CN103139128A - 一种ofdm系统相位补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统相位补偿的方法。本方法包括：在接收端提取导频，得到一个OFDM符号内所有导频均值的相位和每个导频的相位，将导频的相位进行加权合并，得数据的相位估计，然后将一个OFDM符号内所有子载波的相位大小进行排序，依据相位的分布区间决定是否用导频的平均相位取代原来的相位，最后根据相位估计值进行相位补偿。本发明所述相位补偿方法能够在恶劣的低压电力线环境跟踪相位变化，减少相位估计误差，降低相位噪声带来的影响。

Description

一种OFDM系统相位补偿的方法

技术领域

本发明涉及通信行业电力线通信领域，尤其涉及一种OFDM系统相位补偿的方法。

背景技术

电力线通信(Power Line Communication)系统是指建立在电力输送网络基础上，实现电力线网络各节点之间以及与其他通信网络间通信的系统。电力线通信利用已有电力网络，无须另架通信线路，电力线四通八达，具有通信成本低并且覆盖面广的优点。

但是电力线并非专为数据通信设计，电力线上噪声大、干扰强、负载阻抗变化剧烈，存在严重的频率选择性衰落，对电力线通信系统设计提出了很高的要求。由于时延扩展的影响带来严重的码间干扰(ISI)单载波系统不能满足电力线通信的要求，因此采用多载波传输的正交频分复用(OFDM)技术被应用于电力线通信系统。OFDM技术采用多载波调制，把数据分成若干个并行数据流，再调制到相互正交的子载波上进行并行传输。OFDM技术具有很好的抗频率选择性衰落和抗码间干扰的特点，非常适合电力线通信。OFDM符号虽然有着良好的抗ISI能力，但对载波的正交性有严格的要求。在低压电力线信道中，非理想因素会引起同步偏差、载波频偏和采样时钟偏差，由此带来的相位噪声对OFDM符号有很大损害，因此需要对相位噪声进行补偿。

已有的OFDM系统相位补偿的方法中，主要可以归为基于导频的补偿、基于判决反馈的补偿和基于循环前缀的补偿，通过对取得的相位差进行处理和运算得到相位噪声的补偿值，用这个补偿值去补偿数据子载波。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中OFDM系统相位补偿方式存在如下技术问题：通过导频方式估计出导频子载波的相位旋转后用这个旋转量去补偿数据子载波，这种方法在信道噪声和衰落较小的时候可以达到补偿的目的，但是在低压电力线信道中存在较大的噪声和衰落，原有方法不能准确估计相位旋转量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种OFDM系统相位补偿的方法，以提高相位补偿的效果，为后续信号处理提供保证。

(二)技术方案

根据本发明的一个方案，提供了一种OFDM系统相位补偿的方法，该方法包括：步骤A，提取OFDM符号的多个导频P(l)，获取每个导频的相位A_p；由数据两侧的导频相位及数据所处的位置，获取每个数据的相位A_d(k)；步骤B，由所述每个导频的相位A_p对所述多个导频P(l)求均值得到导频均值P_ave，由所述导频均值P_ave获得导频均值相位A_ave；步骤C，统计所述多个导频的相位A_p和数据的相位A_d(k)所处的区间，按照区间内导频和数据的相位的数目由大至小的顺序，对所述区间进行排序，排序之后的区间和对应包含的相位数目标记为【G₁，G₂，...，G_s】；步骤D，从前往后，对于排序后区间的相邻两区间【G_n-1，G_n】，其中1＜n≤s，判断是否大于等于预设门限值th：如果则区间G_n～G_s中的导频和数据的相位用导频均值相位A_ave代替，其余区间中的导频和数据的相位不变，得到最终相位估计值

根据最终相位估计值

进行相位补偿，执行步骤E；否则，如果G_n不是G_s，则对于后一相邻两区间重新执行步骤D，否则执行步骤E；步骤E，结束。

(三)有益效果

本发明OFDM系统相位补偿方法克服了低压电力线信道噪声大、干扰强的缺陷，能够在恶劣的低压电力线信道中跟踪相位变化，减少相位估计误差，提高相位补偿性能。

附图说明

图1为本发明实施例OFDM系统相位补偿方法中OFDM数据帧中导频和数据结构示意图；

图2为本发明实施例OFDM系统相位补偿方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

本发明中，相位补偿分为三步，第一步，提取导频的相位；第二步，利用已知的导频相位进行相位估计；第三步，通过相位旋转对相位噪声进行补偿。以下对上述三步进行详细说明。

图1为本发明实施例OFDM系统相位补偿方法中OFDM子载波结构示意图。如图1所示，在频域每隔N_F个数据插入一个导频(其中，N_F根据相应的帧协议来确定，一般情况下，N_F＝3、5或7)。一个OFDM符号的所有子载波包括导频子载波和数据子载波。以下针对图1所示的OFDM数据帧对本发明OFDM系统相位补偿方法进行详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种OFDM系统相位补偿的方法。图2为本发明实施例OFDM系统相位补偿方法的流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤S200，开始

步骤S202，得到一个OFDM符号中所有导频的相位A_p；

导频可以表示为P＝P_i+P_q*j，导频相位A_p是

的反正切函数值，根据所在象限A_p范围在0到2π之间；

步骤S204，对导频相位进行加权合并，得到数据的相位A_d(k)；相位加权合并算法有如下算式步骤：

A_d(k)＝c₀A_p(p)+c₁A_p(p+1)，

其中，A_p(p)和A_p(p+1)表示数据两侧的导频相位，c₀和c₁是加权系数，分别表示为：

N_F是两个相邻导频之间数据的数目，m是数据在两个导频间的位置。

步骤S206，对一个OFDM符号内的所有导频求均值P_ave，进而求出导频均值P_ave的相位A_ave；

导频均值P_ave采用以下公式进行计算：

$P_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{N}*\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}P\left(l\right),$

其中，N表示一个OFDM符号中导频的个数，P(l)表示接收到的导频数据，得到导频均值P_ave。

步骤S208，相位范围2π划分为s个区间，确定一个OFDM符号内所有导频和数据的相位所属区间，将s个区间标记为：R₁，R₂，...，R_s，R₁，R₂，...，R_s包含每个区间中导频和相位的位置信息，统计每个区间内相位的个数，标记为Num₁，Num₂，...，Num_s；将区间R₁，R₂，...，R_s内相位个数Num₁，Num₂，...，Num_s进行由大到小的排列，重新排列后的区间内的相位数目标记为G₁，G₂，...，G_s，G₁，G₂，...，G_s同时包含相应的导频和数据的位置信息。

步骤210，根据相邻区间【G₁，G₂】中数据和导频的相位数目的比值

是否大于等于一个阈值th，如果是，执行步骤S212，否则，执行步骤S216；

阈值th的取值通常在2到3之间。利用导频均值的相位能够在低信噪比的条件下获得更可靠的相位估计。

步骤212，如果是，将相位处于G₂～G_s中的所有导频和数据的相位用导频均值的相位A_ave代替，其余区间中的导频和数据的相位不变，得到最终相位估计值

步骤214，根据最终相位估计值进行相位补偿，执行步骤230；

得到相位补偿后的结果依据算法公式：

Y(k)是原始接收的导频和数据，

是相位补偿后的导频和数据。

步骤S210、S212和S214是一组判断替代补偿过程。

步骤S216，判断区间G₂和区间G₃中所含相位个数的比值是否大于等于阈值th，如果是，执行步骤S218，否则，执行步骤S222

步骤S218，将相位处于G₃～G_s中的导频和数据的相位用导频均值的相位A_ave代替，其余区间中的导频和数据的相位不变，得到最终相位估计值

步骤S220，根据最终相位估计值

进行相位补偿，执行步骤230；

得到相位补偿后的结果依据算法公式：

Y(k)是原始接收的导频和数据，

是相位补偿后的导频和数据。

步骤S216、S218和S220是一组判断替代补偿过程。

步骤S222，依此类推；

步骤S224，判断区间G_s-1和区间G_s中所含相位个数的比值是否大于等于阈值th，如果是，执行步骤S226，否则，执行步骤S230；

步骤S226，将相位处于G_s中的导频和数据的相位用导频均值的相位A_ave代替，其余区间中的导频和数据的相位不变，得到最终相位估计值

步骤S228，根据最终相位估计值

进行相位补偿，执行步骤230；

得到相位补偿后的结果依据算法公式：

Y(k)是原始接收的导频和数据，是相位补偿后的导频和数据。

步骤S230，结束。

由上述实施例可以看出，本发明OFDM系统相位补偿方法克服了低压电力线信道噪声大、干扰强的缺陷，能够在恶劣的低压电力线信道中跟踪相位变化，减少相位估计误差，提高相位补偿性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种OFDM系统相位补偿的方法，其特征在于，包括：

步骤A，提取OFDM符号的多个导频P(l)，获取每个导频的相位A_p；由数据两侧的导频相位及数据所处的位置，获取每个数据的相位A_d(k)；

步骤B，由所述每个导频的相位A_p对所述多个导频P(l)求均值得到导频均值P_ave，由所述导频均值P_ave获得导频均值相位A_ave；

步骤C，统计所述多个导频的相位A_p和数据的相位A_d(k)所处的区间，按照区间内导频和数据的相位的数目由大至小的顺序，对所述区间进行排序，排序之后的区间和对应包含的相位数目标记为【G₁，G₂，...，G_s】；

步骤D，从前往后，对于排序后区间的相邻两区间【G_n-1，G_n】，其中1＜n≤s，判断

是否大于等于预设门限值th：

如果

则区间G_n～G_s中的导频和数据的相位用导频均值相位A_ave代替，其余区间中的导频和数据的相位不变，得到最终相位估计值根据最终相位估计值

进行相位补偿，执行步骤E；

否则，如果G_n不是G_s，则对于后一相邻两区间重新执行步骤D，否则执行步骤E；

步骤E，结束。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述由数据两侧导频相位及数据所处的位置，获取每个数据的相位A_d(k)的步骤中，由以下公式计算数据的相位A_d(k)：

A_d(k)＝c₀A_p(p)+c₁A_p(p+1)，

其中A_p(p)和A_p(p+1)表示数据两侧的导频相位，c₀和c₁是加权系数，分别表示为：

N_F是两个相邻导频之间数据的数目，m是数据在两个导频间的位置。

3.根据权利要求1所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述由每个导频的相位A_p对所述多个导频P(l)求均值得到导频均值P_ave的步骤中，由以下公式计算导频均值P_ave：

$P_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{N}*\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}P\left(l\right),$

其中，N表示OFDM符号中导频的个数。

4.根据权利要求1所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述统计多个导频和数据的相位所处的区间，按照区间内导频和数据的相位的数目由大至小的顺序，对所述区间进行排序的步骤包括：

将相位范围2π划分为s个区间，确定所述OFDM符号内所有导频和数据的相位所属区间，将s个区间标记为：R₁，R₂，...，R_s，R₁，R₂，...，R_s包含每个区间中导频和相位的位置信息，统计每个区间内相位的数目，标记为Num₁，Num₂，...，Num_s；

将Num₁，Num₂，...，Num_s进行由大到小的排列，重新排列后的区间和对应包含的相位数目标记为G₁，G₂，...，G_s，G₁，G₂，...，G_s同时也包含区间中导频或相位的位置信息。

5.根据权利要求4所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述区间的数目s的范围介于4到7之间。

6.根据权利要求1所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述步骤D包括：

对于相邻区间G₁和G₂，如果

则将G₂～G_s中所有导频和数据的相位用导频均值相位A_ave代替，G₁中导频和数据的相位不进行代替，由此得到最终相位估计值

执行步骤E；

否则，对于相邻区间G₂和G₃，如果

则将G₃～G_s中所有导频和数据的相位用导频均值的相位A_ave代替，G₁～G₂中导频和数据的相位不进行代替，由此得到最终相位估计值

执行步骤E；

依次类推，直到对于相邻区间G_s-1和G_s，如果则将G_s中所有导频和数据的相位用导频均值的相位A_ave代替，G₁～G_s-1中导频和数据的相位不进行代替，由此得到最终相位估计值

执行步骤E；否则，执行步骤E。

7.根据权利要求6所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述判断阈值th的取值介于2到3之间。

8.根据权利要求1所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，所述根据最终相位估计值

进行相位补偿的步骤中，根据下列公式进行相位补偿：

$\hat{Y}\left(k\right)=Y\left(k\right)*\exp \left(\hat{A}\left(k\right)\right),$

其中，Y(k)是原始接收的导频和数据，

是相位补偿后的导频和数据。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，在频域每隔N_F个数据插入一个导频，其中N_F＝3、5或7。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的OFDM系统相位补偿方法，其特征在于，应用在低压电力线通信OFDM系统数字接收机中。

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