CN106534029B - 一种ofdm接收机相位补偿与解映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，通过数据相位补偿模块1和数据解映射模块2两个部分协同实现，输入数据经过导频提取与数据缓存模块11同时实现数据缓存及导频提取，将导频子载波数据输出到相位补偿因子计算模块12，计算出相位补偿值；将数据子载波数据输出到相位补偿模块13，同时相位补偿模块13利用相位补偿因子计算模块12得到的相位补偿因子进行相位误差补偿运算，处理完成后输出被补偿的数据和能量至解映射模块2中的数据选择器21，在数据选择器21中根据不同的调制方式把数据送到对应的解映射模块。本发明具有以下有益效果：简化了计算量，实现硬件复杂度低、资源占用小、并行处理、从而提高了处理速度。

Description

一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于正交频分复用(OFDM)数字基带接收机的相位补偿和解映射方法。

背景技术

在目前的无线通信系统中，正交频分复用(OFDM,Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)系统，因其可有效抵抗色散信道引起的畸变，较高的频谱利用率，能有效抵抗脉冲噪声以及较低的系统实现复杂度，在第四代移动网络通信技术与无线局域网得到了广泛应用。随着智能移动终端、智能家居、无线高清视频传输等需求的不断增加，对OFDM通信系统的可靠性和稳定性提出更高的要求。因此可靠的相位补偿和解映射，是OFDM系统接收机的重要组成部分。

相位补偿，是指通过有效方法去补偿因采样偏差或频率偏移等引起的相位旋转，降低相位噪声对通信质量的影响。相位补偿的算法主要有数据辅助法和非数据辅助法两大类。数据辅助法利用发送信号中已知的数据，如训练序列或导频信息等，进行相位补偿。而非数据辅助法不需要已知数据，利用发送数据自身的统计特性进行补偿。一般而言，数据辅助法实现复杂度较低，而非数据辅助法计算量较大。本发明将利用通信系统中每个发送符号所包含的已知子载波信号，即导频信号，采用数据辅助的相位跟踪方法进行相位的偏差估计。

所谓解映射，在发射机部分，为了信息能够在信道中传输，对数据进行了映射(调制)，即把数字比特流映射为一定的幅值或相位，相应的，在接收端为了恢复传输的数据，需要对其进行解映射(解调)。接收机中的解映射模块和相位补偿模块在原理上是相互独立的模块，但是解映射需要对数据进行归一化，这就使得除法操作无法避免，同时也使得模块自身的硬件实现复杂度大大增加。因此，本发明考虑将相位补偿和解映射两个模块结合在一起，作为单独模块进行设计，从而将相位补偿模块中的除法操作，在解映射模块中以乘法来进行坐标缩放，进而简化了接收机的整体实现复杂度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有OFDM系统接收机中选用非数据辅助法进行相位补偿时计算量较大、在解映射需要对数据进行归一化，使得除法操作无法避免，同时也使得模块自身的硬件实现复杂度大大增加的不足，本发明提供一种适合于OFDM接收机相位补偿和解映射的低复杂度处理方法，其具有算法复杂度低、资源占用小、并行处理、速度快等特点。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，通过数据相位补偿模块1和数据解映射模块2两个部分协同实现；所述的相位补偿模块1由导频提取与数据缓存模块11、相位补偿因子计算模块12和相位补偿模块13构成；输入数据首先经过所述相位补偿模块1中的导频提取与数据缓存模块11，同时在模块中实现导频提取，将其中的导频子载波和数据子载波提取出来，得到两组数据，即导频子载波数据和数据子载波数据；其中将所述的导频子载波数据输出到相位补偿因子计算模块12，计算出相位补偿值；将所述数据子载波数据输出到所述相位补偿模块13，同时所述相位补偿模块13利用相位补偿因子计算模块12得到的相位补偿因子进行相位误差补偿运算，处理完成后输出被补偿的数据和能量；相位补偿后数据输入所述解映射模块2中的数据选择器21，在数据选择器21中根据不同的调制方式把数据送到对应的解映射模块。

相位补偿部分包括：

(1)数据缓存(Data Buffer)与导频提取(Pilots Picking)

同一符号的所有子载波在星座图中的旋转是一样的，因此相位跟踪处理是以一个OFDM符号为单位进行的。因为从导频信号的提取到最终生成相位跟踪补偿因子需要进行一些复杂的算法处理，必然导致处理延迟，因此在对导频提起的过程中同时对输入数据加以缓存。

实现上选取两个双口RAM作为缓存空间，分别存入输入数据的实部和虚部分量，同时导频提取单元根据写入RAM的地址信号将导频提取出来，送入相位跟踪补偿因子计算模块进行相关处理。RAM的深度设置需满足缓存计算得到相位跟踪补偿因子之前的输入数据。待得到相位跟踪补偿因子e^-jφ时，数据缓存将存储的数据串行输出执行补偿操作。

(2)相位跟踪补偿因子计算

导频提取模块提出来的导频值，然后进入相位补偿因子计算模块进行相位误差估算，也称为相位跟踪。设y_m,n表示接收到的第m个OFDM符号的第n个导频，P_m,n为发送的导频信号。在第m个接收符号FFT处理后，导频子载波y_m,n等于第n个导频对应的频域信道响应H_n和已知导频信号P_m,n的乘积与频率误差旋转作用后的结果：

y_m,n＝H_nP_m,ne^2πmΔf (1)

其中，Δf为经载波频偏校正后的频率偏差。

假设频域信道估计值

是信道估计值，经过信道均衡后得到如下式子：

在式(2)中，为了避免复数除法，分子分母同时乘以分母的共轭，则其分子部分为：

假设信道估计值

与信道响应H_n没有偏差，可以转化为：

R_m,n＝H_n ^*H_nP_m,ne^j2πmΔf (4)

一般选择的导频信号的幅值为1，于是，相位估算为：

上式可以简化为：

因此，在相位跟踪阶段，选择以下参数为相位补偿参数：

显然，

φ＝-∠c_m (8)

于是，实际相位补偿因子为：

(3)相位误差补偿

利用已经计算得到的相位补偿因子去补偿接收到的数据，使得相位旋转调整过来。实现上在得到e^-jφ后，串行输出缓存中的待补偿数据，调用复数乘法器完成相位误差补偿。其原理表达式如下：

其中，

为补偿后的数据，r_m为均衡后待补偿的数据。

在硬件实现方面，按式(10)处理涉及到将数据除以|c_m|的操作，为了避免除法，可以把相位补偿因子中的|c_m|抽取出来，在解映射部分进行坐标系缩放，而在相位误差补偿部分以补偿参数c_m进行补偿，即按下式处理：

解映射部分：

本发明以正交幅度调制说明解调的原理，正交幅度调制(QAM)同时改变了载波的幅度和相位，其数学形式为：

s(t)＝Isin(w_ct)-Qcos(w_ct) (9)

其中，I，Q分别为同相分量和正交分量。

在基带信号处理过程中，送入解调模块的一般是含有同相和正交两个分量的复数信号，而解调模块利用接收到的复数信号，依据调制时所使用的调制映射关系，应用不同解调方法，将复数的实部数据和虚部数据分别与设定的阈值进行比较，然后输出不同的二进制数据，这些二进制数据就是发送端原始的数字信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实施例提供的相位补偿和解映射模块，两个模块相互协调，提高了资源的利用率，有别传统把两个模块独立处理的方式，尽可能地简化了计算量，实现硬件复杂度低、资源占用小、并行处理提高了处理速度，适合于高数据吞吐量的处理。

附图说明

图1是本发明所述相位补偿与解映射的结构图。

图2是本发明所述的数据缓存结构图。

图3是本发明所述的相位补偿因子计算结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明从原理和结构上进一步详细说明。值得注意的是，以下所描述的具体实例仅用于解释发明内容，并不用于限定本发明。

以802.11a/g/n系列的系统为例，其相位补偿和解映射原理如下：

在802.11a/g/n传输中，传输数据可以划分多个OFDM符号，每个OFDM符号都经过相同的处理模块进行相位跟踪和补偿；待数据经过相位补偿之后，可以进行解映射操作，还原发送端的数据。这些实现步骤主要涉及到数据的缓存，复数乘法运算，对复数进行归一化处理等。

本发明的实现整体原理结构如图1所示，整体分为两个部分，即数据相位补偿模块1和数据解映射模块2。输入数据首先经过相位补偿模块1中的导频提取与数据缓存模块11，同时在模块中实现导频提取，将其中的导频子载波和数据子载波提取出来。这样经过该模块后，得到两组数据，即导频子载波数据和数据子载波数据。其中导频子载波数据输出到相位补偿因子计算模块12，计算出相位补偿值。数据子载波数据输出到相位补偿模块13，同时相位补偿模块13利用相位补偿因子计算模块12得到的相位补偿因子进行相位补偿运算，处理完成后输出被补偿的数据和能量，这里的能量指的是在相位补偿的过程中为了避免除法计算，把除数(分母)作为独立参数直接传递给下一个模块。相位补偿后数据输入解映射模块2中的数据选择器21，在数据选择器21中根据不同的调制方式把数据送到对应的解映射模块。而能量则是直接送到判决阈值设定模块22，设置准确的判决阈值是解调模块的关键。由于采用的是并行结构，在最后的结果输出前，要对各路数据进行一个选择，这样就可以得到准确的解调结果。

主要模块的详细分析：

(1)导频提取与数据缓存模块11。原理结构图如图2所示。由于每个OFDM符号由导频子载波、虚拟子载波和有效数据子载波构成，这个模块的功能就是将每个OFDM符号中的导频子载波和数据子载波提取出来。实现上，数据输入模块，同时启动写地址生成器112产生写地址，根据产生的写地址值，把数据存放到RAM模块115里面。同时写地址生成器112产生的写地址传递给比较器114与设定导频位置值模块111中的已知地址值进行比较，如果两者地址值相等，比较器114输出使能驱动数据选择器113选通输入数据直接输出，否则数据选择器113选通输出0。读地址模块116产生读RAM模块115的地址，把有效数据读取出来。

(2)相位补偿因子计算模块12。其原理图如图3所示。IEEE802.11a/g/n系统每个符号包含了4个导频信号为{1,1,1,-1}，导频极性由初始状态全为1的扰码生成器124生成的循环序列控制，当导频极性为0时，4个导频的值保持不变；当导频极性为1时，4个导频值取反，即{-1,-1,-1,1}。因此对于式(7)中的乘法运算只需对R_m,n的符号进行处理，并不需要乘法器，由图3中的模块121和模块122完成。式(7)中相位补偿参数c_m的计算由图3中的累加器126完成，对于乘以1/4的操作，将累加结果右移2位即可。

根据式(9)，相位补偿因子包括相位补偿参数c_m以及相位补偿参数的模|c_m|。对复数求模的运算涉及开平方操作，这在硬件实现中的复杂度比较大。观察式(4)，导频P_m,n是实数，信道参数与其共轭相乘也得到实数，只有相位旋转因子是复数。因为接收机在接收同步处理时已经对频偏进行了校正，因此剩余相位比较小。在这种情况下，c_m的实部贡献了主要能量，虚部则比较小，因此对于|c_m|的计算，为了避免采用复杂的开根号算法，可以做如下简化：

由于相位旋转因子中存在OFDM符号个数m的影响，因此随着m增大到足够大，剩余相位也会增大到一定值，使得式(10)的误差很大。这部分可以通过对信道估计值进行修正，使得旋转因子的影响在信道均衡阶段就得到补偿。具体的说，可以在m大于一定值，或剩余相位大于一定值，采用判决反馈等方式，重新估计信道参数，从而保证上式的精度。因这部分涉及信道估计，本发明不展开赘述，只是说明本发明的算法适合应用于剩余相位较小的情况。

(3)相位补偿模块13，主要的作用是完成待补偿数据的相位补偿。实现上，设计延时模块，确保相位补偿参数c_m与串行输出缓存中的待补偿数据同步，然后利用复数乘法器完成补偿运算。

(4)解映射模块2。这个模块有两个主要的输入通道，分别是有效数据和坐标缩放系数。坐标缩放系数输入到判决阈值设定模块22，根据不同的调制方式产生相应的判决阈值。有效数据则输入到相应的解映射模块进行解映射操作。本发明设计的解映射模块兼容不同的调制方式，包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM四种调制方式。由于BPSK和QPSK只需要判断I、Q数据的符号即可解映射，因此无需坐标缩放，这里不予展开描述。而16QAM和64QAM则需要对解映射的坐标按一定系数进行缩放，为了清楚地描述解映射的原理，以下以16QAM为例进行介绍，64QAM的解映射方法可类比得出。

在原始坐标下，16QAM调制方式的映射关系如下表所示，

以实部数据I为例，在原始坐标下，解映射的判决阈值为{-2、0、2}，即：

1)当I<-2时，b₀b₁为00；

2)当-2<I<0时，b₀b₁为01；

3)当0<I<2时，b₀b₁为11；

4)当I>2时，b₀b₁为10；

对于虚部数据也同理。

但是，实际发送的信号并不是在原始坐标下的调制信号，而是经过能量归一化的信号，即不同调制方式的输出信号实际是原始坐标下的I、Q数据乘以归一化因子K_MOD，其取值如下表所示：

另一方面，为了简化模块实现，前面式(9)的相位补偿因子中还有能量归一化因子，这些参数原理上都需要在解映射模块的输入数据中去除，即解映射模块的输入数据应该除以这些因子，才能得到原始坐标下的映射值。由于除法操作的硬件实现复杂度较高，因此可以利用这些因子对原始坐标进行缩放，从而避免对数据的除法操作。

例如16QAM，将原始坐标下的解映射判决阈值{-2、0、2}分别乘以|c_m|K_MOD，即可得到缩放后的判决阈值，硬件实现上只需要一个乘法器即可实现。对于64QAM，原始坐标下的判决阈值为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，同样只需要一个乘法器计算|c_m|K_MOD，至于和2、4、6的相乘只需移位操作或移位加操作。

综上所述，本发明实施例提供的相位补偿和解映射模块，两个模块相互协调，提高了资源的利用率，有别传统把两个模块独立处理的方式，本发明提供的解决方案尽可能地简化了计算量，实现硬件复杂度低并提高了处理速度，适合于高数据吞吐量的处理。

应当注意的是，尽管仅描述了一种相位补偿和解映射的实施方式，但本应用并不仅限于这些模式和方式。本发明还可在其他可能的操作模式的语境内适用。

以上已描述了本发明的特别实施方式和实施例。在所述描述中，尽管可以做802.11系列的OFDM系统的实例，但本发明还可以应用于其它基于OFDM系统。应当注意的是，本发明可以融合多个操作模式，依据输入的调制方式与带宽等，来修改模块的参数和公式变形。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:该方法通过数据相位补偿模块(1)和数据解映射模块(2)两个部分协同实现；

所述的相位补偿模块(1)由导频提取与数据缓存模块(11)、相位补偿因子计算模块(12)和相位补偿单元(13)构成；

输入数据首先经过所述相位补偿模块(1)中的导频提取与数据缓存模块(11)，同时在模块中实现导频提取，将其中的导频子载波和数据子载波提取出来，得到两组数据，即导频子载波数据和数据子载波数据；

其中将所述的导频子载波数据输出到相位补偿因子计算模块(12)，计算出相位补偿值；将所述数据子载波数据输出到所述相位补偿单元(13)，同时所述相位补偿单元(13)利用相位补偿因子计算模块(12)得到的相位补偿因子进行相位误差补偿运算，处理完成后输出被补偿的数据和能量；

相位补偿后数据输入所述解映射模块(2)中的数据选择器(21)，在数据选择器(21)中根据不同的调制方式把数据送到对应的解映射模块。

2.根据权利要求1所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:输出的能量指是在相位补偿的过程中为了避免除法计算，把除数作为独立参数直接传递给下一个模块；并且，所述能量是直接送到所述解映射模块(2)中的判决阈值设定模块(22)。

3.根据权利要求1所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:通过选取两个双口RAM作为缓存空间，分别存入输入数据的实部和虚部分量，同时将导频提取单元根据写入RAM的地址信号将导频提取出来，送入相位跟踪补偿因子计算模块进行相关处理；并且RAM的深度设置需满足缓存计算得到相位跟踪补偿因子之前的输入数据，待得到相位跟踪补偿因子e^-jφ时，数据缓存将存储的数据串行输出执行补偿操作。

4.根据权利要求1所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:将导频提取模块提出来的导频值输入相位补偿因子计算模块进行相位误差估算；所述相位估算通过以下过程实现：

设y_m,n表示接收到的第m个OFDM符号的第n个导频，P_m,n为发送的导频信号，在第m个接收符号FFT处理后，导频子载波y_m,n等于第n个导频对应的频域信道响应H_n和已知导频信号P_m,n的乘积与频率误差旋转作用后的结果：

y_m,n＝H_nP_m,ne^2πmΔf (1)

其中，Δf为经载波频偏校正后的频率偏差；

假设频域信道估计值

是信道估计值，经过信道均衡后得到如下式子：

在式(2)中，为了避免复数除法，分子分母同时乘以分母的共轭，

则其分子部分为：

假设信道估计值

与信道响应H_n没有偏差，可以转化为：

R_m,n＝H_n ^*H_nP_m,ne^j2πmΔf (4)

选择的导频信号的幅值为1，于是，相位估算为：

5.根据权利要求4所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:公式(5)可简化为：

因此，在相位跟踪阶段，选择以下参数为相位补偿参数：

显然，

φ＝-∠c_m (8)

于是，实际相位补偿因子为：

6.根据权利要求5所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:所述相位误差补偿利用已经计算得到的相位补偿因子去补偿接收到的数据，使得相位旋转调整过来；在得到相位跟踪补偿因子e^-jφ后，串行输出缓存中的待补偿数据，调用复数乘法器完成相位误差补偿，其原理表达式如下：

其中，

为补偿后的数据，r_m为均衡后待补偿的数据。

7.根据权利要求6所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:在硬件实现方面，为了避免除法，把相位补偿因子中的|c_m|抽取出来，在解映射部分进行坐标系缩放，而在相位误差补偿部分以补偿参数c_m进行补偿，即按下式处理：

8.根据权利要求1所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:在基带信号处理过程中，送入解调模块的是含有同相和正交两个分量的复数信号，而解调模块利用接收到的复数信号，依据调制时所使用的调制映射关系，应用不同解调方法，将复数的实部数据和虚部数据分别与设定的阈值进行比较，然后输出不同的二进制数据，所述二进制数据即为发送端原始的数字信息。

9.根据权利要求8所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:所述解映射模块(2)包括两个主要的输入通道，分别是有效数据和坐标缩放系数；所述坐标缩放系数输入到判决阈值设定模块(22)，根据不同的调制方式产生相应的判决阈值；所述有效数据则输入到相应的解映射模块进行解映射操作。

10.根据权利要求9所述的一种OFDM接收机相位补偿与解映射方法，其特征在于:所述的解映射模块兼容不同的调制方式，包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM四种调制方式。

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