WO2013071759A1

WO2013071759A1 - 一种相位噪声的估计方法、估计装置、接收机及通信设备

Info

Publication number: WO2013071759A1
Application number: PCT/CN2012/077675
Authority: WO
Inventors: 侯晓辉
Original assignee: 中兴通讯股份有限公司
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-05-23
Also published as: EP2782303A4; EP2782303A1; CN105471774A; US9094243B2; US20140334529A1; CN103117967A

Abstract

本发明提供了一种相位噪声的估计方法、估计装置、接收机及通信设备，其中，该相位噪声的估计方法包括：获取接收数据的均衡后符号r（k）对应的发送符号ã（k），其中，k=0，...，K-1，K为一帧接收数据包括的符号数目；根据r（k）和ã（k）获取公共相位噪声；根据r（k）、ã（k）和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。利用本发明的技术方案，能够有效的对相位噪声进行估计，从而对受到相位噪声影响的接收信号进行补偿，达到准确检测发射符号的目的，进而能够提高系统的性能。

Description

一种相位噪声的估计方法、估计装置、接收机及通信设备技术领域本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种相位噪声的估计方法、估计装置、接收机及通信设备。背景技术在无线通信中，常常由于发射机和接收机本振的不稳定性，使得载波信号不是单一频率的正弦波，这种不稳定性，通常用相位噪声来衡量。由于这个原因，在无线通信系统的载波频率比较高时，以及，在无线通信系统使用高阶的调制方式时，相位噪声的影响通常是不可忽略的。因此，接收机必须对整个链路引入的相位噪声进行估计，对受相位噪声影响的接收信号进行相噪补偿，以达到更加准确的检测发射数据符号的目的。目前进行相位噪声估计的方法，主要有以下几种：方法 1、利用锁相环对相位噪声进行跟踪，目前一般采用二阶锁相环。方法 2、将接收信号的时间分为多个时间片，将每个时间片内的相位噪声近似为常数，通过适当的统计算法来获得在特定时间片的相位平均值。方法 3、基于插值的算法：构造特殊的帧结构，比如，每一帧的首尾都有导频，先对每一帧数据的导频位置的相位噪声进行估计，帧内数据符号部分的相位噪声通过插值来实现。方法 4、基于信道和相位噪声的联合检测估计算法，此方法的复杂度非常高，信号处理的时延很大。上述的方法 1，锁相环需要一定的捕获时间才能锁定相位，造成相位噪声的补偿不及时。上述的方法 2~4，需要知道相位噪声的统计特性，相位噪声估计的准确度不高。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种相位噪声的估计方法、估计装置、接收机及通信设备，以提高相位噪声估计的准确度，从而提高接收机的接收性能。为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：一种相位噪声的估计方法，包括如下步骤：获取接收数据的均衡后符号 r^)对应的发送符号 )，其中， k = 0,...,K_\， K为一帧接收数据包括的符号数目；根据和 a(k")获取公共相位噪声；根据 r(A：)、和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。优选地，所述获取接收数据的均衡后符号 r(A:)对应的发送符号 ( ，包括：对 r(A:)进行硬判决，得到^; A); 或者对 r(A:)进行软判决，并对软判决结果进行重构得到 aik")。优选地，按照如下公式获取公共相位噪声：

其中， _g为公共相位噪声，（表示求共轭运算， arg( )表示求复数的辐角运算。优选地，按照如下公式获取残余相位噪声： ^(k) = arg(r{k) {k)e~^1(>mg ) 其中， ( 为第 A个符号的残余相位噪声。优选地，按照如下公式获取相位噪声：其中，为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， Ψ 为的转置，

为离散余弦变换的第 "个基函数， n = 0 ,N-\, N为所述基函数的数目。优选地，按照如下公式获取残余相位噪声： Β (TO) =— arg ^r(b + mB)e~^]e"^ga (b + mB) 其中，一帧接收数据的个符号被分成段，每段包括 S个符号， ^ηή为第 m 段符号的残余相位噪声， m = 0,'-、M— \。优选地，按照如下公式获取相位噪声： ΒΠ

其中， ¾( 为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， {^_{κ η}=ψ Ιή，为离散余弦变换的第 w个基函数， n = 0,"、N-l， N为所述基函数的数目，为的转置， )_mn= mB 。一种相位噪声的估计装置，包括：发送符号估计单元，设置为获取接收数据的均衡后符号 r(A:)对应的发送符号 ( ，其中， k = 0,...,K_l, f为一帧接收数据包括的符号数目；公共相位噪声估计单元，设置为根据 fik 和获取公共相位噪声；残余相位噪声估计单元，设置为根据 r(A：)、和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及相位噪声估计单元，设置为根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。优选地，所述发送符号估计单元进一步设置为：对 r(A:)进行硬判决，得到^; A); 或者对 r(A:)进行软判决，并对软判决结果进行重构得到 aik")。优选地，所述公共相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取公共相位噪声：

其中， _g为公共相位噪声，（表示求共轭运算， arg( )表示求复数的辐角运算。优选地，所述残余相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取残余相位噪声：

其中， ( 为第 A个符号的残余相位噪声。优选地，所述相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取相位噪声：

其中，为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， Ψ 为的转置， (^>_K)_kn = _n(k) , 为离散余弦变换的第 "个基函数， " = 0," N- 1， N为所述基函数的数目。优选地，所述残余相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取残余相位噪声：： Β (TO) =— arg ^r(b + mB)e~^]e"^ga (b + mB) 其中，一帧接收数据的个符号被分成段，每段包括 S个符号， ^ηή为第 m 段符号的残余相位噪声， ∞ = 0,···,Μ-1。优选地，所述相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取相位噪声:

其中，为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， {^_{κ η} = ψ» 为离散余弦变换的第 W个基函数， η = 0, - · ·, Ν_ ， N为所述基函数的数目， Ψ 为的转置，（Ψ^ ) 一种包括上述的估计装置的接收机。一种包括上述的接收机的通信设备。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的技术方案不需要捕获时间，相噪补偿可以快速启动，也不需要知道相位噪声的统计特性，相位噪声估计的准确度较高。利用本发明的技术方案，能够有效的对相位噪声进行估计，从而对受到相位噪声影响的接收信号进行补偿，达到准确检测发射符号的目的，进而能够提高系统的性能。附图说明图 1为根据本发明实施例的相位噪声的估计方法的流程图；图 2为根据本发明实施例的相位噪声的估计装置的结构图；图 3为根据本发明实施例的接收机的结构图；图 4为根据本发明另一实施例的接收机的结构图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。首先对本发明实施例的相位噪声估计的原理进行介绍。由于带宽远低于采样率的离散随机过程，可以用基函数进行展开，而且展开项的数目通常不会很多，一般无线通信系统的相位噪声在数字基带可以视为一个这样的离散随机过程。因此，本发明实施例将相位噪声过程，用离散余弦变换（DCT ) 函数进行正交展开。不失一般性，设一帧基带数据包括 f个符号。令 A时刻（对应第 A个符号），接收端设备的接收机中经过均衡器输出的均衡后符号为 r (A)， r (A)对应的发送端设备发送符号为 α (Α)，遭受到的高斯白噪声为《( )，相位噪声为 ( )，则均衡后符号 r (A)可以表示为：

本发明实施例通过一种合理的算法，来对相位噪声进行估计得到第 A个符号的相位噪声估计值 ^ (A：)，在获得后，对 r (A)进行补偿，得到进行相位噪声补偿以后的信号 z (^，如下：

后续的均衡解调等在上进行，相位噪声被消除了。下面给出求的算法 _t 定义公共相位噪声 κ-\

、其中，（ f表示求共轭运算， arg ( )表示求复数的辐角运算， (A)表示对发送符号的估计。对于导频部分，可以直接采用相应的导频符号，对于数据部分，需要进行均衡判决得到。此判决可以是硬判决，见图 3所示，也可以是软判决加重构得到，见图 4所示。其中软判决相对性能要更好一些，因为软判决是有编码增益的，但是基于软判决的方法复杂度高，时延也相对大一些。另外，公共相位噪声^ ^表征的是一帧数据所包括的所有符号对应的相位噪声的统计平均值，为了获取各符号分别对应的相位噪声，还需要获得各自的残余相位噪声第个符号对应的残余相位噪声为一个低通随机过程，表示如下:

I可以用 DCT函数基进行展开如下:

其中，为 DCT基函数， N为所述基函数的数目， x„为第《个基函数的系数，的取值如下：

实际上，可以按照如下公式得到的最大似然估计,

另外，还可以表示为:

进行 DFT展开时的第《个基函数的系数构造一个 fxN阶基函数矩阵 ¾V， Ψ 的第 k行第 n列的元素为：

lk l/„(k), k = 0,---,K-l;n = 0,---,N-l 由公式 (4)得到: 得公式 (8)代入公式 (10)得到相位噪声的估计值^ I下:

其中， Ψ 为的转置。需要说明的是，公式 (7)在信噪比相对比较高的时候是近似成立的，在信噪比比较低时不够准确。实际上，在信噪比比较低时，可以通过分段来降低噪声的影响。具体可以这样来处理，将每一帧数据的个符号分成 M段，每段包括 S个符号，即满足 K = BM。然后，令

=丄 ^arg | _j r (b + mB) e~^jeav8a 、+ mB、

1

其中， (∞)表示∞段符号的残余相位噪声的最大似然估计， M (m)为第段符号遭受到的高斯白噪声， m = Q, ' -、M— \。经过推导可以得到第 A个符号的相位噪声的估计值为：

其中， = Ψ " m 为求矩阵的转置运算。需要说明的是，以上公式推导考虑的是高斯白噪声（AWGN) 信道环境下，加入相位噪声的处理方法。对于多径信道环境，可以通过合理的转化将其转化为 AWGN信道环境下的模型来处理，具体如下：对于多径信道环境的情况，信道的多径为 {/^,/ = o,—, J _ i， J为符号数，可以做如下的转化，转化为 AWGN模型。

其中，为信道冲激响应， v(A)为理想接收信号，为实际受相位噪声影响的接收信号， *表示卷积。另外需要特别指出的是，接收机中均衡器输出的符号在做功率归一化处理之后，一般可以近似认为是 AWGN信道。这里的均衡器可以是时域均衡器，也可以是频域均衡器，可以是利用信道估计的均衡器，也可以是不使用信道估计的自适应均衡器，比如最小均方（LMS ) 均衡器，递归式最小均方（RLS ) 均衡器。基于以上相位噪声的估计原理，本发明实施例提供一种相位噪声的估计方法。参照图 1，本发明实施例的相位噪声的估计方法，可以包括如下步骤：步骤 101 : 获取接收数据的均衡后符号 r(A:)对应的发送符号 ( ，其中， k = 0, ..., K _ \， f为一帧接收数据包括的符号数目；步骤 102: 根据 r(A:)和获取公共相位噪声；步骤 103 : 根据 r(A：)、 )和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及步骤 104: 根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。在步骤 101中，接收机首先对接收数据进行均衡处理，得到均衡后符号 r(A：)，然后，可以对 r(A:)进行硬判决得到对应的发送符号估计 )，也可以对 r(A:)进行软判决，并对软判决结果进行重构得到对应的发送符号估计 ( 。可选地，对于多径信道环境，可以对均衡后符号 r^)进行功率归一化处理，以进一步提高相位噪声估计的准确性。在得到一帧数据的 f个符号分别对应的发送符号估计后，在步骤 102中，可以按照如下公式获取这一帧数据对应的公共相位噪声：

其中，为公共相位噪声，（ f表示求共轭运算， arg( )表示求复数的辐角运算 c 在步骤 103中，可以按照如下公式获取第 A个符号对应的残余相位噪声估计:

= a.rg\r k)a [k)e 在步骤 104中，可以按照如下公式获取第 A个符号对应的相位噪声估计:

其中，为离散余弦变换的基函数矩阵， ψ 为的转置，

为离散余弦变换的第《个基函数，《 = ο,···, -ι， N为所述基函数的数目另外，在步骤 103中，还可以按照如下公式获取残余相位噪声估计：

其中，一帧接收数据的个符号被分成段，每段包括 S个符号， ( )为第段符号的残余相位噪声估计， ηι = 0,···,Μ-1。相应地，在步骤 104中，按照如下公式获取相位噪声估计： Π

其中，为第个符号的相位噪声估计，为离散余弦变换的基函数矩阵，为离散余弦变换的第 w个基函数， w = 0, N-l

， N为所述基函数的数目，为的转置， d_g、_m„=^f^( ）。

' 上述步骤中，的取值如下： n = 0

Ψ,

■cos k + - n > 0

K 对应于上述相位噪声的估计方法，本发明实施例还提供一种相位噪声的估计装置。参照图 2，本发明实施例的相位噪声的估计装置，可以包括：发送符号估计单元 10，设置为获取接收数据的均衡后符号 r(A:)对应的发送符号 a(k) , 其中， k = 0, ..., K _ \， f为一帧接收数据包括的符号数目；公共相位噪声估计单元 20，与发送符号估计单元 10耦合，设置为根据 r(A:)和获取公共相位噪声；残余相位噪声估计单元 30，与发送符号估计单元 10和公共相位噪声估计单元 20 耦合，设置为根据 r(A：)、 )和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及相位噪声估计单元 40，与公共相位噪声估计单元 20和残余相位噪声估计单元 30 耦合，设置为根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。该估计装置能够执行方法实施例中所描述的多个处理，其具体的工作过程以及工作原理在方法部分已经进行了详细描述，在此不再赘述，参照方法中相应部分的描述即可。以下给出上述相位噪声估计方法及估计装置在无线通信设备接收机中的具体应用，所述无线通信设备可以是数字微波系统中的通信设备；也可以是其他移动通信系统中的通信设备，例如手机、 PDA等。参照图 3，本发明实施例的接收机可以包括：相位噪声补偿模块 31、 FFT模块 32、信道估计模块 33、频域均衡器 34、 IFFT模块 35、硬判决模块 36和相位噪声估计模块

37。在本实施例中，相位噪声估计基于硬判决。该接收机的工作过程如下：

( 1 ) 首先，接收基带信号 z(A：)，第一次均衡处理时，相位噪声信息未知，此时， z(k) = y(k) , 为未经相噪补偿的基带信号，然后，信道估计模块 33进行信道估计，得到信道估计的频域表示形式 H )，其中， k = 0,...,K_l， f为一帧接收数据包括的符号数目。

(2) FFT模块 32对时域的基带信号 z( 作 FFT变换（快速傅里叶变换），得到基带信号 z( 的频域表示形式。

(3)频域均衡器 34使用迫零或者 MMSE (最小均方误差）准则等对进行频域均衡，得到频域的均衡输出符号 R(A)。

(4) IFFT模块 35对频域均衡器 34输出的频域符号 R(A:)作 IFFT变换（快速傅里叶逆变换），得到均衡后符号的时域表示形式 r^)。

(5)硬判决模块 36对 r(A:)进行硬判决得到时域符号 ( ，即为发送符号的估计值。

(6) 相位噪声估计模块 37根据 r(A:)和进行相位噪声的估计，具体如下: 首先，利用公式 (3)求得公共相位噪声^ 其次，利用公式 (6)计算 DCT基函数^ ^);

(7)在获得相位噪声以后，由相位噪声补偿模块 31对基带信号按照公式（2)进行相位噪声补偿，得到补偿后的基带信号 z( 。

(8) 频域均衡器 34对补偿后的基带信号 z( 进行均衡处理，得到新的均衡输出 r(A)。上述过程可以进行迭代多次，以更好的消除相位噪声。参照图 4，本发明另一实施例的接收机可以包括：相位噪声补偿模块 41、 FFT模块 42、信道估计模块 43、频域均衡器 44、 IFFT模块 45、软判决模块 46、相位噪声估计模块 47、解交织模块 48、信道译码模块 49、信道编码模块 50、交织模块 51和调制模块 52。在本实施例中，相位噪声估计基于软判决。该接收机的工作过程如下:

(1) 首先，接收基带信号 Z(A：)，第一次均衡处理时，相位噪声信息未知，此时， z(k) = y(k), 为未经相噪补偿的基带信号，然后，信道估计模块 43进行信道估计，得到信道估计的频域表示形式 H )，其中， k = 0,...,K_l, f为一帧接收数据包括的符号数目。

(2) FFT模块 42对时域的基带信号 z( 作 FFT变换（快速傅里叶变换），得到基带信号 z( 的频域表示形式。

(3)频域均衡器 44使用迫零或者 MMSE (最小均方误差）准则等对进行频域均衡，得到频域的均衡输出符号 R(A)。 (4) IFFT模块 45对频域均衡器 44输出的频域符号 R(A:)作 IFFT变换（快速傅里叶逆变换），得到均衡后符号的时域表示形式 r^)。

(5) 软判决模块 46对 r(A:)进行软判决得到比特的软信息 )。

(6) 由解交织模块 48、信道译码模块 49、信道编码模块 50、交织模块 51和调制模块 52对 )进行解交织、信道译码、信道编码、交织、调制，得到时域符号， a(k) 即为发送符号的估计值。

(7) 相位噪声估计模块 47根据 r(A:)和进行相位噪声的估计，具体如下：首先，利用公式 (3)求得公共相位噪声^ 其次，利用公式 (6)计算 DCT基函数^ ；然后，利用公式 (7)计算^ A)，利用公式 (9)计算 Ψ^; 最后，利用公式 (11)计算相位噪声 ^(^。

(8)在获得相位噪声以后，由相位噪声补偿模块 41对基带信号按照公式（2)进行相位噪声补偿，得到补偿后的基带信号 z( 。

(9) 频域均衡器 44对补偿后的基带信号 z( 进行均衡处理，得到新的均衡输出上述过程可以进行迭代多次，以更好的消除相位噪声。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限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

权利要求书一种相位噪声的估计方法，包括如下步骤：

获取接收数据的均衡后符号 r(A:)对应的发送符号，其中， k = 0, ..., K _ \， f为一帧接收数据包括的符号数目；根据和 aik")获取公共相位噪声；根据 r(A：)、和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。如权利要求 1所述的估计方法，其中，所述获取接收数据的均衡后符号 r^)对应的发送符号 )，包括：对 r(A:)进行硬判决，得到^; A) ; 或者对 r(A:)进行软判决，并对软判决结果进行重构得到 aik")。如权利要求 1所述的估计方法，其中，按照如下公式获取公共相位噪声：

其中，为公共相位噪声，（ f表示求共轭运算， arg ( )表示求复数的辐角运算。

4. 如权利要求 3所述的估计方法，其中，按照如下公式获取残余相位噪声:

如权利要求 4所述的估计方法，其中，按照如下公式获取相位噪声:

其中， A:)为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， Ψ 为的转置，（¾^)^=^^)，为离散余弦变换的第 "个基函数， η = 0,-··,Ν_ ，

N为所述基函数的数目。

6. 如权利要求 3所述的估计方法，其中，按照如下公式获取残余相位噪声： Β (TO) =— arg ^r(b + mB)e~^]e"^ga (b + mB) 其中，一帧接收数据的个符号被分成段，每段包括 S个符号，、 m 为第 m段符号的残余相位噪声， m = 0,'-、M— \。

7. 如权利要求 4所述的估计方法，其中，按照如下公式获取相位噪声： ΒΠ

其中， ¾( 为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， {^_K)_kn = _n{k) , 为离散余弦变换的第 "个基函数， η = 0,···,Ν_\, N为所述基函数的数目，为的转置， d _m„=^^_n( ）。

8. 一种相位噪声的估计装置，包括：

发送符号估计单元，设置为获取接收数据的均衡后符号 r(A:)对应的发送符号 a(k、, 其中， k = o,...,K_\， f为一帧接收数据包括的符号数目；公共相位噪声估计单元，设置为根据和获取公共相位噪声；残余相位噪声估计单元，设置为根据 r(A：)、和所述公共相位噪声获取残余相位噪声；以及

相位噪声估计单元，设置为根据所述公共相位噪声、所述残余相位噪声和离散余弦变换的基函数矩阵获取相位噪声。

9. 如权利要求 8所述的估计装置，其中，所述发送符号估计单元进一步设置为：对 r(A:)进行硬判决，得到^; A); 或者对 r(A:)进行软判决，并对软判决结果进行重构得到。

10. 如权利要求 8所述的估计装置，其中，所述公共相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取公共相位噪声：

其中，为公共相位噪声，（ f表示求共轭运算， arg( )表示求复数的辐角运算。

11. 如权利要求 10所述的估计装置，其中，所述残余相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取残余相位噪声：

^(k) = arg(r{k) {k)e~^1(>mg ) 其中， )为第 A个符号的残余相位噪声。

12. 如权利要求 11所述的估计装置，其中，所述相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取相位噪声：

K-\

k'= ' 其中，为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， Ψ 为的转置，（Ψ^^ ^), 为离散余弦变换的第 "个基函数， n = 0,--,N-l,

N为所述基函数的数目。

13. 如权利要求 10所述的估计装置，其中，所述残余相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取残余相位噪声：： Β(ηι)

其中，一帧接收数据的个符号被分成段，每段包括 S个符号，、 m) 为第 m段符号的残余相位噪声， m = 0,'-、M-\。

14. 如权利要求 13所述的估计装置，其中，所述相位噪声估计单元进一步设置为，按照如下公式获取相位噪声：

4 (^) = ^_G +∑ (ψ^ (Ψ^Ψ^ )^_1 ) _ΒΠ 其中，为相位噪声，为离散余弦变换的基函数矩阵， {"¥_K)_kn = _n{k) , 为离散余弦变换的第 "个基函数， η = 0,···,Ν_\, N为所述基函数的数目，为的转置， d _m„=^^_n( ）。

15. 一种包括如权利要求 8~14任一项所述的估计装置的接收机。

16. 一种包括如权利要求 15所述的接收机的通信设备。