CN111884973A - 一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法 - Google Patents

一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，属于无线电传输和通信技术领域。该方法中，无线电波经过天线和射频收发组合、A/D变换、滤波后，生成数字信号；然后对数字信号进行捕获，利用下一帧起始位置以及小数频偏估计值对其并进行补偿，得到同步数字信号；随后进行跟踪处理，得到分块信号，然后利用整数频偏估计值以及跟踪同步位置估计值补偿分块信号；随后进行信道估计与均衡，得到均衡后的数字信号；随后经过解调、信道译码和解交织，得到信息帧数据。本发明能够灵活选择接收端参数，可以根据系统要求均衡调整捕获时间、频偏估计范围等指标，其信道估计不再受到其他数据带来的码间串扰的问题，提升了系统的性能。

Description

一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法
技术领域
本发明涉及无线电传输和通信技术领域，特别是指一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法。
背景技术
单载波频域均衡有效地结合了OFDM和单载波传输的优点，具有较强的抗频率选择性衰落的能力，并克服了OFDM系统中峰均比高的不足。传统的单载波频域均衡系统利用独特字作为循环前缀将传输信号和信道函数的线性卷积变为循环卷积，并利用独特字作为训练序列来估计信道传输参数，从而利用简单的频域均衡代替复杂度高的时域均衡。
然而，这种方法使得独特字在进行信道估计时仍然会受到前面数据带来的码间串扰。为此，同时针对不同传输系统的需求，研究如何灵活选择接收端参数，从而根据系统要求均衡调整捕获时间、频偏估计范围等性能指标对于工程实际具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，该方法性能可靠，可以满足多径环境下无线通信领域的需求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，包括以下步骤：
步骤1：通过天线和射频收发组合接收无线电波，生成中频模拟信号；
步骤2：对所述中频模拟信号进行A/D变换、滤波后，生成数字信号r(n)；
步骤3：对所述数字信号进行捕获，得到下一个物理层信道帧的起始位置以及小数频偏数值；
步骤4：利用小数频偏数值对所述数字信号进行小数频偏补偿，利用下一个物理层信道帧的起始位置对所述数字信号进行时偏补偿，得到同步数字信号；
步骤5：对所述同步数字信号进行跟踪处理，得到分块信号、整数频偏估计值以及跟踪同步位置估计值；
步骤6：利用整数频偏数估计值对分块信号进行块内整数频偏补偿，利用跟踪同步位置估计值对分块信号进行时偏补偿，得到同步后分块信号；
步骤7：对所述同步后分块信号进行信道估计与均衡，得到均衡后的数字信号；
步骤8：对所述均衡后的数字信号进行解调、信道译码和解交织，得到信息帧数据。
进一步的，步骤3具体包括以下步骤：
(301)对接收的数字信号进行差分运算：
通过存储器对数字信号r(n)进行延迟，延迟长度为物理层信道帧长度的N1倍，N1为正整数；将数字信号r(n)和经过存储器的具有延迟的数字信号r(n-N1×PFL)取共轭后进行相关运算，其中PFL表示物理层信道帧的长度；
(302)对差分运算进行累加：
首先对相关运算结果进行长度为UWL+UWCPL的滑动累加，得到首次累加向量part_acc，其中UWL表示物理层信道帧中的独特字的长度，UWCPL表示独特字循环前缀的长度；
完成一次长度为UWL+UWCPL的累加后，对累加向量part_acc进行再次滑动累加，当累加次数大于等于设定数值N2时，则开始输出滑动累加向量slide_acc；
(303)查找峰值：
对滑动累加向量slide_acc进行峰值查找，如果slide_acc向量的某一个数值大于设定的自适应门限，则开始查找slide_acc向量的峰值，并将峰值的序号peak_pos和峰值的数值peak_val输出；
(304)输出结果：
根据slide_acc的峰值序号peak_pos以及峰值数值peak_val，计算下一个物理层信道帧的起始位置start_pos，同时根据峰值数值计算小数频偏数值frac(fe)；fe＝Δf/(fs/PFL)表示归一化的数字频偏，fe＝frac(fe)+int(fe)，frac(fe)表示归一化的数字频偏小数部分，即小数频偏；int(fe)表示归一化的数字频偏整数部分，即整数频偏；其中fs代表采样率，Δf表示频率偏移。
进一步的，步骤5具体包括以下步骤：
(501)将输入的同步数字信号进行分块：
分块信号包含当前物理层信道帧数据以及下一个物理层信道帧的UW字段以及UW字段的前缀，其长度为PFL+(UWL+UWCPL)；
(502)对分块信号进行整数频偏估计以及跟踪同步位置估计：
首先将分块信号向量的前部和后部的UW字段提取出来，进行向量求和，得到接收的UW和向量；
随后将UW和向量分别输出到P+1个支路中去，每一个支路加载整数频偏；其中P是偶数，支路0加载数值为-P/2的归一化频偏，支路k加载数值为k-P/2的归一化频偏，支路P加载数值为P/2的归一化频偏，0≤k≤P；
然后在每一个支路上进行位置同步运算，每一个位置同步运算共有Q+1个支路，其中Q是偶数，支路0对本地UW向量加载数值为-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；支路l对本地UW向量加载数值为l-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；支路Q对本地UW向量加载数值为Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；0≤l≤Q；
最后，比较各个支路度量的幅值，选择幅值最大的度量，从而输出相应的整数频偏数估计值以及跟踪同步位置估计值。
进一步的，步骤7具体包括以下步骤：
(701)首先将同步后分块信号的前部独特字
Figure BDA0002583457360000031
和后部独特字
Figure BDA0002583457360000032
提取出来并求和，并对其进行长度为UWL的傅里叶变换，得到接收频域序列
Figure BDA0002583457360000041
前部独特字和后部独特字都不包含UW的循环前缀；
(702)用接收频域序列点除本地独特字频域序列，得到初始信道信息；
(703)对初始信道信息向量
Figure BDA0002583457360000042
进行插值，得到信道信息向量
Figure BDA0002583457360000043
其中插值方法采用FFT插值或者线性插值，随后采用迫零均衡或者MMSE均衡得到均衡器系数向量
Figure BDA0002583457360000044
(704)删除同步后分块信号的前部独特字以及独特字前缀，得到待均衡时域向量
Figure BDA0002583457360000045
并将其进行频域变换，随后用其点乘均衡器系数向量
Figure BDA0002583457360000046
然后再进行时域变换，得到均衡后的时域向量
Figure BDA0002583457360000047
删除均衡后的时域向量的独特字以及前缀，得到均衡后的数字信号。
进一步的，参数N1、N2满足(N1+N2)×PFL/fs＜Tcap。
进一步的，下一个物理层信道帧的起始位置start_pos和小数频偏数值frac(fe)的计算方式为：
start_pos＝peak_pos+PFL-(UWL+UWCPL)
frac(fe)＝angle(peak_val)/(2πN1)；
angle()为取复数辐角的函数。
进一步的，参数P满足
Figure BDA0002583457360000048
其中，Δfmax为系统最大频偏。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明通过选择延迟相关时间系数N1和累加次数N2，可以根据系统要求灵活地调整捕获时间。
2、本发明能够通过数据分块的方式充分利用前部UW字段以及后部UW字段，提升信道估计时的信噪比，提升均衡的准确度。
3、本发明利用“UW前缀+UW字段”的导频结构，使得作为信道估计的UW字段不再受到其他数据带来的码间串扰的问题，提升信道估计与均衡的质量。
附图说明
图1是本发明实施例中接收方法的整体原理示意图。
图2是图1中捕获模块的原理示意图。
图3是图1中跟踪模块的原理示意图。
图4是本发明实施例中捕获相关窗的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
参照图1，一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，包括以下步骤：
步骤1：无线电波经过天线和射频收发组合，生成中频模拟信号；
步骤2：步骤1中的中频模拟信号经过A/D变换、滤波后，生成数字信号r(n)；
步骤3：对步骤2中的数字信号进行捕获，得到下一个物理层信道帧的起始位置以及小数频偏数值；参照图2和图4，该步骤的具体方式为：
(1)对接收的数字信号进行差分运算
通过存储器对数字信号r(n)进行延迟，延迟长度为物理层信道帧长度的N1倍，N1表示正整数。将步骤2中的数字信号r(n)和经过存储器的具有延迟的数字信号r(n-N1×PFL)取共轭后进行相关运算，其中PFL表示物理层信道帧的长度；
(2)对相关运算进行累加
首先对相关运算进行长度为UWL+UWCPL的滑动累加，得到首次累加向量part_acc，其中UWL表示物理层信道帧中的独特字的长度，UWCPL表示独特字循环前缀的长度，UWL+UWCPL表示局部累加相关窗口的长度；
Figure BDA0002583457360000061
完成一次长度为UWL+UWCPL的累加，随后对累加向量part_acc进行再次滑动累加，当累加次数大于等于设定数值N2时，则开始输出滑动累加向量slide_acc；
Figure BDA0002583457360000062
(3)查找峰值
对滑动累加向量slide_acc进行峰值查找，如果slide_acc向量的某一个数值大于设定的自适应门限，则开始查找slide_acc向量的峰值，并将峰值的序号peak_pos和峰值的数值peak_val输出；自适应门限数值跟随输入数字信号的幅值变换，输入信号的幅值大则自适应门限变大，输入信号的幅值小则自适应门限变小；
(4)输出结果
根据步骤2中向量slide_acc的峰值序号peak_pos以及数值peak_val，计算下一个物理层信道帧的起始位置start_pos，同时根据峰值数值计算小数频偏数值frac(fe)。fe＝Δf/(fs/PFL)表示归一化的数字频偏，fe＝frac(fe)+int(fe)，frac(fe)表示归一化的数字频偏小数部分，简称小数频偏；int(fe)表示归一化的数字频偏整数部分，简称整数频偏；其中fs代表采样率，Δf表示频率偏移；
start_pos＝peak_pos+PFL-(UWL+UWCPL)
frac(fe)＝angle(peak_val)/(2πN1)
其中，参数N1、N2根据系统实际情况而设置，如果捕获时间(N1+N2)×PFL/fs大于系统捕获时间要求Tcap，那么减小N1或者N2，以使(N1+N2)×PFL/fs＜Tcap；
步骤4：利用小数频偏数值对步骤2中的数字信号进行小数频偏补偿，利用下一个物理层信道帧的起始位置对步骤2中的数字信号进行时偏补偿，得到同步数字信号；
步骤5：对步骤4中同步数字信号进行跟踪处理，得到分块信号、整数频偏估计值以及跟踪同步位置估计值；参照图3，该步骤的具体方式为：
(1)将输入的同步数字信号进行分块
判断是否是第一次输出数据块，如果是，则从输入的同步数字信号中提取长度为PFL+(UWL+UWCPL)的数据并将其输出，同时存储该数据段的后部的UW循环前缀以及UW字段；如果不是第一次输出数据块，则从存储的数据中输出全部存储内容，然后从输入的同步数字信号中提取长度为PFL的数据并将其输出，同时存储该数据段的后部的UW循环前缀以及UW字段；
(2)对分块信号进行整数频偏估计以及跟踪同步位置估计
首先将分块信号向量的前部和后部的UW字段提取出来，进行向量求和，称为接收的UW和向量；
随后将UW和向量分别输出到P+1个支路中去，每一个支路加载整数频偏；其中P是偶数，支路0加载-P/2的频偏，支路k加载k-P/2的频偏，支路P加载P/2的频偏；其中支路k加载k-P/2的频偏的表达式如下：
Figure BDA0002583457360000071
然后在每一个支路上进行位置同步运算，每一个位置同步运算共有Q+1个支路，其中Q是偶数，支路0对本地UW向量加载数值为-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；支路l对本地UW向量加载数值为l-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；支路Q对本地UW向量加载数值为Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；其中支路l对本地UW向量加载数值为l-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积的表达式如下：
Figure BDA0002583457360000072
最后，比较各个支路度量
Figure BDA00025834573600000815
的幅值，选择幅值最大的度量，从而输出相应的整数频偏数估计值k-P/2以及跟踪同步位置估计值l-Q/2；
其中，参数P根据系统最大频偏Δfmax的实际情况而设置，如果
Figure BDA0002583457360000081
那么增大P的取值，使得
Figure BDA0002583457360000082
步骤6：利用整数频偏数估计值对分块信号进行块内进行整数频偏补偿，利用跟踪同步位置估计值对分块信号进行时偏补偿，得到同步后分块信号；
步骤7：对同步后分块信号进行信道估计与均衡，得到均衡后的数字信号；该步骤的具体方式为：
(1)首先将步骤6中的同步后分块信号的前部独特字
Figure BDA0002583457360000083
和后部独特字
Figure BDA0002583457360000084
提取出来并求和，并对其进行长度为UWL傅里叶变换，得到接收频域序列
Figure BDA0002583457360000085
Figure BDA0002583457360000086
(2)用接收频域序列点除本地独特字频域序列，得到初始信道信息；
Figure BDA0002583457360000087
(3)对初始信道信息向量
Figure BDA0002583457360000088
进行插值，得到信道信息向量
Figure BDA0002583457360000089
其中插值方法采用FFT插值或者线性插值，随后采用迫零均衡或者MMSE均衡得到均衡器系数向量
Figure BDA00025834573600000810
(4)删除步骤6中的同步后分块信号的前部独特字以及独特字前缀，得到待均衡时域向量
Figure BDA00025834573600000811
并将其进行频域变换，随后用其点乘均衡器系数向量
Figure BDA00025834573600000812
然后再进行时域变换，得到均衡后的时域向量
Figure BDA00025834573600000813
删除均衡后的时域向量的独特字以及前缀，得到均衡后的数字信号；
Figure BDA00025834573600000814
步骤8：均衡后的数字信号经过解调、信道译码和解交织，得到信息帧数据。
采用上述接收方法的接收端可与现有技术中的发送端配合使用，但需要发送端将UW字段、数据载荷段共同组成物理层信道帧，且物理层信道帧中的UW字段作为循环前缀以及信道训练序列。同时，接收端还需要发送端给出以下信息：UW字段格式、数据载荷段长度、数据调制方式、信道编码方式、交织方式。具体的数据发送方式为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。
总之，本发明能够灵活选择接收端参数，可以根据系统要求均衡调整捕获时间、频偏估计范围等指标。此外，本发明方法的信道估计不再受到其他数据带来的码间串扰的问题，从而提升了系统的性能。

Claims (7)

1.一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：通过天线和射频收发组合接收无线电波，生成中频模拟信号；
步骤2：对所述中频模拟信号进行A/D变换、滤波后，生成数字信号r(n)；
步骤3：对所述数字信号进行捕获，得到下一个物理层信道帧的起始位置以及小数频偏数值；
步骤4：利用小数频偏数值对所述数字信号进行小数频偏补偿，利用下一个物理层信道帧的起始位置对所述数字信号进行时偏补偿，得到同步数字信号；
步骤5：对所述同步数字信号进行跟踪处理，得到分块信号、整数频偏估计值以及跟踪同步位置估计值；
步骤6：利用整数频偏数估计值对分块信号进行块内整数频偏补偿，利用跟踪同步位置估计值对分块信号进行时偏补偿，得到同步后分块信号；
步骤7：对所述同步后分块信号进行信道估计与均衡，得到均衡后的数字信号；
步骤8：对所述均衡后的数字信号进行解调、信道译码和解交织，得到信息帧数据。
2.根据权利要求1所述的一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：
(301)对接收的数字信号进行差分运算：
通过存储器对数字信号r(n)进行延迟，延迟长度为物理层信道帧长度的N1倍，N1为正整数；将数字信号r(n)和经过存储器的具有延迟的数字信号r(n-N1×PFL)取共轭后进行相关运算，其中PFL表示物理层信道帧的长度；
(302)对差分运算进行累加：
首先对相关运算结果进行长度为UWL+UWCPL的滑动累加，得到首次累加向量part_acc，其中UWL表示物理层信道帧中的独特字的长度，UWCPL表示独特字循环前缀的长度；
完成一次长度为UWL+UWCPL的累加后，对累加向量part_acc进行再次滑动累加，当累加次数大于等于设定数值N2时，则开始输出滑动累加向量slide_acc；
(303)查找峰值：
对滑动累加向量slide_acc进行峰值查找，如果slide_acc向量的某一个数值大于设定的自适应门限，则开始查找slide_acc向量的峰值，并将峰值的序号peak_pos和峰值的数值peak_val输出；
(304)输出结果：
根据slide_acc的峰值序号peak_pos以及峰值数值peak_val，计算下一个物理层信道帧的起始位置start_pos，同时根据峰值数值计算小数频偏数值frac(fe)；fe＝Δf/(fs/PFL)表示归一化的数字频偏，fe＝frac(fe)+int(fe)，frac(fe)表示归一化的数字频偏小数部分，即小数频偏；int(fe)表示归一化的数字频偏整数部分，即整数频偏；其中fs代表采样率，Δf表示频率偏移。
3.根据权利要求2所述的一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于，步骤5具体包括以下步骤：
(501)将输入的同步数字信号进行分块：
分块信号包含当前物理层信道帧数据以及下一个物理层信道帧的UW字段以及UW字段的前缀，其长度为PFL+(UWL+UWCPL)；
(502)对分块信号进行整数频偏估计以及跟踪同步位置估计：
首先将分块信号向量的前部和后部的UW字段提取出来，进行向量求和，得到接收的UW和向量；
随后将UW和向量分别输出到P+1个支路中去，每一个支路加载整数频偏；其中P是偶数，支路0加载数值为-P/2的归一化频偏，支路k加载数值为k-P/2的归一化频偏，支路P加载数值为P/2的归一化频偏，0≤k≤P；
然后在每一个支路上进行位置同步运算，每一个位置同步运算共有Q+1个支路，其中Q是偶数，支路0对本地UW向量加载数值为-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；支路l对本地UW向量加载数值为l-Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；支路Q对本地UW向量加载数值为Q/2的时间偏移，然后与输入向量求内积；0≤l≤Q；
最后，比较各个支路度量的幅值，选择幅值最大的度量，从而输出相应的整数频偏数估计值以及跟踪同步位置估计值。
4.根据权利要求3所述的一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于，步骤7具体包括以下步骤：
(701)首先将同步后分块信号的前部独特字
Figure FDA0002583457350000031
和后部独特字
Figure FDA0002583457350000032
提取出来并求和，并对其进行长度为UWL的傅里叶变换，得到接收频域序列
Figure FDA0002583457350000033
前部独特字和后部独特字都不包含UW的循环前缀；
(702)用接收频域序列点除本地独特字频域序列，得到初始信道信息；
(703)对初始信道信息向量
Figure FDA0002583457350000034
进行插值，得到信道信息向量
Figure FDA0002583457350000035
其中插值方法采用FFT插值或者线性插值，随后采用迫零均衡或者MMSE均衡得到均衡器系数向量
Figure FDA0002583457350000036
(704)删除同步后分块信号的前部独特字以及独特字前缀，得到待均衡时域向量
Figure FDA0002583457350000037
并将其进行频域变换，随后用其点乘均衡器系数向量
Figure FDA0002583457350000038
然后再进行时域变换，得到均衡后的时域向量
Figure FDA0002583457350000039
删除均衡后的时域向量的独特字以及前缀，得到均衡后的数字信号。
5.根据权利要求2所述的一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于，参数N1、N2满足(N1+N2)×PFL/fs＜Tcap。
6.根据权利要求2所述的一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于，下一个物理层信道帧的起始位置start_pos和小数频偏数值frac(fe)的计算方式为：
start_pos＝peak_pos+PFL-(UWL+UWCPL)
frac(fe)＝angle(peak_val)/(2πN1)；
angle()为取复数辐角的函数。
7.根据权利要求3所述的一种用于单载波频域均衡系统接收端的数据接收方法，其特征在于，参数P满足
Figure FDA0002583457350000041
其中，Δfmax为系统最大频偏。
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