CN101404641A - 多载波系统中的残余子载波相偏纠正系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波系统中的残余子载波相偏纠正系统及方法，主要解决不同频域子载波数据的残余相偏问题。本发明系统由相位旋转器、复用鉴相器、低通滤波器、计数器和状态存储控制器构成分组复用鉴相环路实现载波相偏纠正。其步骤为：相位旋转器根据接收信号和低通滤波器输出的相位滤波信息进行相位初步纠正，并送入复用鉴相器；复用鉴相器提取当前低通滤波器输出星座点的相偏信息后发送至低通滤波器；状态存储控制器根据计数器输出的子载波位置，控制低通滤波器读写，低通滤波器计算当前子载波组的相位滤波信息，并送入相位旋转器形成闭环实现残余相偏纠正。本发明具有复杂度低、兼容性强、收敛速度可调的优点，适合数字无线通信系统实现。

Description

多载波系统中的残余子载波相偏纠正系统及其方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，涉及一种基于分组复用鉴相环路的残余子载波相偏纠正系统和实现方法。

背景技术

在多载波传输系统中，除了振荡器相位的随机变化和频率起伏引起的载波相位噪声之外，由于信道估计误差、频偏估计误差、残余定时相位误差等的影响，导致采用频域均衡处理后得到的星座点存在相偏不一致的问题，即不同子载波的残余相偏不同，而且，相同子载波上的残余相偏随着时间变化缓慢变化。对于正交幅度调制QAM，这些残余相偏会使得星座图出现圆形模糊，造成符号判决错误，直接降低系统的误比特概率性能。

消除上述残余相偏的最直接的方法是采用锁相环。传统的纠正相偏的锁相环处理方法是基于OFDM符号中的导频数据，但当系统中不存在频域导频数据或者导频数据不可靠时，这类方法不可行。如中国数字地面电视传输标准GB20600-2006中，其多载波模式采用时域同步OFDM结构，OFDM符号长度为3780，开始和最后各18个子载波数据定义为已知的TPS信息。清华大学在中国专利局公开了一种“时域同步正交频分复用接收机去除相位噪声的方法及系统”，就是利用帧体中插入的TPS信息，借助频域时域转换实现时域相位噪声估计并相位补偿，但要求TPS信息以近似间隔均匀的规则插入帧体载波，该插入方式与国标中的TPS信息插入方式有着根本不同，国标中导频数据量小且位置过于集中，因此，这种方法在类似国标的接收机系统中效果不佳。

对于导频信息量过少或者不便利用的系统，可以采用单载波系统中常用的基于星座判决的相位噪声消除方法。典型的如美国数字地面电视ATSC系统，采用单载波实现，通常使用一个基于判决数据的一阶反馈环来跟踪载波锁定后剩余的相位噪声。对基于星座点判决的鉴相器，一般的鉴相公式可以表示为：

$\mathrm{Im}\left(\frac{r_d}{{\hat{r}}_d}\right)=\mathrm{Im}\left(\frac{r_d{\hat{r}}_d^{*}}{{\left|{\hat{r}}_d\right|}^2}\right)=\mathrm{Im}(\cos \mathrm{\Δ\θ}+j\sin \mathrm{\Δ\θ})=\sin \mathrm{\Δ\θ}\≈\mathrm{\Δ\θ}$

式中，

表示对应解旋转后的接收数据r_d的判决星座符号点，“*”表示取共轭，Im(.)表示取虚部，Δθ表示鉴相器输出的估计相偏值。

上述基于数据判决的方法可以设计在多载波系统中采用，但是，一般单载波系统的整个纠偏系统可以通过一个鉴相环路实现，而多载波系统中每个子载波的残余相偏不同，必要时应针对每一个子载波设计独立的鉴相反馈环，这样，系统的复杂度会成比例增加，如国标系统中，需要3780个并行反馈环路；同时，因为每一帧数据至多有一个数据提供鉴相信息，每一路反馈环路的输入有效数据量大幅减小，影响纠偏系统的收敛速度等指标。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种多载波系统中的残余子载波相偏纠正系统及方法，通过子载波分组复用降低复杂度，提高系统的收敛性能。

实现本发明目的的残余子载波相偏纠正系统，包括：

相位旋转器，用于对输入数据解旋转；

复用鉴相器，用于提取相位旋转器输出的当前星座点的相偏信息；

低通滤波器，用于对不同分组子载波的相偏信息滤波；

计数器，用于计算当前输入数据的子载波位置；

状态存储控制器，用于控制低通滤波器的寄存器读写；

所述相位旋转器的输入端分别与输入实部数据r_re、虚部数据r_im及低通滤波器的输出端连接，相位旋转器的输出端与复用鉴相器输入连接，复用鉴相器的输出通过低通滤波器反馈给相位旋转器；

所述计数器的输入端与输入帧头指示信号连接，输出端与状态存储控制器输入端连接，状态存储控制器与低通滤波器双向连接。

上述残余子载波相偏纠正系统，其中所述的复用鉴相器包括判决器、加法器和移位乘法器，判决器对输入的实部数据r_d，re和虚部数据r_d，im进行判决，输出判决后的实部数据

和虚部数据

分别给移位乘法器与加法器，加法器将虚部数据r_d，im和判决后的虚部数据相减后输出给移位乘法器，通过移位乘法器输出相位估计信息传输给低通滤波器。

实现本发明目的的残余子载波相偏纠正方法，是基于分组复用鉴相环路实现，具体步骤如下：

(1)相位旋转器对输入的数据r进行解旋转，得到初步纠正的数据r_d输入复用鉴相器，即

r_d＝re^-jΔθ≈(r_re+r_imΔθ)+j(r_im-r_reΔθ)，

式中，r_re表示接收数据r的实部，r_im表示接收数据r的虚部，Δθ表示滤波后的相偏信息，该滤波后的相偏信息的初始值为零；

(2)复用鉴相器通过鉴相公式 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_d\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{r_{d,\mathrm{im}}-{\hat{r}}_{d,\mathrm{im}}}{{\hat{r}}_{d,\mathrm{re}}}$ 提取当前子载波组星座点的相偏信息Δθ_d，并发送给低通滤波器，

式中，

表示对应旋转器输出r_d的判决星座符号点，

表示判决点

的实部，

表示判决点

的虚部，r_d，im表示旋转器输出r_d的虚部；

(3)低通滤波器通过状态存储控制器的控制对当前子载波组的相偏信息Δθ_d进行滤波，得到滤波后的相偏信息Δθ，并送入相位旋转器形成闭环实现相位纠正。

本发明具有如下优点：

1).由于采用子载波分组，增加了每子载波组可提供的有效运算数据，提高环路收敛速度；

2).由于复用了基于相位旋转器、鉴相器以及低通滤波器的鉴相环路，成倍减少了所需的鉴相环路个数，从而大幅降低了系统实现复杂度；

3).由于采用简化的复用鉴相器和相位旋转器设计，减少了需要的乘法器，进一步降低了环路复杂度；

4).由于采用状态存储控制器统一实现环路控制，只需要修正状态存储控制器就可以修正不同子载波的相位鉴相分辨率，提高了系统兼容性。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图；

图2是本发明系统中相位旋转器的电路原理图；

图3是本发明方法的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的系统包括：相位旋转器、复用鉴相器、低通滤波器、计数器、状态存储控制器。其中相位旋转器的实现参照图2，它是由两个乘法器和两个加法器组成，但不限于这种结构；复用鉴相器由判决器、加法器和移位选择乘法器组成，但不限于这种结构；低通滤波器采用通常的一阶或二阶环路低通滤波器实现；状态存储控制器由存储器、寄存器和选择器组成，也可通过软件实现。

相位旋转器的输入端分别与输入实部数据r_re、虚部数据r_im及低通滤波器的输出端Δθ连接，相位旋转器的输出端与复用鉴相器输入连接。接收数据实部r_re和低通滤波器反馈的滤波后相偏值Δθ为第一乘法器A的两个输入，输出为实部乘积数据r′_re。同时，虚部r_im和Δθ为第二乘法器B的两个输入，输出为虚部乘积数据r′_im；第一加法器1的输入为虚部r_im和实部乘积数据r′_re，输出为解旋转数据虚部r_d，im；第二加法器2的输入为实部r_re和虚部乘积数据r′_im，输出为解旋转数据实部r_d，re。复用鉴相器中判决器的输入端为解旋转数据r_d的实部r_d，re和虚部r_d，im，输出端为判决后的实部

和虚部

解旋转数据虚部r_d，im与判决后虚部

为第三加法器3的两个输入，第三加法器3的输出作为移位乘法器的一个输入，移位乘法器的另一个输入为判决值的实部

移位乘法器的输出为估计相偏结果Δθ_d。估计相偏信息Δθ_d通过低通滤波器反馈给相位旋转器构成闭环；计数器的输入端与输入帧头指示信号连接，输出端的子载波位置c与状态存储控制器输入端连接，状态存储控制器与低通滤波器双向连接，状态存储控制器通过子载波位置c控制低通滤波器的寄存器读写。

本发明系统的工作原理是：相位旋转器首先对输入的数据r进行解旋转，接收数据r的实部r_re和低通滤波器反馈的滤波后相偏值Δθ相乘得到实部乘积数据r′_re，接收数据r的虚部r_im和所述的Δθ相乘得到虚部乘积数据r′_im；接收数据虚部r_im减去实部乘积数据r′_re得到解旋转数据虚部r_d，im接收数据实部r_re加上虚部乘积数据r′_im得到解旋转数据实部r_d，re。该解旋转数据实部r_d，re和解旋转数据虚部r_d，im作为初步纠正的数据输入到复用鉴相器；复用鉴相器接收到相位旋转后的复数数据的实部r_d，re和虚部r_d，im后，首先通过判决器进行判决，判决前后的虚部r_d，im与相减的结果作为移位乘法器的一个输入，移位乘法器的另一个输入为判决值的实部

移位乘法器根据

选择相应的移位相加计算得到估计相偏结果Δθ_d。低通滤波器通过状态存储控制器的控制对当前子载波组的相偏信息Δθ_d进行滤波，得到滤波后的相偏信息Δθ，并送入相位旋转器形成闭环实现相位纠正。帧头指示信号和输入数据同步，为一个1比特表示信号，当为高电平时表示数据帧的起始，可以持续一个数据周期。状态存储控制器根据输入的子载波位置c，控制低通滤波器的寄存器读写。子载波位置c由计数器根据帧头指示信号产生，当计数器检测到接收数据的帧头位置后，将c清零后开始计数；如果L选择为16，状态存储控制器就需要保存16组不同的寄存器值，状态存储控制器根据输入的子载波位置c，判断是否将当前低通滤波器寄存器值保存到指定分组寄存器，并选择相应的分组寄存器替换低通滤波器寄存器值。

参照图3，本发明利用上述基于分组复用鉴相环路系统，进行残余相偏纠正的步骤如下：

步骤1：相位旋转器对输入的数据r进行解旋转，得到初步纠正的数据r_d输入复用鉴相器，即

r_d＝re^-jΔθ≈(r_re+r_imΔθ)+j(r_im-r_reΔθ)，(1)

式中，r_re表示接收数据r的实部，r_im表示接收数据r的虚部，Δθ表示滤波后的相偏信息，该滤波后的相偏信息的初始值为零；

上述式(1)利用了当Δθ较小时，cosΔθ≈1，而sinΔθ≈Δθ，其构建基于的是比较典型的复数相位旋转器的纠偏公式：

re^-jΔθ＝(r_re+jr_im)(cosΔθ-jsinΔθ)              (2)

        ＝(r_recosΔθ+r_imsinΔθ)+j(r_imcosΔθ-r_resinΔθ)

式(1)实现时仅需要两个加法器和两个实数乘法器，比式(2)的实现节省了一个sin/cos查找表和两个乘法器。

步骤2：复用鉴相器通过如下鉴相公式提取当前子载波组星座点的相偏信息Δθ_d，并发送给低通滤波器，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_d\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{r_{d,\mathrm{im}}-{\hat{r}}_{d,\mathrm{im}}}{{\hat{r}}_{d,\mathrm{re}}}---\left(3\right)$

式(3)中，

表示对应旋转器输出r_d的判决星座符号点，

表示判决点

的实部，表示判决点

的虚部，r_d，im表示旋转器输出r_d的虚部，

该鉴相公式(3)的构建过程如下：

r_d＝r_d，re+jr_d，im＝(r_d，re+jr_d，im)(cosθ+jsinθ)    (4)

  ＝(r_d，recosθ-r_d，imsinθ)+j(r_d，resinθ+r_d，imcosθ)

r_d，im＝r_d，resinθ+r_d，imcosθ≈r_d，reθ+r_d，im      (5)

对式(5)变换得到：

$\mathrm{\θ}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{r_{d,\mathrm{im}}-{\hat{r}}_{d,\mathrm{im}}}{{\hat{r}}_{d,\mathrm{re}}}---\left(6\right)$

式中，r_d表示对应r_d的实际发送星座符号点，r_d，re和r_d，im分别表示其对应的实部和虚部，如果判决不发生错误，则 ${\hat{r}}_d={\stackrel{\‾}{r}}_d,$ θ表示对应r_d的实际相偏，Δθ_d为θ的估计值。根据鉴相公式(3)得到的鉴相器仅需要一个加法器和一个移位乘法器，移位乘法器利用了判决值为固定值，而原来的鉴相器需要三个实数乘法器和一个加法器。由于判决点的实部的取值为非常小的固定集合，即便对64QAM，不考虑符号位，其取值仅为1，3，5，7四种，因此通过选择移位即可完成乘法操作。

步骤3：低通滤波器通过状态存储控制器的控制对当前子载波组的相偏信息Δθ_d进行滤波，得到滤波后的相偏信息Δθ，并送入相位旋转器形成闭环实现相位纠正，具体过程如下：

(3a)计数器检测到接收数据的帧头位置后，清零并开始计数，输出当前输入数据所处的子载波位置c；

(3b)根据子载波位置c进行分组选择，第l组分配的子载波为

$c\∈[\frac{(l-1)N}{2L}+1,\frac{\mathrm{lN}}{2L}]\∪[N-\frac{\mathrm{lN}}{2L}+1,N-\frac{(l-1)N}{2L}],---\left(7\right)$

式中，l＝1，2，…N/L，N为子载波总数，L为分组数。

上述子载波分配方法根据相邻子载波的相偏相近且FFT处理的对称特性提出，每组可以利用的子载波数为N/L个，通常选择L可以近似整除N。改变分组数L可以改变纠偏系统的子载波相偏估计分辨率。当L为数据帧长N时，每个子载波对应一个估计相偏值，但此时方案复杂度最高，并且环路收敛速度过慢，因为每一帧数据至多有一个数据提供鉴相信息。当L取最小值1时，环路简化为基于星座的公共相位纠正，虽然复杂度低，但仅限于纠正公共相偏。通过分析，本发明选择L＝16，能够实现复杂度与跟踪速度的折中。以N＝3780为例，每个环路处理的连续子载波数据长度约为118×2，即对分组l＝1时，分配子载波数据为1～118和3663～3780；对分组l＝2时，分配子载波数据为119～236和3545～3662；依次类推。

(3c)状态存储控制器根据选择的分组l，控制低通滤波器中寄存器读写，完成对当前子载波组l的相偏信息Δθ_d的滤波。

(3d)滤波后的相偏信息Δθ_d输出到相位旋转器形成闭环实现相位纠正。

上述步骤描述了本发明的优选实例，显然本领域技术人员通过参考本发明的优选实例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于分组复用鉴相环路的残余子载波相偏纠正系统，包括：

相位旋转器，用于对输入数据解旋转；

复用鉴相器，用于提取相位旋转器输出的当前星座点的相偏信息；

低通滤波器，用于对不同分组子载波的残余相偏信息滤波；

计数器，用于计算当前输入数据的子载波位置；

状态存储控制器，用于控制低通滤波器的寄存器读写；

所述相位旋转器的输入端分别与输入实部数据r_re、虚部数据r_im及低通滤波器的输出端连接，相位旋转器的输出端与复用鉴相器输入连接，复用鉴相器的输出通过低通滤波器反馈给相位旋转器；

所述计数器的输入端与输入帧头指示信号连接，输出端与状态存储控制器输入端连接，状态存储控制器与低通滤波器双向连接。

2.根据权利要求1所述的相偏纠正系统，其特征在于复用鉴相器包括判决器、加法器和移位乘法器，判决器对输入的实部数据r_d，re和虚部数据r_d，im进行判决，输出判决后的实部数据和虚部数据

分别给移位乘法器与加法器，加法器将虚部数据r_d，im和判决后的虚部数据

相减后输出给移位乘法器，通过移位乘法器输出相位估计信息传输给低通滤波器。

3.一种基于分组复用鉴相环路的相偏纠正方法，包括如下步骤：

(1)相位旋转器对输入的数据r进行解旋转，得到初步纠正的数据r_d输入复用鉴相器，即

r_d＝re^-jΔθ≈(r_re+r_imΔθ)+j(r_im-r_reΔθ)，

式中，r_re表示接收数据r的实部，r_im表示接收数据r的虚部，Δθ表示滤波后的相偏信息，该滤波后的相偏信息的初始值为零；

(2)复用鉴相器通过鉴相公式 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_d\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{r_{d,\mathrm{im}}-{\hat{r}}_{d,\mathrm{im}}}{{\hat{r}}_{d,\mathrm{re}}}$ 提取当前子载波组星座点的相偏信息Δθ_d，并发送给低通滤波器，

式中，

表示对应旋转器输出r_d的判决星座符号点，

表示判决点

的实部，

表示判决点的虚部，r_d，im表示旋转器输出r_d的虚部；

(3)低通滤波器通过状态存储控制器的控制对当前子载波组的相偏信息Δθ_d进行滤波，得到滤波后的相偏信息Δθ，并送入相位旋转器形成闭环实现相位纠正。

4.根据权利要求3所述的相偏纠正方法，其中步骤(3)所述的低通滤波器通过状态存储控制器的控制对当前子载波组的相偏信息Δθ_d进行滤波，按照如下过程进行：

(3a)计数器检测到接收数据的帧头位置后，清零并开始计数，输出当前输入数据所处的子载波位置c；

(3b)根据子载波位置c进行分组选择，第l组分配的子载波为

$c\∈[\frac{(l-1)N}{2L}+1,\frac{\mathrm{lN}}{2L}]\∪[N-\frac{\mathrm{lN}}{2L}+1,N-\frac{(l-1)N}{2L}],$

式中，l＝1，2，…N/L，N为子载波总数，L为分组数；

(3c)状态存储控制器根据选择的分组l，控制低通滤波器中寄存器，完成对当前子载波组l的相偏信息Δθ_d的滤波。

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