CN106850498A - 数字前端装置及信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数字移动通信技术领域，公开了一种用于LTE无线通信接收机中的基带前端处理装置，该装置包括，对接收到的射频信号在时域上测量其接收信号功率值的模块，按照OFDM符号长度逐个估计和消除直流分量的模块，以及对消除直流分量后的信号消除残留频偏的模块。经过数字前端处理后的信号发送至基带单元，同时射频单元根据接收信号功率值的测量结果调整下一次接收信号的功率放大系数。利用本发明所公开的数字前端装置可以有效地消除OFDM通信接收机射频器件所带来的信号畸变，提高接收机的整体性能，且其实现成本是较低的。

Description

数字前端装置及信号处理方法
技术领域
本发明涉及数字移动通信技术领域，具体地涉及OFDM数字移动通信系统中接收机内的数字前端装置和数字前端信号处理方法。
背景技术
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，即正交频分复用技术被广泛地用于第四代数字移动通信系统中，例如WIMAX、LTE系统。OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而大大消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的小部分，信道均衡变得相对容易。正交信号可以通过在接收端和发送端基于IFFT和FFT来实现调制和解调，因此是一种低复杂度的多载波传输方案。在OFDM系统的发送机，调制信号承载在若干（2的幂次方个数）子载波上，然后经过IFFT调制并加以循环前缀。
OFDM系统中的接收终端（无线通信接收机）通常由射频单元、基带单元（基带芯片）构成，其中射频单元完成将接收信号从载波高频搬移到基带频率，以及从模拟信号变换为数字信号的功能，基带单元是OFDM接收机的核心部分，完成数字信号检测、解调和信道译码等功能。
基带单元的性能有赖于射频器件输出信号的非畸变性，而实践中射频处理往往会带来信号畸变，这是由于射频单元通常是使用模拟器件来实现。而模拟器件的非线性性，晶振的不稳定，直流偏移，低噪声功率放大器的偶次谐波干扰、群延时造成的信号频偏、闪烁噪声等等都造成了输入基带单元的信号畸变。 总体而言，射频处理导致信号畸变的表现是：信号的非线性放大、直流偏移和频率偏移。
传统技术方案都是从提高模拟器件本身性能的角度来改善信号畸变，在工程实践中为了寻找能达到一定性能指标的方案，意味着采用更佳性能的模拟器件来实现，而这也意味着射频器件的成本是更高昂的。申请号为CN2012800607884的发明《软件数字前端信号处理》提供了另一个角度来解决问题，即容许射频处理后的信号仍然带有相当程度的信号畸变，但在射频和基带单元之间增加基带前端处理来消除信号畸变，但该发明仅仅公开了在处理器上执行一个或者多个特殊化指令以对射频输出信号进行处理，过于笼统，且不明确适用于OFDM系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用在OFDM系统接收机内的数字前端装置和对应的数字前端的信号处理方法，所述的前端装置置于射频器件和基带器件之间，以此来消除由射频器件所造成的接收信号的畸变，由于本发明的方案是由数字物理器件来实现的，其成本较低，在工程实践中就提供了更具性价比的方案。
根据本发明的一个方面，公开了一种用于OFDM系统接收机的数字前端装置，所述的数字前端装置包括信号功率测量模块、直流分量估计和消除模块、以及残留频偏消除模块。
其中，所述的信号功率测量模块对一个子帧时长内的接收信号，在时域上测量功率强度值，测量获得的接收信号功率值反馈到射频单元，用于调整射频单元的功率放大系数。
所述的直流分量估计和消除模块对一个子帧时长内的接收信号，按照逐个OFDM符号来估计直流分量，并在接收信号中减去所述直流分量；所述的直流分量是由每个OFDM符号以及循环前缀长度时间内的所有时域信号采样点取算术平均获得。
所述的残留频偏消除模块对消除直流分量后的接收信号残留的频偏进行消除，进一步地，所述的残留频偏是由上一子帧基带单元所估计获得的频偏值减去当前子帧的射频单元AFC值。
利用本发明所公开的数字前端装置可以有效地消除OFDM接收机的射频器件所带来的信号畸变，提高接收机性能。另一方面，由于数字前端装置采用的是数字化处理方式，使得本发明所公开的装置应用在工程中接收机实现时具有低成本优势。
根据本发明的另一个方面，提供了一种应用于OFDM系统接收机数字前端的信号处理方法，包括下列步骤，
步骤1， 在时域上，测量接收信号功率强度值；
步骤2， 在时域上，对接收信号逐个按照OFDM符号的长度估计和消除直流分量；
步骤3，对消除直流信号分量后的接收信号消除残留的频率偏差值；所述的残留频率偏差值由上一子帧的频偏估计值减去当前子帧的AFC值获得。
步骤4，将消除残留的频率偏差值后的接收信号发送到基带单元，同时，将测量所获得的信号功率强度值发送到射频单元，调整下一次接收的功率放大系数。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是根据本发明实施例的数字前端装置的结构框图。
图2是根据本发明实施例的数字前端信号处理的流程图。
图3是根据发明实施例的所述数字前端装置所获得的接收机整体性能对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一，如附图1所示，提供了一种应用于LTE系统(典型OFDM系统)接收机的数字前端装置，作用是消除射频单元导致的信号畸变，包括接收信号功率测量模块、直流分量估计和消除模块，以及残留频偏消除模块。
M101 接收信号功率测量模块
该模块的输入数据记为某根接收天线上一个无线子帧内第l个OFDM符号的数据向量，该无线子帧上所有的接收数据如下。
对于LTE系统，为了后向兼容3G系统，每个子帧的时长是1ms，其一个子帧内的OFDM符号是非等长的，表示一个子帧内的OFDM符号个数， 每个OFDM符号上数据部分的采样点个数是相同的，但扩展CP部分的采样点个数不同。下表示出了LTE系统一个子帧内OFDM个数和各个OFDM符号循环后缀（CP）部分的采样点数
对一个子帧内，时域上每个OFDM符号上的采样点的功率除以FFT点数，获得各个OFDM符号的接收信号平均功率值，记为接收信号功率值（RSSI）
其中，NFFT为时频域变换时的FFT点数；表示第lsymbol个OFDM符号的CP部分采样点个数。对于LTE系统，按照表格来取值。
将测量获得的RSSI值发送到射频单元，调整下一次接收的功率放大系数，保证射频单元功率放大器件的线性工作区间和基带单元运算的接收信号功率区间相适应。
M201 直流分量估计和消除模块
为了防止残留直流分量存在导致基带单元计算过程中FFT计算饱和，需要进行直流分量的估计和消除，直流分量的估计和消除对每个接收符号分别处理。
对一个OFDM符号上所有采样点的信号先求平均，并对每个采样点上的时域信号减去估计的直流分量值。
M301残留频偏消除模块
LTE系统接收机的频偏来自于晶振的不稳定性和接收机的移动所造成的多普勒效应，实际工程中，射频单元中有自动频率调整单元（AFC）来调整晶振在每一子帧上的频域工作点，每一个子帧射频单元的AFC调节值来源于上一子帧基带单元产生的频偏估计值，基带单元通常对一个子帧内间隔OFDM符号上的导频信号进行相关，取出相关结果的相位后计算出频偏值。
残留频偏消除单元首先计算出当前子帧的残留频偏值，该值是上一子帧基带单元测量所得的频率偏移值减去当前子帧射频单元AFC的调整值。然后对每个时域采样点按照其采样的时刻进行相位偏转来消除残留的频偏影响，该模块输出的第i个采样时刻的修正值为：
其中，FS是OFDM系统接收机的时域采样率，在LTE系统10MHz工作带宽下一般配置为30.72MHz。
进一步地，在工程实践中当子帧连续接收时，时域频偏校准是一个连续的过程，因此残留频偏消除可以针对一个OFDM符号来实现，上式中时域残留频偏校准的系数也可以表示为
其中，n为当前OFDM符号在一个连续的时域频偏校准过程中的标号，phase_offset为由频偏引起的相邻OFDM符号之间的相位偏差。
实施例二，如附图2所示，提供了一种应用于OFDM系统接收机的数字前端信号处理方法，包括下面若干步骤。
步骤S101， 在时域上，测量接收信号功率强度值。
将射频单元输出的时域信号在对一个子帧时长内每个OFDM符号上的采样点的功率进行累加后，除以FFT点数，获得各个OFDM符号的接收信号平均功率值，并在一个子帧内进行平均，记为接收信号功率值（RSSI）。
步骤S201， 在时域上，对接收信号逐个按照OFDM符号的长度估计和消除直流分量。
对一个OFDM符号上所有采样点的信号先求平均，并对每个采样点上的时域信号减去估计的直流分量值。
步骤S301，对消除直流信号分量后的接收信号消除残留的频率偏差值；
当前子帧的残留频率偏差值由上一子帧的频偏估计值减去当前子帧的射频AFC值获得，然后对每个时域采样点按照其采样的时刻进行相位偏转来消除残留的频偏影响。
步骤S401，将消除残留的频率偏差值后的接收信号进行后续的基带处理，保存测量所获得的信号功率强度值，用来调整下一接收子帧的射频功率放大系数。
采用本发明的前端装置和信号处理方法已经进行了多次仿真实验和评估。根据3GPP36.101协议，利用MATLAB软件编写链路级仿真程序，给出了在多径信道下提出的数字前端装置对整机性能能带来大于2dB的增益。基于该场景的仿真评估结果如图3所示。

Claims (6)

1.一种用于OFDM系统无线通信接收机的数字前端装置，其特征在于，包括接收信号功率测量模块、直流分量估计和消除模块，以及残留频偏消除模块，其中，
所述接收信号功率测量模块对一个子帧的接收信号在时域上测量其功率强度值；
所述直流分量估计和消除模块对一个子帧的接收信号，逐个按照每个OFDM符号的时长估计直流分量，并在接收信号中减去所述直流分量；
所述残留频偏消除模块对消除直流分量后的接收信号计算并消除残留的频偏值。
2.根据权利要求1所述的数字前端装置，其特征在于，
将消除残留频偏后的接收信号发送到的基带单元，同时将测量所获得的接收信号功率值发送到射频单元，所述射频单元据此调整下一子帧的功率放大系数。
3.根据权利要求1所述的数字前端装置，其特征在于，
所述接收信号功率测量模块对所述接收机每根接收天线在一个OFDM时长内所有时域信号采样点的功率值求和，除以FFT点数，并在一个子帧内所有OFDM符号间取平均，记为该接收天线的接收信号功率值。
4.根据权利要求1所述的数字前端装置，其特征在于，
所述直流分量估计和消除模块对每个OFDM符号以及循环前缀长度时间内的所有时域信号采样点取算术平均，记为直流分量；
所述直流分量估计和消除模块对每个时域信号采样点减去所述直流分量值，作为更新的时域信号采样点。
5.根据权利要求1所述的数字前端装置，其特征在于，
所述残留频偏消除模块，将上一子帧基带单元所估计的频偏值减去当前子帧射频单元的AFC值，记为当前子帧的残留频偏值，在时域上，按照各采样点的采样时刻消除由残留频偏导致的相位偏转。
6.一种用于LTE无线通信接收机的数字前端信号处理方法，其特征在于，包括下列步骤
在时域上，测量接收信号功率强度值；
在时域上，对接收信号逐个按照OFDM符号的长度估计和消除直流分量；
对消除直流信号分量后的接收信号消除残留的频率偏差值；
将所述消除残留频率偏差值后的接收信号发送到基带单元进行数据接收，同时将测量获得的所述信号功率强度值发送到射频单元，调整下一次接收的功率放大系数。
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