CN106453186B - 恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法，属于无线通信领域。本发明在接收端，对相位解调后的信号做FFT运算，得到包含有用信号及频偏信息的序列，利用有用信号中含有空闲子载波的特性，对频偏进行估计，再根据估计的频偏对信号进行补偿，将频偏补偿后的信号再经过相位解调、FFT、共轭序列解构造以及符号解映射即可得到接收比特。本发明解决了由于频偏引起的误码率提升问题，并且不需要引入额外的模块，具有较低的复杂度，有效抑制了频偏对系统性能的影响。

Description

恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补 偿方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体地说，是指一种应用于宽带无线通信的，恒包络正交频分复用系统(CE-OFDM)的基于空闲子载波的频偏估计及补偿技术。
背景技术
在宽带无线通信系统中，信息通过被调制的电磁波在空间传输到达接收机。由于复杂的通信环境使电磁波在空间传输时受到反射、漫射和散射等影响，会在接收机处产生多路不同时延和信号强度的接收信号，使通信信道具有时变的频率选择性衰落特性。为了有效消除宽带通信信道的频率选择性衰落，多载波调制技术将宽带信道分成多个子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦并具有频率选择性的，但是每个子信道是相对平坦的。正交频分复用(OFDM)是多载波调制技术的一种，其子载波间相互正交，具有很高的频谱利用率；并且可以利用离散傅里叶反变换/离散傅里叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调，并可以高效实现。但OFDM系统中发送数据的离散傅里叶逆变换(IFFT)处理，使合成信号有可能产生比较大的峰值功率，使得OFDM信号的功率峰值与均值比(PAPR)大，导致射频放大器的功率效率较低，因此需要研究低PAPR的多载波技术，如恒包络正交频分复用(CE-OFDM)技术。
CE-OFDM技术可以降低PAPR，其信号具有恒定的包络，有利于发射机采用非线性大功率功放。目前这种调制方法可通过将发送信号构建成中心共轭对称数据后进行IDFT处理，得到纯实数序列，用该序列进行相位调制得到恒包络发送信号。由于相位调制步骤的存在，CE-OFDM系统中有用信息被调制在相位上，当通信信道存在频偏时，CE-OFDM频偏与有用信息的关系是加法关系而不是OFDM中的乘法关系，频偏将降低解调时的信噪比，导致误码率的提高。因此需要研究适合于CE-OFDM系统的频偏估计及补偿技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于CE-OFDM系统的基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法。该方法利用CE-OFDM在发送端构建中心共轭对称数据时需要设置空闲子载波的特点，以及DFT的数学原理，在接收端估计频偏并补偿，解决频偏引起的误码率提升的问题。
本发明提供的恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法，在接收端进行频偏估计及补偿。
设接收信号经过A/D转换后表示为yn，n＝0,1,...,Nifft-1，其中，Nifft为发送端IFFT的长度，接收端的FFT长度与IFFT长度相等；信号yn经过相位解调后得到信号y′n，信号y′n经过FFT后得到信号Yk如下：
其中，h为CE-OFDM信号的相位调制因子，sn为发送端IFFT后的信号，S′k为sn的FFT变换，Δf为归一化频偏，Z″k为接收信号中的噪声分量Z经过相位解调和FFT后的噪声分量。
首先，进行频偏估计；
根据Yk的公式，在k＝0时，得到其中，S′0＝0，即所对应的子载波是空闲子载波，将式中第二项通过等差数列公式进行求和，得到：
Y0＝π(Nifft-1)Δf+Z″0；
进一步得到估计的频偏
然后，进行频偏补偿，经过频偏补偿后的信号表示为y″n，如下：
将频偏补偿后的信号y″n再经过相位解调、FFT、共轭序列解构造以及符号解映射得到接收比特。
本发明从现有CE-OFDM技术出发，提出一种恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法，相对于现有技术，其优点与积极效果在于：本方法首先通过在接收端对相位解调后的信号做FFT运算，得到包含有用信号及频偏信息的序列；其次利用有用信号中含有空闲子载波的特性，对频偏进行估计；最后对接收信号进行频偏补偿，再进行相位解调、FFT以及相关后续处理流程。本发明解决了由于频偏引起的误码率提升问题，并且不需要引入额外的模块，具有较低的复杂度。
附图说明
图1是本发明的基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法的实现原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明为了解决频偏估计及补偿问题，有效抑制频偏对系统性能的影响，提供了一种恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法(CarrierFrequency Offset Estimation and Compensation Scheme for Constant EnvelopeOFDM System Using Null Subcarrier)，其实现原理如图1所示，下面说明在发送端和接收端的处理流程。
说明在发送端的发送流程。如图1所示，发送的比特信号依次经过符号映射、共轭序列构造、IFFT、相位调制和D/A转换后，再将生成的模拟信号传输出去。标记符号映射的输入处为A处，共轭序列构造的输入处为B处，IFFT的输入处为C处，相位调制的输入处为D处，进行D/A转换的输入处为E处。
设信号在A处的形式为dk，且采用QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)调制方式，经符号映射，信号在B处表示形式为Sk,k＝0,1,...,N-1，即被调制为N个QPSK符号。
将该路符号按下面式(1)的方式构造共轭序列，其中是长度为Nifft-2-N的0序列，Nifft为IFFT的长度。在高频子载波上补零再IFFT后，相当于对时域序列做过采样，不影响频谱效率及符号持续时间。因此C处的信号形式如式(1)所示，S′k为补零构造后的共轭对称序列。
其中，表示Sk的共轭信号。
为了简单起见，假设过采样倍数为1，则IFFT后D处的信号可由式(2)表示，此处sn为IFFT后的时域OFDM符号。
经相位调制后E处的信号可由式(3)表示，其中公式中的A及h分别为CE-OFDM信号的幅度及相位调制因子，xn为相位调制后的时域CE-OFDM符号。
说明在接收端的接收流程。如图1所示，本发明中假设信号传播环境为高斯白噪声(AWGN)加频偏(CFO)的环境。接收到的模拟信号依次经过A/D转换、相位解调、FFT、共轭序列解构造和符号解映射，输出最终的接收比特。标记A/D转换输出处为F处，相位解调的输出处为G处，FFT的输出处为H处，共轭序列解构造的输出处为I处，符号解映射的输出处为J处。J处获得的信号即最终的接收信号。
F处为发送信号经过高斯白噪声加频偏后的信号，可由式(4)表示。
其中，yn为接收到的时域符号，Δf为归一化频偏，Z为噪声分量。
G处为经过相位解调后的信号，可由式(5)表示。
其中，y′n为相位解调后的信号，Z′为相位解调后的噪声分量。
H处为经过FFT后的信号，可由式(6)表示，其中FFT长度与IFFT长度相等。
其中，Yk为FFT后的信号，S′k为sn的FFT变换，即式(2)的反变换，Z″k为FFT后的噪声分量。
由式(6)可见FFT后每一点都将受到频偏的加性影响，从而导致信噪比的降低，因此需要在共轭序列解构造及符号解映射前对频偏进行估计和补偿。
以下给出本发明提出的基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法的分析过程。由式(6)可以得到式(7)。
由式(1)可知S′0＝0，即该子载波不承载任何有用信息，是空闲子载波。因此Y0的第一项为0，而Δf在一个符号持续时间内可认为是不变的常数，因此式(7)中第二项可通过等差数列公式进行求和，得到式(8)。
Y0＝π(Nifft-1)Δf+Z″0 (8)
由此可估计出频偏的大小，以表示估计得到的频偏，估计方式如式(9)所示。
由上面公式可见，本发明方法的频偏估计准确度会受到噪声分量的影响。以下分析在理想条件下，即无噪声情况下的频偏估计范围。忽略式(5)中噪声分量可得式(10)。
unwrap模块相位调制技术中的一个固定模块，进行相位解卷绕操作。根据unwrap模块的性质可得y′n序列各点间的大小关系，如式(11)所示。
考虑极端情况，即y′n-y′n-1＝±π的情况，y′n序列可视为等差序列，因此Y0的极限值可由式(12)求得。
将式(12)代入式(9)可得频偏估计范围为由于实际系统中噪声是不可避免的，因此实际的估计范围会小于理论范围。
经过频偏补偿后的信号可由式(13)表示。
定义代表估计频偏与实际频偏的误差。频偏补偿后的信号再经过相位解调、FFT、共轭序列解构造以及符号解映射即可得到接收比特的值。

Claims (2)

1.一种恒包络正交频分复用系统(CE-OFDM)中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法，其特征在于，在接收端进行频偏估计及补偿；设接收信号经过A/D转换后表示为yn，n＝0,1,...,Nifft-1，其中，Nifft为发送端IFFT的长度，接收端的FFT长度与IFFT长度相等；信号yn经过相位解调后得到信号y′n，信号y′n经过FFT后得到信号Yk如下：
其中，h为CE-OFDM信号的相位调制因子，sn为发送端IFFT后的信号，S′k为sn的FFT变换，Δf为归一化频偏，Z″k为接收信号中的噪声分量Z经过相位解调和FFT后的噪声分量；
首先，进行频偏估计；
根据Yk的公式，在k＝0时，得到其中，S′0＝0，即所对应的子载波是空闲子载波，将式中第二项通过等差数列公式进行求和，得到：
Y0＝π(Nifft-1)Δf+Z″0；
进一步得到估计的频偏
然后，进行频偏补偿，经过频偏补偿后的信号表示为y″n，如下：
将频偏补偿后的信号y″n再经过相位解调、FFT、共轭序列解构造以及符号解映射得到接收比特。
2.根据权利要求1所述的一种恒包络正交频分复用系统中基于空闲子载波的频偏估计及补偿方法，其特征在于，所述估计的频偏的估计范围为
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