CN112866160A - 一种大带宽下高阶调制ofdma-wlan信号分析方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大带宽下高阶调制OFDMA‑WLAN信号分析方法和装置，属于信号处理领域，该分析装置包括十个单元：变速率采样单元、信号同步单元、粗频偏估计单元、细频偏矫正单元、信号字段解析单元、FFT单元、信道估计单元、相位跟踪单元、相偏矫正单元、信号解调处理单元；该分析方法采用上述装置对接收到的WLAN信号中大带宽高阶调制OFDMA调制信号进行定时同步、时频偏矫正及解调分析。

Description

一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法和装置
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法和装置。
背景技术
近年来，由于互联网在全球的快速发展，人们的工作与生活越来越依赖互联网，产生大量的WLAN服务需求。IEEE 802.11系列标准WLAN开始于20世纪90年代末，现在几乎每一个笔记本电脑或智能设备都有一个内置的WLAN卡。OFDM(正交频分复用)作为一种高效的多载波调制方案，几年来备受关注。由于OFDM能有效抑制多径时延，且频谱利用率较高，被广泛认为是在无线时变信道中实现高速数据传输的重要手段。目前，许多具有广阔应用前景的WLAN标准，都将OFDM作为核心方案。IEEE802.11ax是近两年兴起的高效无线网络(High-Efficiency Wireless-HEW)，通过一系列系统特性和多种机制增加系统容量，通过更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式，使用户获得最佳体验；尤其在密集用户环境中，为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量，其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。也就是说基于802.11ax的Wi-Fi网络意味着前所未有的高容量和高效率。
802.11ax标准在物理层导入了多项大幅变更，依旧可向下兼容于802.11a/b/g/n/ac设备。802.11ax新增多种关键技术，包括OFDMA、MU-MIMO、1024-QAM、Spatial Reuse、BBSColoring。其中，OFDMA是通过将子载波子集分配给不同用户在OFDM系统中添加多址的方法，OFDMA允许同时提供具有不同带宽需求的多个用户，从而有效利用可用频谱。
目前，WLAN物理层面临以下几个问题：无线传输介质有严格的带宽限制和频率规则；与有线局域网相比，WLAN的通信环境比较恶劣；信号随时间和空间等多种路径衰减；不可避免地要受到一些无线和非无线设备的干扰。因此，WLAN的信号质量这些都影响WLAN信号的解调可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法和装置，实现OFDMA-WLAN信号精确解调，为OFDMA-WLAN信号分析提供更为精确的频偏矫正方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法，对信号接收端设备接收到的WLAN信号中大带宽高阶调制OFDMA调制信号进行定时同步、时频偏矫正及解调分析，具体包括如下步骤：
步骤1：对接收到的OFDMA-WLAN信号通过变速率采样得到和帧结构匹配的码元速率；
步骤2：根据功率触发找到信号帧的大致起始位置，然后利用生成的本地短训练序列的相关性找到信号的物理帧起始点；
步骤3：在时域中运用短训练序列和长训练序列的相关性进行粗频偏估计；
步骤4：在频域中运用长训练序列的周期性进行细频偏估计；
步骤5：对信号SIGNAL、HE-SIGA字段进行解析，SIGNAL、HE-SIGA字段中包含DATA长度、调制方式、编码方式、GI长度、HE-LTF格式信息；
步骤6：对信号进行分段FFT变换，得到频域的信号，
步骤7：根据不同的HE-LTF格式，信道矩阵进行频域插值，得到信道估计矩阵；
步骤8：对DATA段进行信道均衡，得到调制信号的星座图；
步骤9：运用信号中的导频点进行相位跟踪及相偏矫正；
步骤10：对信号数据进行解调处理，得到信号解调分析结果。
优选地，步骤5中SIGNAL字段解析步骤包括：信道估计、信道均衡、硬判决、解调制、去导频、解交织、维特比译码；HE-SIGA字段解析步骤包括：信道估计、SIGNAL字段信道均衡、频域插值、信道均衡、硬判决、解调制、去导频、解交织、维特比译码、信息获取。
优选地，步骤7中1X HE LTF要进行4倍插值，2X HE LTF要进行2倍插值。
一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析装置，采用上述的一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法实现OFDMA-WLAN信号的解调分析，包括十个单元：变速率采样单元、信号同步单元、粗频偏估计单元、细频偏矫正单元、信号字段解析单元、FFT单元、信道估计单元、相位跟踪单元、相偏矫正单元、信号解调处理单元。
优选地，变速率采样单元根据不同的带宽对OFDMA-WLAN信号通过变速率采样得到和帧结构匹配的码元速率；
信号同步单元采用上升沿触发得到信号的粗同步点，再利用短训练序列的周期性及相关性找到物理帧的精确同步点；
粗频偏估计单元采用短训练序列和长训练序列的相关性在时域中进行粗频偏估计；
细频偏矫正单元运用长训练序列的周期性在频域中进行细频偏估计；
信号字段解析单元对信号中SIGNAL、HE-SIGA字段进行解析；
FFT单元对信号进行分段FFT变换；
信道估计单元根据不同的HE-LTF格式进行频域插值，得到信道估计矩阵，再对DATA段进行信道均衡，得到调制信号的星座图；
相位跟踪单元运用信号中的导频点进行相位跟踪；
相偏矫正单元根据导频点得到的相位偏差对时域信号的相位进行矫正；
信号解调处理单元对数据进行处理，得到信号解调分析结果。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明采用了时频域相结合频偏矫正方法实现了大带宽高阶调制下OFDMA-WLAN信号的解调；实现了OFDMA-WLAN信号精确解调，为OFDMA-WLAN信号分析提供更为精确的频偏矫正方法；为针对通信多模分析仪提供高精度的OFDMA-WLAN解调功能。
附图说明
图1为本发明装置系统原理图；
图2为本发明实施例定时同步中短序列滑动相关的结果图；
图3为本发明实施例160MHz带宽1024QAM调制4X HTF信号的解调结果图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
针对IEEE 802.11ax协议中的WLAN信号的流程，本发明提出了一种时频域相结合频偏矫正方法实现OFDMA-WLAN信号的解调装置。如图1所示，本发明解调装置包括十个单元：变速率采样单元、信号同步单元、粗频偏估计单元、细频偏矫正单元、信号字段解析单元、FFT单元、信道估计单元、相位跟踪单元、相偏矫正单元、信号解调处理单元。该装置采用时频域相结合频偏矫正方法实现大带宽高阶调制下OFDMA-WLAN信号的解调。
该解调装置可以实现160MHz带宽下1024QAM调制的OFDMA-WLAN信号精确解调分析，为OFDMA-WLAN信号分析提供更为精确的频偏矫正及解调算法，为针对通信多模分析仪提供高精度的OFDMA-WLAN解调功能。具体步骤如下：
(1)根据测试需求，接收到的OFDMA-WLAN信号并不是需要的采样率，根据不同的带宽20MHz/40MHz/80MHz/160MHz通过变速率采样单元可以得到和帧结构匹配的码元速率，此时所得到的采样点可直接用于后续的解调过程。
(2)根据测试需求，信号分析之前要先找到OFDMA-WLAN信号物理帧的起始位置。首先要根据功率触发找到信号帧的大致起始位置；然后根据生成的本地短训练序列，利用短训练序列的相关性找到信号的物理帧起始点。
(3)OFDMA-WLAN信号通过信道后，得到的信号是存在频偏和相偏的，为了更好的进行信号解调，在信号解调处理之前要进行频偏估计及消除，本装置为了更好的进行频偏估计，首先在时域中采用了短训练序列和长训练序列的相关性进行粗频偏估计。
(4)本装置运用长训练序列的周期性在频域中进行细频偏矫正，主要利用FFT后两段LTF的相位偏差得到精确的频偏。
(5)SIGNAL、HE-SIGA字段中包含DATA长度、调制方式、编码方式、GI长度、HE-LTF格式等信息，带宽160MHz的信号，要对SIGNAL、HE-SIGA字段进行解析；
SIGNAL字段解析包含以下步骤：
信道估计：首先针对LTF字段作FFT,结合理论的LTF频域数据，得到信道估计矩阵(416个值)；
信道均衡：对SIGNAL做FFT，运用信道估计矩阵对SIGNAL做信道均衡；
硬判决：针对信道均衡得到数据流进行硬判决，得到-1 1序列；
解调制：SIGNAL为BPSK调制，解调之后得到0 1序列；
去导频：带宽为160MHz的SIGNAL字段做FFT后是8段重复的，信号解析时只需取前面52点(包含4个导频点)即可，然后根据导频点的位置，去除导频点，得到48个数据点；
解交织：对得到48个数据点做解交织；
维特比译码：对SIGNAL中得到的48个0 1比特做维特比译码，得到24个数据比特；
HE-SIGA字段解析包含以下步骤：
信道估计：首先针对LTF字段作FFT,结合理论的LTF频域数据，得到信道估计矩阵(416个值)；
SIGNAL字段信道均衡：对SIGNAL做FFT，运用信道估计矩阵对SIGNAL做信道均衡；
频域插值：根据HE-SIGA数据点的位置对信道估计矩阵进行插值，得到448个值；
信道均衡：分别对HE-SIGA1和HE-SIGA2做FFT，运用信道估计矩阵对HE-SIGA1、HE-SIGA2做信道均衡；
硬判决：针对信道均衡得到数据流进行硬判决，得到-1 1序列；
解调制：HE-SIGA1和HE-SIGA2均为BPSK调制，解调之后得到0 1序列；
去导频：带宽为160MHz的HE-SIGA1和HE-SIGA2做FFT后是8段重复的，信号解析时只需取前面56点(包含4个导频点)即可，然后根据导频点的位置，去除导频点，HE-SIGA1和HE-SIGA2分别得到52个数据点；
解交织：分别取HE-SIGA1和HE-SIGA2的前52个点做解交织，共组成104个0 1比特；
维特比译码：对HE-SIGA1和HE-SIGA2中得到的104个0 1比特做维特比译码，得到52个数据比特，其中HE-SIGA1和HE-SIGA2分别包含26个比特；
信息获取：根据SIGNAL、HE-SIGA1和HE-SIGA2得到的比特流计算DATA长度、调制方式、编码方式、GI长度、HE LTF格式等信息。
(6)FFT单元主要对信号进行分段FFT变换，得到频域的信号是OFDMA信号最重要的处理过程之一，根据不同的HE-LTF，HE-LTF要做不同的处理，例如，针对160MHz带宽的信号，1X HE LTF 2048点IFFT后在时域中是周期性的(4个周期)，所以在信号生成时只保留了1个周期，在信道估计时，要将时域中的512个点重复4次扩充到2048个点，再做FFT；2X HE LTF2048点IFFT后在时域中是周期性的(2个周期)，所以在信号生成时只保留了1个周期，在信道估计时，要将时域中的1024个点重复2次扩充到2048个点，再做FFT；4X HE LTF 2048点IFFT后在时域中无周期，所以在信号生成时是完整的，在信道估计时，直接进行2048点FFT；
(7)根据不同的HE-LTF格式，在1X HE LTF和2X HE LTF中，信道矩阵还需要进行频域插值，1X HE LTF要进行4倍插值，2X HE LTF要进行2倍插值，得到信道估计矩阵；
(8)得到信道估计矩阵之后，对DATA段进行信道均衡，得到调制信号的星座图；
(9)本装置运用信号中的导频点进行相位跟踪和相偏矫正，由于DATA段每个DATA符号的导频点的位置是固定的，运用导频点进行相位跟踪及补偿，包含以下步骤：根据不同的HE LTF格式得到信道估计矩阵；再对每个DATA段OFDM符号做FFT，进行信道均衡，得到数据和导频的映射点；根据导频点的位置，提取每个OFDM符号的导频点，然后对每个符号的对应位置的导频点做相关，得到相位偏差；根据频域中相位偏差，计算出残余频偏；再根据频偏计算出每个OFDM符号的相位补偿值，在时域中进行相位补偿。
(10)信号解调处理单元对数据进行处理，得到测试信号解调结果。
如图2所示为定时同步中短序列滑动相关的结果图，经过功率触发粗同步已经找到大致的同步点，再根据短训练序列的周期性找到相关性(16个周期，带宽为160MHz时每个周期80个数据点)，本发明采用间隔一个周期进行滑动相关运算，根据相关值得到信号的精确同步点。
如图3所示为本发明160MHz带宽1024QAM调制4X HE_LTF信号的解调结果图，选取WLAN的信号带宽为160MHz,调制方式为1024QAM,HE LTF的格式为4X HE LTF，通过本发明的方法，准确解调出该信号的各项参数及指标。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法，其特征在于，对信号接收端设备接收到的WLAN信号中大带宽高阶调制OFDMA调制信号进行定时同步、时频偏矫正及解调分析，具体包括如下步骤：
步骤1：对接收到的OFDMA-WLAN信号通过变速率采样得到和帧结构匹配的码元速率；
步骤2：根据功率触发找到信号帧的大致起始位置，然后利用生成的本地短训练序列的相关性找到信号的物理帧起始点；
步骤3：在时域中运用短训练序列和长训练序列的相关性进行粗频偏估计；
步骤4：在频域中运用长训练序列的周期性进行细频偏估计；
步骤5：对信号SIGNAL、HE-SIGA字段进行解析，SIGNAL、HE-SIGA字段中包含DATA长度、调制方式、编码方式、GI长度、HE-LTF格式信息；
步骤6：对信号进行分段FFT变换，得到频域的信号，
步骤7：根据不同的HE-LTF格式，信道矩阵进行频域插值，得到信道估计矩阵；
步骤8：对DATA段进行信道均衡，得到调制信号的星座图；
步骤9：运用信号中的导频点进行相位跟踪及相偏矫正；
步骤10：对信号数据进行解调处理，得到信号解调分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法，其特征在于，所述步骤5中SIGNAL字段解析步骤包括：信道估计、信道均衡、硬判决、解调制、去导频、解交织、维特比译码；HE-SIGA字段解析步骤包括：信道估计、SIGNAL字段信道均衡、频域插值、信道均衡、硬判决、解调制、去导频、解交织、维特比译码、信息获取。
3.根据权利要求1所述的一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法，其特征在于，所述步骤7中1X HE LTF要进行4倍插值，2X HE LTF要进行2倍插值。
4.一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析装置，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析方法实现OFDMA-WLAN信号的解调分析，包括变速率采样单元、信号同步单元、粗频偏估计单元、细频偏矫正单元、信号字段解析单元、FFT单元、信道估计单元、相位跟踪单元、相偏矫正单元、信号解调处理单元。
5.一种大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN信号分析装置，其特征在于，所述变速率采样单元根据不同的带宽对OFDMA-WLAN信号通过变速率采样得到和帧结构匹配的码元速率；
所述信号同步单元采用上升沿触发得到信号的粗同步点，再利用短训练序列的周期性及相关性找到物理帧的精确同步点；
所述粗频偏估计单元采用短训练序列和长训练序列的相关性在时域中进行粗频偏估计；
所述细频偏矫正单元运用长训练序列的周期性在频域中进行细频偏估计；
所述信号字段解析单元对信号中SIGNAL、HE-SIGA字段进行解析；
所述FFT单元对信号进行分段FFT变换；
所述信道估计单元根据不同的HE-LTF格式进行频域插值，得到信道估计矩阵，再对DATA段进行信道均衡，得到调制信号的星座图；
所述相位跟踪单元运用信号中的导频点进行相位跟踪；
所述相偏矫正单元根据导频点得到的相位偏差对时域信号的相位进行矫正；
所述信号解调处理单元对数据进行处理，得到信号解调分析结果。
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