CN103957177B - 一种ofdm信号的多级时域盲均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法涉及一种OFDM信号的多级时域盲均衡方法，包括以下步骤：首先对接收序列利用相关峰搜索方法确定接收信号的帧格式；然后利用OFDM信号的帧同步符号信息完成对接收信号的第一级时域均衡；接下来利用OFDM信号的循环前缀序列完成对接收信号的第二级时域均衡，经该级时域均衡后的信号即是输出信号，可用于信号的后续处理。该方法在确定均衡器系数的过程中充分利用了OFDM信号帧格式中固有的重复性，在没有接收信号的先验信息的条件下，实现了信号的盲均衡，均衡效果良好；并且该方法对于有很多子载波的OFDM信号，具有计算简单、处理迅速的特点。

Description

一种OFDM信号的多级时域盲均衡方法

技术领域

本发明涉及一种盲均衡方法，特别涉及一种OFDM信号的多级时域盲均衡方法，属于通信信号处理相关技术领域。

背景技术

正交频分复用(OFDM:orthogonal frequency-division multiple)作为一种有效实现频谱资源控制的传输技术，具有良好的对抗窄带干扰、码间干扰(ISI)的性能。为了实现高的频谱利用率，OFDM+MQAM通信体制已成为下一代宽带移动通信系统的主流。在时变的信道衰落环境下，OFDM+MQAM系统不仅能够自适应地调整子载波的个数，而且还可以根据衰落情况动态调整每个子信道上所采用的发射功率、调制方式、编码方式等，并可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，然而OFDM+MQAM信号的自适应特性也对OFDM信号的均衡提出了更高的要求。在一些特殊场合下，如非协作接收时，传统的盲均衡算法(如CMA类)难以得到很好的均衡效果；而且，传统的盲均衡算法在针对有很多子载波的OFDM信号时，存在计算复杂、处理延迟大的问题，所以亟需研究更为有效的OFDM信号盲均衡算法。

发明内容

本发明的目的是针对无线多径衰落信道环境下信号的失真导致接收得到的信号星座图产生扭曲和变形，影响信号后续处理的问题，根据OFDM信号帧格式特点，提出了一种OFDM信号多级时域盲均衡方法。

本发明的原理如下：

信号经过无线信道的传输，信号的幅度和相位会产生一定的失真，对于OFDM+MQAM信号，其具体体现为接收端得到的信号星座图产生扭曲和变形，从而影响信号的后续处理。通常情况下，通信系统通过训练码元进行信道估计，进而消除信道的影响。如果接收端缺少训练码元的信息，则一般的均衡方式将无法进行，需要进行盲均衡。对于OFDM信号，其典型的帧结构(如图1所示)中不仅包含帧同步符号(SYN)，而且包含伴随着每一个OFDM符号的循环前缀(CP)，从数据流上看，帧同步符号和循环前缀均存在周期重复特性。利用这两种重复性作为先验信息，即可以进行信道估计并对OFDM信号进行盲均衡，以消除信道带来的影响。

本发明的具体方案如下：

设接收端获得的信号复序列为：

x(n)＝I(n)+j×Q(n),n＝1,2,…,N

其中，I(n)和Q(n)是正交的信号序列，I(n)对应复序列中的实部，Q(n)对应复序列中的虚部。n为采样点序号，N为总的采样点数。

本发明中所述的帧同步符号SYN是一个OFDM符号，事实上帧同步符号长度为多少个OFDM符号对该方法没有影响，这里为了便于描述采用这种设置方式。

一种OFDM信号的多级时域盲均衡方法，包括以下步骤：

(1)对接收序列利用相关峰搜索方法确定接收信号的帧格式；

(2)在步骤(1)中确定了OFDM信号的帧格式后，利用OFDM信号的帧同步符号信息完成对接收信号的第一级时域均衡；

(3)对经过步骤(2)均衡后的信号，利用OFDM信号的循环前缀序列完成对接收信号的第二级时域均衡，经该级时域均衡后的信号即是输出信号，可用于信号的后续处理。

所述的步骤(1)包括：

在接收端对接收信号利用相关峰搜索方法根据重复信号能量差最小的准则，统计获得信号的帧长L_frm，OFDM符号的长度L_S，每个符号内循环前缀长度L_CP，并确定FFT的长度L_fft＝L_S-L_CP；

所述的步骤(2)包括：

A、初始化第一级时域均衡器系数；

B、计算迭代误差，此误差由相邻两个帧同步符号经过矩阵重组之后，与均衡器权值向量进行相乘运算得到的结果的差值来表示；

C、根据迭代误差和均衡器的当前权值向量按照相应的关系计算新的均衡器权值向量，作为下一次均衡过程所用的权值向量；

D、重复执行上述步骤B和C共计L_S-L₁+1次，得到第一级时域均衡器权值；

E、根据均衡器权值及均衡器的输入信号确定此级均衡器的输出信号；

所述的步骤A包括：

初始化该级时域均衡器系数：第一阶系数为1，其余系数为0，即w₁＝[w₁(1),w₁(2),w₁(3),…,w₁(L₁)]^T＝[1,0,0,…,0]^T。

所述的步骤B包括：

记接收信号的第n帧信号数据的帧同步符号u_n，第n+1帧信号数据的帧同步符号为u_n+1，其间距为L_frm。

迭代误差

其中，v_n(j)＝[u_n(j+L₁-1),u_n(j+L₁-2),…,u_n(j)]^T，u_n(j)表示第n帧信号数据的帧同步符号的第j个采样数据，v_n+1(j)＝[u_n+1(j+L₁-1),u_n+1(j+L₁-2),…,u_n+1(j)]^T，u_n+1(j)表示第n+1帧信号数据的帧同步符号的第j个采样数据，j＝1,2,…,L_S-L₁+1。e₁i为当前的误差信号。

所述的步骤C包括：

下一次均衡所用的均衡器权值向量

其中w₁为当前均衡器权值向量，e₁i为步骤C中的迭代误差，*表示共轭操作，μ₁为均衡器调整步长。

通过所述的步骤D得到第一级均衡器权值向量w₁。

所述的步骤E包括：

将均衡器权值向量与对应的时域信号相乘，得到经过第一级时域均衡的信号，即

第一级时域均衡器输出信号

其中，w₁为经过步骤D得到的第一级时域均衡器权值向量，上标H表示共轭转置，a_n为当前处理的帧同步信号所在的OFDM帧信号序列经过矩阵重组的序列矩阵，矩阵中每一列元素组成如下a_n(i)＝[x(i),x(i-1),x(i-2),…,x(i-L₁+1)]^T，x(i)为接收信号的第i个采样点。当对下一帧信号进行均衡处理时，从步骤A重新开始均衡过程。

所述的步骤(3)包括：

F、初始化第二级时域均衡器系数；

G、计算迭代误差，此误差由一个OFDM符号内循环前缀和用来复制得到循环前缀的序列经过矩阵重组之后，与均衡器权值向量进行相乘运算得到的结果的差值来表示；

H、根据迭代误差和均衡器的当前权值向量按照相应的关系计算新的均衡器权值向量，作为下一次均衡过程所用的权值向量；

I、重复执行上述步骤G和H共计L_CP-L₂+1次，得到第二级时域均衡器权值；

J、根据均衡器权值及均衡器的输入信号确定此级均衡器的输出信号，完成对接收信号的时域均衡。

所述的步骤F包括：

初始化该级时域均衡器系数：第一阶系数为1，其余系数为0，即w₂＝[w₂(1),w₂(2),w₂(3),…,w₂(L₂)]^T＝[1,0,0,…,0]^T。

所述的步骤G包括：

记进入第二级时域均衡器的第n个OFDM符号为y_n。

迭代误差

其中，r_n(j)＝[y_n(j+L₂-1),y_n(j+L₂-2),…,y_n(j)]^T，y_n(j)表示第n个OFDM符号的循环前缀的第j个采样数据，j＝1,2,…,L_CP-L₂+1。e₂i为当前的误差信号。

所述的步骤H包括：

下一次均衡所用的均衡器权值向量为 其中w₂为当前均衡器权值向量，e₂i为步骤C中的迭代误差，μ₂为均衡器调整步长。

通过所述的步骤I得到第二级时域均衡器权值向量w₂。

所述的步骤J包括：

将均衡器权值向量与对应的输入时域信号相乘，得到经过第二级时域均衡的信号，即

第二级时域均衡器输出信号

其中，w₂为第二级时域均衡器权值向量，c_n为当前处理的OFDM符号经过矩阵重组的序列矩阵，矩阵中每一列元素组成如下c_n(i)＝[b(i),b(i-1),b(i-2),…,b(i-L₂+1)]^T，b(i)为从第一级时域均衡器输出到第二级时域均衡器信号的第i个采样点。当对下一个OFDM符号进行均衡处理时，从步骤F重新开始均衡过程。

有益效果

在本方法中，确定均衡器系数的过程中充分利用了OFDM信号帧格式中固有的重复性，在没有接收信号的先验信息的条件下，实现了信号的盲均衡。图4为OFDM信号在经过多径信道后采用本发明的均衡算法得到的调制星座图。这里以误差平方和J_e作为星座点收敛程度的测量参数，并用它作为衡量均衡效果的测度值，J_e越小意味着均衡效果越好。通过仿真，可以看到经过本发明方法均衡后信号的误差平方和较之于原始接收信号的误差平方和降低了两个数量级，由此可见此均衡方法起到了良好的均衡效果。另外，对于有很多子载波的OFDM信号，本方法具有计算简单、处理迅速的特点。

附图说明

图1为典型的OFDM信号的传输帧结构示意图。

图2为本发明方法的处理流程图。

图3为均衡器结构图。

图4为OFDM信号调制星座图在经过本实施例均衡后产生的效果。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

实施例

假设某OFDM符号的长度L_S＝80，其中循环前缀长度L_CP＝16，帧同步符号长度为1个OFDM符号，每一帧中除去帧同步符号包括20个OFDM符号，故一帧的总长度为L_frm＝1680。无线信道为多径衰落信道。

本发明方法所涉及的OFDM信号多级时域盲均衡方法的处理流程图如图2所示，

步骤1，确定OFDM信号帧格式；

(a)采用相关峰搜索算法搜索OFDM信号的帧长L_frm

设接收信号复序列总长度为N＝100000，选择一个步长τ₁＝1500和一个预计的最大帧长M₁＝2000，如式(1)计算相关函数为：

其中，R(·)表示相关函数，τ₁为确定的步长，j表示前进步长的次数，k+jτ₁表示进行相关函数运算的点，M₁表示假设的最大帧长，x(n+jτ₁)表示采样点n+jτ₁处的信号复序列。

依据最大相关(MC)准则，对于任一个j，都可由式(2)得到一个帧同步符号起始位置：

k_j＝argmax_k|R(k)| (2)

其中,argmax_k|R(k)|表示相关函数取绝对值|R(k)|后达到最大值时对应的参数k的值，k_j表示每前进一个步长进行相关函数的运算得到的帧同步符号起始位置。

令j取0、1、2、…10，可以得到k_j，j＝0,1,...,10。依据式(3)统计每相邻两个帧同步符号起始位置的间距

其中k_i表示得到的第i个帧同步符号的位置，k_i+1表示得到的第i+1个帧同步符号的位置，i＝0,1,2,…,9。依据大数定理，可以得到L_frm＝1680，即OFDM信号的帧长为1680。

(b)搜索OFDM符号长度L_S和符号内循环前缀的长度L_CP

在已知帧长的基础上，以帧数据为操作对象，选择一个步长τ₂＝60和一个预计的最大符号长度M₂＝100，进行与(a)同样的相关搜索操作，可以确定每个OFDM符号长度为L_S＝80。继续以OFDM符号数据为操作对象，可以得到每个OFDM符号中循环前缀的长度为L_CP＝80-64＝16。

步骤2，实现基于帧同步符号的第一级时域均衡；

根据信道模型的衰落特性与数据流速率之间的关系，取均衡器w₁长度L₁＝5，均衡器调整步长μ₁＝0.2，初始化其系数w₁(1)＝1，其余系数为0。

按照迭代误差e₁i的计算公式计算帧同步符号之间的误差，由更新均衡器权值向量w₁′公式得到下一次均衡所用的均衡器权值向量。进入该级均衡器的信号经过重组之后，与均衡器权值向量进行相乘运算，得到第一级时域均衡之后的输出数据继续进入下述的第二级时域均衡器。

步骤3，实现基于循环前缀的第二级时域均衡；

根据信道模型的衰落特性与数据流速率之间的关系，取均衡器w₂长度L₂＝10，均衡器调整步长μ₂＝0.05。初始化其系数w₂(1)＝1，其余系数为0。

按照迭代误差e₂(i)的计算公式计算OFDM符号循环前缀与重复数据之间的误差，由更新均衡器权值向量w₂′公式得到下一次均衡所用的均衡器权值向量。进入该级均衡器的信号经过重组之后，与均衡器权值向量进行相乘运算，第二级时域均衡器的输出数据即为本实施例最后的均衡后输出数据。

至此，OFDM信号多级时域盲均衡过程结束。

图4所示是本实施例均衡输出的仿真结果图，图中接收端信噪比为25dB。由图中可看出，接收OFDM信号经过均衡后比未经过均衡的接收星座图更收敛。从衡量标准误差平方和的角度考虑，原始接收信号的误差平方和为J_e＝14.5004，经过本实施例均衡后信号的误差平方和为J_e＝0.2555，可见，本发明方法对OFDM信号起到了良好的均衡作用。

J_e由式(4)计算获得：

其中，x表示星座图中各样本值；C表示接收信号星座图中心点个数(如16QAM对应C＝16)；Γ_k表示第k类星座区域；m_k是落在星座图中第k类星座区域Γ_k的样本均值，即

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本发明不局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效替换或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种OFDM信号的多级时域盲均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对接收序列利用相关峰搜索方法确定接收信号的帧格式，过程如下：在接收端对接收信号利用相关峰搜索方法根据重复信号能量差最小的准则，统计获得信号的帧长L_frm，OFDM符号的长度L_S，每个符号内循环前缀长度L_CP，并确定FFT的长度L_fft＝L_S-L_CP；

步骤2：在步骤1中确定了OFDM信号的帧格式后，利用OFDM信号的帧同步符号信息完成对接收信号的第一级时域均衡，均衡过程包括以下步骤：

(1)第一级时域均衡器采用的级数为L₁，初始化该级时域均衡器系数：第一阶系数为1，其余系数为0，即w₁＝[w₁(1),w₁(2),w₁(3),…,w₁(L₁)]^T＝[1,0,0,…,0]^T；

(2)计算迭代误差，此误差由相邻两个帧同步符号经过矩阵重组之后，与均衡器权值向量进行相乘运算得到的结果的差值来表示，形式化描述如下：

$e_1\left(i\right)=w_1^H{v}_n\left(j\right)-w_1^H{v}_{n+1}\left(j\right);$

其中，e₁(i)为当前的误差信号，v_n(j)＝[u_n(j+L₁-1),u_n(j+L₁-2),…,u_n(j)]^T，u_n(j)表示第n帧信号数据的帧同步符号的第j个采样数据，u_n为接收信号的第n帧信号数据的帧同步符号，v_n+1(j)＝[u_n+1(j+L₁-1),u_n+1(j+L₁-2),…,u_n+1(j)]^T，u_n+1(j)表示第n+1帧信号数据的帧同步符号的第j个采样数据，u_n+1为第n+1帧信号数据的帧同步符号，j＝1,2,…,L_S-L₁+1；

(3)根据迭代误差和均衡器的当前权值向量按照相应的关系计算新的均衡器权值向量，作为下一次均衡过程所用的权值向量，新的均衡器权值向量w′₁的计算公式如下：

$w_1^{\′}=w_1-2{\mathrm{\μ}}_1{e}_1^{*}\left(i\right)\left(v_n\right(j)-v_{n+1}(j\left)\right);$

其中w₁为当前均衡器权值向量，e₁(i)为步骤(2)中的迭代误差，*表示共轭操作，μ₁为均衡器调整步长；

(4)重复执行上述步骤(2)和(3)共计L_S-L₁+1次，得到第一级时域均衡器权值向量w₁；

(5)根据均衡器权值及均衡器的输入信号确定此级均衡器的输出信号，输出信号的计算过程以及后续的处理如下：

将均衡器权值向量与对应的时域信号相乘，得到经过第一级时域均衡的信号，即第一级时域均衡器输出信号b_n，b_n的计算公式如下：

$b_n=w_1^H{a}_n;$

其中，w₁为经过步骤(4)得到的第一级时域均衡器权值向量，上标H表示共轭转置，a_n为当前处理的帧同步信号所在的OFDM帧信号序列经过矩阵重组的序列矩阵，矩阵中每一列元素组成如下a_n(i)＝[x(i),x(i-1),x(i-2),…,x(i-L₁+1)]^T，x(i)为接收信号的第i个采样点；

当对下一帧信号进行均衡处理时，若检测到后续还有其他帧数据，则均衡过程从步骤(1)重新开始；若是最后一帧数据，则均衡器权值向量不进行更新，使用上一帧数据得到的均衡器权值向量完成对最后一帧数据的均衡；

步骤3：对经过步骤2均衡后的信号，利用OFDM信号的循环前缀序列完成对接收信号的第二级时域均衡，经该级时域均衡后的信号即是输出信号，可用于信号的后续处理，均衡过程包括以下步骤：

(1)第二级时域均衡器采用的级数为L₂，初始化该级时域均衡器系数：第一阶系数为1，其余系数为0，即w₂＝[w₂(1),w₂(2),w₂(3),…,w₂(L₂)]^T＝[1,0,0,…,0]^T；

(2)计算迭代误差，此误差由一个OFDM符号内循环前缀和用来复制得到循环前缀的序列经过矩阵重组之后，与均衡器权值向量进行相乘运算得到的结果的差值来表示，形式化描述如下：

$e_2\left(i\right)=w_2^H{r}_n\left(j\right)-w_2^H{r}_n(j+L_{fft});$

其中，e₂(i)为当前的误差信号，r_n(j)＝[y_n(j+L₂-1),y_n(j+L₂-2),…,y_n(j)]^T，y_n(j)表示第n个OFDM符号的循环前缀的第j个采样数据，j＝1,2,…,L_CP-L₂+1；

(3)根据迭代误差和均衡器的当前权值向量按照相应的关系计算新的均衡器权值向量，作为下一次均衡过程所用的权值向量，新的均衡器权值向量w′₂的计算公式如下：

$w_2^{\′}=w_2-2{\mathrm{\μ}}_2{e}_2^{*}\left(i\right)\left(r_n\right(j)-r_n(j+L_{fft}\left)\right);$

其中w₂为当前均衡器权值向量，e₂(i)为步骤(2)中的迭代误差，μ₂为均衡器调整步长；

(4)重复执行上述步骤(2)和(3)共计L_CP-L₂+1次，得到第二级时域均衡器权值向量w₂；

(5)根据均衡器权值及均衡器的输入信号确定此级均衡器的输出信号，完成对接收信号的时域均衡；输出信号的计算过程如下：

将均衡器权值向量与对应的输入时域信号相乘，得到经过第二级时域均衡的信号，即第二级时域均衡器输出信号d_n，d_n的计算公式如下：

$d_n=w_2^H{c}_n;$

其中，w₂为第二级时域均衡器权值向量，c_n为当前处理的OFDM符号经过矩阵重组的序列矩阵，矩阵中每一列元素组成如下c_n(i)＝[b(i),b(i-1),b(i-2),…,b(i-L₂+1)]^T，b(i)为从第一级时域均衡器输出到第二级时域均衡器信号的第i个采样点；

当对下一个OFDM符号进行均衡处理时，从步骤(1)重新开始均衡过程。