CN112583749A - 一种适用于测试仪的信道估计改进方法和系统 - Google Patents
一种适用于测试仪的信道估计改进方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种信道估计方法,尤其涉及一种适用于测试仪的信道估计改进方法,并进一步涉及采用了该适用于测试仪的信道估计改进方法的信道估计改进系统。
背景技术
IEEE802.11基于OFDM通信的WiFi标准有802.11a/g/n/ac/ax,无线信道传输环境、用户移动的随机性和多径效应等会对传输的信号造成干扰,导致信号在接收端失真而,不能正确的解调,从而降低了整个通信系统性能。为了使发送数据在接收机中可以被正确地解调出来,基于OFDM通信的WiFi标准在前导部分插入训练序列,用于接收端完成同步和信道估计,在数据字段部分子载波上插入导频序列,用于相位跟踪,如图2所示是802.11n的时频域信号分布。
信道估计就是通过接收数据训练序列和本地训练序列的变换情况,得到信道的时域冲击响应或频域的耦合响应,用于均衡接据字段的幅度和相位。同时,信道估计使接收机的相干解调成为可能,与差分解调相比,相干解调可以提高系统的整体性能。由于信道不是恒定不变的,符号内插入的导频,可以用于相位跟踪,纠正残留频偏和采样偏对信号的影响。因此,信道估计的精确度将严重影响整个接收机的性能。
在802.11a/g/n/ac/ax的OFDM系统中,信道估计都是采用基于训练序列在频域做信道估计。信道对时域信号的影响是多抽头的卷积运算,由傅里叶变换的特性,转换到频域上的影响就可以表示成发射信号和信道频域响应之间的乘积,在接收端只需要对各个子载波作单抽头均衡就可以消除信道的衰落。
信号在接收端经过傅里叶变换之后,接收到的OFDM符号Y可以表示为:Y=HX+N;其中,X为发送的OFDM符号,Y为接收的OFDM符号,N为高斯白噪声。并且有Y=[Y0,Y1,…,YM-1,]T,H=[H0,H1,…,HM-1,]T,X=diag[X0,X1,…,XM-1,]T,上标T表示转置,M表示当前信号的子载波总数。用Xref和Yref分别表示X和Y的训练序列符号,那么Yref=HXref+N;最小化‖Yref-HXref‖2得到LS信道估计为HLS=argmim‖Yref-HXref‖2=Xref H(XrefXref H)-1*Yref,上标H表示复信号共轭转置。
由于Xref是满秩的,因此Xref H(XrefXref H)-1*Yref=Xref -1*Yref,即HLS=Xref -1*Yref;用Xdate和Ydate分别表示X和Y的数据符号,那么也有,Ydate=HXdate+N。
一般认为信道估计在一帧内是准静态的,即认为符号的信道估计近似为HLS。在不考虑噪声和干扰,忽略掉信道在时间上变化的前提下,应用到符号接收形式,则有再忽略掉噪声对均衡的影响,可将数据当做发送的数据Xdate的估计,数据内的导频可以进一步辅助完成相位跟踪和幅度跟踪,采样偏估计与补偿,最终恢复出传输的信息流。图3是测试仪常规分析方案和系统。
基于训练序列的信道估计算法除了LS算法外,常用的还有MMSE算法、基于奇异值分解的算法和维纳滤波算法等。LS算法计算量最小,非常适合在实际系统中应用,但是它受噪声的影响比较大。MMSE算法以及基于此准则下的Wiener滤波算法、线性最小均方误差(LMMSE)算法、最小均方误差(LMS)算法和自回归最小二乘(RLS)算法可以较好地抑制噪声带来的影响,但是这种方法都需要利用信道的二阶统计特性,并且计算量较大。
在实际应用中,无线信道传输环境、用户移动的随机性和多径效应等因素使得信道在不同时间上出现变化,信号持续时间越长,距离训练序列越远的符号解调性能越差,基于导频的相位跟踪和幅度跟踪功能,也会随着时间变化而出现相位偏差越来越大,因此要随着符号数增加及时更新信道估计值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对抗信道的时变性的信道估计改进方法,用于测试仪提升DUT(待测物)的接收性能,并进一步涉及测试仪采用了此信道估计改进方法的信道估计改进系统。
对此,本发明提供一种适用于测试仪的信道估计改进方法,包括以下步骤:
步骤S1,基于训练序列进行LS信道估计,得到信道估计HLS;
步骤S2,基于信道估计HLS对接收信号逐个数据符号进行均衡;
步骤S3,对比均衡后数据符号导频子载波的幅度相位与理想幅度相位,完成相位跟踪补偿;
步骤S4,解调相位跟踪补偿后的数据符号,按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置以实现解调;
步骤S5,根据信道估计值、相位跟踪补偿后的数据符号及其标准参考位置更新信道估计值;
步骤S6,依次迭代解析各个符号,直到完成所有符号的分析;
步骤S7,实现信号的分析和输出。
本发明的进一步改进在于,所述步骤S5中,包括以下子步骤:
步骤S501,对第一个符号Y1和第二个符号Y2,采用步骤S3和步骤S4的结果来计算基于符号的信道估计;
步骤S503,根据所述信道估计以及欧氏距离和更新信道估计值。
本发明的进一步改进在于,所述步骤S501中,第一个符号Y1和第二个符号Y2分别采用步骤S3得到对应的跟踪补偿值Z1和跟踪补偿值Z2,分别采用步骤S4得到对应的标准参考位置和标准参考位置通过公式计算第一个符号的信道估计值H1,通过公式计算第二个符号的信道估计值H2,其中上标*表示复共轭转置。
本发明的进一步改进在于,所述步骤S502中,通过公式 计算跟踪补偿值Zk和标准参考位置的欧氏距离和Dk,其中,k为符号的序号,该处k=1或2,M表示当前信号子载波总数,i∈[0M-1],Zk=[Zk,0,Zk,1,…,Zk,M-1]T,Zk,i表示跟踪补偿值Zk中的第i个子载波的值,表示跟踪补偿值Zk的标准参考位置的第i个子载波的值。
本发明的进一步改进在于,所述步骤S6包括以下子步骤:
步骤S601,对于第一个符号Y1和第二个符号Y2,通过更新后的信道估计值Hinit替换步骤S2中的信道估计HLS,并返回重新完成步骤S2的数据均衡、步骤S3的跟踪补偿和步骤S4的解调;
步骤S602,对于k>2的第k个符号,通过前一个符号更新后的信道估计值Hinit替换步骤S2中的信道估计HLS,比如当k=3时,Hk-1=Hinit,并返回重新完成步骤S2的数据均衡、步骤S3的跟踪补偿和步骤S4的解调,依次迭代解析各个符号,得到第k个符号的跟踪补偿值Zk和标准参考位置跟踪补偿值Zk为第k个符号实现跟踪补偿后的值,标准参考位置为第k个符号对应的标准参考位置。
步骤S603,对第k个符号进行信道估计,然后按滤波方式更新信道估计值;
步骤S604,重复步骤S602和步骤S603,直至完成所有符号的迭代和解析。
本发明的进一步改进在于,所述步骤S603中,通过公式 对第k个符号进行信道估计,Hk,init为第k个符号的信道估计值,上标T表示转置;通过滤波公式更新信道估计值,其中,Hk为滤波后的更新信道估计值,β是滤波系数,β的取值范围为(0,1)。
本发明的进一步改进在于,所述步骤S3中,使用均衡后信号内的导频子载波的接收幅度相位与理想幅度相位进行对比,根据差异拟合出数据子载波需要补偿的幅度相位值,完成幅度和相位跟踪补偿,完成跟踪补偿后记为Zk=[Zk,0,Zk,1,…,Zk,M-1]T,M表示当前信号子载波总数,Zk,i,i∈[0M-1]表示跟踪补偿值Zk中的第i个元素,上标T表示转置。
本发明还提供一种适用于测试仪的信道估计改进系统,采用了如上所述的适用于测试仪的信道估计改进方法,并包括:
信道估计模块,基于训练序列进行LS信道估计,得到信道估计HLS;
数据均衡模块,基于信道估计对接收信号逐个数据符号进行均衡;该数据均衡模块主要利用信道估计时变缓慢的特性,认为数据符号和训练序列符号之间的信道估计相同,使用信道估计值或者修正后的信道估计值,对数据符号进行均衡;
跟踪补偿模块,使用均衡后信号导频子载波的接收幅度相位与理想幅度相位进行对比,完成跟踪补偿以补偿相位偏移;
解调模块,通过信号的调制模式得到对应的星座图,选出与跟踪补偿后的信号距离最小的点作为标准参考位置;该解调模块也称解映射模块,是根据星座图解析理想星座点;
更新信道估计模块,根据信道估计值、跟踪补偿后的信号以及标准参考位置更新信道估计;该更新信道估计模块是用解映射后的结果结合原信道估计情况更新信道估计值,用于所述迭代解析模块中后续符号返回实现数据均衡、跟踪补偿和解调/解映射;
迭代解析模块,依次迭代解析各个符号,直到完成所有符号的迭代和解析;
信号输出模块,实现信号的分析和输出。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:在处理接收信号时,完成符号解映射后,依据解映射结果,对信道估计进行滤波更新,每个符号都相应更新信道估计值,再用于下一个符号的信道估计,而信道估计更新考虑到了之前信道状况以及当前信道状况,对后续符号的信道估计能够实现更适合的预测,从而能够对抗信道时变性,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802.11n的时频域信号分布示意图;
图3是测试仪的常规分析工作流程示例图;
图4是测试仪的常规分析的星座图和EVM指标效果示意图;
图5是本发明的星座图和EVM指标效果示意图;
图6是16QAM对应的星座图;
图7是本发明一种实施例的系统结构示意图。
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。
如图1所示,本例提供一种适用于测试仪的信道估计改进方法,包括以下步骤:
步骤S1,基于训练序列进行LS信道估计,得到信道估计HLS;
步骤S2,基于信道估计HLS对接收信号逐个数据符号进行均衡;所述数据符号也可简称符号;
步骤S3,对比均衡后数据符号导频子载波的幅度相位与理想幅度相位,完成相位跟踪补偿;
步骤S4,解调相位跟踪补偿后的数据符号,按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置以实现解调;
步骤S5,根据信道估计值、相位跟踪补偿后的数据符号及其标准参考位置更新信道估计值;
步骤S6,依次迭代解析各个符号,直到完成所有符号的分析;
步骤S7,实现信号的分析和输出。
本例所述步骤S1是用于建立接收信号训练序列与本地训练序列之间的映射关系,这个映射关系即信道估计。
一个信号帧内,X为发送的OFDM符号,Y为X对应的接收OFDM符号,N为高斯白噪声,Y=[Y0,Y1,…,YM-1,]T,H=[H0,H1,…,HM-1,]T,X=diag[X0,X1,…,XM-1,]T,上标T表示转置,M表示当前信号的子载波总数。用Xref和Yref分别表示X和Y的训练序列符号,那么Yref=HXref+N,使用LS(最小平方)方法求解H,表示为LS信道估计HLS=[HLS,0,HLS,1,…,HLS,M-1,]T,方法如下:HLS=Xref *(XrefXref *)-1*Yref;其中,N为高斯白噪声信号,Xref *为Xref的复共轭,上标*为求复共轭转置。
本例所述步骤S2主要利用信道估计时变缓慢的特性,认为数据符号(可简称符号)和训练序列符号之间的信道估计相同,使用信道估计值或者修正后的信道估计值,对数据符号进行均衡。
本例所述步骤S3用于使用导频的信息补偿相位偏移。所述步骤S3中,导频子载波的数据是已知的,取值只有±1和±1*j(j为虚数单位),使用均衡后信号内的导频子载波的接收幅度相位与理想幅度相位进行对比,根据差异拟合出数据子载波需要补偿的幅度相位值,完成幅度和相位跟踪补偿,完成跟踪补偿后记为Zk=[Zk,0,Zk,1,…,Zk,M-1]T,M表示当前信号子载波总数,Zk,i,i∈[0M-1]表示跟踪补偿值Zk中的第i个元素,上标T表示转置,即Com为幅度跟踪和相位跟踪补偿量,本例对此步骤无特殊要求,按常规的补偿算法完成即可。事实上,本例的步骤S1至步骤S4均可以分别通过现有信道估计、均衡、跟踪补偿和解映射对应的步骤来实现。
本例所述步骤S4根据星座图解析理想星座点。所述步骤S4中,在进入解调之前,已经解析了信号的系统消息,也就得到了调制模式,根据调制模式,则能得到对应的星座图,图6所示的是16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)对应的性质图,星座点总共有16个,对Zk中的每个元素Zk,i,i∈[0M-1],在其16个星座点中选出与元素Zk,i距离最小的点作为解映射后的标准参考位置例如图6中Zk,i=0.7+1.3j,那么其中j为虚数单位;Zk获得的参考位置记为
本例所述步骤S5是用解映射后的结果结合原信道估计情况更新信道估计值,用于后续符号的均衡,基于本例的每个符号都相应更新信道估计值,再用于下一个符号的信道估计的原理,至少2个数据符号才能生效,即接收信号符号总数K≥2。
本例所述步骤S5中,包括以下子步骤:
步骤S501,对第一个符号Y1和第二个符号Y2,采用步骤S3和步骤S4的结果来计算基于符号的信道估计;
步骤S503,根据所述信道估计以及欧氏距离和更新信道估计值。
本例所述步骤S501中,第一个符号Y1和第二个符号Y2分别采用步骤S3得到对应的跟踪补偿值Z1和跟踪补偿值Z2,分别采用步骤S4得到对应的标准参考位置和标准参考位置通过公式计算第一个符号的信道估计值H1,通过公式计算第二个符号的信道估计值H2,其中上标*表示复共轭转置。
本例所述步骤S502中,通过公式计算跟踪补偿值Zk和标准参考位置的欧氏距离和Dk,其中,k为符号的序号,该处k=1或2,M表示当前信号子载波总数,i∈[0M-1],Zk=[Zk,0,Zk,1,…,Zk,M-1]T,Zk,i表示跟踪补偿值Zk中的第i个子载波的值,表示跟踪补偿值Zk的标准参考位置的第i个子载波的值。
本例所述步骤S6用于迭代解析各个符号,优选包括以下子步骤:
步骤S601,对于第一个符号Y1和第二个符号Y2,通过更新后的信道估计值Hinit替换步骤S2中的信道估计HLS,并返回重新完成步骤S2的数据均衡、步骤S3的跟踪补偿和步骤S4的解调/解映射;
步骤S602,对于k>2的第k个符号,通过前一个符号更新后的信道估计值Hinit替换步骤S2中的信道估计HLS,比如当k=3时,Hk-1=Hinit,并返回重新完成步骤S2的数据均衡、步骤S3的跟踪补偿和步骤S4的解调/解映射,依次迭代解析各个符号,得到第k个符号的跟踪补偿值Zk和标准参考位置跟踪补偿值Zk为第k个符号实现跟踪补偿后的值,标准参考位置为第k个符号对应的标准参考位置;
步骤S603,对第k个符号进行信道估计,与步骤S1原理相同,第k个符号(也称符号k)的信道估计值为Hk,init为第k个符号的信道估计值,Hk,init为第k个符号的信道估计值,上标T表示转置;然后按滤波方式更新信道估计值,通过滤波公式更新信道估计值,其中,Hk为滤波后的更新信道估计值,Hk-1为前一个符号更新后的信道估计值Hinit;β是滤波系数,β的取值范围为(0,1);Dk为跟踪补偿值Zk和标准参考位置的欧氏距离和;Dk-1为前一个符号的跟踪补偿值Zk-1和标准参考位置的欧氏距离和;
步骤S604,对于第k+1个符号(也称符号k+1),重复步骤S602和步骤S603,直至k=K完成所有符号的迭代和解析。
本例所述步骤S7用于实现信号输出模块,即用于解FEC(前向纠错编码),计算EVM(误差向量幅度)等参数并完成输出,该步骤也是采用现有的分析输出步骤即可。
相对通用流程,本例不断对信道估计值进行迭代,最大程度地消除掉信道变化带来的影响,获得解析性能的提升。图4所示的就是未使用本例的效果,通过该采用通用流程的图4可以看出,星座图和EVM指标都不够好;图5是使用了本例之后的效果,通过该采用了本例的图5可以看出,星座图和EVM指标有了明显的提升,这是现有技术所达不到的。
如图7所示,本例还提供一种适用于测试仪的信道估计改进系统,采用了如上所述的适用于测试仪的信道估计改进方法,并包括:
信道估计模块,基于训练序列进行LS信道估计,得到信道估计HLS;该信道估计模块用于建立接收信号训练序列与本地训练序列之间的映射关系,这个映射关系即信道估计;
数据均衡模块,基于信道估计对接收信号逐个数据符号进行均衡;该数据均衡模块主要利用信道估计时变缓慢的特性,认为数据符号和训练序列符号之间的信道估计相同,使用信道估计值或者修正后的信道估计值,对数据符号进行均衡;
跟踪补偿模块,使用均衡后信号导频子载波的接收幅度相位与理想幅度相位进行对比,完成跟踪补偿以补偿相位偏移;
解调模块,通过信号的调制模式得到对应的星座图,选出与跟踪补偿后的信号距离最小的点作为标准参考位置;该解调模块也称解映射模块,是根据星座图解析理想星座点;
更新信道估计模块,根据信道估计值、跟踪补偿后的信号以及标准参考位置更新信道估计;该更新信道估计模块是用解映射后的结果结合原信道估计情况更新信道估计值,用于所述迭代解析模块中后续符号返回实现数据均衡、跟踪补偿和解映射;
迭代解析模块,依次迭代解析各个符号,直到完成所有符号的迭代和解析;
信号输出模块,实现信号的分析和输出。
综上所述,本例在处理接收信号时,完成符号解映射后,依据解映射结果,对信道估计进行滤波更新,每个符号都相应更新信道估计值,再用于下一个符号的信道估计,而信道估计更新考虑到了之前信道状况以及当前信道状况,对后续符号的信道估计能够实现更适合的预测,从而能够对抗信道时变性,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 (10)
1.一种适用于测试仪的信道估计改进方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,基于训练序列进行LS信道估计,得到信道估计HLS;
步骤S2,基于信道估计HLS对接收信号逐个数据符号进行均衡;
步骤S3,对比均衡后数据符号导频子载波的幅度相位与理想幅度相位,完成相位跟踪补偿;
步骤S4,解调相位跟踪补偿后的数据符号,按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置以实现解调;
步骤S5,根据信道估计值、相位跟踪补偿后的数据符号及其标准参考位置更新信道估计值;
步骤S6,依次迭代解析各个符号,直到完成所有符号的分析;
步骤S7,实现信号的分析和输出。
6.根据权利要求5所述的适用于测试仪的信道估计改进方法,其特征在于,所述步骤S6包括以下子步骤:
步骤S601,对于第一个符号Y1和第二个符号Y2,通过更新后的信道估计值Hinit替换步骤S2中的信道估计HLS,并返回重新完成步骤S2的数据均衡、步骤S3的跟踪补偿和步骤S4的解调;
步骤S602,对于k>2的第k个符号,通过前一个符号更新后的信道估计值Hinit替换步骤S2中的信道估计HLS,比如当k=3时,Hk-1=Hinit,并返回重新完成步骤S2的数据均衡、步骤S3的跟踪补偿和步骤S4的解调,依次迭代解析各个符号,得到第k个符号的跟踪补偿值Zk和标准参考位置跟踪补偿值Zk为第k个符号实现跟踪补偿后的值,标准参考位置为第k个符号对应的标准参考位置。
步骤S603,对第k个符号进行信道估计,然后按滤波方式更新信道估计值;
步骤S604,重复步骤S602和步骤S603,直至完成所有符号的迭代和解析。
10.一种适用于测试仪的信道估计改进系统,其特征在于,采用了如权利要求1至9任意一项所述的适用于测试仪的信道估计改进方法,并包括:
信道估计模块,基于训练序列进行LS信道估计,得到信道估计HLS;
数据均衡模块,基于信道估计对接收信号逐个数据符号进行均衡;
跟踪补偿模块,使用均衡后信号导频子载波的幅度相位与理想幅度相位进行对比,完成跟踪补偿以补偿相位偏移;
解调模块,通过信号的调制模式得到对应的星座图,选出与跟踪补偿后的信号距离最小的点作为标准参考位置;更新信道估计模块,根据信道估计值、跟踪补偿后的数据符号以及标准参考位置更新信道估计;迭代解析模块,依次迭代解析各个符号,直到完成所有符号的迭代和解析;
信号输出模块,实现信号的分析和输出。
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