CN113794661A - 一种基于相位噪声优化接收性能的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相位噪声优化接收性能的方法及系统，属于无线信号优化技术领域。本发明基于相位噪声优化接收性能的方法包括如下步骤：S1：数据均衡：从第一个符号开始，对接收到的数据符号进行数据均衡；S2：基于数据子载波内插入的导频信息对公共相位噪声进行计算和补偿；S3：解映射；S4：利用接映射后的信息进行载波相位噪声估计，预测下一个符号的载波相位噪声，对数据均衡后的下一个符号进行补偿；S5：循环执行步骤S1到步骤S4，直到所有符号迭代完成，将补偿后的符号数据输出给后续流程。本发明的有益效果为：有效提升综测仪分析信号性能的精确性和稳定性。

Description

一种基于相位噪声优化接收性能的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种无线信号优化技术，尤其涉及一种基于相位噪声优化接收性能的方法及系统。

背景技术

OFDM是一种特殊的多载波传输技术，它既可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM通过将高速率的信息符号并行化成低速率符号，然后在多个正交的子载波上并行发送，可以减小宽带系统的频率选择性衰落所带来的影响；通过加入保护间隔(GI)，有效地避免各个符号间干扰。在接收端，只需要利用简单的频域均衡器就可以补偿信道的衰落，使得OFDM接收机的实现变得非常简单。

为了提升信号的传输和接收性能，对抗信道时变衰落和失真的物理现象，基于OFDM通信的Wi-Fi标准(802.11a/g/n/ac/ax/be)在接收数据符号特定子载波上发送已知的导频序列，用于进行相位跟踪纠正残留频偏和采样偏。

通用的相位跟踪方法是，在每个接收符号上统计导频的接收相位和理想相位的偏差，然后对这个符号上所有数据子载波补偿相应的相位偏差。补偿方式包括整体平均误差补偿和按子载波距中心频点位置线性加权平均补偿。

在实际的测试应用中，DUT(待测物)作为信号源，是存在固有的器件误差，综测仪作为接收机，其精度虽然远远高于DUT，但也有少量的器件误差。即使相位跟踪方法能在很大程度上将信道估计的时变性跟踪出来，接收性能得到有效保证。但是，使用导频进行跟踪时，首先导频也是受到噪声干扰的，若是导频子载波所在频段受到大尺度衰落影响，那导频本身就不准确，再依照导频进行相应的相位跟踪补偿，反而会对接收信号引入更大的误差。其次，导频子载波占总子载波比例较小，使用导频跟踪精准性依旧有限。

图5是一个802.11ax标准的DUT信号分析到的星座图，尽管已经进行了相位跟踪合补偿，其星座图接收依旧存在相位偏差，图6是图5右上角边缘的放大，可以看出越是外围的星座点受到的影响越大。图7是整个信号统计出来的子载波的EVM(矢量误差幅度)，深色部分为子载波的平均值，可以看到子载波上的EVM呈现锯齿状，这个锯齿状的结果正是由相位噪声引入的。

发明内容

为解决现有技术中相位噪声造成的接收性能下降的问题，本发明提供一种基于相位噪声优化接收性能的方法及系统，通过在符号间不断迭代和补偿相位噪声，可将相位噪声带来的影响降到最低，提升了综测仪分析DUT信号性能的精确性和稳定性，最终达到提升接收性能的目的。

本发明基于相位噪声优化接收性能的方法包括如下步骤：

S1：数据均衡：从第一个符号开始，对接收到的数据符号进行数据均衡；

S2：基于数据子载波内插入的导频信息对公共相位噪声进行计算和补偿；

S3：解映射，获取理想的星座点位置；

S4：利用接映射后的信息进行载波相位噪声估计，预测下一个符号的载波相位噪声，对数据均衡后的下一个符号进行补偿；

S5：循环执行步骤S1到步骤S4，直到所有符号迭代完成，将补偿后的符号数据输出给后续流程。

本发明作进一步改进，步骤S1中，在接收信号中，数据符号s的频域表示为Y_s＝[Y_s,0,Y_s,1,…,Y_s,K-1]，K为接收信号子载波总数，使用接收信号的数据训练序列与理想状态的训练序列完成相应的信道估计，信道估计值记为H＝[H₀,H₁,…,H_K-1]，数据符号s均衡后的结果表示为

均衡后的数据计算公式为：

本发明作进一步改进，步骤S2中，对公共相位噪声E_m＝k(k)进行计算和补偿的方法为：

其中，k是子载波序号，Δθ₁表示为所有导频子载波的整体相位偏移的平均值，Δθ₂为所有导频子载波相关于子载波序号的相位偏移，计算公式如下：

使用导频计算到导频处的补偿值

对

的其中分量

的补偿公式为：

本发明作进一步改进，Δθ₁的计算和补偿为导频相位跟踪和补偿，

的计算和补偿为采样偏跟踪和补偿。

本发明作进一步改进，步骤S4中，载波相位噪声估计和补偿的方法为：

步骤S41：当符号s＝1时，因为没有前置符号，因此不需要进行补偿，即补偿量

步骤S42：计算符号s＝1的载波相位噪声，对每个子载波分别计算，计算方式为：

步骤S43：当符号s>1时，在步骤S1和步骤S2之间，对符号数据均衡后的结果

进行补偿，补偿方式为：

为前一个符号计算到的载波相位噪声；

步骤S44：当符号s>1时，根据步骤S43的结果，计算当前符号s的载波相位补偿相位值：

然后更新下一个符号s+1的补偿量，计算公式为：

本发明还提供一种实现所述基于相位噪声优化接收性能的方法的系统，包括：

数据均衡模块：用于从第一个符号开始，对接收到的数据符号进行数据均衡；

公共相位噪声计算补偿模块：基于数据子载波内插入的导频信息对公共相位噪声进行计算和补偿；

解映射模块：用于解映射，获取理想的星座点位置；

载波相位噪声估计和补偿模块：用于计算载波相位噪声，对数据均衡后的符号进行补偿；

迭代输出模块：用于按顺序循环执行各个模块，直到所有符号迭代完成，将补偿后的符号数据输出给后级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用相位噪声提升解调性能和精度，在解调当前符号后，利用解调后的软信息估计相位噪声，以此预测下一个符号的相位噪声，在下一个符号解调前进行相位噪声补偿，纠正信号相位噪声引起相位旋转的不利影响。通过在符号间不断迭代和补偿相位噪声，可将相位噪声带来的影响降到最低，提升了综测仪分析DUT信号性能的精确性和稳定性；使用导频相位信息完成公共相位噪声计算和补偿，使用符号间迭代完成载波相位噪声计算和补偿，达到提升接收性能的结果。

附图说明

图1为现有技术综测仪分析方法示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为相位噪声理想状态和实际情况对比示意图；

图4为现有技术接收信号星座图分析示意图；

图5为图4右上角放大示意图；

图6为现有技术接收信号EVM VS子载波序号示意图；

图7为本发明接收信号完成相位噪声补偿后星座图分析示意图；

图8为图7右上角放大示意图；

图9为本发明接收信号完成相位噪声补偿后EVM VS子载波序号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于相位噪声优化接收性能的方法，尤其涉及综测仪分析802.11a/g/n/ac/ax/be标准的Wi-Fi信号基于相位噪声优化接收性能的方法。

如图1和图2所示，这是综测仪作为测试仪分析802.11系统(11a/g/n/ac/ah/ax/be)信号的模块和流程，本发明在均衡之前和解映射之后皆可使用传统信号处理方式，均衡之后和解映射之间，引入相位噪声估计和相位噪声补偿两个模块，结合原流程共同分析接收信号。本发明主要包括五个模块：数据均衡、相位噪声补偿、导频相位跟踪与补偿、采样偏估计与补偿、解映射、相位噪声计算，其中数据均衡之前的操作为信号解析的常规过程，包括同步、频偏估计和补偿、训练序列信道估计等进行了缺省，这些方法在业界也是明确和通用的，解映射之后为信号解扰译码计算各指标性能，也是规定好的方式，都不做缀叙。

以下结合附图对本发明进行说明，应当理解，此处所作的描述仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

相位噪声是由射频器件引入的，表现为子载波之间的相互干扰，如图3左边所示，理想状态下的信号分布所有能量都集中在频点f_c上，但在实际传输中器件存在精度问题，射频链路在发射端和接受端都会出现能量泄漏，如图3右边所示，泄漏到相邻子载波的能量称为相位噪声，在接收机实际表现为与相位相关的复信号干扰。在OFDM系统中，多个子载波之间就存在相互间的噪声干扰，且子载波数越多，子载波间隔越小，相位噪声的影响越明显。

相位噪声可以表示为一个随时间变化的值，那么收发信号端在相位噪声影响下的模型如下所示：

其中x(t)表示基带信号，θ(t)表示系统的相位噪声。

受相位噪声影响后的符号数据表示为y(t)，由于相位噪声较小，那么

y(t)＝x(t)*e^k*θ(t)≈x(t)*(1+k*θ(t))

其中，k为子载波序号。

y(n)表示y(t)上一个符号周期，也是傅里叶变换周期，n是时域采样点序列，Y(m)表示y(t)的频域，x(n)表示x(t)上关联于y(n)的符号周期，用X(m)表示x(n)的频域。n为傅里叶变换周期时域采样点序号，m为傅里叶变换周期频域子载波序号，那么，

用E(m)表示相位噪声误差项，那么

Y(m)≈X(m)+E(m)

那么接收端性能优化的目标函数为约束和补偿E(m)。考虑Y(m)某一个确定子载波s_k所受的相位噪声影响，则有

E(m)＝E_m＝k(k)+E_m≠k(k)

其中m＝k部分称为公共相位噪声(CPE),展开后为：

m≠k部分称为载波相位噪声(ICI)，展开后为：

其中Δθ为θ(n)的平均，将E_m＝k(k)部分称为公共相位噪声部分，这部分可以通过导频的相位跟踪方式来补偿。将E_m≠k(k)部分成为载波相位噪声部分，这部分可以通过符号间迭代的过程进行消除。

本发明实现相位噪声优化接收性能的方法流程如图2所示，已经将输入模块和输出模块隐藏。其中输入为接收信号符号频域消息和信道估计值，以下对各个流程进行详细说明。

步骤1：数据均衡，从第一个符号开始。在接收信号中，数据符号s的频域表示为Y_s＝[Y_s,0,Y_s,1,…,Y_s,K-1]，K为接收信号子载波总数。使用接收信号的数据训练序列与理想状态的训练序列完成相应的信道估计，信道估计过程使用通用方法，信道估计值记为H＝[H₀,H₁,…,H_K-1]。数据符号s均衡后的结果表示为

均衡方法如下：

步骤2：公共相位噪声计算和补偿

公共相位噪声补偿需要利用到数据子载波内插入的导频信息。

的导频子载波记为

数据子载波记为

导频子载波在发送端和接收端的数据是已知的，取值只有±1。用

表示符号s序号i的导频子载波，Y_{s,pilot_i}表示序号i上的导频子载波的理想值，Loc_{s,pilot_i}为序号i的导频

所在频域子载波序号，K_pilot为导频个数，∠为求角度。

在

k是子载波序号，需要进行相应的统计，由于导频具有依照中心频率对称的特性，正负部分会相互抵消，那么可以变换为：

其中Δθ₁表示为所有导频子载波的整体相位偏移，Δθ₂为所有导频子载波相关于子载波序号的相位偏移，计算方法如下：

也就是说，使用导频可以计算到导频处的补偿值

即

的补偿方式为，对其中分量

的补偿方式为：

本步骤中，Δθ₁的计算和补偿也就是导频相位跟踪和补偿，

的计算和补偿也就是采样偏跟踪和补偿。

步骤3：解映射

解调为调制的逆过程，根据

星座点位置和调制方式，在调制方式对应的星座图上，利用格雷映射的特点，使用二分法求得理想的星座点位置Z_s,k。其中表示符号s，k为子载波序号，目标函数为

步骤4：载波相位噪声估计和补偿

步骤4.1当符号s＝1时，因为没有前置符号，因此不需要进行补偿，即补偿量

步骤4.2计算符号s＝1的载波相位噪声，对每个子载波分别计算，计算方式为：

步骤4.3当符号s>1时，在步骤1和步骤2之间，对符号s数据均衡后的结果

进行补偿，补偿方式为：

为前一个符号计算到的载波相位噪声。

步骤4.4当符号s>1时，根据步骤4.3的结果，计算当前符号s的载波相位补偿相位值，计算公式为：

然后更新下一个符号s+1的补偿量，计算公式为：

步骤5：重复步骤1到步骤4，直到所有符号迭代完成，将补偿后的符号数据

送入后续流程进行分析。

使用本发明的方法和系统后得到对应的分析结果如图4-9所示，其中，改进前的接收信号的星座图分析如图4和图5所示，采用本发明方法后，完成相位噪声补偿后星座图分析如图7和图8所示，可见，星座图的分布明显改善。改进前的接收信号EVM VS子载波序号如图6所示，采用本发明方法后，接收信号完成相位噪声补偿后EVM VS子载波序号图9所示，可见其接收性能得到明显提升。

本发明适用协议为802.11a/g/n/ac/ax/be，不限带宽和传输天线流数，或者不同的Wi-Fi模式，只要确定好所有子载波位置和导频位置及信息即可采用本发明的方法。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于相位噪声优化接收性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：数据均衡：从第一个符号开始，对接收到的数据符号进行数据均衡；

S2：基于数据子载波内插入的导频信息对公共相位噪声进行计算和补偿；

S3：解映射，获取理想的星座点位置；

S4：利用接映射后的信息进行载波相位噪声估计，预测下一个符号的载波相位噪声，对数据均衡后的下一个符号进行补偿；

S5：循环执行步骤S1到步骤S4，直到所有符号迭代完成，将补偿后的符号数据输出给后续流程。

2.根据权利要求1所述的基于相位噪声优化接收性能的方法，其特征在于：步骤S1中，在接收信号中，数据符号s的频域表示为Y_s＝[Y_s,0,Y_s,1,…,Y_s,K-1]，K为接收信号子载波总数，使用接收信号的数据训练序列与理想状态的训练序列完成相应的信道估计，信道估计值记为H＝[H₀,H₁,…,H_K-1]，数据符号s均衡后的结果表示为

均衡后的数据计算公式为：

3.根据权利要求2所述的基于相位噪声优化接收性能的方法，其特征在于：步骤S2中，对公共相位噪声E_m＝k(k)进行计算和补偿的方法为：

其中，k是子载波序号，Δθ₁表示为所有导频子载波的整体相位偏移的平均值，Δθ₂为所有导频子载波相关于子载波序号的相位偏移，计算公式如下：

使用导频计算到导频处的补偿值

对

的其中分量

的补偿公式为：

4.根据权利要求3所述的基于相位噪声优化接收性能的方法，其特征在于：Δθ₁的计算和补偿为导频相位跟踪和补偿，

的计算和补偿为采样偏跟踪和补偿。

5.根据权利要求4所述的基于相位噪声优化接收性能的方法，其特征在于：步骤S4中，载波相位噪声估计和补偿的方法为：

步骤S41：当符号s＝1时，因为没有前置符号，因此不需要进行补偿，即补偿量

步骤S42：计算符号s＝1的载波相位噪声，对每个子载波分别计算，计算方式为：

步骤S43：当符号s>1时，在步骤S1和步骤S2之间，对符号数据均衡后的结果

进行补偿，补偿方式为：

为前一个符号计算到的载波相位噪声；

步骤S44：当符号s>1时，根据步骤S43的结果，计算当前符号s的载波相位补偿相位值：

然后更新下一个符号s+1的补偿量，计算公式为：

6.一种实现权利要求1-6任一项所述的基于相位噪声优化接收性能的方法的系统，其特征在于，包括：

数据均衡模块：用于从第一个符号开始，对接收到的数据符号进行数据均衡；

公共相位噪声计算补偿模块：基于数据子载波内插入的导频信息对公共相位噪声进行计算和补偿；

解映射模块：用于解映射，获取理想的星座点位置；

载波相位噪声估计和补偿模块：用于计算载波相位噪声，对数据均衡后的符号进行补偿；迭代输出模块：用于按顺序循环执行各个模块，直到所有符号迭代完成，将补偿后的符号数据输出给后级。

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