CN114338334A - 一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，属于高频无线通信技术领域。本发明实现方法为：在OFDM系统中，传输的数据符号为正交幅度调制信号，插入的伪码导频分量为采用循环码移位键控方式调制生成的携带信息的伪随机序列，伪随机序列即为PN码。根据PN码良好的自相关特性，在接收端对PN码进行捕获来恢复发送的PN序列，同时得到PN码的相关峰位置信息和极性信息，根据恢复得到的PN码将接收到导频分量进行归一化后得到相位噪声的相角估计值，用于数据符号的相位噪声补偿。本发明的导频分量既能估计相位噪声，自身又携带数据信息，提高频谱利用率，使得高频OFDM系统在降低信号中相位噪声的同时充分利用频谱资源。
Description
技术领域
本发明涉及OFDM系统中相位噪声处理方法，尤其涉及一种减小高频无线信号中的相位噪声的方法，属于高频无线通信技术领域。
技术背景
随着卫星通信、导航、雷达、遥感、电子对抗等系统的快速发展，工作频段逐渐向毫米波频段，乃至太赫兹频段搬移。然而，随着工作频率的升高，由于硬件的不理想性所产生的相位噪声越来越不容忽视。在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。相位噪声对系统施加的影响可以分为两个部分，一个是公共相位误差(Common Phase Error，CPE)，该部分使得星座点会有共同相位旋转；第二部分是载波间干扰(Inter-Carrier-Interference，ICI)，该部分使得星座点向四周发散。相位噪声中的CPE部分，在低频系统中比较容易进行估计与补偿，但是相位噪声在高频部分以较高的信噪比工作的系统下会导致显著的性能恶化，那么减小CPE在高频系统中可能效果有限。正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统在实际中应用广泛，有大量的文献对OFDM系统的相位噪声估计补偿方法进行了研究。然而现有的OFDM系统相位噪声估计与补偿方法存在结构复杂，实现复杂度高等问题，以插入已知导频分量的方式的OFDM系统的相位噪声补偿方法需要牺牲部分频谱来达到降低信号中相位噪声的目的。在此情况下，基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法在OFDM系统的子载波上插入伪码导频，伪码导频在实现相位噪声估计补偿的同时还携带数据信息，节省了部分频谱资源，是进行无线高速信号相位噪声估计与补偿的一种有效方式。
发明内容
本发明公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法的目的是：通过在正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)OFDM系统的子载波上插入伪码导频的方式对相位噪声进行估计，根据此估计值对其他子载波的数据符号进行相位噪声补偿；有效解决相位噪声在高频部分以较高的信噪比工作的系统下会导致显著性能恶化的问题，伪码导频同时会携带部分数据信息，使得高频OFDM系统在降低信号中相位噪声的同时充分利用频谱资源。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：
本发明公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，在OFDM系统中，传输的数据符号为正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)信号，插入的伪码导频分量为采用循环码移位键控方式CCSK调制生成的携带信息的伪随机序列，所述伪随机序列即为PN码。根据PN码良好的自相关特性，在接收端对PN码进行捕获来恢复发送的PN序列，同时得到PN码的相关峰位置信息和极性信息，根据恢复得到的PN码将接收到导频分量进行归一化之后得到相位噪声的相角估计值，将所述相角估计值用于数据符号的相位噪声补偿。根据PN码的相关峰位置信息和极性信息恢复解调得到导频分量所携带的数据信息。导频分量既能估计相位噪声，自身又携带数据信息，提高频谱利用率，使得高频OFDM系统在降低信号中相位噪声的同时充分利用频谱资源。
本发明公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，包括如下步骤：
步骤1、发送端生成调制方式为MQAM、速率为R的数据符号，并采用循环码移位键控方式CCSK调制生成速率为R、扩频比为L的携带信息的导频分量，所述导频分量为PN码。将PN码和经过串并转换后的数据符号进行子载波映射。经过子载波映射后的信号做N点逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)并进行并串转换后形成OFDM符号发送出去。
采用循环码移位键控方式CCSK调制生成速率为R、扩频比为L的携带信息的导频分量具体实现方法为：将单个M比特信息的最高位作为符号位，所述符号位表示正负两种极性，其余位作为PN码进行循环移位的位置，采用循环码移位键控方式生成携带信息的导频分量。
步骤2、步骤1中发送的OFDM符号进行上变频，然后经过信道传输至自由空间。
所述上变频过程是由本振模块产生本地载波，其载波复数形式为：
其中，f为本地载波频率，单位为GHz，
为k时刻上变频本振模块产生的相位噪声。所述相位噪声
建模为维纳过程，其离散形式为：
其中，初始条件
式中n表示相位噪声每个取样点的时刻，
是相位噪声相邻两个取样点间的增量，建模成均值为零且方差为
的高斯随机变量。
步骤3、接收端接收到步骤2发送的信号后进行正交下变频，经过下变频的信号做串并转换，再做N点快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)得到并行的导频分量和数据符号。
所述正交下变频载波的复数形式为：
其中，f为本地载波频率，单位为GHz，
为k时刻下变频本振模块产生的相位噪声。所述相位噪声
建模为维纳过程，其离散形式为：
其中，初始条件
式中n表示相位噪声每个取样点的时刻，
是相位噪声相邻两个取样点间的增量，建模成均值为零且方差为
的高斯随机变量。
步骤4、将步骤3中的并行数据经过子载波映射后，得到两路信号，一路为导频分量，另一路为数据符号。将导频分量与本地伪码相关进行捕获，得到I路信号和Q路信号的相关峰值的位置信息和极性信息。
所述捕获得到I路信号和Q路信号的相关峰值的位置信息和极性信息，实现方法为：将I路信号和Q路信号取模做G点FFT后与本地PN码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，检测相关峰值位置，同时，分别对I路信号和Q路信号做G点的FFT后与本地PN码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，然后取I路信号和Q路信号对应相关峰值位置处的相关峰值1和相关峰值2，极性信息由相关峰值1得到。
步骤5、根据步骤4捕获得到的相关峰位置信息和极性信息恢复导频分量携带的数据信息，得到的相关峰值1和相关峰值2用鉴相器进行鉴相，鉴相的结果作为相位噪声的估计值补偿到数据符号中，将补偿的数据符号进行并串转换得到数据信息，即根据相位噪声的估计值对其他子载波的数据符号进行相位噪声补偿。
根据步骤4捕获得到的相关峰位置信息和极性信息恢复导频分量携带的数据信息，具体实现方法为：利用所述极性信息恢复解调出步骤1中导频分量所携带的每个M比特信息的最高位，利用所述位置信息恢复解调出步骤1中导频分量所携带每个M比特信息的其余位，即采用循环码移位键控方式恢复解调出步骤1中导频分量携带信息。
所述鉴相器是基于反正切的鉴相器，其输出为相位的最大似然估计。鉴相器表达式如下式：
其中
为鉴相器输出，作为相位噪声的估计值，Icop(k)和Qcop(k)分别为k时刻的相关峰值1和相关峰值2。
作为优选，步骤1中发送的OFDM信号为s(k)，步骤3接收的信号表示为：
其中，
为信号经过下变频后受到的相位噪声影响，
η(k)为信道中的加性高斯白噪声。
步骤4中得到的一路导频分量为
根据PN码良好的自相关特性，进行捕获得到相关峰值1表示为Icop(k)，得到相关峰值2表示为Qcop(k)。求得估计的相位噪声的相角
并且补偿给另一路的数据符号得到数据信息
同时得到伪码导频携带的数据信息
有益效果：
1、本发明公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，在OFDM系统中，以插入伪码导频的方式来辅助估计并补偿数据信息的相位噪声，改善高频无线信号的相位噪声性能。
2、本发明公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，发送的伪码导频采用循环码移位键控方式生成，根据PN码良好的自相关特性在接收端易于恢复出来，并且携带数据信息，与现有OFDM系统相位噪声估计与补偿方法相比，使得OFDM系统在减低信号中相位噪声的同时充分利用频谱资源，提高频谱利用率，有效解决相位噪声在高频部分以较高的信噪比工作的系统下会导致显著性能恶化的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法的流程图；
图2为本发明实施例1中的补偿相位噪声前的16QAM星座图；
图3为本发明实施例1中的伪码导频IQ两路的相关峰对比图；
图4为本发明实施例1中的补偿相位噪声后的16QAM星座图；
图5为本发明实施例1中的补偿相位噪声前与补偿相位噪声后的误码率曲线对比图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，具体实现步骤如下：
步骤1、发送端生成调制方式为16QAM、速率为1Gsps的数据符号，并采用循环码移位键控方式CCSK调制生成速率为1Gsps、扩频比为16的携带信息的导频分量，所述导频分量为PN码，共有16个循环移位的位置，同时具有正负两种极性，那么，所述扩频比为16的导频分量每16个符号可以携带5比特的信息。将PN码和经过串并转换后的数据符号进行子载波映射。经过子载波映射后的信号做256点逆快速傅里叶变换(Inverse Fast FourierTransform，IFFT)并进行并串转换后形成OFDM符号发送出去。
采用循环码移位键控方式CCSK调制生成速率为1Gsps、扩频比为16的携带信息的导频分量具体实现方法为：将单个5比特信息的最高位作为符号位，所述符号位表示正负两种极性，其余位作为PN码进行循环移位的位置，采用循环码移位键控方式生成携带信息的导频分量。
步骤2、步骤1中发送的OFDM符号进行上变频，然后经过信道传输至自由空间。
所述上变频过程是由本振模块产生本地载波，其载波复数形式为：
其中，本地载波频率为70GHz，
为k时刻上变频本振模块产生的相位噪声。在70GHz的载频下，所述相位噪声
建模为维纳过程，其离散形式为：
其中，初始条件
式中n表示相位噪声每个取样点的时刻，
是相位噪声相邻两个取样点间的增量，建模成均值为零且方差为0.0001的高斯随机变量。
步骤3、接收端接收到步骤2发送的信号后进行正交下变频，经过下变频的信号做串并转换，再做256点快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)得到并行的导频分量和数据符号。
所述正交下变频载波的复数形式为：
其中，本地载波频率70GHz，
为k时刻下变频本振模块产生的相位噪声。在70GHz的载频下，所述相位噪声
建模为维纳过程，其离散形式为：
其中，初始条件
式中n表示相位噪声每个取样点的时刻，
是相位噪声相邻两个取样点间的增量，建模成均值为零且方差为0.0001的高斯随机变量。
如图2所示，为接收端补偿相位噪声前的16QAM数据符号星座图，星座点发散，信号难以解调。
步骤4、将步骤3中的并行数据经过子载波映射后，得到两路信号，一路为导频分量，另一路为数据符号。将导频分量与本地伪码相关进行捕获，得到I路信号和Q路信号的相关峰值的位置信息和极性信息。如图3所示，得到IQ两路的相关峰，I路的相关峰远大于Q路的相关峰，符合相位噪声相角的正余弦值的规律，其中，I路信号的相关峰值的极性可以作为发送PN码的极性信息。
所述捕获得到I路信号和Q路信号的相关峰值的位置信息和极性信息，实现方法为：将I路信号和Q路信号取模做16点FFT后与本地PN码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，检测相关峰值位置，同时，分别对I路信号和Q路信号做16点的FFT后与本地PN码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，然后取I路信号和Q路信号对应相关峰值位置处的相关峰值1和相关峰值2，极性信息由相关峰值1得到。
步骤5、根据步骤4捕获得到的相关峰位置信息和极性信息恢复导频分量携带的数据信息，得到的相关峰值1和相关峰值2用鉴相器进行鉴相，鉴相的结果作为相位噪声的估计值补偿到数据符号中，将补偿的数据符号进行并串转换得到数据信息，即根据相位噪声的估计值对其他子载波的数据符号进行相位噪声补偿，并得出数据信息的比特数。如图4所示，为补偿相位噪声后的16QAM数据符号星座图，显著减少相位噪声对信号的影响。
所述鉴相器是基于反正切的鉴相器，其输出为相位的最大似然估计。鉴相器表达式如下式：
其中
为k时刻鉴相器的输出，作为相位噪声的估计值，Icop(k)和Qcop(k)分别为k时刻的相关峰值1和相关峰值2。
如图5所示，将补偿前后的数据信息比特与发送的数据信息比特进行对比，绘制补偿相位噪声前与补偿相位噪声后的误码率曲线对比图。根据图5可以看出，在高频信号中，本发明对相位噪声的补偿能够极大地改善信号的相位噪声性能，显著改善信号的误码率。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1、发送端生成调制方式为MQAM、速率为R的数据符号，并采用循环码移位键控方式CCSK调制生成速率为R、扩频比为L的携带信息的导频分量，所述导频分量为PN码；将PN码和经过串并转换后的数据符号进行子载波映射；经过子载波映射后的信号做N点逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)并进行并串转换后形成OFDM符号发送出去；
步骤2、步骤1中发送的OFDM符号进行上变频，然后经过信道传输至自由空间；
步骤3、接收端接收到步骤2发送的信号后进行正交下变频，经过下变频的信号做串并转换，再做N点快速傅里叶变换FFT得到并行的导频分量和数据符号；
步骤4、将步骤3中的并行数据经过子载波映射后，得到两路信号，一路为导频分量，另一路为数据符号；将导频分量与本地伪码相关进行捕获，得到I路信号和Q路信号的相关峰值的位置信息和极性信息；
步骤5、根据步骤4捕获得到的相关峰位置信息和极性信息恢复导频分量携带的数据信息，得到的相关峰值1和相关峰值2用鉴相器进行鉴相，鉴相的结果作为相位噪声的估计值补偿到数据符号中，将补偿的数据符号进行并串转换得到数据信息，即根据相位噪声的估计值对其他子载波的数据符号进行相位噪声补偿。
2.如权利要求1所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：步骤1中，
采用循环码移位键控方式CCSK调制生成速率为R、扩频比为L的携带信息的导频分量具体实现方法为：将单个M比特信息的最高位作为符号位，所述符号位表示正负两种极性，其余位作为PN码进行循环移位的位置，采用循环码移位键控方式生成携带信息的导频分量。
3.如权利要求2所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：
所述上变频过程是由本振模块产生本地载波，其载波复数形式为：
其中，f为本地载波频率，单位为GHz，
为k时刻上变频本振模块产生的相位噪声；所述相位噪声
建模为维纳过程，其离散形式为：
其中，初始条件
式中n表示相位噪声每个取样点的时刻，
是相位噪声相邻两个取样点间的增量，建模成均值为零且方差为
的高斯随机变量。
4.如权利要求3所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：所述正交下变频载波的复数形式为：
其中，f为本地载波频率，单位为GHz，
为k时刻下变频本振模块产生的相位噪声；所述相位噪声
建模为维纳过程，其离散形式为：
其中，初始条件
式中n表示相位噪声每个取样点的时刻，
是相位噪声相邻两个取样点间的增量，建模成均值为零且方差为
的高斯随机变量。
5.如权利要求4所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：所述捕获得到I路信号和Q路信号的相关峰值的位置信息和极性信息，实现方法为：将I路信号和Q路信号取模做G点FFT后与本地PN码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，检测相关峰值位置，同时，分别对I路信号和Q路信号做G点的FFT后与本地PN码的FFT共轭相乘并做IFFT再取模，然后取I路信号和Q路信号对应相关峰值位置处的相关峰值1和相关峰值2，极性信息由相关峰值1得到。
6.如权利要求5所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：根据步骤4捕获得到的相关峰位置信息和极性信息恢复导频分量携带的数据信息，具体实现方法为：利用所述极性信息恢复解调出步骤1中导频分量所携带的每个M比特信息的最高位，利用所述位置信息恢复解调出步骤1中导频分量所携带每个M比特信息的其余位，即采用循环码移位键控方式恢复解调出步骤1中导频分量携带信息。
7.如权利要求6所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：所述鉴相器是基于反正切的鉴相器，其输出为相位的最大似然估计；鉴相器表达式如下式：
其中
为鉴相器输出，作为相位噪声的估计值，Icop(k)和Qcop(k)分别为k时刻的相关峰值1和相关峰值2。
8.如权利要求7所述的一种基于伪码导频的相位噪声估计与补偿方法，其特征在于：
步骤1中发送的OFDM信号为s(k)，步骤3接收的信号表示为：
其中，
为信号经过下变频后受到的相位噪声影响，
η(k)为信道中的加性高斯白噪声；
步骤4中得到的一路导频分量为
根据PN码良好的自相关特性，进行捕获得到相关峰值1表示为Icop(k)，得到相关峰值2表示为Qcop(k)；求得估计的相位噪声的相角
并且补偿给另一路的数据符号得到数据信息
同时得到伪码导频携带的数据信息
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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