CN103152300A - 一种基于导频的ofdm接收器及其信道均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导频的OFDM接收器及其信道均衡方法，将OFDM接收链路中的接收信号从XY坐标系转换到极坐标系，并根据导频信号的相位信息跟踪信道响应，简便高效的校正OFDM接收机中星座图的相位失真，并完成后续相位解调，在提高OFDM收发器信噪比的同时，减小了传统XY坐标系下均衡技术的计算量及复杂度。

Description

一种基于导频的OFDM接收器及其信道均衡方法

技术领域

本发明属于信道均衡技术领域，涉及一种基于导频的OFDM接收器及其信道均衡方法。 

背景技术

收发信号在实际信道上传输时，由于信道特性不理想，接收端接收到的信号不发生不同程度的畸变，为了恢复发送信号，接收端需估计成信道特性，并对接收到的数据进行校正。 

信道均衡的目的就是估计信道响应，对接收数据进行校正和恢复。均衡实现的方法很多，从均衡信息的来源出发有基于训练序列的均衡或基于导频的均衡，让均衡器进行自适应调节，从而确定均衡器的系数，还有一种方式是采用盲均衡，即通过接收信号例如QAM的统计特征来实现均衡器系数的调节（例如Godard算法）；从频域或时域的角度出发有时域均衡、频域均衡，时域均衡是将输入信号的按时间排列的序列先进入一个FIR滤波器，调节滤波器的节数以及系数就可以改变均衡的效果。频域均衡是较为简单的相乘运算，频域均衡器的每个信道可以简化为单抽头的滤波器。实际中，通常根据需要进行选择。 

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于导频的OFDM接收器及其信道均衡方法，针对强频率选择性衰落信道，有效校正OFDM接收器中星座图的相位失真，降低系统运算量及复杂度。 

本发明是通过以下技术方案来实现： 

一种基于导频的OFDM接收器，包括：坐标转换模块、导频符号提取模块、本地均衡样本模块、信道估计模块、插值处理模块和信道补偿模块； 

坐标转换模块，接收信号，将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系， 并将转换后的相位值发送给导频符号提取模块和信道补偿模块； 

导频符号提取模块，接收发送来的相位值，判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

本地均衡样本模块，存储有标准均衡样本的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

信道估计模块，比较导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值，得到信道相位衰减及相位补偿因子，信道估计模块将相位补偿因子发送给插值处理模块； 

插值处理模块，对相邻导频点间的相位补偿因子进行线性插值处理，插值后得到每个频率点的插值相位补偿因子，并将其发送至信道补偿模块； 

信道补偿模块，根据每个频率点的插值相位补偿因子，对坐标转换模块发来数据中的各频率点上的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转。 

一种基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，包括以下步骤： 

1）坐标转换模块接收信号，将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，并将转换后的相位值发送给导频符号提取模块和信道补偿模块； 

2）导频符号提取模块接收发送来的相位值，判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

3）本地均衡样本模块存储有标准均衡样本的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

4）信道估计模块比较导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值，得到信道相位衰减及相位补偿因子，信道估计模块将相位补偿因子发送给插值处理模块； 

5）插值处理模块对相邻导频点间的相位补偿因子进行线性插值处理，插值后得到每个频率点的插值相位补偿因子，并将其发送至信道补偿模块； 

6）信道补偿模块根据每个频率点的插值相位补偿因子，对坐标转换模块 发来数据中的各频率点上的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转。 

所述的坐标转换模块将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，分离每个频率点上的幅度和相位，幅度和相位分别为： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rec}}\left(1\right)=\sqrt{x{\left(1\right)}^2+{y\left(1\right)}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rec}}\left(1\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{y\left(1\right)}{x\left(1\right)}\right)\end{array}\right.1=\mathrm{1,2},...,n;$

坐标转换模块仅将所接收的信号的相位信息θ_rec(1)输出到导频符号提取模块。 

所述的导频符号提取模块接收发送来的相位值，根据疏状导频信号在数据帧中的已知位置{k1，k2,...，kM}，通过判断OFDM符号的输入序号，提取所接收的信号中导频信号的相位值，存入RAM中，并输出信道估计模块；所输出的相位值表述为： 

θ_{pilot_rec}={θ_rec(1)},1=k1，k2,...,kM 

={θ_rec(k1),θ_rec(k2)，...,θ_rec(kM)}。 

所述的本地均衡样本模块存储的标准均衡样本的相位值为θ_{pilot_sta}; 

θ_{pilot_sta}={θ_sta(1)},1=k1,k2,…，kM 

={θ_sta(k1),θ_sta(k2),...，θ_sta(kM)}。 

所述的信道估计模块将导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值进行相减操作，得到导频信号的相位衰减值A_est(1): 

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{est}}\left(1\right)={\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{pilot}}_{\mathrm{raa}}}\left(1\right)-{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{pilot}}_{\mathrm{cta}}}\left(1\right),1=k1,k2,...,\mathrm{kM};$ 并将其取反得到导频点上的相位补偿因子Δ_com(1): 

Δ_com(1)=-Δ_est(1),1=k1,k2,...,kM。 

所述的插值处理模块对相邻导频点之间的相位补偿因子进行线性插值处理，生成每个频点上插值相位补偿因子的

所述的信道补偿模块根据插值处理模块输出的插值相位补偿因子，对坐标转换模块频率点上的相位值进行加法运算，进行接收数据的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转： 

所述的信道补偿模块校正信道引起的相位旋转后，采用M-PSK相位调制/解调方式解调。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 

本发明提供的基于导频的OFDM接收器及其信道均衡方法，针对强频率选择性衰落信道，结合系统调制/解调方式，采用坐标变换的方式将接收信号从XY坐标系转换到极坐标系，为OFDM发射/接收提供一种均衡技术，简便高效跟踪信道响应，有效校正OFDM接收时星座图的相位失真，并完成后续相位解调，在提高OFDM收发器信噪比的同时，减小了传统XY坐标系下均衡技术的计算量及复杂度。根据FPGA实验板的实验结果，本发明可实时、连续对指令响应型串行总线信道引起的相位衰减进行有效补偿，且较好完成解调。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为实际信道特性测试结果； 

图3为导频符号提取模块输出波形； 

图4-1～图4-3为4-PSK的均衡前后星座图； 

图5-1～图5-3为8-PSK的均衡前后星座图对比图； 

图6-1～图6-3为16-PSK的均衡前后星座图对比图。 

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。 

本发明是一种基于导频的针对指令响应型串行总线的相位均衡技术，由于系统延迟的技术指标要求较高，需采用疏状导频方式实现信道均衡，即在发送符号每间隔几个信道，就插入一个已知的星座点，在接收端通过插值来获得每个信道的均衡系数。 

针对相位调制/解调方式，本发明将OFDM接收链路中的接收信号从XY坐标系转换到极坐标系，并根据导频信号的相位信息跟踪信道响应，通过线性插值方法，简便高效的校正OFDM接收机中所有频点的相位失真，并完成后续相位解调，在提高OFDM收发器信噪比的同时，减小了传统XY坐标系下均衡技术的计算量及复杂度。 

参见图1，一种基于导频的OFDM接收器，包括：坐标转换模块1、导频符号提取模块2、本地均衡样本模块3、信道估计模块4、插值处理模块5和信道补偿模块6； 

坐标转换模块1，接收信号，将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，并将转换后的相位值发送给导频符号提取模块(2)和信道补偿模块(6)； 

导频符号提取模块2，接收发送来的相位值，判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，并将其发送给信道估计模块(4)； 

本地均衡样本模块3，存储有标准均衡样本的相位值，并将其发送给信道估计模块4； 

信道估计模块4，比较导频符号提取模块2发送的相位值与本地均衡样本模块3输出的相位值，得到信道相位衰减及相位补偿因子，信道估计模块4将相位补偿因子发送给插值处理模块5； 

插值处理模块5，对相邻导频点间的相位补偿因子进行线性插值处理，插值后得到每个频率点的插值相位补偿因子，并将其发送至信道补偿模块6； 

信道补偿模块6，根据每个频率点的插值相位补偿因子，对坐标转换模 块1发来数据中的各频率点上的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转。 

一种基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，包括以下步骤： 

1）坐标转换模块接收信号，将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，并将转换后的相位值发送给导频符号提取模块和信道补偿模块； 

2）导频符号提取模块接收发送来的相位值，判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

3）本地均衡样本模块存储有标准均衡样本的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

4）信道估计模块比较导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值，得到信道相位衰减及相位补偿因子，信道估计模块将相位补偿因子发送给插值处理模块； 

5）插值处理模块对相邻导频点间的相位补偿因子进行线性插值处理，插值后得到每个频率点的插值相位补偿因子，并将其发送至信道补偿模块； 

6）信道补偿模块根据每个频率点的插值相位补偿因子，对坐标转换模块发来数据中的各频率点上的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转。 

进一步的，所述的坐标转换模块将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，分离每个频率点上的幅度和相位，幅度和相位分别为：： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rec}}\left(1\right)=\sqrt{x{\left(1\right)}^2+{y\left(1\right)}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rec}}\left(1\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{y\left(1\right)}{x\left(1\right)}\right)\end{array}\right.1=\mathrm{1,2},...,n---\left(1\right)$

图2为指令响应型总线信道特性的测试结果，可以看出幅度/相位失真的频率选择性过强，对于相邻频点间的衰减特性，幅度失真呈现二次函数的规律，且高频部分有抖动，当对相邻导频点间的相位补偿因子进行拟合时，拟合曲线复杂，硬件计算量过大；而相位失真呈现较规律的线性衰减，可采用线性插值处理。考虑到技术指标要求及实际物理传输环境，采用相位调制/解调因此，坐标转换模块仅将所接收的信号的相位信息θ_rec(i)输出到导频符号 提取模块。 

具体的，所提出的基于导频的OFDM接收器采用M-PSK相位调制/解调，并且为保证后续运算的资源消耗不过于大，将输出进行了移位处理，相位右移7位，移位后相位上45°对应于1024，相位的结果换算到角度为-180到+180度之间。 

所述的导频符号提取模块接收发送来的相位值，根据疏状导频信号在数据帧中的已知位置{k1,k2,...,kM}，通过判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，存入RAM（Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器）中，并输送到所述信道估计模块；所输出的相位值表述为： 

θ_{pilot_rec}={θ_rec(1)},1=k1,k2，...,kM 

={θ_rec(k1),θ_rec(k2),...，θ_rec(kM)}  (2) 

具体的，每个数据帧中共设有10个导频点，从0频率点开始插入，导频点间隔为12个主钟周期。导频符号提取模块在modelsim中的前仿输出波形如图3所示，其中，polottrainnumcnt为导频点序号，pilottrainspacecnt为导频点的间隔，pilotvaliedout为导频点输出有效指示信号，pilot_amp为提取的导频信号幅度值，为pilot_phase提取的导频信号相位值。由于系统不需要导频点的幅度分量，因此各导频点设置为相同的幅度常量。所述的本地均衡样本模块存储的标准均衡样本的相位值为θ_{pilot_sta}; 

θ_{pilot_sta}={θ_sta(1)},1=k1,k2,...,kM 

={θ_sta(k1),θ_sta(k2),...,θ_sta(kM)} (3) 

所述的信道估计模块将导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值进行相减操作，得到导频信号的相位衰减值 

上述技术方案所述的信道估计(4)，其特征在于，通过以下方式估算由信道引起的相位畸变：将如权利要求3所述的导频符号提取(2)输出的接收导频相位值θ_{pilot_rec}与如权利要求4所述的本地均衡样本(3)输出的标准导频相位值Δ_est(1): 

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{est}}\left(1\right)={\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{pilot}}_{\mathrm{raa}}}\left(1\right)-{\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{pilot}}_{\mathrm{sta}}}\left(1\right),1=k1,k2,...,\mathrm{kM};$ 并将其取反得到导频点上的相位补偿因子Δ_com(1): 

Δ_com(1)=-Δ_est(1),1=k1,k2,...,kM。 

所述的插值处理模块对相邻导频点之间的相位补偿因子进行线性插值处理，生成每个频点上的插值相位补偿因子   

具体的，插值算法如下：假设相邻两个导频点的幅度校正因子分别为Δ_com(km),Δ_com(kn),生成所有频点上的相位补偿因子为： 

其中j为相邻导频点间的信号序号，km≤1＜kn。硬件实现时，乘法可采用累加器完成。 

所述的信道补偿模块根据插值处理模块输出的插值相位补偿因子，对坐标转换模块频率点上的相位值进行加法运算，进行接收数据的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转： 

图4-1～4-3、图5-1～5-3、图6-1～6-3分别为采用4-PSK相位调制/解调、8-PSK相位调制/解调、16-PSK相位调制/解调的均衡前后星座图，其中第一图（-1）为发送数据的星座图，第二图（-2）为经过信道的幅度相位衰减后，接收端的接收数据的星座图，可以看出信道打乱了发送数据的幅度和 相位，第三图（-3）为接收数据均衡处理后的星座图，可以看到发送数据的幅度和相位得到了较好的校正。因此，本发明提出的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法可较好的补偿信道不理想引起的相位畸变。 

Claims (9)

1.一种基于导频的OFDM接收器，其特征在于，包括：坐标转换模块(1)、导频符号提取模块(2)、本地均衡样本模块(3)、信道估计模块(4)、插值处理模块(5)和信道补偿模块(6)； 

坐标转换模块(1)，接收信号，将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，并将转换后的相位值发送给导频符号提取模块(2)和信道补偿模块(6)； 

导频符号提取模块(2)，接收发送来的相位值，判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，并将其发送给信道估计模块(4)； 

本地均衡样本模块(3)，存储有标准均衡样本的相位值，并将其发送给信道估计模块(4)； 

信道估计模块(4)，比较导频符号提取模块(2)发送的相位值与本地均衡样本模块(3)输出的相位值，得到信道相位衰减及相位补偿因子，信道估计模块(4)将相位补偿因子发送给插值处理模块(5)； 

插值处理模块(5)，对相邻导频点间的相位补偿因子进行线性插值处理，插值后得到每个频率点的插值相位补偿因子，并将其发送至信道补偿模块(6)； 

信道补偿模块(6)，根据每个频率点的插值相位补偿因子，对坐标转换模块（1）发来数据中的各频率点上的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转。 

2.一种基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）坐标转换模块接收信号，将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，并将转换后的相位值发送给导频符号提取模块和信道补偿模块； 

2）导频符号提取模块接收发送来的相位值，判断OFDM符号的输入序号，提取接收信号流中导频信号的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

3）本地均衡样本模块存储有标准均衡样本的相位值，并将其发送给信道估计模块； 

4）信道估计模块比较导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值，得到信道相位衰减及相位补偿因子，信道估计模块将相位补偿因子发送给插值处理模块； 

5）插值处理模块对相邻导频点间的相位补偿因子进行线性插值处理，插值后得到每个频率点的插值相位补偿因子，并将其发送至信道补偿模块； 

6）信道补偿模块根据每个频率点的插值相位补偿因子，对坐标转换模块发来数据中的各频率点上的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转。 

3.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的坐标转换模块将接收的信号从XY坐标系转换到极坐标系，分离每个频率点上的幅度和相位，幅度和相位分别为： 

坐标转换模块仅将所接收的信号的相位信息θ_rec(1)输出到导频符号提取模块。 

4.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的导频符号提取模块接收发送来的相位值，根据疏状导频信号在数据帧中的已知位置{k1,k2,...,kM}，通过判断OFDM符号的输入序号，提取所接收的信号中导频信号的相位值，存入RAM中，并输出信道估计模块；所输出的相位值表述为： 

θ_{pilot_rec}={θ_rec(1)},1=k1，k2,...，kM 

={θ_rec(k1),θ_rec(k2),...,θ_rec(kM)}。 

5.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的本地均衡样本模块存储的标准均衡样本的相位值为θ_{pilot_sta}; 

θ_{pilot_sta}={θ_sta(1)},1=k1,k2,...,KM 

={θ_sta(k1),θ_sta(k2),...,θ_sta(kM)}。 

6.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的信道估计模块将导频符号提取模块发送的相位值与本地均衡样本模块输出的相位值进行相减操作，得到导频信号的相位衰减值Δ_est(1): 

并将其取反得到导频点上的相位补偿因子Δ_com(1): 

Δ_com(1)=-Δ_est(1),1=k1,k2,...，kM。 

7.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的插值处理模块对相邻导频点之间的相位补偿因子进行线性插值处理，生成每个频点上插值相位补偿因子的   

8.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的信道补偿模块根据插值处理模块输出的插值相位补偿因子，对坐标转换模块频率点上的相位值进行加法运算，进行接收数据的相位值补偿，校正信道引起的相位旋转： 

9.如权利要求2所述的基于导频的OFDM接收器的信道均衡方法，其特征在于，所述的信道补偿模块校正信道引起的相位旋转后，采用M-PSK相位调制/解调方式解调。 

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