CN113364716B - 一种ofdm系统中采样频偏的相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，属于通信技术领域，该方法利用在接收载荷帧的每个OFDM符号l进行信道均衡后，对于每个OFDM符号l都对应设置一个相位旋转因子φ_l；利用相位旋转因子φ_l对各符号进行相位补偿。本发明的相位补偿方法不需要直接去估算采样频偏估计值，而是利用多个子载波信息进行合并降低噪声之后，得到一个近似的采样频偏的相位偏转信息，并据此确定一个相位旋转因子，实现对各符号的相位修正，原理简单，计算方便。并且，该方法由于具有降低噪声的作用，在低信噪比下也能得到一个较好的修正效果，抗噪性较强。

Description

一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法。

背景技术

在宽带通信系统中，为消除宽带通信通道的频率选择性性衰落，多载波调制技术将宽带信道分成多个子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦并具有频率选择性的，但是每个子信道是相对平坦的。正交频分复用(OFDM)是多载波调制技术的一种，其子载波间相互正交，具有很高的频谱利用率；并且可以利用离散傅里叶反变换/离散傅里叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调，并可以高效实现。

通常，在OFDM通信系统中，由于成本控制导致晶振的误差会比较大，导致在信号接收后的模数转换过程中会出现较大的采样偏差，偏差较大会导致系统性能严重下降。或者，即使采样偏差不是很大，但由于有的通信系统导频位置和有用数据之间存在较长的时间差，导频的信道估计值无法实时反映有用数据的信道特征，存在严重的相位偏差。OFDM通信系统为了增强接收性能，通常会对同一个信源进行多次发送，接收端进行分集合并接收，提升信噪比，如果多个分集在均衡后仍存在较大的相位偏差，合并后反而降低了系统的接收性能。

因此，针对这两种情况，需要有一种解决方法能够实时高效的补偿采样频偏的相位信息。

发明内容

本发明考虑到，在BPSK调制方式和多个分集合并模式情况下，通信系统的性能较好，所需的信噪比要求较低。此时如果需要进行频偏估计，由于低信噪比下频偏估计的误差是要增大的，采用现有方法进行频偏补偿后，每个OFDM符号都残留有相位偏转，符号之间的时差越长，相位偏转越大。并且，对于带宽太窄的通信系统，传送相同的原始信息需要更多的OFDM符号来发送数据。从仿真结果看，此时没有补偿情况下的性能会急剧下降。根本原因就是在分集合并中各分集在信道均衡后仍残留有较大的相位偏差，甚至相位反转，从增强反而变成了干扰。因此需要针对BPSK解调时进行特殊的处理，在符号分集合并前要提前消除相位偏差。

因此，本发明的目的是提供一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，用于解决现有通信系统中硬件性能的缺陷导致采样偏差较大或者基于导频估计出的采样频偏估计值误差较大，无法较好修正采样偏差的问题，需要在解调译码前对相应的数据进行相位补偿，提升接收性能。

基于上述目的，一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法的技术方案如下：

在接收载荷帧的每个OFDM符号l进行信道均衡后，对于每个OFDM符号l都对应设置一个相位旋转因子φ_l，l＝0,1,…n；利用相位旋转因子φ_l对各符号进行相位补偿；相位旋转因子φ_l和相位补偿修正后各符号l的子载波z(k,l)的确定步骤如下：

步骤1，获取当前OFDM符号l进行傅里叶变换后得到的若干个初始子载波z₀(k,l)；

步骤2，利用相位旋转因子φ_l和子载波索引k，计算每个初始子载波的补偿相位

得到每个子载波对应相位补偿后的值，计算公式如下：

式中，z(k,l)为相位补偿后的子载波，

为符号l的索引为k的初始子载波的旋转角度，θ_k为设定的随机相位，φ_l为当前符号l需要旋转的相位旋转值，即相位旋转因子；当符号l为0时，令φ₀为0；

步骤3，利用各子载波的索引，对补偿后子载波的实部和虚部分别进行加权处理，构造各子载波的复数值，即每个子载波z(k,l)对应一个复数值z₁(k,l)；

步骤4，在OFDM符号l内对k∈[K₁,K₂]的所有实部信号大于0的子载波信号z(k,l)，对应所有复数值z₁(k,l)进行累加，在此基础上再累减剩余的复数值z₁(k,l)，得到当前OFDM符号l的总复数信号Sum(l)，计算总复数信号的相位角，作为当前OFDM符号l的相位基准偏差Δφ_l；[K₁,K₂]表示有效子载波的索引范围；

步骤5，更新相位旋转值φ_l+1＝φ_l+Δφ_l，作为OFDM符号l+1的相位旋转因子；

重复步骤2～5的内容，直到所有OFDM符号的子载波均完成相位补偿。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的相位补偿方法，不需要直接去估算采样频偏估计值，而是利用多个子载波信息进行合并降低噪声之后，得到一个近似的采样频偏的相位偏转信息，即相位基准偏差Δφ_l，并据此确定一个相位旋转因子，实现对各符号的相位修正，原理简单，计算方便。并且，该方法由于具有降低噪声的作用，在低信噪比下也能得到一个较好的修正效果，抗噪性较强。

进一步的，步骤3中，复数值z₁(k,l)的实部计算式如下：

Real(z₁(k,l))＝Real(z(k,l))*k²

式中，Real(z₁(k,l))为复数值z₁(k,l)的实部，Real(z(k,l))为相位补偿后子载波z(k,l)的实部。

进一步的，步骤3中，复数值z₁(k,l)的虚部计算式如下：

Imag(z₁(k,l))＝Imag(z(k,l))*k

式中，Imag(z₁(k,l))为复数值z₁(k,l)的虚部，Imag(z(k,l))为相位补偿后子载波z(k,l)的虚部。

进一步的，步骤4中，相位基准偏差Δφ_l的计算式如下：

式中，Real(Sum(l))为总复数信号Sum(l)的实部，Imag(Sum(l))为总复数信号Sum(l)的虚部。

附图说明

图1是本发明实施例中的导频和数据所在位置示意图；

图2是本发明实施例中的一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在高速载波电力线通信中，导频和数据所在位置如图1所示，通过前导同步，频偏估计和信道估计后，需要对PSDU的每个OFDM符号中的每个子载波信号进行均衡，尽可能恢复到原始发送端的初始相位。通常导频所在的前导位置和数据所在区域存在一定的时间差，只要有一定的频偏误差，势必造成不同的OFDM符号经过均衡补偿后还是有一定的相位差。因此需要针对这种问题进行特定技术处理，弥补相位差带来的性能影响。

基于上述考虑，本实施例提出一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，整体流程如图2所示，假定当前PSDU的调制解调方式为BPSK(本发明只支持BPSK的调制方式)，具体的方法步骤如下：

在信号接收端进行信号的分集合并之前，在接收载荷帧的每个OFDM符号l进行信道均衡后，对于每个OFDM符号l都对应设置一个相位旋转因子φ_l(l为0时，φ₀为0)，用于对各符号进行相位补偿。该相位旋转因子φ_l和相位补偿修正后各符号l的子载波z(k,l)的确定步骤如下：

步骤1，获取当前OFDM符号l，对该符号进行FFT变换(傅里叶变换)后，得到若干个初始子载波z₀(k,l)，k表示子载波索引，根据协议，这里的k属于有效子载波，即k∈[K₁,K₂]，用来承载PSDU的数据；其中，K₁和K₂表示有效子载波的索引范围。

步骤2，获取OFDM符号l下的所有初始子载波，计算每个初始子载波的补偿相位

利用该补偿相位对各初始子载波进行相位补偿修正，得到相位补偿修正后的子载波z(k,l)。

具体的，对每个子载波根据其载波位置，计算得到一个旋转角度，计算式如下：

式中，

为符号l的第k个初始子载波的旋转角度，θ_k为根据通信协议每个子载波在信号发送端进行旋转的伪随机相位，φ_l为当前符号l需要旋转的相位旋转值，即相位旋转因子；当前符号l为0时，令φ₀为0。

上面公式中，之所以要在相位旋转值上乘以k，是因为本方法是用来对采样频偏造成的相位进行补偿，理论上采样频偏导致频域上的每个子载波相应的相位差同子载波的索引值k近似成正比，这点不同于载波频偏，其相位差只同φ_l有关。所以不乘以k的话就会起不到任何补偿效果，反而造成性能更差。

利用上面的旋转角度得到补偿相位

进行旋转，每个子载波对应得到相位补偿后的值，计算公式如下：

式中，z(k,l)为相位补偿修正后的子载波。

步骤3，利用各子载波的索引，对修正后的子载波的实部和虚部进行处理，构造各子载波的复数值z₁(k,l)，该复数值的实部和虚部的计算式分别如下：

Real(z₁(k,l))＝Real(z(k,l))*k²

Imag(z₁(k,l))＝Imag(z(k,l))*k

式中，Real(z₁(k,l))为复数值z₁(k,l)的实部，Imag(z₁(k,l))为复数值z₁(k,l)的虚部，Real(z(k,l))、Imag(z(k,l))分别为子载波z(k,l)的实部、虚部。因此，相当于每个子载波z(k,l)对应一个复数值z₁(k,l)。上式中，必须是修正后实部在原有实部乘以k的平方，而修正后虚部则在原虚部乘以k的方式，否则无法准确算出基准偏差Δφ_l。

步骤4，在OFDM符号l内对k∈[K₁,K₂]的所有实部信号大于0的子载波信号z(k,l)，对应所有复数值z₁(k,l)进行累加，在此基础上再累减剩余复数值z₁(k,l)(即对k∈[K₁,K₂]的所有实部信号小于或等于0的信号z(k,l)对应的复数值)，最终得到当前OFDM符号l的总复数信号Sum(l)。

然后，将该总复数信号的虚部与实部之间的比值，计算总复数信号的相位角，并作为当前OFDM符号l的相位基准偏差Δφ_l，计算式如下：

式中，Real(Sum(l))为总复数信号Sum(l)的实部，Imag(Sum(l))为总复数信号Sum(l)的虚部。

步骤5，更新相位旋转值φ_l+1＝φ_l+Δφ_l，用于求下个OFDM符号(l+1)的各子载波对应相位补偿的旋转角度

重复步骤2～5的内容，直到一帧载荷数据中所有OFDM符号都做了动态相位估计和补偿处理，之后进入分集合并流程。

本发明的相位补偿方法具有以下优点：

1)本发明提供的方法不需要直接去估算采样频偏估计值，而是利用多个子载波信息进行合并降低噪声之后，得到一个近似的采样频偏的相位偏转信息，并据此进行修正，原理简单，计算方便。

2)该方法由于具有降低噪声的作用，在低信噪比下也能得到一个较好的修正效果，抗造性较强。

3)该方法具有高效性，只需在传统的均衡模块中稍加处理，就能完成采样频偏补偿功能。此处，稍加处理就是指在频域均衡中，除了用信道估计值进行反向补偿，还同时补偿上面算出的相位旋转值。每个OFDM符号下的子载波都做这种处理就可以完成采样频偏补偿功能。

本发明方法的相位补偿主要用于一帧信号中导频符号和数据符号存在较大时间间隔的情况，因为在频偏存在情况下有导频估算出的信道响应已经不能真实反映数据符号的信道特征，主要是受残留频偏影响，需要对一帧中不同时刻不同子载波的信号进行相应的补偿，以便提高接收性能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

在接收载荷帧的每个OFDM符号l进行信道均衡后，对于每个OFDM符号l都对应设置一个相位旋转因子φ_l，l＝0,1,…n；利用相位旋转因子φ_l对各符号进行相位补偿；相位旋转因子φ_l和相位补偿修正后各符号l的子载波z(k,l)的确定步骤如下：

步骤1，获取当前OFDM符号l进行傅里叶变换后得到的若干个初始子载波z₀(k,l)；

步骤2，利用相位旋转因子φ_l和子载波索引k，计算每个初始子载波的补偿相位

得到每个子载波对应相位补偿后的值，计算公式如下：

式中，z(k,l)为相位补偿后的子载波，

为符号l的索引为k的初始子载波的旋转角度，θ_k为设定的随机相位，φ_l为当前符号l需要旋转的相位旋转值，即相位旋转因子；当符号l为0时，令φ₀为0；

步骤3，利用各子载波的索引，对补偿后子载波的实部和虚部分别进行加权处理，构造各子载波的复数值，即每个子载波z(k,l)对应一个复数值z₁(k,l)；

步骤4，在OFDM符号l内对k∈[K₁,K₂]的所有实部信号大于0的子载波信号z(k,l)，对应所有复数值z₁(k,l)进行累加，在此基础上再累减剩余的复数值z₁(k,l)，得到当前OFDM符号l的总复数信号Sum(l)，计算总复数信号的相位角，作为当前OFDM符号l的相位基准偏差Δφ_l；[K₁,K₂]表示有效子载波的索引范围；

步骤5，更新相位旋转值φ_l+1＝φ_l+Δφ_l，作为OFDM符号l+1的相位旋转因子；

重复步骤2～5的内容，直到所有OFDM符号的子载波均完成相位补偿。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，其特征在于，步骤3中，复数值z₁(k,l)的实部计算式如下：

Real(z₁(k,l))＝Real(z(k,l))*k²

式中，Real(z₁(k,l))为复数值z₁(k,l)的实部，Real(z(k,l))为相位补偿后子载波z(k,l)的实部。

3.根据权利要求1所述的OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，其特征在于，步骤3中，复数值z₁(k,l)的虚部计算式如下：

Imag(z₁(k,l))＝Imag(z(k,l))*k

式中，Imag(z₁(k,l))为复数值z₁(k,l)的虚部，Imag(z(k,l))为相位补偿后子载波z(k,l)的虚部。

4.根据权利要求1所述的OFDM系统中采样频偏的相位补偿方法，其特征在于，步骤4中，相位基准偏差Δφ_l的计算式如下：

式中，Real(Sum(l))为总复数信号Sum(l)的实部，Imag(Sum(l))为总复数信号Sum(l)的虚部。

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