基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法

2023-05-03 19:26:26

專利名稱：基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法
技術領域：
本發明設計通訊技術領域，尤其涉及一種基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法。

背景技術：
SC-FDE(單載波頻域均衡)是寬帶無線傳輸中一種很有前途的抗多徑幹擾的方法，和OFDM一樣採取分快傳輸，並且採用循環前綴Cyclic Prefix(CP)方式，這樣就可以把信號於信道脈衝響應的線性卷積轉化為循環卷積，並且消除了多徑引起的數據塊的幹擾。在接收端採用簡單的頻域均衡技術就可以消除符號間幹擾。
數字通信技術領域中的一個最核心問題就是同步問題，從技術上說分為載波同步與定時同步。在經過無線移動信道後的接收端獲取的基帶採樣信號中存在著載波頻率偏差，相位偏差，定時偏差，這些偏差一般來源於發射機和接收機之間晶振的不匹配和無線移動信道中都卜勒效應和頻率選擇性這幾個方面，即便是在信道相對平坦的室內環境，也會存在這些偏差。
使用塊傳輸技術的SC-FDE系統對這些同步的偏差提出了更高的要求。SC-FDE系統的同步技術分為載波同步和定時同步，其接收端的同步主要有以下幾個任務 幀到達檢測，用於判定是否檢測到信號，這是同步的第一步，只有判定接收到的是有效信號才能進行後面的處理； 載波頻偏捕獲； 載波頻率跟蹤； 符號起始位置估計(塊同步)，即在均衡之前準確知道起始位置(起始的傅立葉變換FFT位置)；為獲取更精確的位置，需要定時估計。
採樣時鐘頻率的跟蹤。
SC-FDE系統的信號沿著時間軸順序到來的，分塊傳輸的SC-FDE信號每個數據塊由數據段和循環前綴組成。SC-FDE射頻信號在解調到基帶信號的過程中由於晶振的不匹配會產生非常大的頻率偏差，頻偏對純粹的單載波系統造成的誤差相當於造成了信號旋轉和衰減；當這個頻偏出現在SC-FDE系統時，還會造成碼間幹擾ISI，載波間幹擾ICI，影響到SC-FDE系統的頻域均衡算法的準確性，因此在接收端下變頻後得到的基帶採樣信號的頻偏必須先進行捕獲和補償，將本地載波的頻偏鎖定在一個較小的範圍內，使系統能夠正常工作。補償後剩餘的頻偏又稱之為殘留頻偏。隨著時間的推移，殘留頻偏造成的相位偏移差隨著時間的積累，會使得接收碼元旋轉一個角度，導致無法正確的解調出符號；同時相位的累積偏差也會導致錯誤的信道估計和頻域均衡。為了維持較好的同步性能，必須進行載波跟蹤。載波跟蹤即跟蹤載波相位偏差的變化，防止頻偏造成的相位累積效應。
一般SC-FDE系統中，數據流被分塊傳輸，每塊數據流經過一定編碼處理和星座映射之後形成一個長度為N的時域數據段向量

在數據段

之後加上長度為L的循環前綴——UW序列(獨特字序列，一般為chu、frank、PN序列)，得到長度為M＝L+N的向量

稱其為數據塊。數據塊通過信道傳輸之後在接收端得到與其對應的信號流

再經過均衡補償得到軟判決數據

最後進行解碼。
目前，一般的載波追蹤方法利用SC-FDE中相鄰數據塊中的循環前綴的信息得到當前塊的頻偏，或是利用頻域均衡後的軟判決信息或是重構恢復後的信息估計當前塊的頻偏，以此達到頻率追蹤的效果，然後再進行相位補償，實現載波追蹤。這些解決方案大都是從OFDM的相關同步算法中借鑑而來的。
對於直接利用接收端相鄰數據塊中的UW的相位差進行頻偏跟蹤的這類算法，由於此時算法利用的接收數據是經過無線移動信道後沒有經過均衡補償的信息，因此得到的載波頻偏誤差較大，精度低，無法達到追蹤的目的。而現有的另一類利用均衡後的軟判決數據或是重構恢復後的數據進行頻偏追蹤的算法，利用得到的當前塊頻偏去補償當前數據塊，算法複雜，實現起來延時大。同時這些算法都是在完成頻偏追蹤後，再進行相位補償，進一步加大了實現上的複雜度。


發明內容
鑑於上述的分析，本發明目的在於提供一種基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法，用以解決現有技術中的載波追蹤方法誤差大、精度低或複雜度大的問題。
本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的 本發明提供了一種基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法，所述方法包括 步驟A將當前幀中經過相位補償的數據塊進行均衡處理，並從均衡補償後得到的軟判決碼元數據中選取循環前綴對應的軟判決數據； 步驟B利用最大似然相位估計算法對所述軟判決數據進行計算，得到當前數據塊的相位估計； 步驟C將得到的估計相位進行累加平滑處理，並將累加平滑輸出作為下一個數據塊的相位估計值，用於補償下一個數據塊； 重複執行步驟A到步驟C，直到當前幀的所有數據塊傳輸結束。
進一步地，所述步驟B具體包括 先求出已知循環前綴與其對應的軟判決數據的相關值，然後對該相關值求幅角，得到當前數據塊的估計相位； 或者，所述步驟B具體包括 利用軟判決數據的解碼判決輸出與軟判決數據進行相關求得當前數據塊的估計相位。
進一步地，所述步驟C具體包括 將得到的估計相位通過一個預定義的累加平滑器進行累加平滑處理，累加平滑器的時域表達式為其中S(1)＝0，i表示第i塊數據，est(i)為第i塊的平滑器輸入，即上一步求得的相位估計值

S(i+1)為第i塊的累加平滑輸出，累加平滑輸出作為下一個數據塊的相位估計值，用於補償下一個數據塊。
本發明有益效果如下 本發明解決了原有算法的缺點，直接通過相位估計來達到頻率追蹤，在追蹤的過程中同時進行著相位補償，降低了實現的複雜度；同時算法不僅精度高，並且複雜度很低，整個算法並沒有構成真正意義上的環路結構，延時很小，有很高的實用價值。
本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。



圖1為為單載波頻域均衡系統的數據塊的結構示意圖； 圖2為本發明實施例所述方法的流程示意圖。

具體實施例方式 下面結合附圖來具體描述本發明的優先實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本發明的實施例一起用於闡釋本發明的原理。
考慮到在載波追蹤之前已經進行了載波捕獲，此時的頻偏已經被鎖定在一個較小的範圍內了，同時SC-FDE相比OFDM對載波同步不是特別敏感，因此利用經過均衡後的當前數據塊中循環前綴，即UW序列(獨特字序列，一般為IEEE802.16a標準規定的chu序列、frank-zadaff序列、PN序列)對應的軟判決數據r，根據ML(最大似然，Maximum Likelihood)相位估計算法估計出當前數據塊的相位；再將估計出的相位通過一個累加平滑器；將經過累加平滑處理後得到的相位值去補償下一數據塊，以此遞推下去，以達到載波追蹤的目的。
SC-FDE系統是按幀傳輸，每幀共n個數據塊，分塊傳輸的SC-FDE信號每塊數據由有用數據和循環前綴組成，循環前綴取為Chu序列(L個碼元長度)，得到長度為M＝L+N的向量

如圖1所示，第i個數據塊對應的

通過信道傳輸之後在接收端得到與其對應的信號流

再經過均衡補償得到軟判決碼元數據最後進行解碼。
具體可以包括以下步驟 步驟200相位補償；相位補償的表達式為 步驟201將當前幀第一個有效數據塊通過均衡補償後得到軟判決碼元數據選取Chu序列對應的軟判決數據[z(N+1)，…，z(M)]，用向量符號表示[z(N+1)，…，z(M)]。這裡，均衡補償在現有技術中已有成熟解決方案，此處不再贅述。
步驟202由於固定的頻偏造成的是線性相位偏差，殘留載波頻偏在一個數據塊裡造成的累積相位很小，將載波頻偏對每塊數據的相位影響看成是一個累積的固定相片偏差，即可以將載波頻偏對一個數據塊中的每個數據的相位影響近似看成是一個固定值，因此可以利用SC-FDE的每個塊數據結構中的一段已知的循環前綴，結合數據輔助算法中的ML(最大似然)相位估計算法得到當前數據塊的相位估計。具體可以利用ML相位估計算法得到第一個數據塊的相位估計值，此算法是先求出已知Chu序列U＝[U(1)，…，U(L)]與其對應的軟判決數據的相關值(k是序列中的序號，即第i個數據塊中的第k個數據)；再對相關值求幅角，即得到當前數據塊的估計相位本發明實施例中的ML相位估計算法也可以選擇利用軟判決數據的解碼判決輸出A＝〔a(1)，...，a(N)〕與軟判決數據z＝[z(1)，…，z(N)]進行相關求得相位估計

但是這樣在信噪比較低的情況下由於判決的不可靠會降低追蹤精度，同樣也可以利用軟判決數據利用無數據輔助的相位估計算法，例如V&V(A.J.Viterbi and A.M.Viterbi)算法進行相位估計，這樣的估計結果精度較低，但是在信噪比低的情況下相比上一種方案效果較好。
步驟203將得到的估計相位

通過一個預定義的累加平滑器進行累加平滑處理得到φ(1)，累加平滑器的時域表達式為其中S(1)＝0，i表示第i塊數據，est(i)為第i塊的平滑器輸入，即上一步求得的相位估計值

S(i+1)為第i塊的累加平滑輸出φ(1)。由於此時處理的是第一塊數據，因此求得的是S(2)。
原有的算法都是估計出頻偏再進行相位補償，考慮到經過載波捕獲後的殘留頻偏對一個數據塊中的每個數據的相位影響近似看成是一個固定值，即殘留頻偏形成的相位偏移可以看成是基於數據塊為變量的線性相位變化；因此理論上第i塊的累積相位αi＝α1+k(i-1)(k＝2πfMT為斜率)，表示每塊理論上的累積變量。因此設計的累積平滑器就是根據這個式子設計的，由於是利用前一塊的估計相位估計下一塊，因此每個數據塊的相位估計值就對應理論上的斜率k的一個觀測值，通過平滑濾波器對已有的觀測值求平均來降低噪聲帶來的影響，更準確的得到的k的估計值

利用累加濾波器可以達到載波追蹤的目的，因此設計的累加平滑濾波器的時域表達式即為累加平滑器的累加功能解決頻偏造成的數據塊之間的相位累積，達到了載波頻偏追蹤的目的；平滑功能解決了由噪聲引起的相位估計結果抖動的影響平滑累積的效果，進一步提高了追蹤精度。當然，累加平滑器也可以有其他形式，必須有累加功能和平滑功能才可達到目的，但是本發明實施例設計的累加平滑器性能比較好。
轉到步驟200，將得到的累加平滑輸出φ(1)，即步驟203中的累加平滑輸出s(2)，補償下一個接收數據塊相位補償的表達式為 補償後的數據再經過步驟201的均衡處理得到第二個數據塊對應的軟判決數據

依次求得

φ(2)，再利用φ(2)去補償第三個數據塊，以此遞推直到當前幀的所有數據塊傳輸結束。
這裡，本發明實施例僅以UW序列中的Chu序列為例進行了說明，但本發明所述技術領域的技術人員應該知道，UW序列兩種格式(frank-zadaff序列和PN序列)同樣可以適用於本發明實施例，只是與長度L的大小有關係，即frank-zadaff序列的長度必須為n的平方，PN序列必須為2的n次方減1。
綜上所述，本發明實施例提供了一種基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法，由於算法採用的是經過均衡補償後的軟判決數據，利用均衡算法可以補償固定相位偏差和必須進行分塊處理的兩個特點，將當前塊的相位估計結果用於補償下一個待處理塊，這樣整個算法並沒有形成真正的環路處理，但是達到了環路的效果，達到了追蹤的目的，相比原有算法解決了通常追蹤算法中的環路延時大，穩定性差，精度低的問題。
並且本發明實施例一個累加平滑濾波器，累加平滑器的累加功能解決頻偏造成的數據塊之間的相位累積，達到了載波頻偏追蹤的目的；平滑功能解決了由噪聲引起的相位估計結果抖動的影響平滑累積的效果，進一步提高了追蹤精度。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1、一種基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法，其特徵在於，所述方法包括
步驟A將當前幀中經過相位補償的數據塊進行均衡處理，並從均衡補償後得到的軟判決碼元數據中選取循環前綴對應的軟判決數據；
步驟B利用最大似然相位估計算法對所述軟判決數據進行計算，得到當前數據塊的相位估計；
步驟C將得到的估計相位進行累加平滑處理，並將累加平滑輸出作為下一個數據塊的相位估計值，用於補償下一個數據塊；
重複執行步驟A到步驟C，直到當前幀的所有數據塊傳輸結束。
2、根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟B具體包括
先求出已知循環前綴與其對應的軟判決數據的相關值，然後對該相關值求幅角，得到當前數據塊的估計相位；
或者，所述步驟B具體包括
利用軟判決數據的解碼判決輸出與軟判決數據進行相關求得當前數據塊的估計相位。
3、根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述步驟C具體包括
將得到的估計相位通過一個預定義的累加平滑器進行累加平滑處理，累加平滑器的時域表達式為其中S(1)＝0，i表示第i塊數據，est(i)為第i塊的平滑器輸入，即上一步求得的相位估計值
S(i+1)為第i塊的累加平滑輸出，累加平滑輸出作為下一個數據塊的相位估計值，用於補償下一個數據塊。
全文摘要
本發明公開了一種基於塊傳輸的單載波系統的載波跟蹤方法，所述方法包括步驟A將當前幀中經過相位補償的數據塊進行均衡處理，並從均衡補償後得到的軟判決碼元數據中選取循環前綴對應的軟判決數據；步驟B利用相位估計算法對所述軟判決數據進行計算，得到當前數據塊的相位估計；步驟C將得到的估計相位進行累加平滑處理，並將累加平滑輸出下一個數據塊的相位估計值用於補償下一個數據塊；重複執行步驟A到步驟C，直到當前幀的所有數據塊傳輸結束；本發明解決了原有算法的缺點，直接通過相位估計來達到頻率追蹤，在追蹤的過程中同時進行著相位補償，降低了實現的複雜度；同時算法不僅精度高，並且複雜度很低。
文檔編號H04L25/03GK101404633SQ20081018004
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月20日 優先權日2008年11月20日
發明者吳南潤, 鄭波浪, 立 方 申請人:北京韋加航通科技有限責任公司