CN108289071B - 一种相位跟踪方法及相位跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相位跟踪方法及相位跟踪系统，所述相位跟踪方法包括以下步骤：步骤S1，将接收复信号转换为幅度和相位表示；步骤S2，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；步骤S3，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；步骤S4，将相位补偿后的数据转换回接收复信号。本发明在接收信号变换到频域并完成均衡后，将信号转换为幅度和相位表示，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值进行相位跟踪和补偿，考虑了不同子载波之间的相位差别，估计各个子载波上的相位差异然后实现相位补偿，最后将数据还原为复信号形式；本发明对各个子载波做了相关的相位补偿，最终达到提升接收性能的目的。

Description

一种相位跟踪方法及相位跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM无线系统的信道估计方法，尤其涉及一种基于WiFi802.11a/g/n/ac标准的无线系统的相位跟踪方法，并涉及采用了该相位跟踪方法的相位跟踪系统。

背景技术

在实际应用中，基于OFDM无线系统的相位跟踪能够消除掉残偏引起的相位旋转。但是由于残偏对各个子载波的影响是不一样的，残偏对边缘子载波的影响比中心子载波的影响要大，如果相位跟踪不考虑对边缘子载波的影响，那么边缘载波的性能受到重大影响，其解调性能会变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种在完成相位跟踪后，还考虑了不同子载波之间的相位差别，进而对各个子载波做相关的相位补偿，以最终达到提升接收性能的相位跟踪方法，并提供采用了该相位跟踪方法的相位跟踪系统。

对此，本发明提供一种相位跟踪方法，包括以下步骤：

步骤S1，将接收复信号转换为幅度和相位表示；

步骤S2，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；

步骤S3，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；

步骤S4，将相位补偿后的数据转换回接收复信号。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，接收信号中的数据符号在完成信道估计和均衡后表示为X(k)，将接收信号X(k)在频域上转换为幅度和相位表示，其中，k∈[-3231]，k为子载波序号；当k∈[-26 -22]∪[-20 -8]∪[-6 -1]∪[1 6]∪[8 20]∪[22 26]时，子载波为承载数据的子载波；当k＝±21以及k＝±7时，子载波为导频子载波。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，通过公式Amp(X(k))＝[|X(-32)|,|X(-31)|,…,|X(31)|]将接收信号X(k)转换为幅度表示，通过公式Phase(X(k))＝[angle(X(-32)),angle(X(-31)),…,angle(X(31))]将接收信号X(k)转换为相位表示，其中，

angle(x)＝arctan(imag(x)/real(x))。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S201，对接收导频相位和理想导频相位之间的差值进行均值计算，得到相位跟踪角度PhaseFact；

步骤S202，将所述相位跟踪角度PhaseFact补偿到每个子载波上。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S201中，通过公式PhaseFact＝E(Phase(X(±21,±7))-Phase(Pilot(±21,±7)))计算相位跟踪角度PhaseFact，其中，E(x)为求x的均值，Phase(X(±21,±7))为接收导频相位，Phase(Pilot(±21,±7))为理想导频相位，Phase(Pilot(k))＝angle(Pilot(k)),k＝±21,±7；所述步骤S202中，通过公式PhaseEst(X(k))＝Phase(X(k))+PhaseFact将相位跟踪角度补偿到每个子载波上。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S3包括以下子步骤：

步骤S301，当k∈[-26-1]时，使用导频子载波k＝-21以及k＝-7来实现载波相位补偿；

步骤S301，当k∈[1 26]时，使用导频子载波k＝7以及k＝21来实现载波相位补偿。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S301中，包括以下子步骤：

步骤S3011，通过公式Diff(-21)＝PhaseEst(X(-21))-Phase(Pilot(-21))和Diff(-7)＝PhaseEst(X(-7))-Phase(Pilot(-7))分别计算导频子载波k＝-21和k＝-7在相位补偿后与理想相位之间的差值Diff；

步骤S3012，通过公式

构建与子载波相关的补偿方程y(k)，其中，其中α为载波缩放补偿因子，α的取值单位为0.5～1；

步骤S3013，通过公式PhaseEst^*(X(k))＝PhaseEst(X(k))+y(k)向每个子载波k∈[-26-1]上补偿子载波上的相位因子。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S302中，包括以下子步骤：

步骤S3021，通过公式Diff(7)＝PhaseEst(X(7))-Phase(Pilot(7))和Diff(21)＝PhaseEst(X(21))-Phase(Pilot(21))分别计算导频子载波k＝7和k＝21在相位补偿后与理想相位之间的差值Diff；

步骤S3022，通过公式构建与子载波相关的补偿方程y(k)，其中α为载波缩放补偿因子，α的取值单位为0.5～1；

步骤S3023，通过公式PhaseEst^*(X(k))＝PhaseEst(X(k))+y(k)向每个子载波k∈[1 26]上补偿子载波上的相位因子。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S4中，通过公式

(cos(PhaseEst^*(X(k)))+i*sin(PhaseEst^*(X(k)))将补偿相位后的数据转换回接收复信号，此时，k∈[-26 -1]∪[1 26]。

本发明还提供一种相位跟踪系统，采用了如上所述的相位跟踪方法，并包括：

数据转换模块，用于将接收复信号转换为接收导频幅度和接收导频相位；

相位跟踪模块，与所述数据转换模块相连接，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；

载波相位修正模块，与所述相位跟踪模块相连接，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；

数据还原模块，与所述载波相位修正模块相连接，将相位补偿后的数据转换回接收复信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在接收信号变换到频域并完成均衡后，将信号转换为幅度和相位表示，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值进行相位跟踪和补偿，还考虑了不同子载波之间的相位差别，估计各个子载波上的相位差异以实现相位补偿，最后将数据还原为复信号。即，在完成相位跟踪后，还继续考虑不同子载波之间的相位差别，进而针对各个子载波做了相关的相位补偿，最终达到提升接收性能的目的。

附图说明

图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；

图2是本发明一种实施例的系统结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

在IEEE802.11基于OFDM通信的WiFi标准(802.11a/g/n/ac)中，整个传输带宽划分成多个带宽相同且相互正交的子信道并行传输数据。

为了完成接收信号的解调，802.11a/g/n/ac标准在前导码中插入特定的训练序列，接收端首先对接收到的训练序列进行信道估计，然后再用估计出来的信道响应对接收信号进行均衡。

由于信道会随时间变化，因此利用前导中训练序列进行信道估计，当数据符号与训练序列之间时间跨度较长时，其信道已经进行了较大变化。因此，WiFi系统在每个数据符号内插入少量的导频，在每个符号内，对这些导频符号的相位进行跟踪，能够将纠正信道估计中残留的频偏影响。

在基于OFDM通信的WiFi系统中，一般采用基于频域导频的信道估计方法。首先使用训练序列估计信道响应，然后对接收数据进行信道均衡，再然后对接收信号中的导频做相位跟踪，对接收信号进行相应的校准。

以802.11a为例，假设经过均衡后的数据符号频域表示为X(k),k∈[-32 31]，其中k为子载波序号，k∈[-26 -22]∪[-20 -8]∪[-6 -1]∪[1 6]∪[8 20]∪[22 26]为承载数据的子载波，k＝±21,±7为导频子载波。

典型的相位跟踪方法如下：将接收信号频域X(k)转换为幅度和相位表示，Amp(X(k))＝[|X(-32)|,|X(-31)|,…,|X(31)|]，Phase(X(k))＝[angle(X(-32)),angle(X(-31)),…,angle(X(31))]，其中

求导频的理想相位Phase(Pilot(k))＝angle(Pilot(k)),k＝±21,±7，然后求相位跟踪角度PhaseFact＝E(Phase(X(±21,±7))-Phase(Pilot(±21,±7)))，其中E(x)为求x的均值。

最后将相位跟踪角度补偿到每个子载波上，并转换回复数表示PhaseEst(X(k))＝Phase(X(k))+PhaseFact，

其中k∈[-26 -1]∪[1 26]。

对此，如图1所示，本例提供一种相位跟踪方法，包括以下步骤：

步骤S1，将接收复信号转换为幅度和相位表示；

步骤S2，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；

步骤S3，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；

步骤S4，将相位补偿后的数据转换回接收复信号。

本例所述步骤S1中，接收复信号中的数据符号在完成信道估计和均衡后表示为X(k)，将接收信号X(k)在频域上转换为幅度和相位表示，其中，k∈[-32 31]，k为子载波序号；当k∈[-26 -22]∪[-20 -8]∪[-6 -1]∪[1 6]∪[8 20]∪[22 26]时，子载波为承载数据的子载波；当k＝±21以及k＝±7时，子载波为导频子载波。本例所述接收复信号指的是接收信号为复信号形式。

更为具体的，所述步骤S1通过公式Amp(X(k))＝[|X(-32)|,|X(-31)|,…,|X(31)|]将接收信号X(k)转换为幅度表示，通过公式Phase(X(k))＝[angle(X(-32)),angle(X(-31)),…,angle(X(31))]将接收信号X(k)转换为相位表示，其中，

angle(x)＝arctan(imag(x)/real(x))。通过公式Phase(Pilot(k))＝angle(Pilot(k)),k＝±21,±7求理想导频相位Phase(Pilot(k))，所述理想导频相位指的是导频子载波对应理想相位。

本例所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S201，对接收导频相位和理想导频相位之间的差值进行均值计算，得到相位跟踪角度PhaseFact；

步骤S202，将所述相位跟踪角度PhaseFact补偿到每个子载波上。

更为具体的，所述步骤S201中，通过公式PhaseFact＝E(Phase(X(±21,±7))-Phase(Pilot(±21,±7)))计算相位跟踪角度PhaseFact，其中，E(x)为求x的均值，Phase(X(±21,±7))为接收导频相位，Phase(Pilot(±21,±7))为理想导频相位；所述步骤S202中，通过公式PhaseEst(X(k))＝Phase(X(k))+PhaseFact将相位跟踪角度补偿到每个子载波上。

因此，所述接收导频幅度为将接收信号X(k)转换为幅度表示，且子载波为导频子载波k＝±21和k＝±7；所述理想导频相位Phase(Pilot(±21,±7))指的是导频子载波对应的理想相位，且子载波为导频子载波k＝±21和k＝±7。

本例所述步骤S3包括以下子步骤：

步骤S301，当k∈[-26 -1]时，使用导频子载波k＝-21以及k＝-7来实现载波相位补偿；

步骤S301，当k∈[1 26]时，使用导频子载波k＝7以及k＝21来实现载波相位补偿。

也就是说，以子载波序号0为中心，所述步骤S3分两段处理。

对于k∈[-26-1]，使用导频子载波k＝-21,k＝-7来纠正，纠正方法为：

步骤S3011，通过公式Diff(-21)＝PhaseEst(X(-21))-Phase(Pilot(-21))和Diff(-7)＝PhaseEst(X(-7))-Phase(Pilot(-7))分别计算导频子载波k＝-21和k＝-7在相位补偿后与理想相位之间的差值Diff；

步骤S3012，通过公式

构建与子载波相关的补偿方程y(k)，其中，其中α为载波缩放补偿因子，α的取值单位为0.5～1；优选的，当k∈[-21 -1]时α＝1，当k∈[-26 -22]时α＝0.5；

步骤S3013，通过公式PhaseEst^*(X(k))＝PhaseEst(X(k))+y(k)向每个子载波k∈[-26 -1]上补偿子载波上的相位因子。

对于k∈[1 26]，使用导频子载波k＝7,k＝21来纠正，纠正方法为：

步骤S3021，通过公式Diff(7)＝PhaseEst(X(7))-Phase(Pilot(7))和Diff(21)＝PhaseEst(X(21))-Phase(Pilot(21))分别计算导频子载波k＝7和k＝21在相位补偿后与理想相位之间的差值Diff；

步骤S3022，通过公式

构建与子载波相关的补偿方程y(k)，其中α为载波缩放补偿因子，α的取值单位为0.5～1；优选的，当k∈[1 21]时α＝1，当k∈[22 26]时α＝0.5。

步骤S3023，通过公式PhaseEst^*(X(k))＝PhaseEst(X(k))+y(k)向每个子载波k∈[1 26]上补偿子载波上的相位因子。

本例所述步骤S4中，通过公式

将补偿相位后的数据转换回接收复信号，此时，k∈[-26 -1]∪[126]；i为复信号的复数虚部，PhaseEst^*(X(k))为所述步骤S3013或步骤S3023计算得到的相位因子。

其余流程按正常接收机工作流程进行。

因此，本例使用相位跟踪和补偿相位后的数据，再根据导频的相位差，构造线性方程补偿与载波相关的相位；在此基础上，实现载波相位修正时，处于边缘的载波缩放补偿因子与中间的载波缩放补偿因子的值并不相同，更具备针对性，补偿效果好。

如图2所示，本例还提供一种相位跟踪系统，采用了如上所述的相位跟踪方法，并包括：

数据转换模块，用于将接收复信号转换为接收导频幅度和接收导频相位；

相位跟踪模块，与所述数据转换模块相连接，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；

载波相位修正模块，与所述相位跟踪模块相连接，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；

数据还原模块，与所述载波相位修正模块相连接，将相位补偿后的数据转换回接收复信号。

综上，本例在接收信号变换到频域并完成均衡后，将信号转换为幅度和相位表示，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值进行相位跟踪和补偿，还考虑了不同子载波之间的相位差别，估计各个子载波上的相位差异以实现相位补偿，最后将数据还原为复信号。即，在完成相位跟踪后，还继续考虑不同子载波之间的相位差别，进而针对各个子载波做了相关的相位补偿，最终达到提升接收性能的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种相位跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将接收复信号转换为幅度和相位表示；

步骤S2，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；

步骤S3，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；

步骤S4，将相位补偿后的数据转换回接收复信号；所述步骤S1中，接收信号中的数据符号在完成信道估计和均衡后表示为X(k)，将接收信号X(k)在频域上转换为幅度和相位表示，其中，k∈[-32 31]，k为子载波序号；当k∈[-26 -22]∪[-20 -8]∪[-6 -1]∪[1 6]∪[8 20]∪[22 26]时，子载波为承载数据的子载波；当k＝±21以及k＝±7时，子载波为导频子载波；所述步骤S1中，通过公式Amp(X(k))＝[|X(-32)|，|X(-31)|，…，|X(31)|]将接收信号X(k)转换为幅度表示，通过公式

Phase(X(k))＝[angle(X(-32))，angle(X(-31))，…，angle(X(31))]将接收信号X(k)转换为相位表示，其中，

angle(x)＝arctan(imag(x)/real(x))；所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S201，对接收导频相位和理想导频相位之间的差值进行均值计算，得到相位跟踪角度PhaseFact；

步骤S202，将所述相位跟踪角度PhaseFact补偿到每个子载波上；所述步骤S201中，通过公式PhaseFact＝E(Phase(X(±21，±7))-Phase(Pilot(±21，±7)))计算相位跟踪角度PhaseFact，其中，E(x)为求x的均值，Phase(X(±21，±7))为接收导频相位，Phase(Pilot(±21，±7))为理想导频相位，Phase(Pilot(k))＝angle(Pilot(k))，k＝±21，±7；所述步骤S202中，通过公式PhaseEst(X(k))＝Phase(X(k))+PhaseFact将相位跟踪角度补偿到每个子载波上；所述步骤S3包括以下子步骤：

步骤S301，当k∈[-26 -1]时，使用导频子载波k＝-21以及k＝-7来实现载波相位补偿；

步骤S302 ，当k∈[126]时，使用导频子载波k＝7以及k＝21来实现载波相位补偿；所述步骤S301中，包括以下子步骤：

步骤S3011，通过公式Diff(-21)＝PhaseEst(X(-21))-Phase(Pilot(-21))和Diff(-7)＝PhaseEst(X(-7))-Phase(Pilot(-7))分别计算导频子载波k＝-21和k＝-7在相位补偿后与理想相位之间的差值Diff；

步骤S3012，通过公式

构建与子载波相关的补偿方程y(k)，其中，其中α为载波缩放补偿因子，α的取值单位为0.5～1；

步骤S3013，通过公式PhaseEst^*(X(k))＝PhaseEst(X(k))+y(k)向每个子载波k∈[-26-1]上补偿子载波上的相位因子。

2.根据权利要求1所述的相位跟踪方法，其特征在于，所述步骤S302中，包括以下子步骤：

步骤S3021，通过公式Diff(7)＝PhaseEst(X(7))-Phase(Pilot(7))和Diff(21)＝PhaseEst(X(21))-Phase(Pilot(21))分别计算导频子载波k＝7和k＝21在相位补偿后与理想相位之间的差值Diff；

步骤S3022，通过公式

构建与子载波相关的补偿方程y(k)，其中α为载波缩放补偿因子，α的取值单位为0.5～1；

步骤S3023，通过公式PhaseEst^*(X(k))＝PhaseEst(X(k))+y(k)向每个子载波k∈[126]上补偿子载波上的相位因子。

3.根据权利要求1或2所述的相位跟踪方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过公式

将补偿相位后的数据转换回接收复信号，此时，k∈[-26 -1]∪[1 26]，i为复信号的复数虚部。

4.一种相位跟踪系统，其特征在于，采用了如权利要求1至3任意一项所述的相位跟踪方法，并包括：

数据转换模块，用于将接收复信号转换为接收导频幅度和接收导频相位；

相位跟踪模块，与所述数据转换模块相连接，使用接收导频相位和理想导频相位之间的差值来进行相位跟踪和补偿；

载波相位修正模块，与所述相位跟踪模块相连接，通过估计各个子载波上的相位差异实现载波相位补偿；

数据还原模块，与所述载波相位修正模块相连接，将相位补偿后的数据转换回接收复信号。

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