属的权值组合，每个权值有4个等级，地址为2位，四个权值任意组合所得和的种类不超过32，地址为5位宽，因此所得索引总共为7位宽，对应归一化查询表的地址，在归一化查询表中查询该导频权值对应的归一化权值，并用查表得到的归一化权值加权该导频，得到加权导频。

第四步，由于本方法应用的前提是偏移相位位于+π/2之间，所以，这里需要判断加权导频实部的符号，并将实部为负的加权导频做关于原点的对称变换，使其实部为正，之后，再对所有实部为正(包括原点对称变换前实部即为正的加权导频和原点对称变换后实部为正的加权导频)的加权导频求和，并对求和结果进行模值归一化处理，所得值的相位即为该OFDM信号的偏移相位，此步骤中的归一化处理是将求和结果除以该OFDM信号中所有加权导频的幅值之和，是一种近似的归一化方式。

第五步，用偏移相位，对该OFDM信号进行相位补偿。

上述第一步、第二步对每一帧接收信号重复操作，而第三步、第四步、第五步对一帧中的每个OFDM信号重复操作。

本发明将现有技术中导频加权步骤中的一个乘法和一个除法简化为一个乘法完成，具体的，将每个导频权值除以导频权值和所得的结果生成一个归一化查询表，然后直接用导频与对应表中的值相乘、求和，这样就得到了模值近似为1，相位为偏转相位的一个复数。

如图3所示的仿真比较图，是包长为1024字节，速率为54Mbps，于指数衰落信道下的仿真结果。从图中可以看出，传统的基于求取每个导频偏转角然后求平均并用所得平均值对该符号进行补偿的方法的误包率随信噪比收敛较慢。而本发明收敛较为明显，而且在相同信噪比下，效果优势明显。

Claims

1、一种基于加权导频的相位跟踪补偿方法，它包括以下步骤：

第一步，划定一个由四个权值组成的权值等级，以所述的四个权值为元素构成多个权值组合，对于每个所述的权值组合，计算其中每个元素相对于其所在的权值组合中所有元素的归一化权值，以得到的所有归一化权值建立一个归一化查询表；

第三步，根据每个OFDM信号中导频的权值及该OFDM信号所属的权值组合，在所述的归一化查询表中查询该导频权值对应的归一化权值，并用查表得到的归一化权值加权该导频，得到加权导频；

第四步，将实部为负的所述的加权导频做关于原点的对称变换，使其实部为正，对所有实部为正的加权导频求和，并对求和结果进行模值归一化处理，所得值的相位即为该OFDM信号的偏移相位；

第五步，用所述的偏移相位，对该OFDM信号进行相位补偿。

2、根据权利要求1所述的基于加权导频的相位跟踪补偿方法，其特征在于：第四步中所述的归一化处理是将所述的求和结果除以该OFDM信号中所有加权导频的幅值之和。

3、根据权利要求1所述的基于加权导频的相位跟踪补偿方法，其特征在于：一帧中的所有OFDM信号中导频的权值是固定的。

4、根据权利要求1所述的基于加权导频的相位跟踪补偿方法，其特征在于：所述的第二步中，还可以根据对接收到信号可信度的要求，对一帧信号重新划定权值等级，并相应的生成归一化查询表供所述的第三步查询。

5、根据权利要求1或4所述的基于加权导频的相位跟踪补偿方法，其特征在于：所述的归一化查询表占用128个存储地址。

6、根据权利要求1所述的基于加权导频的相位跟踪补偿方法，其特征在于：所述的导频的权值是在信道估计中确定的。