基于SIG字段和数据字段导频加权的OFDM系统相位跟踪方法

摘要

本发明涉及一种基于SIG字段和数据字段导频加权的OFDM系统相位跟踪方法，其利用了SIG字段信道最强频点集合范围的频域数据计算一个OFDM符号时间间隔内残余相位偏差增加值，利用累加相位偏差对后续OFDM符号进行相位补偿，再利用补偿后数据字段的导频相位偏差不断修正OFDM符号相位偏差增加值。该方法具有较高的相位跟踪精度，尤其是在低信噪比的情况下，其不仅可以应用于802.11n系统，对于其他类似具有SIG字段的MIMO-OFDM系统均可使用，具有很宽的应用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种OFDM系统相位跟踪方法。

背景技术

对于OFDM系统而言，载波同步和频偏补偿后，在一定的信噪比条件下， 残留频偏相对于子载波间隔而言已经很小，此时由频偏所引起的子载波间的干 扰几乎可以忽略不计，但是，由于残留频偏的存在，随着时间的累积会造成子 载波频域信号的相位旋转，OFDM数据帧的持续时间越长，星座点的旋转越 厉害，当星座点的旋转相位超过一定的阈值后，就会导致信号的判决错误，尤 其影响高阶调制信号的解调，因此必须对残留频偏的相位进行跟踪并补偿，以 消除这种影响。

由802.11n的帧结构可知，在每一个OFDM符号中都存在导频，在20MHz 带宽下，导频数量为4，在40MHz带宽下，导频数量为6。导频的调制方式为 BPSK，并且导频的信号是已知的。传统的相位跟踪方法是采用将导频信号同 向叠加然后求相位的方法来估计相位偏差进行相位跟踪。但是，在衰落信道下， 某些导频点可能遭遇了深衰落，导频点处的信噪比比较低，相位偏差估计结果 较差。而基于信道强度的强弱给导频点分配不同的可信度值的信道强度加权估 计方法，可以改善相位估计的精度，但仍然受限于导频点数量较少的制约，相 位跟踪的精度改善有限。因此，需要寻找一种适用于OFDM系统在衰落信道 下提高相位跟踪精度的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在衰落信道下提高相位跟踪精度，从而提高 OFDM系统的整体解码性能的相位跟踪方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于SIG字段和数据字段导频加权的OFDM系统相位跟踪方法，用 于对OFDM系统接收机所接收的包含若干个SIG字段和数据字段的信号进行 相位偏差估计和补偿，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：根据第一个所述SIG字段计算一个OFDM符号时间间隔内残 余频偏产生的相位偏差，并将其作为由第一个所述SIG字段开始计数的第一 个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)，进而得到第二个OFDM符号的补 偿累加相位θ_com(2)，通过如下步骤①至⑤实施：

步骤①：选取N_s个包含有所述信号且信道最强的子载波，记其集合为S_max；

步骤②：分别硬判决每个所述SIG字段上所述集合S_max中各个所述子载波 的频域信号的极性，记其集合为S_p；

步骤③：根据所述集合S_max和所述集合S_p计算所述集合S_max内各个所述子 载波的频域信号同向叠加后的相位偏差角度θ_sig(1)；

步骤④：初始化所述相位偏差角度θ_sig(1)得到一个OFDM符号时间间隔内 残余频偏产生的相位偏差，并将其作为由第一个所述SIG字段开始计数的第 一个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)；

步骤⑤：根据所述第一个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)得到第二 个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(2)；

步骤(2)：依次对由第一个所述SIG字段开始计数的后续第i个OFDM 符号进行残余相位偏差补偿而更新其相位偏差增加值并计算得到其第i+1个 所述OFDM符号的补偿累加相位或直接计算得到其下一个所述OFDM符号的 补偿累加相位，其中i为大于1的整数，分为以下三种情况：

情况a：当第i个OFDM符号为SIG字段时，采用其补偿累加相位θ_com(i)对 该第i个OFDM符号进行残余相位偏差角度补偿，根据补偿后的符号信息， 计算该OFDM符号的残余相位偏差角度θ_sig(i)，并根据所述残余相位偏差角度 θ_sig(i)更新得到该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)；再根据该第i 个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)和其补偿累加相位θ_com(i)计算得到第 i+1个所述OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)；

情况b：当第i个OFDM符号为训练字段时，该第i个OFDM符号的相位 偏差增加值θ_{rm_pers}(i)相对于第i-1个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i-1)不 变，直接根据该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)和该第i个OFDM 符号的补偿累加相位θ_com(i)计算得到其第i+1个所述OFDM符号的补偿累加相 位θ_com(i+1)；

情况c：当第i个OFDM符号为数据字段时，采用其补偿累加相位θ_com(i)对 该第i个OFDM符号进行残余相位偏差角度补偿，根据补偿后的符号信息和 数据字段的导频数据，计算该第i个OFDM符号的残余相位偏差角度θ_pilot(i)， 并根据所述第i个OFDM符号的残余相位偏差角度θ_pilot(i)更新得到该第i个 OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)，若该第i个OFDM符号并非最后一帧 所述数据字段，则再根据该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)和该 第i个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i)计算得到其第i+1个所述OFDM符号 的补偿累加相位θ_com(i+1)，若该第i个OFDM符号为最后一帧所述数据字段， 则不再计算第i+1个所述OFDM符号的补偿累加相位。

步骤①中，根据信道估计结果判断各子载波的信号强度，再从中选取N_s个 包含有所述信号且信道最强的子载波。

步骤③中，通过

${\theta }_{sig}\left(1\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k\right(1\left)S_k^{*}\right(1\left)\right)$

计算所述相位偏差角度θ_sig(1)，其中，Y_k(1)为经过信道均衡后所述第一个 SIG字段对应在所述集合S_max内的第k个元素，S_k(1)为所述第一个SIG字段在 所述集合S_max内第k个元素的子载波信号的极性，为S_k(1)的共轭，angle()为 计算复数角度运算。

步骤④中，第一个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)＝δθ_sig(1)，其中δ 为小于1的权重系数。

步骤⑤中，第二个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(2)＝2θ_{rm_pers}(1)。

情况a中，通过

${\theta }_{sig}\left(i\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k^{com}\right(i\left)S_k^{*}\right(i\left)\right)$

计算该OFDM符号的残余相位偏差角度θ_sig(i)，其中为所述集合S_max内的第k个元素的第i个OFDM符号经过信道均衡和所述残余相位偏差角度补 偿后的导频数据，S_k(i)为所述第i个SIG字段在所述集合S_max内第k个元素的 子载波信号的极性；

通过

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)+δ₁θ_sig(i)

更新得到该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)，其中，δ₁为小 于1的权重系数；

通过

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)

计算得到第i+1个所述OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)。

情况b中，第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)相对于第i-1个 OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i-1)不变

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)，

通过

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)

计算得到其第i+1个所述OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)。

情况c中，通过

${\theta }_{pilot}\left(i\right)=angle\left(\underset{k\in C}{\Sigma }weight\right(k\left)Y_k^{com}\right(i\left)P_k^{*}\right(i\left)\right)$

计算该第i个OFDM符号的残余相位偏差角度θ_pilot(i)，其中，weight(k)为 所述集合S_max内的第k个元素的导频的可信权值，C为导频点集合，为所 述集合S_max内的第k个元素的第i个OFDM符号经过信道均衡和和所述残余相 位偏差角度补偿后的导频数据，P_k(i)为所述集合S_max内的第k个元素的导频上 的发射信号；

通过

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)+δ₂θ_pilot(i)

更新得到该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)，其中，δ₂为小 于1的反馈系数；

通过

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)

计算得到第i+1个所述OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明 的相位跟踪方法，利用了多个SIG字段信道最强频点集合范围的频域数据计 算残余相位偏差增加值，再利用后续数据字段的导频相位偏差不断修正OFDM 符号相位偏差增加值，具有较高的相位跟踪精度。尤其是在低信噪比的情况下， 其不仅可以应用于802.11n系统，对于其他类似具有SIG字段的MIMO-OFDM 系统均可使用，具有很宽的应用范围。

附图说明

附图1为802.11n的三种PPDU信号帧格式。

附图2为信噪比20dB时TGn_E衰落信道模型下传统相位跟踪方法的相 位误差。

附图3为信噪比20dB时TGn_E衰落信道模型下本发明相位跟踪方法的 相位误差。

附图4为TGn_E衰落信道模型下分别利用本发明相位跟踪方法与传统相 位跟踪方法的接收端误包率对比结果。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种用于对OFDM系统接收机所接收的包含若干个SIG字段 和数据字段的信号进行相位偏差估计和补偿的基于SIG字段和数据字段导频 加权的OFDM系统相位跟踪方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据第一个SIG字段计算一个OFDM符号时间间隔内残余频 偏产生的相位偏差，并将其作为由第一个SIG字段开始计数的第一个OFDM 符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)，进而得到第二个OFDM符号的补偿累加相位 θ_com(2)。具体通过如下步骤①至⑤实施。

步骤①：根据信道估计结果判断各子载波的信号强度，再从中选取N_s个 包含有信号且信道最强的子载波，记其集合为S_max。

步骤②：分别硬判决每个SIG字段上集合S_max中各个子载波的频域信号的 极性，记其集合为S_p。

步骤③：根据集合S_max和集合S_p计算集合S_max内各个子载波的频域信号同 向叠加后的相位偏差角度θ_sig(1)。即通过

${\theta }_{sig}\left(1\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k\right(1\left)S_k^{*}\right(1\left)\right)$

计算相位偏差角度θ_sig(1)，其中，Y_k(1)为经过信道均衡后第一个SIG字段 对应在集合S_max内的第k个元素，S_k(1)为第一个SIG字段在集合S_max内第k个元 素的子载波信号的极性，为S_k(1)的共轭，angle()为计算复数角度运算。

步骤④：初始化相位偏差角度θ_sig(1)

θ_{rm_pers}(1)＝δθ_sig(1)

得到一个OFDM符号时间间隔内残余频偏产生的相位偏差，并将其作为 由第一个SIG字段开始计数的第一个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)。 其中δ为小于1的权重系数。

步骤⑤：根据第一个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(1)得到第二个 OFDM符号的补偿累加相位θ_com(2)＝2θ_{rm_pers}(1)。

步骤(2)：依次对由第一个SIG字段开始计数的后续第i个(i为大于1 的整数)OFDM符号进行残余相位偏差补偿而更新其相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i) 并计算得到第i+1个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)或直接计算得到其下 一个，即第i+1个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)。此时分为以下三种情 况：

情况a：当第i个OFDM符号为SIG字段时，采用其补偿累加相位θ_com(i)对 该第i个OFDM符号进行残余相位偏差角度补偿，根据补偿后的符号信息， 计算该OFDM符号的残余相位偏差角度θ_sig(i)：

${\theta }_{sig}\left(i\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k^{com}\right(i\left)S_k^{*}\right(i\left)\right),$

其中为集合S_max内的第k个元素的第i个OFDM符号经过信道均衡 和残余相位偏差角度补偿后的导频数据，S_k(i)为第i个SIG字段在集合S_max内 第k个元素的子载波信号的极性，为S_k(i)的共轭。

再根据残余相位偏差角度θ_sig(i)更新得到该第i个OFDM符号的相位偏差 增加值θ_{rm_pers}(i)：

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)+δ₁θ_sig(i)，

δ₁为小于1的权重系数。

接着，根据该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)和其补偿累加 相位θ_com(i)计算得到其第i+1个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)：

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)。

情况b：当第i个OFDM符号为训练字段(HT_STF或者HT_LTF字段) 时，相位跟踪环路不进行相位偏差补偿和残余相位估计，该第i个OFDM符 号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)相对于第i-1个OFDM符号的相位偏差增加值 θ_{rm_pers}(i-1)不变：

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)，

则直接根据该第i个OFDM符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)和其补偿累加 相位θ_com(i)计算得到其第i+1个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)：

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)。

情况c：当第i个OFDM符号为数据字段时，采用其补偿累加相位θ_com(i)对 该第i个OFDM符号进行残余相位偏差角度补偿，根据补偿后的符号信息和 数据字段的导频数据，计算该OFDM符号的残余相位偏差角度θ_pilot(i)：

${\theta }_{pilot}\left(i\right)=angle\left(\underset{k\in C}{\Sigma }weight\right(k\left)Y_k^{com}\right(i\left)P_k^{*}\right(i\left)\right),$

其中，weight(k)为集合S_max内的第k个元素的导频的可信权值，C为导频点 集合，为集合S_max内的第k个元素的第i个OFDM符号经过信道均衡和残 余相位偏差角度补偿后的导频数据，P_k(i)为集合S_max内的第k个元素的导频上 的发射信号；

再根据残余相位偏差角度θ_pilot(i)更新得到第i个OFDM符号的相位偏差增 加值：

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)+δ₂θ_pilot(i)，

δ₂为小于1的反馈系数。

若该第i个OFDM符号并非最后一帧数据字段，则再根据该第i个OFDM 符号的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(i)和该第i个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i)计 算得到其第i+1个OFDM符号的补偿累加相位θ_com(i+1)：

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)，

若该第i个OFDM符号为最后一帧数据字段，则不再计算第i+1个OFDM 符号的补偿累加相位。

802.11n的三种PPDU信号帧格式如附图1所示，以下以802.11n的 HT_Mixed格式信号帧为例，该HT_Mixed格式信号帧的SIG序列包括L_SIG、 HT_SIG1以及HT_SIG2共3个SIG字段，SIG序列之后为HT_STF字段和N 个HT_LTF字段构成的共计m个训练字段(m＝N+1)，然后是数据字段。以下 以接收该HT_Mixed格式信号为例对OFDM系统频率相位跟踪的方法进行详 细说明。

相位跟踪方法包括以下步骤：

1、根据L_SIG字段(即第一个SIG字段)计算一个OFDM符号时间间 隔内残余频偏产生的相位偏差，将其作为第一个OFDM符号的相位偏差增加 值θ_{rm_pers}(1)，进而得到初始第二个OFDM符号(HT_SIG1字段)的补偿累加相 位θ_com(2)。具体实施步骤如下(1)-(5)。

(1)根据信道估计结果判断各子载波的信号强度，从中选取N_s个信道最 强的子载波，记其集合为S_max。

(2)硬判决L_SIG字段上这些子载波频域信号的极性，其集合记为S_p。

(3)计算集合S_max内子载波频域信号同向叠加后的相位偏差角度：

${\theta }_{sig}\left(1\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k\right(1\left)S_k^{*}\right(1\left)\right).$

(4)初始化每个OFDM符号的相位偏差值，

θ_{rm_pers}(1)＝δθ_sig(1)，

其中δ为小于1的权重系数。

(5)初始HT_SIG1字段(即由第一个SIG字段开始计数的第二个OFDM 符号)对应的补偿累加相位为：

θ_com(2)＝2θ_{rm_pers}(1)。

2、对HT_SIG1字段(由第一个SIG字段开始计数的第二个OFDM符号) 进行相位偏差角度θ_com(2)的补偿，根据补偿后的信息进行残余相位偏差估计：

${\theta }_{sig}\left(2\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k^{com}\right(2\left)S_k^{*}\right(2\left)\right)$

然后更新HT_SIG1字段的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(2)：

θ_{rm_pers}(2)＝θ_{rm_pers}(1)+δ₁θ_sig(2)

计算HT_SI2字段(由第一个SIG字段开始计数的第三个OFDM符号) 的补偿累加相位θ_com(3)：

θ_com(3)＝θ_com(2)+θ_{rm_pers}(2)。

3、对HT_SIG2字段(由第一个SIG字段开始计数的第三个OFDM符号) 进行相位偏差角度θ_com(3)的补偿，根据补偿后的信息进行残余相位偏差估计：

${\theta }_{sig}\left(3\right)=angle\left(\underset{k\in S_{max}}{\Sigma }{Y}_k^{com}\right(3\left)S_k^{*}\right(3\left)\right).$

更新HT_SIG2字段的相位偏差增加值θ_{rm_pers}(3)：

θ_{rm_pers}(3)＝θ_{rm_pers}(2)+δ₁θ_sig(3)，

计算HT_STF字段(由第一个SIG字段开始计数的第四个OFDM符号) 的补偿累加相位θ_com(4)。

θ_com(4)＝θ_com(3)+θ_{rm_pers}(3)。

4、对于HT_STF字段和N个HT_LTF字段，相位跟踪环路不进行相位偏 差补偿和残余相位估计，只进行补偿相位的累加。则

第i个OFDM符号的相位偏差增加值保持不变，

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)，

计算下一个OFDM符号的补偿累加相位，

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)。

则后续数据字段的第一个OFDM符号(即由第一个SIG字段开始计数的 第m+3+1个OFDM符号)对应的补偿累加相位为：

θ_com(m+3+1)＝θ_com(m+3)+θ_{rm_pers}(m+3)＝θ_com(3)+(m+1)*θ_{rm_pers}(3)。

5、对数据字段的第j(j≥1)个，即由第一个SIG字段开始计数的第i 个OFDM符号进行残余相位的补偿，根据相位补偿后的符号信息估计该OFDM 符号的残余相位偏差，

${\theta }_{pilot}\left(i\right)=angle\left(\underset{k\in C}{\Sigma }weight\right(k\left)Y_k^{com}\right(i\left)P_k^{*}\right(i\left)\right),$

更新第i个OFDM符号的相位偏差增加值：

θ_{rm_pers}(i)＝θ_{rm_pers}(i-1)+δ₂θ_pilot(i)，

再计算第i+1个OFDM符号的补偿累加相位：

θ_com(i+1)＝θ_com(i)+θ_{rm_pers}(i)，

直到一帧数据结束，相位跟踪完成。

将本发明的相位跟踪方法与传统的导频点加权相位跟踪方法进行仿真结 果对比，仿真条件设置为发送端产生HT_Mixed格式信号帧，MCS＝7，信号 经过TGn_E仿真衰落信道进入接收端，接收端在同步和频偏补偿后，分别采 用不同的相位跟踪方式，信噪比为20dB时的相位跟踪环路的相位误差结果分 别如附图2和附图3所示。

从附图2和附图3中可以看出，采用本发明的方法后，相位跟踪误差分 布小于导频加权的相位跟踪方法的误差，跟踪环路的精度有了很大的提升，相 位跟踪的结果能稳定在一个较小的范围内。

同上所述仿真设置条件，在不同信噪比SNR下，各仿真1000个数据包， 采用不同相位跟踪方法，最终接收端的误包率结果对比如附图3所示。

从附图4可以看出，采用本发明的相位跟踪方法，系统的误包率低于常 用的导频点加权相位跟踪方法，本发明方法表现出了更优越的性能。

本发明专利提供了一种在OFDM系统中进行相位跟踪的方法，利用SIG 字段中信道强权重高的频点集合范围的频域数据进行精确相位偏差估计，将其 作为后续每个OFDM符号的残余相位偏差的固定初始值，再利用后续数据符 号导频点加权相位偏差进行修正，使得OFDM系统接收端相位跟踪的精度得 到改善，尤其在低信噪比的情况下，相位跟踪精度有很大的提升。根据所述公 开的实施例，本领域技术人员能够实现或者使用本发明。以上所述实施例仅为 本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。