CN101483632A - 正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，属于移动无线数据传输技术领域。首先，发送端的每根发送天线在系统带宽以外放置一个窄带的导频信号，用于估计当前信号的相位噪声。然后，发送端对信号预先进行相位噪声纠正，再将信号发送到接收端。在接收端，先根据导频信号的频率将信号下变频，然后利用低通滤波器得到窄带的导频信号，再把初步估计出窄带导频信号的相位作为相位噪声的估计值，并将其送入环路滤波器，得到对发送信号相位噪声的最终估计，最后将这个估计值反馈回发送天线，用于发送端的相位噪声预纠正。采用本方法可以抑制正交频分复用系统中发送天线的相位噪声的强度，改善系统性能。

Description

正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法

技术领域

本发明涉及一种正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，属于移动无线数据传输技术领域。

背景技术

下一代无线通信要求支持更高的数据率和频谱效率。采用高频谱利用率的调制方式，如正交频分复用(以下简称OFDM)，是获得高速传输速率的有效方法。在OFDM系统中，相位噪声不但会造成一个OFDM符号内所有子载波的公共相位偏转，还会使得每个子载波受到其他子载波的子载波间串扰。尤其在当今对数据率需求越来越高的情况下，系统的带宽越来越宽，子载波数也越来越多，相位噪声引起的子载波间串绕就更为明显。此外，更高的系统带宽要求更高的中心频率，而更高的射频频率会带来更大的相位噪声，从而进一步影响系统的性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，以有效地降低OFDM系统中的相位噪声的影响。

本发明提出的正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，包括以下步骤：

(1)设正交频分复用系统中发送端的每个正交频分复用符号的频域上包含有N_FFT个子载波，其中有效子载波有N个，带外子载波有N_FFT-N个，有效子载波发送数据，带外子载波的发送信号为零；

(2)上述发送端在上述每个正交频分复用符号上放置带外导频，并得到时域发送序列，按以下步骤：

(2—1)在上述正交频分复用符号的设定的一个带外子载波上，放置一个设定幅度和相位的带外导频，设带外导频在N_FFT个子载波中的编号为k，则k为满足N/2<k<N_FFT/2的正整数；

(2—2)对加入上述带外导频后的正交频分复用系统中发送端的正交频分复用符号频域序列进行反快速复立叶变换，得到当前正交频分复用符号的时域序列；

(2—3)重复步骤(2—1)和(2—2)，得到正交频分复用符号的时域序列；

(2—4)将上述所有时域序列复接成时域发送序列，该序列中的第t个时域发送信号为 $\tilde{x}\left[t\right];$

或

(2—5)分别对上述正交频分复用符号的频域序列进行反快速复立叶变换；

(2—6)将上述所有反快速复立叶变换后的信号复接成时域序列，该时域序列的第t个时域信号为x[t]；

(2—7)根据上述时域序列的第t个时域信号x[t]，得到时域发送序列的第t个时域发送信号 $\tilde{x}\left[t\right]=x\left[t\right]+P\left[t\right],$ 其中， $P\left[t\right]=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;kt}}{N_{\mathrm{FFT}}}}$ 为带外导频的时域序列的第t个元素，j为-1的两个平方根中虚部为正数的平方根；

(3)发送端根据相位噪声的估计值

对上述时域发送信号进行相位噪声预校正，得到相位噪声预校正后的时域发送信号

其中，

的初始值

的取值范围为[-π，π)；

(4)发送端将上述相位噪声预校正后的时域发送序列发送给接收端；

(5)接收端接收到上述时域发送序列经信道后的时域接收序列，该序列中的第t个时域接收信号为y[t]，对y[t]进行下变频，得到下变频后的时域接收信号 $\hat{y}\left[t\right]=y\left[t\right]\&CenterDot;e^{-j\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;ki}}{N_{\mathrm{FFT}}}};$

(6)将上述下变频后的时域接收信号

通过低通滤波，得到带外导频时域信号P[t]的估计值该估计值

的相位值θ[t]即为相位噪声的初估计值；

(7)将上述相位噪声初估计值θ[t]通过环路滤波，并将滤波后的输出

反馈回发送端，用于步骤(3)的相位噪声预校正。

本发明提出的正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，其优点是，在发送信号中，在信号有效带宽外加入窄带的导频，用来传输用于相位噪声估计的已知信号。通过在接收端滤出带外导频上的信号，跟已知的发送信号格式进行比较，可以得到发送过程中相位噪声的大小。实验证明，采用本方法可以抑制OFDM系统中在发送端及接收端射频单元所产生的相位噪声强度，改善系统性能。同时，在多天线系统中，因为各个发送天线的相位噪声减小了，所以在采用预编码的系统中，本方法还可以提高计算预编码矩阵的精确性。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

图2为本发明的实施例中OFDM符号频域子载波的示意图。

图3为本发明的实施例中低通滤波的幅度与相位的响应示意图。

图4为本发明的实施例的1阶有限冲击响应滤波的示意图。

具体实施方式

本发明提出的正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)设正交频分复用系统中发送端的每个正交频分复用符号的频域上包含有N_FFT个子载波，其中有效子载波有N个，带外子载波有N_FFT-N个，有效子载波发送数据，带外子载波的发送信号为零；

(2)上述发送端在上述每个正交频分复用符号上放置带外导频，并得到时域发送序列，按以下步骤：

(2—1)在上述正交频分复用符号的设定的一个带外子载波上，放置一个设定幅度和相位的带外导频，设带外导频在N_FFT个子载波中的编号为k，则k为满足N/2<k<N_FFT/2的正整数；

(2—2)对加入上述带外导频后的正交频分复用系统中发送端的正交频分复用符号频域序列进行反快速复立叶变换，得到当前正交频分复用符号的时域序列；

(2—3)重复步骤(2—1)和(2—2)，得到正交频分复用符号的时域序列；

(2—4)将上述所有时域序列复接成时域发送序列，该序列中的第t个时域发送信号为x[t]；

或

(2—5)分别对上述正交频分复用符号的频域序列进行反快速复立叶变换；

(2—6)将上述所有反快速复立叶变换后的信号复接成时域序列，该时域序列的第t个时域信号为x[t]；

(2—7)根据上述时域序列的第t个时域信号x[t]，得到时域发送序列的第t个时域发送信号 $\tilde{x}\left[t\right]=x\left[t\right]+P\left[t\right],$ 其中， $P\left[t\right]=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;kt}}{N_{\mathrm{FFT}}}}$ 为带外导频的时域序列的第t个元素，j为-1的两个平方根中虚部为正数的平方根；

(3)发送端根据相位噪声的估计值

对上述时域发送信号

进行相位噪声预校正，得到相位噪声预校正后的时域发送信号

其中，

的初始值

的取值范围为[-π，π)；

(4)发送端将上述相位噪声预校正后的时域发送序列发送给接收端；

(5)接收端接收到上述时域发送序列经信道后的时域接收序列，该序列中的第t个时域接收信号为y[t]，对y[t]进行下变频，得到下变频后的时域接收信号 $\hat{y}\left[t\right]=y\left[t\right]\&CenterDot;e^{-j\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;ki}}{N_{\mathrm{FFT}}}};$

(6)将上述下变频后的时域接收信号

通过低通滤波，得到带外导频时域信号P[t]的估计值该估计值

的相位值θ[t]即为相位噪声的初估计值；

(7)将上述相位噪声初估计值θ[t]通过环路滤波，并将滤波后的输出

反馈回发送端，用于步骤(3)的相位噪声预校正。

本发明方法中，首先，发送端的每根发送天线在系统带宽以外放置一个窄带的导频信号，用于估计当前信号的相位噪声。然后，发送端对信号预先进行相位噪声纠正，再将信号发送到接收端。在接收端，先根据导频信号的频率将信号下变频，然后利用低通滤波器得到窄带的导频信号，再把初步估计出窄带导频信号的相位作为相位噪声的估计值，并将其送入环路滤波器，得到对发送信号相位噪声的最终估计，最后将这个估计值反馈回发送天线，用于发送端的相位噪声预纠正。

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案。

本发明提出的OFDM系统的相位噪声纠正方法的流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)如图2所示，发送端的每个正交频分复用符号在频域上包含N_FFT个子载波，由N个有效子载波和N_FFT-N个带外子载波组成，其中，有效子载波为发送数据的子载波，带外子载波上的发送信号为零；

(2)发送端在上述每个正交频分复用符号上，按以下步骤放置带外导频：

(2—1)在上述正交频分复用符号的设定的某个带外子载波上，放置一个设定幅度和相位的带外导频，记带外导频所在子载波编号为k，则k为满足N<k<N_FFT/2的正整数；

(2—2)对步骤(2—1)得到的频域序列进行反快速复立叶变换，得到当前正交频分复用符号的时域序列；

(2—3)将所有上述时域序列复接成时域发送序列

其中，t为采样点序号；

或

(2—4)对上述正交频分复用符号的频域序列进行反快速复立叶变换；

(2—5)将所有上述反快速复立叶变换后的信号复接成时域序列x[t]，其中，t为采样点序号；

(2—6)得到时域发送序列 $\tilde{x}\left[t\right]=x\left[t\right]+P\left[t\right],$ 其中， $P\left[t\right]=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;kt}}{N_{\mathrm{FFT}}}}$ 为带外导频的时域序列，k为满足N<k<N_FFT/2的正整数；

(3)发送端对上述时域发送序列

进行相位噪声预校正，得到相位噪声预校正后的时域发送序列

其中，

为对第t个采样点上的相位噪声的估计值，初始值

可以任意设置；

(4)发送端将上述相位噪声预校正后的时域发送序列

发送给接收端；

(5)接收端接收到时域接收序列y[t]，对其进行下变频，得到下变频后的时域接收序列 $\hat{y}\left[t\right]=y\left[t\right]\&CenterDot;e^{-j\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;ki}}{N_{\mathrm{FFT}}}};$

(6)将上述下变频后的时域接收序列通过低通滤波器，得到带外导频时域序列P[t]的估计值其中，低通滤波器为一个4阶巴特沃斯IIR低通滤波器，其在幅度和相位响应如图3所示；

(7)计算上述带外导频时域序列的估计值

的相位值θ[t]，将θ[t]作为相位噪声的初估计值；

(8)将上述相位噪声初估计值θ[t]先通过一个结构如图4所示的1阶FIR滤波器，再通过一个积分器(图1中的NCO模块)，并将最终的输出

反馈回发送端，用于步骤(3)中的相位噪声预校正。

为了进一步说明本发明实施例的具体实现步骤，将上述步骤中的各个参数具体化为如下：

OFDM符号子载波数N_FFT＝256，有效子载波数为N＝168，带外导频放置在第88个子载波上。

图4中的1阶FIR滤波器的参数为K0＝0.0001，K1＝8，K2＝1/128。

以上所述仅为本发明的各个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1、一种正交频分复用系统中利用带外导频的相位噪声校正方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设正交频分复用系统中发送端的每个正交频分复用符号的频域上包含有N_FFT个子载波，其中有效子载波有N个，带外子载波有N_FFT-N个，有效子载波发送数据，带外子载波的发送信号为零；

(2)上述发送端在上述每个正交频分复用符号上放置带外导频，并得到时域发送序列，按以下步骤：

(2—1)在上述正交频分复用符号的设定的一个带外子载波上，放置一个设定幅度和相位的带外导频，设带外导频在N_FFT个子载波中的编号为k，则k为满足N/2<k<N_FFT/2的正整数；

(2—2)对加入上述带外导频后的正交频分复用系统中发送端的正交频分复用符号频域序列进行反快速复立叶变换，得到当前正交频分复用符号的时域序列；

(2—3)重复步骤(2—1)和(2—2)，得到正交频分复用符号的时域序列；

(2—4)将上述所有时域序列复接成时域发送序列，该序列中的第t个时域发送信号为

[t]；

或

(2—5)分别对上述正交频分复用符号的频域序列进行反快速复立叶变换；

(2—6)将上述所有反快速复立叶变换后的信号复接成时域序列，该时域序列的第t个时域信号为x[t]；

(2—7)根据上述时域序列的第t个时域信号x[t]，得到时域发送序列的第t个时域发送信号 $\tilde{x}\left[t\right]=x\left[t\right]+P\left[t\right],$ 其中， $P\left[t\right]=e^{j\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;kt}}{N_{\mathrm{FFT}}}}$ 为带外导频的时域序列的第t个元素，j为-1的两个平方根中虚部为正数的平方根；

(3)发送端根据相位噪声的估计值

对上述时域发送信号

进行相位噪声预校正，得到相位噪声预校正后的时域发送信号

其中，

的初始值

的取值范围为[-π，π)；

(4)发送端将上述相位噪声预校正后的时域发送序列发送给接收端；

(5)接收端接收到上述时域发送序列经信道后的时域接收序列，该序列中的第t个时域接收信号为y[t]，对y[t]进行下变频，得到下变频后的时域接收信号 $\hat{y}\left[t\right]=y\left[t\right]\&CenterDot;e^{-j\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;kt}}{N_{\mathrm{FFT}}}};$

(6)将上述下变频后的时域接收信号

通过低通滤波，得到带外导频时域信号P[t]的估计值

该估计值

的相位值θ[t]即为相位噪声的初估计值；

(7)将上述相位噪声初估计值θ[t]通过环路滤波，并将滤波后的输出反馈回发送端，用于步骤(3)的相位噪声预校正。

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