本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于正交頻分復(fù)用(OFDM)數(shù)字基帶接收機(jī)的相位補(bǔ)償和解映射方法。

背景技術(shù)：

在目前的無線通信系統(tǒng)中，正交頻分復(fù)用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)，因其可有效抵抗色散信道引起的畸變，較高的頻譜利用率，能有效抵抗脈沖噪聲以及較低的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，在第四代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與無線局域網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用。隨著智能移動(dòng)終端、智能家居、無線高清視頻傳輸?shù)刃枨蟮牟粩嘣黾?，對OFDM通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出更高的要求。因此可靠的相位補(bǔ)償和解映射，是OFDM系統(tǒng)接收機(jī)的重要組成部分。

相位補(bǔ)償，是指通過有效方法去補(bǔ)償因采樣偏差或頻率偏移等引起的相位旋轉(zhuǎn)，降低相位噪聲對通信質(zhì)量的影響。相位補(bǔ)償?shù)乃惴ㄖ饕袛?shù)據(jù)輔助法和非數(shù)據(jù)輔助法兩大類。數(shù)據(jù)輔助法利用發(fā)送信號(hào)中已知的數(shù)據(jù)，如訓(xùn)練序列或?qū)ьl信息等，進(jìn)行相位補(bǔ)償。而非數(shù)據(jù)輔助法不需要已知數(shù)據(jù)，利用發(fā)送數(shù)據(jù)自身的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行補(bǔ)償。一般而言，數(shù)據(jù)輔助法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，而非數(shù)據(jù)輔助法計(jì)算量較大。本發(fā)明將利用通信系統(tǒng)中每個(gè)發(fā)送符號(hào)所包含的已知子載波信號(hào)，即導(dǎo)頻信號(hào)，采用數(shù)據(jù)輔助的相位跟蹤方法進(jìn)行相位的偏差估計(jì)。

所謂解映射，在發(fā)射機(jī)部分，為了信息能夠在信道中傳輸，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了映射(調(diào)制)，即把數(shù)字比特流映射為一定的幅值或相位，相應(yīng)的，在接收端為了恢復(fù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行解映射(解調(diào))。接收機(jī)中的解映射模塊和相位補(bǔ)償模塊在原理上是相互獨(dú)立的模塊，但是解映射需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，這就使得除法操作無法避免，同時(shí)也使得模塊自身的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大大增加。因此，本發(fā)明考慮將相位補(bǔ)償和解映射兩個(gè)模塊結(jié)合在一起，作為單獨(dú)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而將相位補(bǔ)償模塊中的除法操作，在解映射模塊中以乘法來進(jìn)行坐標(biāo)縮放，進(jìn)而簡化了接收機(jī)的整體實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有OFDM系統(tǒng)接收機(jī)中選用非數(shù)據(jù)輔助法進(jìn)行相位補(bǔ)償時(shí)計(jì)算量較大、在解映射需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，使得除法操作無法避免，同時(shí)也使得模塊自身的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大大增加的不足，本發(fā)明提供一種適合于OFDM接收機(jī)相位補(bǔ)償和解映射的低復(fù)雜度處理方法，其具有算法復(fù)雜度低、資源占用小、并行處理、速度快等特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種OFDM接收機(jī)相位補(bǔ)償與解映射方法，通過數(shù)據(jù)相位補(bǔ)償模塊1和數(shù)據(jù)解映射模塊2兩個(gè)部分協(xié)同實(shí)現(xiàn)；所述的相位補(bǔ)償模塊1由導(dǎo)頻提取與數(shù)據(jù)緩存模塊11、相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊12和相位補(bǔ)償模塊13構(gòu)成；輸入數(shù)據(jù)首先經(jīng)過所述相位補(bǔ)償模塊1中的導(dǎo)頻提取與數(shù)據(jù)緩存模塊11，同時(shí)在模塊中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻提取，將其中的導(dǎo)頻子載波和數(shù)據(jù)子載波提取出來，得到兩組數(shù)據(jù)，即導(dǎo)頻子載波數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)子載波數(shù)據(jù)；其中將所述的導(dǎo)頻子載波數(shù)據(jù)輸出到相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊12，計(jì)算出相位補(bǔ)償值；將所述數(shù)據(jù)子載波數(shù)據(jù)輸出到所述相位補(bǔ)償模塊13，同時(shí)所述相位補(bǔ)償模塊13利用相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊12得到的相位補(bǔ)償因子進(jìn)行相位誤差補(bǔ)償運(yùn)算，處理完成后輸出被補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)和能量；相位補(bǔ)償后數(shù)據(jù)輸入所述解映射模塊2中的數(shù)據(jù)選擇器21，在數(shù)據(jù)選擇器21中根據(jù)不同的調(diào)制方式把數(shù)據(jù)送到對應(yīng)的解映射模塊。

相位補(bǔ)償部分包括：

(1)數(shù)據(jù)緩存(Data Buffer)與導(dǎo)頻提取(Pilots Picking)

同一符號(hào)的所有子載波在星座圖中的旋轉(zhuǎn)是一樣的，因此相位跟蹤處理是以一個(gè)OFDM符號(hào)為單位進(jìn)行的。因?yàn)閺膶?dǎo)頻信號(hào)的提取到最終生成相位跟蹤補(bǔ)償因子需要進(jìn)行一些復(fù)雜的算法處理，必然導(dǎo)致處理延遲，因此在對導(dǎo)頻提起的過程中同時(shí)對輸入數(shù)據(jù)加以緩存。

實(shí)現(xiàn)上選取兩個(gè)雙口RAM作為緩存空間，分別存入輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部分量，同時(shí)導(dǎo)頻提取單元根據(jù)寫入RAM的地址信號(hào)將導(dǎo)頻提取出來，送入相位跟蹤補(bǔ)償因子計(jì)算模塊進(jìn)行相關(guān)處理。RAM的深度設(shè)置需滿足緩存計(jì)算得到相位跟蹤補(bǔ)償因子之前的輸入數(shù)據(jù)。待得到相位跟蹤補(bǔ)償因子e^-jφ時(shí)，數(shù)據(jù)緩存將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)串行輸出執(zhí)行補(bǔ)償操作。

(2)相位跟蹤補(bǔ)償因子計(jì)算

導(dǎo)頻提取模塊提出來的導(dǎo)頻值，然后進(jìn)入相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊進(jìn)行相位誤差估算，也稱為相位跟蹤。設(shè)y_m,n表示接收到的第m個(gè)OFDM符號(hào)的第n個(gè)導(dǎo)頻，P_m,n為發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)。在第m個(gè)接收符號(hào)FFT處理后，導(dǎo)頻子載波y_m,n等于第n個(gè)導(dǎo)頻對應(yīng)的頻域信道響應(yīng)H_n和已知導(dǎo)頻信號(hào)P_m,n的乘積與頻率誤差旋轉(zhuǎn)作用后的結(jié)果：

y_m,n＝H_nP_m,ne^2πmΔf (1)

其中，Δf為經(jīng)載波頻偏校正后的頻率偏差。

假設(shè)頻域信道估計(jì)值是信道估計(jì)值，經(jīng)過信道均衡后得到如下式子：

在式(2)中，為了避免復(fù)數(shù)除法，分子分母同時(shí)乘以分母的共軛，則其分子部分為：

假設(shè)信道估計(jì)值與信道響應(yīng)H_n沒有偏差，可以轉(zhuǎn)化為：

R_m,n＝H_n^*H_nP_m,ne^j2πmΔf (4)

一般選擇的導(dǎo)頻信號(hào)的幅值為1，于是，相位估算為：

上式可以簡化為：

因此，在相位跟蹤階段，選擇以下參數(shù)為相位補(bǔ)償參數(shù)：

顯然，

φ＝-∠c_m (8)

于是，實(shí)際相位補(bǔ)償因子為：

(3)相位誤差補(bǔ)償

利用已經(jīng)計(jì)算得到的相位補(bǔ)償因子去補(bǔ)償接收到的數(shù)據(jù)，使得相位旋轉(zhuǎn)調(diào)整過來。實(shí)現(xiàn)上在得到e^-jφ后，串行輸出緩存中的待補(bǔ)償數(shù)據(jù)，調(diào)用復(fù)數(shù)乘法器完成相位誤差補(bǔ)償。其原理表達(dá)式如下：

其中，為補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)，r_m為均衡后待補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。

在硬件實(shí)現(xiàn)方面，按式(10)處理涉及到將數(shù)據(jù)除以|c_m|的操作，為了避免除法，可以把相位補(bǔ)償因子中的|c_m|抽取出來，在解映射部分進(jìn)行坐標(biāo)系縮放，而在相位誤差補(bǔ)償部分以補(bǔ)償參數(shù)c_m進(jìn)行補(bǔ)償，即按下式處理：

解映射部分：

本發(fā)明以正交幅度調(diào)制說明解調(diào)的原理，正交幅度調(diào)制(QAM)同時(shí)改變了載波的幅度和相位，其數(shù)學(xué)形式為：

s(t)＝Isin(w_ct)-Qcos(w_ct) (9)

其中，I，Q分別為同相分量和正交分量。

在基帶信號(hào)處理過程中，送入解調(diào)模塊的一般是含有同相和正交兩個(gè)分量的復(fù)數(shù)信號(hào)，而解調(diào)模塊利用接收到的復(fù)數(shù)信號(hào)，依據(jù)調(diào)制時(shí)所使用的調(diào)制映射關(guān)系，應(yīng)用不同解調(diào)方法，將復(fù)數(shù)的實(shí)部數(shù)據(jù)和虛部數(shù)據(jù)分別與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，然后輸出不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)就是發(fā)送端原始的數(shù)字信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明實(shí)施例提供的相位補(bǔ)償和解映射模塊，兩個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)，提高了資源的利用率，有別傳統(tǒng)把兩個(gè)模塊獨(dú)立處理的方式，盡可能地簡化了計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)雜度低、資源占用小、并行處理提高了處理速度，適合于高數(shù)據(jù)吞吐量的處理。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述相位補(bǔ)償與解映射的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明所述的相位補(bǔ)償因子計(jì)算結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明從原理和結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步詳細(xì)說明。值得注意的是，以下所描述的具體實(shí)例僅用于解釋發(fā)明內(nèi)容，并不用于限定本發(fā)明。

以802.11a/g/n系列的系統(tǒng)為例，其相位補(bǔ)償和解映射原理如下：

在802.11a/g/n傳輸中，傳輸數(shù)據(jù)可以劃分多個(gè)OFDM符號(hào)，每個(gè)OFDM符號(hào)都經(jīng)過相同的處理模塊進(jìn)行相位跟蹤和補(bǔ)償；待數(shù)據(jù)經(jīng)過相位補(bǔ)償之后，可以進(jìn)行解映射操作，還原發(fā)送端的數(shù)據(jù)。這些實(shí)現(xiàn)步驟主要涉及到數(shù)據(jù)的緩存，復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，對復(fù)數(shù)進(jìn)行歸一化處理等。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)整體原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體分為兩個(gè)部分，即數(shù)據(jù)相位補(bǔ)償模塊1和數(shù)據(jù)解映射模塊2。輸入數(shù)據(jù)首先經(jīng)過相位補(bǔ)償模塊1中的導(dǎo)頻提取與數(shù)據(jù)緩存模塊11，同時(shí)在模塊中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻提取，將其中的導(dǎo)頻子載波和數(shù)據(jù)子載波提取出來。這樣經(jīng)過該模塊后，得到兩組數(shù)據(jù)，即導(dǎo)頻子載波數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)子載波數(shù)據(jù)。其中導(dǎo)頻子載波數(shù)據(jù)輸出到相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊12，計(jì)算出相位補(bǔ)償值。數(shù)據(jù)子載波數(shù)據(jù)輸出到相位補(bǔ)償模塊13，同時(shí)相位補(bǔ)償模塊13利用相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊12得到的相位補(bǔ)償因子進(jìn)行相位補(bǔ)償運(yùn)算，處理完成后輸出被補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)和能量，這里的能量指的是在相位補(bǔ)償?shù)倪^程中為了避免除法計(jì)算，把除數(shù)(分母)作為獨(dú)立參數(shù)直接傳遞給下一個(gè)模塊。相位補(bǔ)償后數(shù)據(jù)輸入解映射模塊2中的數(shù)據(jù)選擇器21，在數(shù)據(jù)選擇器21中根據(jù)不同的調(diào)制方式把數(shù)據(jù)送到對應(yīng)的解映射模塊。而能量則是直接送到判決閾值設(shè)定模塊22，設(shè)置準(zhǔn)確的判決閾值是解調(diào)模塊的關(guān)鍵。由于采用的是并行結(jié)構(gòu)，在最后的結(jié)果輸出前，要對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)選擇，這樣就可以得到準(zhǔn)確的解調(diào)結(jié)果。

主要模塊的詳細(xì)分析：

(1)導(dǎo)頻提取與數(shù)據(jù)緩存模塊11。原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由于每個(gè)OFDM符號(hào)由導(dǎo)頻子載波、虛擬子載波和有效數(shù)據(jù)子載波構(gòu)成，這個(gè)模塊的功能就是將每個(gè)OFDM符號(hào)中的導(dǎo)頻子載波和數(shù)據(jù)子載波提取出來。實(shí)現(xiàn)上，數(shù)據(jù)輸入模塊，同時(shí)啟動(dòng)寫地址生成器112產(chǎn)生寫地址，根據(jù)產(chǎn)生的寫地址值，把數(shù)據(jù)存放到RAM模塊115里面。同時(shí)寫地址生成器112產(chǎn)生的寫地址傳遞給比較器114與設(shè)定導(dǎo)頻位置值模塊111中的已知地址值進(jìn)行比較，如果兩者地址值相等，比較器114輸出使能驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)選擇器113選通輸入數(shù)據(jù)直接輸出，否則數(shù)據(jù)選擇器113選通輸出0。讀地址模塊116產(chǎn)生讀RAM模塊115的地址，把有效數(shù)據(jù)讀取出來。

(2)相位補(bǔ)償因子計(jì)算模塊12。其原理圖如圖3所示。IEEE802.11a/g/n系統(tǒng)每個(gè)符號(hào)包含了4個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)為{1,1,1,-1}，導(dǎo)頻極性由初始狀態(tài)全為1的擾碼生成器124生成的循環(huán)序列控制，當(dāng)導(dǎo)頻極性為0時(shí)，4個(gè)導(dǎo)頻的值保持不變；當(dāng)導(dǎo)頻極性為1時(shí)，4個(gè)導(dǎo)頻值取反，即{-1,-1,-1,1}。因此對于式(7)中的乘法運(yùn)算只需對R_m,n的符號(hào)進(jìn)行處理，并不需要乘法器，由圖3中的模塊121和模塊122完成。式(7)中相位補(bǔ)償參數(shù)c_m的計(jì)算由圖3中的累加器126完成，對于乘以1/4的操作，將累加結(jié)果右移2位即可。

根據(jù)式(9)，相位補(bǔ)償因子包括相位補(bǔ)償參數(shù)c_m以及相位補(bǔ)償參數(shù)的模|c_m|。對復(fù)數(shù)求模的運(yùn)算涉及開平方操作，這在硬件實(shí)現(xiàn)中的復(fù)雜度比較大。觀察式(4)，導(dǎo)頻P_m,n是實(shí)數(shù)，信道參數(shù)與其共軛相乘也得到實(shí)數(shù)，只有相位旋轉(zhuǎn)因子是復(fù)數(shù)。因?yàn)榻邮諜C(jī)在接收同步處理時(shí)已經(jīng)對頻偏進(jìn)行了校正，因此剩余相位比較小。在這種情況下，c_m的實(shí)部貢獻(xiàn)了主要能量，虛部則比較小，因此對于|c_m|的計(jì)算，為了避免采用復(fù)雜的開根號(hào)算法，可以做如下簡化：

由于相位旋轉(zhuǎn)因子中存在OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)m的影響，因此隨著m增大到足夠大，剩余相位也會(huì)增大到一定值，使得式(10)的誤差很大。這部分可以通過對信道估計(jì)值進(jìn)行修正，使得旋轉(zhuǎn)因子的影響在信道均衡階段就得到補(bǔ)償。具體的說，可以在m大于一定值，或剩余相位大于一定值，采用判決反饋等方式，重新估計(jì)信道參數(shù)，從而保證上式的精度。因這部分涉及信道估計(jì)，本發(fā)明不展開贅述，只是說明本發(fā)明的算法適合應(yīng)用于剩余相位較小的情況。

(3)相位補(bǔ)償模塊13，主要的作用是完成待補(bǔ)償數(shù)據(jù)的相位補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)上，設(shè)計(jì)延時(shí)模塊，確保相位補(bǔ)償參數(shù)c_m與串行輸出緩存中的待補(bǔ)償數(shù)據(jù)同步，然后利用復(fù)數(shù)乘法器完成補(bǔ)償運(yùn)算。

(4)解映射模塊2。這個(gè)模塊有兩個(gè)主要的輸入通道，分別是有效數(shù)據(jù)和坐標(biāo)縮放系數(shù)。坐標(biāo)縮放系數(shù)輸入到判決閾值設(shè)定模塊22，根據(jù)不同的調(diào)制方式產(chǎn)生相應(yīng)的判決閾值。有效數(shù)據(jù)則輸入到相應(yīng)的解映射模塊進(jìn)行解映射操作。本發(fā)明設(shè)計(jì)的解映射模塊兼容不同的調(diào)制方式，包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM四種調(diào)制方式。由于BPSK和QPSK只需要判斷I、Q數(shù)據(jù)的符號(hào)即可解映射，因此無需坐標(biāo)縮放，這里不予展開描述。而16QAM和64QAM則需要對解映射的坐標(biāo)按一定系數(shù)進(jìn)行縮放，為了清楚地描述解映射的原理，以下以16QAM為例進(jìn)行介紹，64QAM的解映射方法可類比得出。

在原始坐標(biāo)下，16QAM調(diào)制方式的映射關(guān)系如下表所示，

以實(shí)部數(shù)據(jù)I為例，在原始坐標(biāo)下，解映射的判決閾值為{-2、0、2}，即：

1)當(dāng)I<-2時(shí)，b₀b₁為00；

2)當(dāng)-2<I<0時(shí)，b₀b₁為01；

3)當(dāng)0<I<2時(shí)，b₀b₁為11；

4)當(dāng)I>2時(shí)，b₀b₁為10；

對于虛部數(shù)據(jù)也同理。

但是，實(shí)際發(fā)送的信號(hào)并不是在原始坐標(biāo)下的調(diào)制信號(hào)，而是經(jīng)過能量歸一化的信號(hào)，即不同調(diào)制方式的輸出信號(hào)實(shí)際是原始坐標(biāo)下的I、Q數(shù)據(jù)乘以歸一化因子K_MOD，其取值如下表所示：

另一方面，為了簡化模塊實(shí)現(xiàn)，前面式(9)的相位補(bǔ)償因子中還有能量歸一化因子，這些參數(shù)原理上都需要在解映射模塊的輸入數(shù)據(jù)中去除，即解映射模塊的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)該除以這些因子，才能得到原始坐標(biāo)下的映射值。由于除法操作的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，因此可以利用這些因子對原始坐標(biāo)進(jìn)行縮放，從而避免對數(shù)據(jù)的除法操作。

例如16QAM，將原始坐標(biāo)下的解映射判決閾值{-2、0、2}分別乘以|c_m|K_MOD，即可得到縮放后的判決閾值，硬件實(shí)現(xiàn)上只需要一個(gè)乘法器即可實(shí)現(xiàn)。對于64QAM，原始坐標(biāo)下的判決閾值為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，同樣只需要一個(gè)乘法器計(jì)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。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的相位補(bǔ)償和解映射模塊，兩個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)，提高了資源的利用率，有別傳統(tǒng)把兩個(gè)模塊獨(dú)立處理的方式，本發(fā)明提供的解決方案盡可能地簡化了計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)雜度低并提高了處理速度，適合于高數(shù)據(jù)吞吐量的處理。

應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管僅描述了一種相位補(bǔ)償和解映射的實(shí)施方式，但本應(yīng)用并不僅限于這些模式和方式。本發(fā)明還可在其他可能的操作模式的語境內(nèi)適用。

以上已描述了本發(fā)明的特別實(shí)施方式和實(shí)施例。在所述描述中，盡管可以做802.11系列的OFDM系統(tǒng)的實(shí)例，但本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它基于OFDM系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明可以融合多個(gè)操作模式，依據(jù)輸入的調(diào)制方式與帶寬等，來修改模塊的參數(shù)和公式變形。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。