CN102769599B - 一种新型正交频分复用系统信号处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正交频分复用系统信号处理方法及装置。该方法包括：射频前端对接收的OFDM信号进行相干解调，然后进行采样并去掉循环前缀，得到一系列时域的OFDM符号；进行信道估计，对每个OFDM符号进行信道均衡，得到N个频域数据；挑选L个元素组成向量，N>L；将叠加在每个OFDM符号上的相位噪声向量通过正交基展开映射到M维子空间上，M<L；计算M个正交基展开系数从而估计出相位噪声向量；进行时域的相位噪声抑制，之后变换到频域进行信道均衡；最后进行判决和解映射，并输出。本发明可在不使用导频或者仅使用极稀少导频的前提下获得较好的相位噪声抑制性能，提高OFDM系统的频谱效率。

Description

一种新型正交频分复用系统信号处理方法及装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及正交频分复用系统的接收机信号处理技术，具体涉及一种新型正交频分复用系统信号处理方法及装置。

背景技术

正交频分复用（OFDM）是一种将发送的数据调制到一系列正交的子载波上传送出去的技术。目前OFDM被广泛的应用于宽带数字通信、基于无线信道或者同轴线信道传输的数字电视及广播系统、无线网络以及LTE移动通信系统等方面。

众所周知，多载波的相干OFDM系统和单载波系统相比，对发射机中晶体振荡器引入的相位噪声更加敏感，特别是在子载波间隔较小或者使用高阶调制的情况下，振荡器相位噪声会严重影响OFDM系统的传输性能。相位噪声在OFDM系统中会引起公共相位误差（CPE）和子载波间干扰（ICI）。考虑到在实际系统应用中信号处理算法需要低复杂度，很多文献中报道的试验系统中使用的相位噪声抑制算法主要是实现CPE的抑制，相位噪声引起的ICI被近似为高斯噪声忽略掉了，具体请参考如下文献：1）X.Yi et.al.,“Phase noise effects on highspectral efficiency coherent optical OFDM transmission”,Journal of Lightwave Technology，vol.26,no.10,pp.1309-1316,2008；2）W.Shieh,“Maximum-likelihood phase and channel estimation forcoherent optical OFDM”,IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,no.12,pp.919-921,2008；3）S.Wu et.al.,“A phase noise suppression algorithm for OFDM-based WLANs”,IEEECommunication Letters,vol.6,no.12,pp.535-537,2002。

文献“C.Yang et.al.，Phase noise suppression for coherent optical block transmission systems:a unified framework,Optics Express,vol.19,no.18,Optics Express,2011.”中提出了一种相位噪声抑制方法，可以同时有效抑制相位噪声导致的CPE和ICI，并且和仅仅补偿CPE的算法相比，复杂度的增加非常的有限。但是该算法是针对光纤通信系统设计的，光纤通信系统的一个重要特点是使用较低阶的调制格式，如QPSK；同时应用该算法的前提是发射机必须使用导频。对于基于同轴线传输的OFDM系统，系统传输距离比较短，信道较好，调制方式上希望能够采用高阶调制，如1024QAM，甚至是4096QAM，同时尽量的不使用导频或者使用极少量导频来提高频谱效率。因此，上述算法不能用于该应用背景下的相位噪声抑制。

发明内容

本发明目的在于针对上述问题，提供一种新型OFDM系统信号接收方法和装置，针对高阶调制（如1024QAM、4096QAM）的OFDM传输系统，可在系统不使用导频或者仅使用极稀少导频的前提下获得较好的相位噪声抑制性能，可以进一步提高OFDM系统的频谱效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种正交频分复用系统信号处理方法，其步骤包括：

1）通过射频前端对接收的OFDM信号进行相干解调，对解调后的基带模拟信号进行模数转换采样并去掉循环前缀，得到一系列时域的OFDM符号；

2）进行信道估计，对每个OFDM符号进行信道均衡，得到N个频域数据；

3）从所述N个频域数据中挑选L个元素组成向量a_i，其中N>L；

4）将叠加在每个OFDM符号上的N×1的相位噪声向量通过正交基展开映射到M维子空间上，其中M<L；根据所述向量a_i及信道估计结果计算出所述M维子空间的M个正交基展开系数从而估计出所述N×1的相位噪声向量；

5）基于所述N×1的相位噪声向量，对接收到的一系列时域的OFDM符号进行时域的相位噪声抑制，之后变换到频域进行信道均衡；

6）对信道均衡后的符号数据进行判决和解映射，并输出。

一种应用上述方法的正交频分复用系统信号处理装置，其包括：

射频前端模块，负责对接收的OFDM信号进行相干解调；

采样模块，连接所述射频前端模块，负责对解调后的基带模拟信号进行模数转换采样；

去循环前缀模块，连接所述采样模块，负责去掉采样后信号的循环前缀，得到一系列时域的OFDM符号r_i，其中i为自然数；

信道估计模块，连接所述去循环前缀模块，负责进行信道估计，得到信道频域传输函数；

第一傅立叶变换模块，连接所述去循环前缀模块，用于进行傅立叶变换；

第一信道均衡模块，连接所述信道估计模块和所述第一傅立叶变换模块，负责进行信道均衡；

符号挑选模块，连接所述第一信道均衡模块，负责从得到的N个频域数据中挑选L个元素组成向量a_i，其中N>L；；

系数估计模块，分别连接所述去循环前缀模块、所述信道估计模块和所述符号挑选模块，负责根据r_i、信道频域传输函数和a_i估计相位噪声向量正交基展开系数；

正交基挑选模块，负责挑选正交基并建立正交基矩阵B=[b₁ b₂…b_M]，其中b₁ b₂…b_M为M维空间的正交基向量，L>M；

求共轭模块，连接所述正交基挑选模块，负责对矩阵B求共轭；

相乘模块，连接所述系数估计模块和所述求共轭模块，用于进行矩阵与向量的相乘运算；

点乘模块，连接所述去循环前缀模块和所述相乘模块，用于进行向量与向量的点乘运算；

第二傅立叶变换模块，连接所述点乘模块，用于进行傅立叶变换；

第二信道均衡模块，连接所述信道估计模块与所述第二傅立叶变换模块，负责进行信道均衡；

判决模块，连接所述第二信道均衡模块，负责对信道均衡后的OFDM符号数据进行判决和解映射，并输出。

本发明把每个OFDM符号中的N×1的相位噪声向量通过正交基展开映射到M维子空间（M<N），通过估计M个正交基展开系数来实现估计N×1的相位噪声向量。本发明的相位噪声抑制方法以及新型OFDM系统信号处理装置针对高阶调制（如1024QAM，4096QAM）的OFDM传输系统设计。该装置可作为接收机，可在系统不使用导频或者仅使用极稀少导频的前提下获得较好相位噪声抑制性能，进一步提高OFDM系统的频谱效率。本发明方法同样也适用于低阶调制的传输系统，但应用于高阶调制的系统时优势更加明显。

附图说明

图1为本发明实施例的OFDM信号处理方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例的OFDM信号处理装置的组成模块示意图。

图3为本发明实施例的OFDM信号的数据帧结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。

OFDM系统中，每个传输的OFDM符号中的每个子载波受相位噪声的影响都会有不同的乘性噪声项叠加在信号上，若OFDM系统采用N个子载波，则对于每个OFDM符号，接收机需要准确估计出N个相位噪声值并用于信道均衡，才能在保证高效精确的同时抑制相位噪声导致的公共相位误差（CPE）和子载波间干扰（ICI）。

本发明把每个OFDM符号中的N×1的相位噪声向量通过正交基展开映射到M维子空间（M<N），通过估计M个正交基展开系数来实现估计N×1的相位噪声向量。将N×1的相位噪声向量映射到M维子空间的方法可实现相位噪声估计问题的降维，仅需要估计M个正交基展开系数就可实现N×1相位噪声向量的精确估计，需要估计的参数大大减少了。基于此，本发明提出用于估计正交基展开系数所用数据的挑选方法，对于每个OFDM接收符号，从信道均衡后的N个频域数据中挑选出L（N>L>M）个较为准确的数据实现正交基展开系数的估计从而有效完成相位噪声向量的估计。

图1为本发明实施例的OFDM信号接收方法的步骤流程图，其步骤主要包括：

1）通过射频前端对接收的OFDM信号进行相干解调，对解调后的基带模拟信号进行模数转换采样并去掉循环前缀，得到一系列时域的OFDM符号；

2）进行信道估计，进而对每个OFDM符号进行信道均衡，得到N个频域数据；

3）从所述N个频域数据中挑选L个元素组成向量a_i，其中N>L；

4）将叠加在每个OFDM符号上的N×1的相位噪声向量通过正交基展开映射到M维子空间上，其中M<L；根据所述向量a_i及信道估计结果计算出所述M维子空间的M个正交基展开系数从而估计出所述N×1的相位噪声向量；

5）基于所述N×1的相位噪声向量，对接收到的一系列时域的OFDM符号进行时域的相位噪声抑制，之后变换到频域进行信道均衡；

6）对信道均衡后的符号数据进行判决和解映射，并输出。

图2为根据上述方法设计的OFDM信号处理装置的组成模块示意图，该装置包括：射频前端模块1、采样模块2、去循环前缀模块3、信道估计模块4、第一信道均衡模块5、第一傅立叶变换（FFT）模块6、符号挑选模块7、系数估计模块8、相乘模块9、正交基挑选模块10、求共轭模块11、点乘模块12、第二傅立叶变换模块13、第二信道均衡模块14和判决模块15。下面具体说明其工作原理：

接收到的OFDM信号首先经过射频前端模块1进行相干解调；调解后的基带模拟信号经过采样模块2进行模数转换（Analog-to-Digital,AD）采样；然后通过去循环前缀模块3去掉循环前缀（Cyclic Prefix,CP），得到一系列时域的OFDM符号r_i，i为自然数。对于第i个OFDM符号r_i执行下面的操作：

首先将r_i输入模块4进行信道估计，得到信道频域传输函数并输入信道均衡模块5；同时r_i经过模块6进行傅立叶变换，其输出通过模块5进行信道均衡。信道均衡后的OFDM符号输入符号挑选模块7，该模块基于一定的挑选法则，从当前OFDM符号向量中挑选L个元素组成向量a_i输入模块8，同时模块4输出的信道信息以及模块3的输出r_i也输入模块8。模块8称为系数估计模块，完成相位噪声向量正交基展开系数的估计并输出该结果至相乘模块9。模块10用来挑选正交基，输出为正交基矩阵B=[b₁ b₂…b_M]，其中b₁ b₂…b_M为M维空间的正交基向量。B矩阵输入模块11求其共轭，之后输入模块9，与模块8的输出结果相乘，得到的结果输入模块12。在模块12，模块3的输出结果与模块9相乘得到的向量进行点乘。模块12输出的向量经过模块13进行傅立叶变换，之后通过模块14进行信道均衡，最后将处理后的OFDM符号数据输入模块15进行判决和解映射，并输出。

上述实施例中，信道估计模块4得到信道频域传输函数的方法可以使用：

1）频域信道估计方法，直接得到信道频域传输函数，此时可以只使用训练序列进行信道估计，也可以同时使用在发送的OFDM符号中均匀插入的导频辅助信道估计；

2）时域信道估计方法，先得到信道的时域脉冲响应向量h_i，再对h_i进行N点傅立叶变换得到信道频域传输函数。可以只使用训练序列估计h_i，也可以同时使用在发送的OFDM符号中均匀插入的导频辅助估计h_i。

上述实施例中，模块5、14进行信道均衡的方法可以是：首先使用信道频域传输函数作为对角线元素得到对角阵——信道频域传输矩阵H_i，求逆得到H_i ^-1，将输入数据和H_i ^-1相乘进行信道均衡；也可以是将输入数据直接除以H_i进行信道均衡。

上述实施例中，符号挑选模块7中的挑选法则可以是：

1）首先对输入的OFDM符号向量进行判决，然后从中挑选L个元素组成向量a_i。对OFDM符号计算每一个子载波上信号的信噪比（SNR），以计算出的SNR值作为依据进行数据挑选。可以选择SNR值最大的L个子载波上承载的数据组成向量a_i；也可以选择SNR值居中的L个子载波上承载的数据组成向量a_i。

2）当OFDM系统发射机使用了自适应调制，那么在每个输入的OFDM符号中挑选出L个低阶调制的子载波，这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的元素；或者首先在输入的OFDM符号中选出进行低阶调制的子载波，将这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的部分元素，接着使用法则1）挑选一系列数据，作为组成向量a_i的其它元素。

3）当OFDM系统发射机使用导频，在OFDM符号中选出插入导频的子载波，将这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的元素；或者首先在输入的OFDM符号中选出插入导频的子载波，将这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的部分元素，接着使用法则1）挑选一系列数据，作为组成向量a_i的其它元素。

4）当OFDM系统发射机使用导频同时也使用自适应调制，可以使用法则1）法则2）或者法则3）分别挑选出一系列数据，共同组成向量a_i的元素；也可以两两组合分别挑选出一系列数据共同组成向量a_i的元素。

模块8利用模块7挑选出来的L个数据、去掉CP的OFDM接收信号、以及信道估计的估计值可计算出相位噪声向量正交基展开系数向量，例如可以用下面的方法实现的计算（不构成对本发明的限制）：

其中矩阵

$C_i={\mathrm{SH}}_i^{-1}\mathrm{Fdiag}\left(r_i\right)B^{*}---\left(2\right)$

$S={\left[\begin{array}{cccc}{e}_{k_1}& e_{k_2}& ...& e_{k_M}\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

为N×1的向量，N为系统FFT的点数，该向量第k_m（m=1,2,…,M）个元素为1，其他的元素均为0，变量k_m为模块7挑选出来的子载波的序号，上标H和T分别表示哈密尔顿转置和转置，矩阵F为FFT变换矩阵，diag(r_i)表示对角线元素向量为r_i的对角矩阵，B^*表示正交基矩阵B的共轭。

下面给出本发明的一个具体实例。

设定OFDM系统发射的OFDM符号中包含256个子载波，假设OFDM信号通过一个慢变的多径信道（比如光纤信道或者同轴线信道），基于此前提的OFDM数据帧结构如图3所示，利用本发明，OFDM信号接收装置进行信号处理的方法如下：

1）利用图3所示数据帧中的前导训练序列，使用论文“Phase noise suppression forcoherent optical block transmission systems:a unified framework”(OpticsExpress,vol.19,no.18,pp.17013-17019)中给出的最大似然信道估计方法得到信道频域传输矩阵H（因为信道为慢变信道，所以在下文的叙述中传输矩阵H省去下标i）。

2）射频前端解调下来的第i个OFDM符号，采样、去除CP后，可表示为256×1的向量r_i。对r_i进行FFT，使用H进行频域信道均衡得到的一个256×1的向量y_i，获得该向量元素的方法如下式所示：

$y_i\left(k\right)=\frac{1}{H\left(k\right)}\underset{n=1}{\overset{256}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i\left(n\right)e^{\frac{-2\mathrm{j\&pi;}(n-1)(k-1)}{256}},k=\mathrm{1,2},...,256---\left(4\right)$

其中，H(k)为第k个子载波对应的信道频域传输函数的取值，r_i(n)为向量r_i的第n个元素。

3）如果当前OFDM符号中没有导频，也没有在某些子载波采用较低阶调制，采用下面的方法得到用于估计相位噪声的数据：对信道均衡后的数据y_i进行判决，得到向量m_i，令向量n_i＝||y_i-m_i||²，对向量n_i中的元素进行升序排列，取出排在第10，12，14，…，28的10个元素组成新的向量a_i。对于当前OFDM符号含有导频的情况，如图3所示，直接挑选出这些子载波上承载的数据组成向量a_i。

4）将向量a_i带入公式（1）估计相位噪声正交基展开系数从而得到当前OFDM符号的相位噪声向量：

5）最终经过信道均衡和相位噪声抑制的OFDM信号为：

z_i＝H^-1Fdiag(r_i)Φ_i ^*              （6）

6）将z_i进行判决解映射，最终作为接收机的输出。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (8)

1.一种正交频分复用系统信号处理方法，其步骤包括：

1)通过射频前端对接收的OFDM信号进行相干解调，对解调后的基带模拟信号进行模数转换采样并去掉循环前缀，得到一系列时域的OFDM符号；

2)进行信道估计，进而对每个OFDM符号进行信道均衡，得到N个频域数据；

3)从所述N个频域数据中挑选L个元素组成向量a_i，其中N>L；

4)将叠加在每个OFDM符号上的N×1的相位噪声向量通过正交基展开映射到M维子空间上，其中M<L；根据所述向量a_i和信道估计的结果计算所述M维子空间的M个正交基展开系数并估计得到所述N×1的相位噪声向量；采用如下公式计算正交基展开系数γ_i：

γ_i＝(C_i ^HC_i)^-1C_i ^Ha_i，

其中，矩阵C_i＝SH_i ^-1Fdiag(r_i)B^*；矩阵 $S={\left[\begin{array}{cccc}{e}_{k_1}& e_{k_2}& ...& e_{k_m}\end{array}\right]}^T,$ 为N×1的向量，其中m＝1,2,…,M；N为系统FFT的点数；向量的第k_m个元素为1，其它元素均为0，变量k_m为挑选出来的子载波的序号；上标H和T分别表示哈密尔顿转置和转置，矩阵F为FFT变换矩阵；H_i为信道频域传输矩阵；diag(r_i)表示对角线元素向量为r_i的对角矩阵；B^*表示正交基矩阵B的共轭，正交基矩阵B＝[b₁ b₂ … b_M]，其中b₁ b₂ … b_M为M维空间的正交基向量；

使用计算出来的正交基展开系数γ_i得到当前OFDM符号的相位噪声向量：

${\mathrm{\&Phi;}}_i={\mathrm{B\&gamma;}}_i^{*};$

5)基于所述N×1的相位噪声向量对接收的一系列时域的OFDM符号进行时域的相位噪声抑制，之后变换到频域进行信道均衡；

6)对信道均衡后的符号数据进行判决和解映射，并输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述信道估计的方法包括：频域信道估计方法、时域信道估计方法。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述频域信道估计方法使用训练序列进行信道估计，或者同时使用在发送的OFDM符号中均匀插入的导频辅助信道估计。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述时域信道估计方法先得到信道的时域脉冲响应向量h_i，再对h_i进行N点傅里叶变换得到信道频域传输函数；所述时域信道估计方法使用训练序列进行信道估计，或者同时使用在发送的OFDM符号中均匀插入的导频辅助信道估计。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用如下法则挑选所述L个元素：

1)对OFDM符号计算每一个子载波上信号的信噪比，以计算出的信噪比值作为依据进行数据挑选；

2)如果OFDM系统发射机使用自适应调制，则在输入的OFDM符号中挑选出L个低阶调制的子载波，这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的元素；或者首先在输入的OFDM符号中选出进行低阶调制的子载波，将这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的部分元素，接着使用法则1)挑选一系列数据，作为组成向量a_i的其它元素；

3)如果OFDM系统发射机使用导频，则在输入的OFDM符号中选出插入导频的子载波，将这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的元素；或者首先在输入的OFDM符号中选出插入导频的子载波，将这些子载波上承载的数据作为组成向量a_i的部分元素，接着使用法则1)挑选一系列数据，作为组成向量a_i的其它元素；

4)如果OFDM系统发射机既使用导频又使用自适应调制，则使用法则1)至3)分别挑选出一系列数据，共同组成向量a_i的元素；或使用法则1)至3)中任意两个法则分别挑选出一系列数据，共同组成向量a_i的元素。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述法则1)中，选择信噪比值最大的L个子载波上承载的数据组成所述向量a_i；或者选择信噪比值居中的L个子载波上承载的数据组成所述向量a_i。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：由信道估计得到信道频域传输函数，以此为对角线元素得到信道频域传输矩阵H_i，求逆得到H_i ^-1，将输入数据和H_i ^-1相乘进行所述信道均衡；或者将输入数据直接除以H_i进行所述信道均衡。

8.一种正交频分复用系统信号接收装置，其特征在于，包括：

射频前端模块，负责对接收的OFDM信号进行相干解调；

采样模块，连接所述射频前端模块，负责对解调后的基带模拟信号进行模数转换采样；

去循环前缀模块，连接所述采样模块，负责去掉采样后信号的循环前缀，得到一系列时域的OFDM符号r_i，其中i为自然数；

信道估计模块，连接所述去循环前缀模块，负责进行信道估计，得到信道频域传输函数；

第一傅立叶变换模块，连接所述去循环前缀模块，用于进行傅立叶变换；

第一信道均衡模块，连接所述信道估计模块和所述第一傅立叶变换模块，负责进行信道均衡；

符号挑选模块，连接所述第一信道均衡模块，负责从得到的N个频域数据中挑选L个元素组成向量a_i，其中N>L；

系数估计模块，分别连接所述去循环前缀模块、所述信道估计模块和所述符号挑选模块，负责根据r_i、信道频域传输函数和a_i估计相位噪声向量正交基展开系数γ_i；采用如下公式计算正交基展开系数γ_i：

γ_i＝(C_i ^HC_i)^-1C_i ^Ha_i，

其中，矩阵C_i＝SH_i ^-1Fdiag(r_i)B^*；矩阵 $S={\left[\begin{array}{cccc}{e}_{k_1}& e_{k_2}& ...& e_{k_m}\end{array}\right]}^T,$ 为N×1的向量，其中m＝1,2,…,M；N为系统FFT的点数；向量的第k_m个元素为1，其中m＝1,2,…,M，其它元素均为0，变量k_m为挑选出来的子载波的序号；上标H和T分别表示哈密尔顿转置和转置，矩阵F为FFT变换矩阵；H_i为信道频域传输矩阵；diag(r_i)表示对角线元素向量为r_i的对角矩阵；B^*表示正交基矩阵B的共轭，正交基矩阵B＝[b₁ b₂ … b_M]，其中b₁ b₂ … b_M为M维空间的正交基向量；

正交基挑选模块，负责挑选正交基并建立正交基矩阵B＝[b₁ b₂ … b_M]，其中b₁ b₂ … b_M为M维空间的正交基向量，L>M；

求共轭模块，连接所述正交基挑选模块，负责对矩阵B求共轭；

相乘模块，连接所述系数估计模块和所述求共轭模块，用于进行矩阵与向量的相乘运算；

点乘模块，连接所述去循环前缀模块和所述相乘模块，用于进行向量与向量的点乘运算；

第二傅立叶变换模块，连接所述点乘模块，用于进行傅立叶变换；

第二信道均衡模块，连接所述信道估计模块与所述第二傅立叶变换模块，负责进行信道均衡；

判决模块，连接所述第二信道均衡模块，负责对信道均衡后的OFDM符号数据进行判决和解映射，并输出。