CN104022983B

CN104022983B - 一种ofdm系统中的cpe抑制方法

Info

Publication number: CN104022983B
Application number: CN201410194309.9A
Authority: CN
Inventors: 侯兴哲; 孙洪亮; 黄建军; 宫林; 刘荣梅; 冯文江; 汤敏露; 罗清; 应腾达
Original assignee: Chongqing University; Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: Chongqing University; Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: CN104022983A

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统中的CPE抑制方法，属于通信技术领域，针对现有CPE时域补偿方案由于CP受信道环境的干扰以及CP在对抗信道多径时延的消耗而导致算法估计精度有限的缺点，现有的CPE频域补偿算法性能受OFDM导频数量限制的缺点。方案利用时域的CP和频域的导频作为有效信息分别对CPE进行估计和补偿，解决了CPE时域补偿方案的精度问题和MMSE算法中频带利用率与性能矛盾的问题，仿真结果表明，当导频数量较少时，论文提出的时频域结合的CPE抑制算法比MMSE算法有1dB的性能提升。

Description

一种OFDM系统中的CPE抑制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种OFDM系统中的CPE抑制方法。

背景技术

2013年12月，国家工信部向中国移动、中国电信和中国联通三家运营商发放TD-LTE牌照，标志着我国TD-LTE正式投入商用。在众多接入方案中，以OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)为基础的OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交频分多址)最终成为TD-LTE下行链路接入方案，由此可见，OFDM技术在移动无线标准的最新技术演进中已经占主导作用。OFDM技术的优势在于它可以有效地对抗由多径时延带来的符号间干扰，并且具有很高的频谱利用率。但OFDM技术要求子载波相互正交，从而对频偏和相位噪声敏感。因此，对OFDM技术的研究，尤其是通过创新算法来解决目前技术的瓶颈，具有非常重要的现实意义的。

OFDM系统中，现有的CPE抑制方案存在许多问题：

1、OFDM系统中，CP是用来对抗由多径时延引起的ISI问题，在无线信道中，由于无线信道的非理想因素导致大部分的CP被消耗掉。而时域基于CP的CPE抑制方案完全利用CP作为有效信息，在该种情况下，CPE估计精度有限，CPE抑制性能较差；

2、现有的频域CPE抑制方案大多是基于导频信号的，导频数量多使系统的频谱利用率降低，而导频数量少会影响CPE估计的精度。

3、利用判决反馈的迭代的CPE抑制也是一种重要的CPE抑制方案，但该方案存在错误传播的问题，并且算法复杂度高，不利于实际应用。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提升OFDM系统的频谱利用率，保证高速的数据流传输，同时保证CPE抑制的精度的CPE抑制方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种OFDM系统中的CPE抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、获取得到时域的CPE估计值；

步骤二、计算得到每个OFDM符号样点的相位噪声时域值并在时域完成相位噪声的补偿；

步骤三、经过FFT运算将OFDM信号转换到频域；

步骤四、利用信道估计算法得到信道的频率响应值；

步骤五、在频域提取导频信号，通过提取到的导频信号用LS算法进行CPE的频域估计；

步骤六、通过OFDM符号中保护频带的空子载波对噪声的方差进行估计；

步骤七、通过MMSE均衡算法完成相位噪声的频域均衡。

采用以上技术方案，导频数目较少时，本方法利用时域的有效信息对CPE进行估计并补偿，同时，在频域，提取导频信号对CPE进一步估计和补偿。该算法实现复杂度低，且能在导频较少的情况下取得性能的提升。

所述步骤一按以下步骤进行：

A1、提取第m个OFDM符号的循环前缀和后G个时域样点值；

A2、计算得到时域信号的CP(Cyclic Prefix，循环前缀)和时域信号的后G个样点之间的相位差；r_m(n)表示第m个OFDM符号的时域n个采样点，Im(*)和Re(*)分别表示取虚部运算和取实部运算。

所述步骤二按以下步骤进行：

计算得到OFDM符号N_S个采样数据每一个的相位偏移；计算在时域对OFDM符号进行补偿；表示将经过时域相噪补偿后的信号进行FFT运算转换到频域。

所述步骤五按以下步骤进行：

B1、设定信道的频率响应值为H_m(k)，提取导频信号，运用导频信号和信道的频率响应值H_m(k)通过最小二乘算法，得到CPE的频域估计值；

CPE的频域估计值：

导频子载波的集合为：N_P为分散导频的个数；

B2、提取保护频带的空子载波，计算对噪声的方差进行估计；

B3、计算得到频域的均衡系数；

B4、计算完成频域的均衡，纠正CPE对数据子载波的影响。

本发明的有益效果是：针对现有CPE时域补偿方案由于CP受信道环境的干扰以及CP在对抗信道多径时延的消耗而导致算法估计精度有限的缺点，现有的CPE频域补偿算法性能受OFDM导频数量限制的缺点。方案利用时域的CP和频域的导频作为有效信息分别对CPE进行估计和补偿，解决了CPE时域补偿方案的精度问题和MMSE算法中频带利用率与性能矛盾的问题，仿真结果表明，当导频数量较少时，论文提出的时频域结合的CPE抑制算法比MMSE算法有1dB的性能提升。

附图说明

图1为本发明的时频域结合的CPE抑制方案实现框图。

图2为本发明中OFDM系统循环前缀插入图。

图3为本发明专利相位噪声线宽β＝80Hz时，CPE抑制前星座图。

图4为本发明专利相位噪声线宽β＝80Hz时，CPE抑制后星座图。

图5为本发明专利相位噪声线宽β＝80Hz时，CPE抑制前后误码率示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

设OFDM系统的子载波数目为N，第m个OFDM符号发送的频域数据表示成矢量的形式为：S_m＝[S_m(0),…,S_m(k),…,S_m(N-1)]^T，其中S_m(k)表示为第m个符号的第k个子载波上发送的信号。在发送端经过IFFT并且添加循环前缀后，得到发送端的时域信号为s_m＝[s_m(0),…,s_m(k),…,s_m(N-1)]^T，式中，s_m(n)表示第m个OFDM符号时域第n个采样点：-N_g≤n≤N，其中，前N_g个点表示循环前缀

信号经过高斯信道，并在接收端考虑相位噪声的影响，接收到的时域信号为：其中，ξ_m(n)为均值为零，方差为的高斯白噪声，表示第m个符号，第n个离散采样点处的相位噪声。

设定接收端理想同步，去循环前缀，并完成FFT变换，得到的频域信号为：0≤k≤N-1，则在相位噪声存在情况下，接收到的频域信号为：

由此分析可以看出，相位噪声对OFDM系统带来的影响主要为公共相位误差CPE＝P_m(0)和载波间干扰CPE是相位噪声的直流分量引起的，主要表现为整个信号星座图的旋转，其对一个OFDM符号不同子载波的影响是相同的，对同一个时隙的不同OFDM符号影响是不想同的。本发明专利涉及到的时频域结合的CPE抑制方案就是要解决由相位噪声引起的CPE抑制问题。

如图1所示，一种OFDM系统中的CPE抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、获取得到时域的CPE估计值；

步骤二、通过时域内插公式计算得到每个OFDM符号样点的相位噪声时域值并在时域完成相位噪声的补偿；

步骤三、经过FFT运算将OFDM信号转换到频域；

步骤四、利用信道估计算法得到信道的频率响应值；

步骤七、通过MMSE均衡算法完成相位噪声的频域均衡。

方案在两次估计相位噪声及CPE时使用的有效信息不同，并且都是相互独立的，故方案相对于单纯的时域基于CP的CPE抑制方案，频域的ZF算法、MMSE算法及基于判决反馈的MMSE算法表现出了性能上的提升，特别是在导频数量较少时。

所述步骤一按以下步骤进行：

A1、提取第m个OFDM符号的循环前缀和后G个时域样点值；

A2、计算得到时域信号的循环前缀和时域信号的后G个样点之间的相位差；r_m(n)表示第m个OFDM符号的时域n个采样点，Im(*)和Re(*)分别表示取虚部运算和取实部运算。

所述步骤二按以下步骤进行：

计算得到OFDM符号N_S个采样数据每一个的相位偏移；计算在时域对OFDM符号进行补偿；表示将经过时域相噪补偿后的信号进行FFT运算转换到频域。通过以上步骤，相位噪声的时域估计和补偿完成，表示经过时域相噪补偿后的信号，将其进行N点的FFT运算转换到频域。

图2表示出了在OFDM系统中，插入的循环前缀结构。设定有用数据符号长度为N，保护间隔为G，则整个OFDM符号长为N_S＝N+G，也即是说，循环前缀是OFDM符号最后G个时域样点的复制。

所述步骤五按以下步骤进行：

CPE的频域估计值：

导频子载波的集合为：N_P为分散导频的个数；

B3、计算得到频域的均衡系数；

B4、计算完成频域的均衡，纠正CPE对数据子载波的影响。

本发明提出的方法在时域和频域都进行了CPE估计和补偿，并且每次补偿利用的有效信息都不同，故相较现有方法表现出了性能上的提升，特别是在导频数量较少时。导频数目较少时，本方法利用时域的有效信息对CPE进行估计并补偿，同时，在频域，提取导频信号对CPE进一步估计和补偿。该算法实现复杂度低，且能在导频较少的情况下取得性能的提升。

为了进一步详细说明本发明的实施方式，如下表所示可见OFDM系统的仿真参数：

表1 OFDM系统仿真参数

64QAM数据子载波的映射点为MapTab ＝

[3+3i；3+i；1+3i；1+i；3-3i；3-i；1-3i；1-i；-3+3i；-3+i；-1+3i；-1+i；-3-3i；-3-i；-1-3i；-1-i；5+5i；7+7i；5+7i；7+5i；5+3i；7+3i；5+i；7+i；5-i；7-i；5-3i；7-3i；5-5i；7-5i；5-7i；7-7i；1+5i；1+7i；3+5i；3+7i；-1+5i；-1+7i；-3+5i；-3+7i；-5+5i；-5+7i；-7+5i；-7+7i；-5+i；-5+3i；-7+i；-7+3i；-5-i；-5-3i；-7-i；-7-3i；-5-5i；-5-7i；-7-5i；-7-7i；-1-5i；-1-7i；-3-5i；-3-7i；1-5i；1-7i；3-5i；3-7i；]。

导频子载波的映射为：

OFDM点数为1024.Np＝64，数据子载波为954,空子载波数N_N＝6，每个时隙9个OFDM符号。经过4倍过采样后，OFDM的FFT点数N＝4096，循环前缀G＝1024，OFDM符号Ns＝5120.

当相位噪声β＝80Hz，SNR＝20dB时，时域相位值的补偿：式中n表示每个OFDM符号的时域采样点，取值0≤n≤1023，N＝4096。Im(*)和Re(*)分别表示取虚部运算和取实部运算。

求出每个时隙的9个OFDM符号的相位差为_Δθ_m＝0.0313117075712987，0.0275455483350695，-0.0151793821930954，0.0224239886499124，0.0142972225473378，0.0160797134775763，0.00477468552564422，0.0152695001650865，-0.00167429561382381。

根据上一步求得的相位差，利用内插得到一个OFDM符号的每个样点的相位，其中N＝4096，0≤n≤5119。对r_m(n)表示一个时隙第m个OFDM的时域第n个样点。1≤m≤9，0≤n≤5119，为求得的每个样点的相位值。

频域CPE的估计及补偿：

式中R_m(k)表示收到的第k个频域导频值。1≤k≤N_p＝64,S_m(k)为发送端的第k个导频值，H_m(k)信道在第k个导频点出的频率响应值。

此时系统仿真估计的CPE值为：

利用空子载波估计噪声的能量，其中，N_N＝6

计算得到频域均衡系数：利用空载波求出的噪声能量，E_x表示信号能量，在仿真中，采用64QAM调制，因此E_x＝42；H_m(k)信道在第k个数据点出的频率响应值，表示求出的频域CPE的估计值，0≤k≤953。

利用求得的均衡系数进行均衡：0≤k≤953，R_m(k)表示第k个数据子载波的值。表示利用估计的发送端的第m个符号的第k个数据子载波的值。

图3表示在相位噪声3dB线宽β＝80Hz时，采用CPE抑制方案前的星座图，图4表示采用本发明描述的时频域结合的CPE抑制方案后的星座图。从图中可以看出，CPE抑制前，星座图有明显的旋转，经过CPE抑制后，星座图的旋转得到了明显的纠正。

图5表示了本发明方案相位噪声3dB线宽β＝80Hz时，采用CPE抑制方案前后的误码率情况。从图中可以看到，经过CPE抑制后，系统的误码率有明显的降低，在几种算法中，本发明的时频域结合的CPE抑制方案由于采用时频两域不同的信息进行估计补偿表现出了最优的性能。与MMSE算法比较，在误码率为10^-4时，本发明的方案有1dB左右的性能提升，并且随着信噪比的升高，系统性能改善的幅度有增大的趋势。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种OFDM系统中的CPE抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、获取得到时域的CPE估计值；

步骤二、获取每个OFDM符号样点的相位噪声时域值并在时域完成相位噪声的补偿；

步骤三、经过FFT运算将OFDM信号转换到频域；

步骤四、利用信道估计算法得到信道的频率响应值；

步骤七、通过MMSE均衡算法完成相位噪声的频域均衡；

所述步骤一按以下步骤进行：

A1、提取第m个OFDM符号的循环前缀和后G个时域样点值；

A2、计算得到时域信号的循环前缀和时域信号的后G个样点之间的相位差；r_m(n)表示第m个OFDM符号的时域n个采样点，Im(*)和Re(*)分别表示取虚部运算和取实部运算；

所述步骤二按以下步骤进行：

计算得到OFDM符号N_S个采样数据每一个的相位偏移；计算在时域对OFDM符号进行补偿；表示将经过时域相噪补偿后的信号进行FFT运算转换到频域；

所述步骤五按以下步骤进行：

CPE的频域估计值：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mrow> <mi>arg</mi> <mi>min</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </munder> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&Element;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>P</mi> </msub> </mrow> </munder> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&Element;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>P</mi> </msub> </mrow> </munder> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>m</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>H</mi> <mi>m</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&Element;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>P</mi> </msub> </mrow> </munder> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>;</mo> </mrow>

导频子载波的集合为：N_P为分散导频的个数；

B3、计算得到频域的均衡系数；

B4、计算完成频域的均衡，纠正CPE对数据子载波的影响；

其中：

N为系统子载波数目；

S_m(k)表示第m个信号在发送端的第k个导频值；

R_m(k)表示第m个信号在接收端的第k个导频值；

P_m(0)表示公共相位误差；

表示利用空载波求出的噪声能量；E_x表示信号能量；C_MMSE(k)表示频域均衡系数；

N_N表示空子载波数量；S_N表示数据子载波数量。