CN1138389C - 一种帧同步和均衡系数校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从信道均衡系数中提取相角信息进行帧同步和均衡系数校正的方法。包括：将整个信道按频谱等分成N个子信道；对各子信道进行自适应频域均衡设计，用W(k)作为第k号子信道的频域均衡系数；从各子信道的频域均衡系数中提取相位偏差信息；进行相角差分离处理，分成由同步符号帧中整数个样点引起的相角差和残余相角差；按整数个样点值进行同步符号帧移位校正，按残余相角差设计旋转因子和对频域均衡系数进行旋转校正。

Description

一种帧同步和均衡系数校正的方法

技术领域

本发明涉及一种数据通讯技术，更确切地说是涉及一种在数据通讯技术领域采用编码正交频分复用(COFDM：Coded Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)调制解调方法时的信道特性补偿和时钟恢复技术。

背景技术

在现代数据通讯技术领域中，信道处理是最为核心的问题之一。信号经过信道传输后，信号的幅度与相位都将发生变化，且变化的大小与信号的频率有关，一般来说，信号频率越高，信号经过信道传输后的幅度衰减越大、相位滞后也越厉害。信道的这种频率选择性，给数据的调制解调带来极大的困扰。信道均衡技术就是用于消除信道的这种频率选择性的，不同频率的信号在经过均衡处理后，可具有大小基本一致的幅度衰减与相位滞后。

在信道处理技术中，已越来越广泛地使用COFDM调制解调方法，该调制解调方法是将整个信道按频率划分成多个子信道，每个子信道的载波信号相互正交，当所划分的子信道数大到一定数目时，对于每一个具体的子信道来说，该子信道的频谱特性可认为是平坦的，即在该子信道频率带宽内传输的信号，其幅度衰减和相位滞后大小基本一致。基于这种分析，人们采用单个复数抽头系数来表示各个子信道的频谱特性，用该复数抽头系数的模来表示子信道的幅度衰减或称放大系数，该复数抽头系数的相角则表示子信道的相位滞后大小。

系统同步也是现代数据通讯技术领域中最为核心的问题之一，该同步从技术上讲就是符号帧的同步。符号帧的同步包括两方面的内容：一是数据通讯的接收端与发送端处理数据符号的速率一致：二是在接收端需准确地定位出由发送端所发送符号帧的帧头与帧尾。

在进行数据通讯时，由于接收端与发送端的晶振不可能完全相等，事实上也难于做到接收端与发送端间符号帧的完全同步，当发生符号帧的同步偏差时，接收端对符号帧的帧头与帧尾的定位也必然发生偏差，这种符号帧定位偏差对接收数据的影响，就是给接收到的数据带来了一定的相位滞后或相位超前。采用帧同步技术就是将符号帧定位的误差控制到一个很小的范围内，使由同步误差带来的接收数据的相位滞后或相位超前尽可能地缩小在一个可以被接受的范围内。

在数据通讯技术领域中，人们长期以来是将信道均衡技术与帧符号同步技术分别作为两个相对独立的技术来对待，即信道均衡是相对于信道特性补偿而言，而帧同步是相对接收端与发送端符号帧的传送快慢与定位而言。目前的帧同步采用相关计算的方法，与其它已有的同步方法一样存在计算量大、同步偏差得不到及时纠正的缺点；而目前一般的频域均衡系数的修正是通过判决后的误差进行，是一种反馈方式的系数修正。在实际应用中，信道均衡技术与帧符号同步技术也是各自独立地完成自己的任务。对于独立的符号帧同步控制来说，其同步控制的精度为一个数据样点，因此对于小于一个数据样点的偏差就不能得到恰当处理。对于信道均衡来说，由于其着眼点在于对信道畸变特性的补偿，当符号帧同步偏差达到一定程度时将引起频域均衡失效，使误码率陡升。因此，将信道均衡技术与帧符号同步技术分别作为两个相对独立的技术来对待的结果就是带来数据相位滞后、控制精度不高和误码率升高的问题。

发明内容

本发明的目的是设计一种帧同步和均衡系数校正的方法，将信道均衡技术与符号帧同步技术相结合，综合实现对信道特性畸变和帧符号同步误差进行补偿和纠正的应用，尽可能缩小接收数据的同步偏差，保证符号帧同步的精度与频域均衡的正确性及有效性，并且具有良好的抗干扰性。

本发明的目的是这样实现的：一种帧同步和均衡系数校正的方法，是一种从信道均衡系数中提取相角信息进行帧同步和均衡系数校正的方法，包括：

对采用编码正交频分复用调制解调的数据通讯系统，将整个信道按频谱等分成N个子信道，各个子信道的载波信号相互正交，N为正整数；

对各子信道进行自适应频域均衡设计，用W(k)作为第k号子信道的频域均衡系数；

从各子信道的频域均衡系数中提取因同步符号帧定位偏差引起的相位偏差信息；

对提取的相位偏差信息进行相角差分离处理，将相邻子信道的相角差分成由同步符号帧中整数个样点错位引起的相角差和去掉同步符号帧中整数个错位样点引起的相角差后的残余相角差；

按所得到的相角差分离信息进行频域均衡系数校正和系统同步，包括按得到整数个错位样点的相角差进行符号帧移位校正；按移位整数个样点后的残余相角差设计旋转因子；和按旋转因子对频域均衡系数进行旋转校正。

所述的从各子信道的频域均衡系数中提取同步符号帧定位偏差引起的相位偏差信息为ΔΦ_k＝Φ_k+1-Φ_k，k与k+1是两相邻子信道号，第k号子信道的频域均衡系数由实部a_k与虚部b_k组成，表示为W(k)＝a_k+jb_k，其相角为 ${\mathrm{\Φ}}_k=\mathrm{arctg}\frac{b_k}{a_k},$ 第k+1号子信道的频域均衡系数由实部a_k+1与虚部b_k+1组成，表示为W(k+1)＝a_{k +1}+jb_k+1，其相角为 ${\mathrm{\Φ}}_{k+1}=\mathrm{arctg}\frac{b_{k+1}}{a_{k+1}},$ a、b是任意实数。

所述的从各子信道的频域均衡系数中提取同步符号帧定位偏差引起的相位偏差信息也可平均处理为 $\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{\mathrm{\Σ\Δ\φi}}{N},$ 其中i子信道号为0，1，......N。

所述的由同步符号帧中整数个样点错位引起的相角差按Φ_n＝ $\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{\mathrm{\Δf}})\×\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}$ 取整数求出；去掉同步符号帧中整数个错位样点引起的相角差后的残余相角差按 ${\mathrm{\Φ}}_d=\mathrm{\Δ\Φ}-\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{\mathrm{\Δ}{f}_3})\×\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}$ 取整数求出；相邻子信道的相位偏差信息按ΔΦ＝Φ_n+Φ_d，并按 $n=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{2\mathrm{\π}})$ 取整数求出符号帧错位的整数个样点数n，Δf为子信道的带宽，f_s为通讯系统的采样频率。

所述的按得到整数个错位样点的相角差进行符号帧移位校正是按符号帧错位的整数个样点数n的正负进行的，n为正整数时将同步符号帧后移n个点，n为负整数时将同步符号帧前移n个点。

所述的按移位整数个样点后的残余相角差设计旋转因子，是按所述的去掉同步符号帧中整数个样点错位引起的相角差后的残余相角差Φ_d设计旋转因子，为cos(-Φ_d)+jsin(-Φ_d)，再利用该旋转因子与频域均衡器的各抽头系数相乘来实现均衡系数的校正。

所述的对各子信道进行自适应频域均衡设计，是选择最小均方差算法作为第k号子信道的频域均衡系数W(k)训练和修正的自适应算法。

本发明对频域均衡系数的修正同时采用两种方式，即反馈方式和前馈方式。反馈方式是将判决后的误差反馈作频域均衡系数W(k)的修正；前馈方式是利用频域均衡系数的相角偏差信息对数据和频域均衡系数W(k)作修正。同时采用两种方式的优点是：不但能纠正信道处理错误，还能预防错误。

附图说明

图1是信道频域均衡的实现过程框图；

图2是本发明方法对信道均衡与帧同步协调处理的流程框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。

参见图1，图中示出信道自适应频域均衡的实现过程。由于数据通讯系统采用COFDM调制解调方法，整个信道可按频谱等分成N个子信道，各个子信道的载波信号相互正交。对信道进行自适应频域均衡(FEQ)设计时，将N个子信道的输入数据表示为Y(0)、Y(1)、Y(2)......Y(N-1)，N个子信道的输出数据表示为X(0)、X(1)、X(2)......X(N-1)，N个子信道的频域均衡系数表示为W(0)、W(1)、W(2)......W(N-1)，对k号子信道而言，其输入数据为Y(k)，其输出数据为X(k)，其频域均衡系数为W(k)，选择最小均方差(LMS)算法作为第k号子信道频域均衡系数W(k)训练和修正的自适应算法。对任一子信道频域均衡系数W(k)的修正是以判决后的误差再通过反馈方式进行，如图中箭头所示。显然，频域均衡系数可同时反映信道特性和累加的帧同步偏差。

值得注意的是：当信道相位滞后和符号同步帧偏差大到使某一个子信道的均衡系数的相角超过一个周期(360度)时，频域均衡将不可避免地出现差错。

参见图2的信道均衡和帧同步协调机制流程，图中示出整个频域均衡和符号帧协调解决累积帧同步偏差的过程，是一个不断循环进行的过程。包括：步骤25，对经过频域均衡处理的数据计算各子信道频域均衡系数的相角，即复数抽头系数的相角；步骤26，从计算的各复数抽头系数的相角中提取整数个相位偏差样点值，用于调整符号帧的帧头与帧尾；步骤24，从计算的各复数抽头系数的相角中提取提取了整数个样点值后的残余相差；步骤21，根据由步骤24提供的提取了整数个样点值后的残余相差对频域均衡系数进行旋转校正；步骤22，进行频域均衡处理；步骤23，经均衡判决后输出均衡后数据。

实现本发明的方法首先需提取同步符号帧的定位偏差信息。

图1中第k号子信道的复数抽头系数可表示为：W(k)＝a_k+jb_k，其中a_k和b_k分别为该复数抽头系数的实部与虚部。

令该复数抽头系数的模为A_k，复数抽头系数的相角为Φ_k，显然有： $A_k=\sqrt{a_k^2+b_k^2}\•\mathrm{\φk}=\mathrm{arctg}\left(\frac{b_k}{a_k}\right),$

其中复数抽头系数的相角Φ_k包含有两部分相位滞后信息：一部分为信道相位滞后，表示为θ_k；另一部分为同步帧偏差产生的累加偏差，表示为Ψ_k，用数字式表示为：Φ_k＝θ_k+Ψ_k。

对于相邻的子信道，一般可近似地认为因信道引起的幅度及相位的变化基本上相同，即可用近似关系式表示为A_k＝A_k+1，θ_k＝θ_k+1。设通讯系统的采样频率为f_s，第k子信道的载波频率为f_k，则当通讯时，若符号帧发生一个数据样点的错位，则在第k子信道产生的相位偏差为 $\frac{f_k\×2\mathrm{\π}}{f_s},$ 对于COFDM调制解调系统，由于信道频谱被等分成N个子信道，因而，f_k＝k×Δf，其中，Δf为每一子信道的带宽，则当同步符号帧出现一个数据样点的偏差时，在第k子信道产生的累加相角偏差又可表示为： ${\mathrm{\Ψ}}_k=\frac{k\×\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}.$

设任意两相邻子信道k与k+1的相角差为ΔΦ_k，

ΔΦ_k＝Φ_k+1-Φ_k＝(Ψ_k+1+θ_k+1)-(Ψ_k+θ_k)

因为有近似关系θ_k+1＝θ_k，故上式可表示为：

ΔΦ_k＝Φ_k+1-Φ_k＝Ψ_k+1-Ψ_k

因而相邻的k与k+1两子信道的相角差为： ${\mathrm{\Δ\Φ}}_k={\mathrm{\Φ}}_{k+1}-{\mathrm{\Φ}}_k=\frac{(k+1)\×\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}-\frac{k\×\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}=\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}.$

从上式第k与k+1两相邻子信道的相角差可以总结出：任意两相邻子信道的相角差是一常数，与子信道号无关；且相邻两子信道的相角差来自于同步符号帧的定位偏差。

本发明在获得了因同步符号帧定位偏差引起的相角差信息后，就可采用一定的方法对其进行纠正，使数据通讯在较高的精度下进行，避免由于符号帧定位引起的相角偏差达到一定程度时，引起频域均衡的误判决，导致通讯出错。

通过前述分析，本发明的利用频域均衡系数提取符号同步帧偏差相位信息并对通讯系统进行校正的步骤可总结为：

(1)从各子信道的频域均衡系数中提取由符号帧定位偏差引起的相角偏差信息，其计算过程可表示为：

令第k号子信道的复数抽头系数为W(k)＝a_k+jb_k，其相角为 ${\mathrm{\φ}}_k=\mathrm{arctg}\frac{b_k}{a_k},$

令与其相邻的第k+1号子信道的复数抽头系数为W(k+1)＝a_k+1+jb_k+1，其相角为 ${\mathrm{\φ}}_{k+1}=\mathrm{arctg}\frac{b_{k-1}}{a_{k+1}},$

则因符号帧定位偏差引起的相角差可提取为ΔΦ_k＝Φ_k+1-Φ_k，

考虑抗干扰性，该相角差的提取也可以平均处理为 $\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{\mathrm{\Σ\Δ\φi}}{N},$ 其中i＝0，1，......N；

(2)对由步骤(1)得到的相角差信息进行处理，将所提取的相邻子信道的相角差分成两部分，一部分为符号帧中整数个样点错位引起的相差，另一部分为去掉符号帧中整数个错位样点引起的相差后的残余相差，即相邻子信道的偏差可表示为ΔΦ＝Φ_n+Φ_d(n为整数，d为任意实数)其中，符号帧中整数个样点错位引起的相差为： ${\mathrm{\Φ}}_n=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{\mathrm{\Δf}})\×\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s},$

去掉符号帧中整数个错位样点引起的相差后的残余相差为： ${\mathrm{\Φ}}_d=\mathrm{\Δ\Φ}-\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{\mathrm{\Δf}})\×\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}$

式中int(.)表示取整数，且令符号帧错位的样点数n为： $n=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{2\mathrm{\π}});$

(3)按步骤(2)获得的相角差的分离信息，进行系统同步，即按得到的因相差引起的整数个样点进行符号帧移位校正，所获得的n可为正整数或负整数，移位方向取决于该整数的正、负，若为正整数则将符号帧后移n点，若为负整数则将符号帧前移n点；按移位整数个样点后的残余相差设计成旋转因子，即根据步骤(2)获得的Φ_d设计旋转因子：cos(-Φ_d)+jsin(-Φ_d)；用得到的旋转因子对频域均衡器的各抽头系数进行旋转校正-相乘，使频域均衡系统准确运行。

本发明的方法适用于符号帧同步偏差的变化比较缓慢的通讯系统中，用于实现对信道特性畸变和帧符号同步误差进行补偿和纠正。

Claims (7)

1.一种帧同步和均衡系数校正的方法，从信道均衡系数中提取相角信息进行帧同步和均衡系数校正，包括：

对采用编码正交频分复用调制解调的数据通讯系统，将整个信道按频谱等分成N个子信道，各个子信道的载波信号相互正交，N为正整数；

对各子信道进行自适应频域均衡设计，用W(k)作为第k号子信道的频域均衡系数；

从各子信道的频域均衡系数中提取因同步符号帧定位偏差引起的相位偏差信息；

对提取的相位偏差信息进行相角差分离处理，将相邻子信道的相角差分成由同步符号帧中整数个样点错位引起的相角差和去掉同步符号帧中整数个错位样点引起的相角差后的残余相角差；

按所得到的相角差分离信息进行频域均衡系数校正和系统同步，包括按得到整数个错位样点的相角差进行符号帧移位校正；按移位整数个样点后的残余相角差设计旋转因子；和按旋转因子对频域均衡系数进行旋转校正。

2.根据权利要求1所述的一种帧同步和均衡系数校正的方法，其特征在于：所述的从各子信道的频域均衡系数中提取同步符号帧定位偏差引起的相位偏差信息为ΔΦ_k＝Φ_k+1-Φ_k，k与k+1是两相邻子信道号，第k号子信道的频域均衡系数由实部a_k与虚部b_k组成，表示为W(k)＝a_k+jb_k，其相角为 ${\mathrm{\Φ}}_k=\mathrm{arctg}\frac{b_k}{a_k},$ 第k+1号子信道的频域均衡系数由实部a_k+1与虚部b_k+1组成，表示为W(k+1)＝a_{k+ 1}+jb_k+1，其相角为 ${\mathrm{\Φ}}_{k+1}=\mathrm{arctg}\frac{b_{k+1}}{a_{k-1}},$ a、b是任意实数。

3.根据权利要求1所述的一种帧同步和均衡系数校正的方法，其特征在于：所述的从各子信道的频域均衡系数中提取同步符号帧定位偏差引起的相位偏差信息也可平均处理为 $\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{\mathrm{\Σ\Δ\φi}}{N},$ 其中i子信道号为0，1，......N。

4.根据权利要求1所述的一种帧同步和均衡系数校正的方法，其特征在于：所述的由同步符号帧中整数个样点错位引起的相角差按Φ_n＝ $\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{\mathrm{\Δf}})\×\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}$ 取整数求出；去掉同步符号帧中整数个错位样点引起的相角差后的残余相角差按 ${\mathrm{\Φ}}_d=\mathrm{\Δ\Φ}-\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{\mathrm{\Δf}})\×\frac{\mathrm{\Δf}\×2\mathrm{\π}}{f_s}$ 取整数求出；相邻子信道的相位偏差信息按ΔΦ＝Φ_n+Φ_d，并按 $n=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{2\mathrm{\π}})$ 取整数求出符号帧错位的整数个样点数n，Δf为子信道的带宽，f_s为通讯系统的采样频率。

5.根据权利要求1所述的一种帧同步和均衡系数校正的方法，其特征在于：所述的按得到整数个错位样点的相角差进行符号帧移位校正是按符号帧错位的整数个样点数n的正负进行的，n为正整数时将同步符号帧后移n个点，n为负整数时将同步符号帧前移n个点。

6.根据权利要求1所述的一种帧同步和均衡系数校正的方法，其特征在于：所述的按移位整数个样点后的残余相角差设计旋转因子，是按所述的去掉同步符号帧中整数个样点错位引起的相角差后的残余相角差Φ_d设计旋转因子，为cos(-Φ_d)+jsin(-Φ_d)，再利用该旋转因子与频域均衡器的各抽头系数相乘来实现均衡系数的校正。

7.根据权利要求1所述的一种帧同步和均衡系数校正的方法，其特征在于：所述的对各子信道进行自适应频域均衡设计，是选择最小均方差算法作为第k号子信道的频域均衡系数W(k)训练和修正的自适应算法。

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