CN102664850A - 无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法及其装置。本发明通过利用多载波模式帧结构中已知的长训练序列部分和高度保护的信令部分来选择出最佳的信道频域脉冲响应，以很低的复杂度代价保证了接收机在各种时延扩展的环境下都能够拥有较好的工作门限。本发明提出的解决方法不需要对时域信道响应进行检测，而是利用事先设置好的维纳滤波系数直接对含噪声的频域信道进行降噪，其中必定会有一个相对最佳的频域信道响应，这个时候利用后续接收到的高保护信令序列部分计算出信令部分的频域信道来选择出那个相对最佳的，选择的准则可以是均方误差最小化准则。

Description

无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法及其装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，且特别涉及一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法及其装置。

背景技术

无线通信系统中信号都不可避免地受到由于地形和障碍物导致的多径失真，时变信道脉冲响应通常表示为时域离散的FIR滤波器形式

因此接收到的宽带信号中通常都会存在复杂的多径干扰，在频域上表现为频域选择性衰落，单载波系统通常都采用时域均衡来去除多径干扰，对于接收机来说复杂度会非常高。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术被广泛应用于无线宽带通信系统中。OFDM技术一个显著的优点就是可以把一个相对较宽的载波分成多个并行的子载波，每个子载波的带宽远小于信道的相关带宽，因此对每个子载波信号来说，它所经历的信道频率衰落都是平坦的。这就克服了信道频率选择性衰落的不利影响。如果信道估计技术能够获得不同子载波上的信道频率响应特性，接收机就可以实现相干解调，从而正确的恢复出发射信号。为了改善信号解调的门限，提高信号接收的质量，通常都需要对估计出来的信道响应进行降噪处理。

维纳滤波是多载波OFDM系统经常采用的信道降噪技术，对实际接收机来说，为了实现复杂度方面的考虑，通常会按照事先假定的若干组信道功率时延特性来设计对应维纳滤波方法，并存储对应的维纳滤波系数，而接收机会根据实际传输环境中的信道功率时延特性来选择合适的维纳滤波方法和系数，现有技术提出的方法就采用了上述思想，并应用于中国移动多媒体广播(CMMB)系统，通过分析传输通道中多径的时延扩展来选择最合适的一组维纳系数进行降噪和插值，然而这种方法适合CMMB系统这种低QAM的传输模式，因为低QAM传输模式对接收环境中较弱的传输路径不敏感，忽略或者遗漏一些能量比较弱的多径不会影响到星座点的判决，况且低QAM接收本身所处的环境中噪声能量通常都比较强，因此将一些较弱的多径连同噪声在内一起抑制掉对接收门限可能还是有利的.但是随着传输速率的提高，高QAM星座点在实际系统中的应用越来越多，比如无线局域网中采用了64QAM星座点，欧洲DVB-T2系统中使用了256QAM星座点。这些星座点的解调门限都比较高，以至于传输环境中较弱的多径都会对其判决产生很大的影响，然而含有循环前缀的OFDM系统却因为设置了虚载波而使得这些弱径由于能量较低有时候会淹没在强径的泄漏中无法轻易被检测出来，这样就增加了高QAM接收系统信道降噪的难度。事实上，信道降噪过程在降低噪声的同时会引起信道的歧变，降低噪声对解调是有好处的，但是引起的信道歧变对解调是有坏处的，最终信道降噪处理要看综合的效果。

802.11a/g多载波模式的帧结构如图1所示，总共可以分为三个部分。第一部分是短训练序列，第二部分是长训练序列，第三部分是信令序列部分，第四部分是数据序列部分。其中短训练序列由10个重复的短训练符号组成，主要用来进行信号的增益调整，信号的捕获以及载波频偏粗略估计。随后的长训练序列由2.5个重复的长训练符号组成，主要用来进行载波频偏精确估计，OFDM符号的精确时间同步以及传输信道的多径估计。接下来的信令序列用来传输解调数据序列部分必需的指示信息，比如数据序列部分的长度以及传输采用的调制方式和编码效率。当接收机获得了前面所述的必备信息之后就可以正确解调和检测数据序列部分了。

802.11a/g多载波模式的信道估计是在长训练序列接收期间完成的。接收到的长训练序列与存储在本地的频域长训练序列相除之后就是频域信道响应，通常这个频域信道都会含有噪声，直接将这个信道用于后续解调操作会使得解调性能比较差，因此通常都需要对这个含有噪声的信道进行降低噪声的处理，以使得系统工作门限得到改善。

发明内容

本发明提出了一种适用于无线局域网802.11a/g/n系统多载波模式的低复杂度信道降噪方法。本发明通过利用多载波模式帧结构中已知的长训练序列部分和高度保护的信令部分来选择出最佳的信道频域脉冲响应，以很低的复杂度代价保证了接收机在各种时延扩展的环境下都能够拥有较好的工作门限。

为了达到上述目的，本发明提出一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法，包括下列步骤：

接收到的频域长训练序列与本地存储的长训练序列进行序列相除操作，得到原始的含噪频域信道；

利用系统中预先存储的多组维纳滤波系数按照对应的滤波方法对得到的原始的含噪频域信道进行维纳滤波，得到多组经过降噪的频域信道；

原始的含噪频域信道为接收到的频域信令部分提供信道频域响应进行均衡操作，均衡之后的接收信令符号经过解调解交织和卷积解码得到有效比特信令；

所述有效比特信令按照发送端的顺序进行卷积编码和交织调制以及OFDM成帧得到OFDM信令符号，接收到的频域信令序列与所述OFDM信令符号序列相除之后得到了信令频域信道；

选择多组经过降噪的频域信道响应中，与所述信令频域信道响应最为接近的那一组作为最佳频域信道输出供后续数据接收阶段使用。

为了达到上述目的，本发明还提出一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪装置，包括：第一序列除法器；信道均衡器；解调解交织和卷积解码器；卷积编码和交织调制器；OFDM成帧处理器；第二序列除法器；维纳滤波处理器；以及信道分析选择器，其中，

所述第一序列除法器接收频域长训练序列并将其与本地频域长训练序列做除法运算，得到原始的含噪频域信道；

所述信道均衡器接收频域信令序列，将其与含噪频域信道进行信道均衡处理，得到均衡之后的接收信令符号；

所述解调解交织和卷积解码器将所述均衡之后的接收信令符号经过解调解交织和卷积解码得到有效比特信令；

所述卷积编码和交织调制器以及OFDM成帧处理器将所述有效比特信令进行卷积编码和交织调制以及OFDM成帧得到OFDM信令符号；

所述第二序列除法器接收频域信令序列，将其与所述OFDM信令符号相除之后得到了信令频域信道；

所述维纳滤波处理器，预先存储有多组维纳滤波系数，按照对应的滤波方法对得到的原始的含噪频域信道进行维纳滤波，得到多组经过降噪的频域信道；

所述信道分析选择器选择多组经过降噪的频域信道响应中，与所述信令频域信道响应最为接近的那一组作为最佳频域信道输出供后续数据接收阶段使用。

本发明提出了一种适用于无线局域网802.11a/g/n系统多载波模式的低复杂度信道降噪方法。本发明通过利用多载波模式帧结构中已知的长训练序列部分和高度保护的信令部分来选择出最佳的信道频域脉冲响应，以很低的复杂度代价保证了接收机在各种时延扩展的环境下都能够拥有较好的工作门限。本发明提出的解决方法不需要对时域信道响应进行检测，而是利用事先设置好的维纳滤波系数直接对含噪声的频域信道进行降噪，其中必定会有一个相对最佳的频域信道响应，这个时候利用后续接收到的高保护信令序列部分计算出信令部分的频域信道来选择出那个相对最佳的，选择的准则可以是均方误差最小化准则。

附图说明

图1所示为现有技术中802.11a/g多载波模式的帧结构示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的低复杂度信道降噪方法流程图。

图3所示为本发明较佳实施例的低复杂度信道降噪装置示意图。

图4所示为基于长训练序列的时域信道脉冲响应示意图。

图5～图8所示为经过维纳滤波处理后接收到的星座点示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如上所述，接收机会根据实际传输环境中的信道功率时延特性来选择合适的维纳滤波方法和系数，也就是说接收机必须估计出时域信道脉冲响应来进行多径检测，但是往往其中较弱的多径分量不容易被识别出来，因此本发明回避了对时域信道进行多径检测来选择维纳系数这个过程，而是将若干组事先存储好的维纳系数按照设定好的方法对含噪频域信道进行维纳滤波，然后利用一定的准则选择出其中能够获得最小均方误差的维纳系数及对应的滤波方法。具体地说，接收机首先接收时域长训练序列部分并将其FFT变换至频域得到频域长训练序列，将得到的频域长训练序列与本地存储的长训练序列相除之后就得到了含噪频域信道，由于信令一般都采用高保护的传输方式，而数据部分为了保证很高的传输效率通常保护都很弱，所以直接利用含噪频域信道响应对接收到的频域信令序列进行均衡解调和解交织解码，然后将得到的信令比特按照发送端的传输方法进行再编码交织调制以及成帧得到理想的传输信令符号，并将实际接收到的频域信令序列与所述理想的传输信令符号序列相除之后得到信令频域信道。同时含噪频域信道经过预先设置好的几种维纳滤波方法和系数处理之后得到降噪之后的频域信道，事实上由于传输环境中较弱多径的存在，在降低噪声的同时，信道响应本身也会发生一定的歧变，而信道分析选择模块会选择其中一种最优的维纳滤波系数和方法来对后续的数据部分进行解调处理，这样的处理结果很好地在降低噪声和信道歧变之间进行了折衷，可以保证不同传输模式在不同信道环境下都能够拥有比较好的工作门限。

多载波OFDM系统通过引入循环前缀使得接收到的信号是发送信号和信道响应的循环卷积，对应到频域上看，接收的频域信号就是传输的频域信号和频域信道响应的乘积，R(k)＝H(k)S(k)+N(k)，其中R(k)是接收到的频域序列，S(k)是已知的频域训练序列，H(k)是信道的频域响应，N(k)是传输过程中的白噪声。这个特性使得OFDM系统的信道估计和均衡都变得十分简单。进行信道估计时由于发送序列S(k)是已知的，所以可以得到

即将接收训练序列与本地训练序列相除就得到了含噪声的频域信道响应；反之，进行数据解调时就利用得到的频域信道计算出数据符号

对802.11a/g/n多载波模式的传输而言，长训练序列和信令序列都取值+1或者-1，因此序列相除操作其实就只是改变符号的简单操作。

前面说过，维纳滤波时通常会选择信道时延扩展这个参数来进行分类。简单的讲，就是对信道时延扩展进行分档，每档对应一组维纳滤波系数以及相对应的滤波方法，传统的做法是将含噪的频域信道IFFT变换至时域并对得到的时域信道进行检测来求出信道时延扩展，从而可以选择出最佳的维纳滤波系数以及对应的操作。但是由于含有循环前缀的OFDM传输系统中通常都会有含有虚载波，虚载波的存在使得频谱成型非常方便，但是这里却导致了频域信道高频部分的缺失，于是IFFT变换不再是一个完全正交的变换，而是发生了能量的泄漏，这样本来一个子载波上集中的能量泄漏到了所有子载波，掩盖了其他子载波上较弱的能量，从而导致了一些较弱多径无法被准确检测出来。

本发明提出的解决方法不需要对时域信道响应进行检测，而是利用事先设置好的维纳滤波系数直接对含噪声的频域信道进行降噪，其中必定会有一个相对最佳的频域信道响应，这个时候利用后续接收到的高保护信令序列部分计算出信令部分的频域信道来选择出那个相对最佳的，这里最佳可以理解为一种准则，比如均方误差最小化准则。

请参考图2，本发明提出一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法，具体计算步骤详细描述如下：

步骤S100：接收到的频域长训练序列与本地存储的长训练序列进行序列相除操作得到原始的含噪频域信道，这里长训练序列本身由+1和-1构成，因此序列相除操作其实就是序列乘法操作；

步骤S200：利用系统中预先存储的多组维纳滤波系数按照对应的滤波方法对原始得到的含噪频域信道进行维纳滤波，得到了多组经过降噪的频域信道，在降低噪声的过程中，会残留一部分噪声，并且也会产生一部分的信道失真；

步骤S300：原始的含噪频域信道为接收到的频域信令部分提供信道频域响应从而进行均衡操作，均衡之后的接收信令符号经过解调解交织和卷积解码得到有效比特信令；

步骤S400：所述有效比特信令按照发送端的顺序进行卷积编码和交织调制以及OFDM成帧得到OFDM信令符号，这里因为信令部分的保护程度要强于数据部分，所以实际数据接收时得到的OFDM信令符号一定是正确的。OFDM信令符号也是由+1和-1构成的，与接收到的频域信令序列相除之后得到了信令频域信道，这里信令序列本身由+1和-1构成，因此序列相除操作其实就是序列乘法操作；

步骤S500：选择几组经过降噪的频域信道响应中，与信令频域信道响应最为接近的那一组作为最佳频域信道输出供后续数据接收阶段使用。

请参考图3，图3所示为本发明较佳实施例的低复杂度信道降噪装置示意图。本发明提出一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪装置，包括：第一序列除法器100；信道均衡器200；解调解交织和卷积解码器300；卷积编码和交织调制器400；OFDM成帧处理器500；第二序列除法器600；维纳滤波处理器700；以及信道分析选择器800，其中，

所述第一序列除法器100接收频域长训练序列并将其与本地频域长训练序列做除法运算，得到原始的含噪频域信道；

所述信道均衡器200接收频域信令序列，将其与含噪频域信道进行信道均衡处理，得到均衡之后的接收信令符号；

所述解调解交织和卷积解码器300将所述均衡之后的接收信令符号经过解调解交织和卷积解码得到有效比特信令；

所述卷积编码和交织调制器400以及OFDM成帧处理器500将所述有效比特信令进行卷积编码和交织调制以及OFDM成帧得到OFDM信令符号；

所述第二序列除法器600接收频域信令序列，将其与所述OFDM信令符号相除之后得到了信令频域信道；

所述维纳滤波处理器700，预先存储有多组维纳滤波系数，按照对应的滤波方法对得到的原始的含噪频域信道进行维纳滤波，得到多组经过降噪的频域信道；

所述信道分析选择器800选择多组经过降噪的频域信道响应中，与所述信令频域信道响应最为接近的那一组作为最佳频域信道输出供后续数据接收阶段使用。

本发明以802.11a/g系统多载波OFDM传输模式来说明本发明的整个过程。802.11a/g系统的每个OFDM符号拥有0.8微秒的保护间隔，通常情形下都认为信道时延扩展不会超过0.8微秒，本实施中多径信道模型采用三径信道，描述如下：

信道模型参数	第一径	第二径	第三径
				延时(us)	0	0.5	0.7
功率(dB)	0	-25	-25

表1本实施采用多径信道模型

可以看出，第一径是传输模型中的主径，第二径和第三径的功率比第一径要低25dB，径的延时分别是0.5微秒和0.7微秒，由图4不难看出，根据时域信道响应根本无法发现后两条弱径的存在，因为这两条弱径淹没在了主径泄漏出来的能量中。下面分两种传输环境对本发明进行详细说明。

本发明首先利用长训练序列中包含的两个完整的长训练符号来获得含有噪声的频域信道响应，为了能简单明白地说明本发明的意图，接下来采用的维纳滤波针对信道传输时延扩展分为两组，第一组维纳滤波是针对单个主径进行处理的低通滤波，第二组维纳滤波选择为通带为0.8微秒的低通滤波。下面将数据传输部分分别设置为64QAM和4QAM这两种情形来说明本发明获得的效果。

(1)数据部分采用64QAM传输模式，信噪比为35dB时，如果只考虑主径分量而不考虑弱径的存在直接采用第一组维纳滤波，接收到的星座点如图5所示，很明显64QAM星座图变得非常模糊。事实上此时第二组维纳滤波的效果很好，而本发明方法可以自动选择出第二组维纳滤波，此时得到的星座点如图6所示，判决不存在任何问题。因此当信噪比条件较好的时候，必须要考虑存在的弱径分量。

(2)数据部分采用4QAM传输模式，信噪比为6dB时，考虑了所有多径分量即采用第二组维纳滤波的星座图如图7所示，而本发明方法选择了第一组维纳滤波的结果作为最佳频域信道，此时得到的星座图如图8所示。不难看出，本发明方法的降噪处理效果非常明显，星座点明显要清晰很多。因此当信噪比条件很差的时候，降噪过程主要还是尽可能降低噪声的能量，忽略其中的弱径分量反而可以改善接收性能。

综合上述两种情形，不难看出，本发明提出的信道降噪处理能够在降低噪声和减少信道失真之间自动寻找出折衷点，在不同传输模式和传输条件下都能够获得良好的效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪方法，其特征在于，包括下列步骤：

接收到的频域长训练序列与本地存储的长训练序列进行序列相除操作，得到原始的含噪频域信道；

利用系统中预先存储的多组维纳滤波系数按照对应的滤波方法对得到的原始的含噪频域信道进行维纳滤波，得到多组经过降噪的频域信道；

原始的含噪频域信道为接收到的频域信令部分提供信道频域响应进行均衡操作，均衡之后的接收信令符号经过解调解交织和卷积解码得到有效比特信令；

所述有效比特信令按照发送端的顺序进行卷积编码和交织调制以及OFDM成帧得到OFDM信令符号，接收到的频域信令序列与所述OFDM信令符号相除之后得到了信令频域信道；

选择多组经过降噪的频域信道响应中，与所述信令频域信道响应最为接近的那一组作为最佳频域信道输出供后续数据接收阶段使用。

2.一种应用于无线局域网多载波模式的低复杂度信道降噪装置，其特征在于，包括：第一序列除法器；信道均衡器；解调解交织和卷积解码器；卷积编码和交织调制器；OFDM成帧处理器；第二序列除法器；维纳滤波处理器；以及信道分析选择器，其中，

所述第一序列除法器接收频域长训练序列并将其与本地频域长训练序列做除法运算，得到原始的含噪频域信道；

所述信道均衡器接收频域信令序列，将其与含噪频域信道进行信道均衡处理，得到均衡之后的接收信令符号；

所述解调解交织和卷积解码器将所述均衡之后的接收信令符号经过解调解交织和卷积解码得到有效比特信令；

所述卷积编码和交织调制器以及OFDM成帧处理器将所述有效比特信令进行卷积编码和交织调制以及OFDM成帧得到OFDM信令符号；

所述第二序列除法器接收频域信令序列，将其与所述OFDM信令符号相除之后得到了信令频域信道；

所述维纳滤波处理器，预先存储有多组维纳滤波系数，按照对应的滤波方法对得到的原始的含噪频域信道进行维纳滤波，得到多组经过降噪的频域信道；

所述信道分析选择器选择多组经过降噪的频域信道响应中，与所述信令频域信道响应最为接近的那一组作为最佳频域信道输出供后续数据接收阶段使用。

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