CN108933751B - 基于检测的ofdm信号增益控制方法、装置及记录介质 - Google Patents

基于检测的ofdm信号增益控制方法、装置及记录介质 Download PDF

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Abstract

基于检测的OFDM信号增益控制方法，包括如下步骤：步骤一、基于预设的初始增益控制参数和OFDM信号二阶矩信号功率估计计算增益控制的误差跟踪信号EA1，同时检测OFDM信号前导符号数据yP(n)和接收信号y(n)；步骤二、根据步骤一中获得的OFDM信号前导符号数据yP(n)，计算时域增益控制的误差跟踪信号EA2；步骤三、根据步骤一中获得的接收信号y(n)，计算频域增益控制的误差跟踪信号EA3。

Description

基于检测的OFDM信号增益控制方法、装置及记录介质
技术领域
本发明涉及基于检测的OFDM信号增益控制方法、装置及记录介质，属于数字无线通信传输技术领域。
背景技术
在飞行器测控通信***中，机载通信终端之间、机载通信终端与地面控制站之间在航行过程中的相对位置关系具有动态变化特性，一般测控通信***难以通过功率控制调整发射功率实现稳定信号接收，常在接收机一侧通过自动增益控制(Automatic GainControl，AGC)实现接收信号大动态范围接收。特别在基于突发传输的TDD单双工模式的高速数据传输无人机数据链***里，需要快速准确的完成接收信号增益控制，保证模数变换ADC入口数据的有效性。
同时，为了有效对抗低仰角环境下的多径干扰，高速数据链***主要采用正交频分复用OFDM体制。OFDM信号在时域具有较大的动态范围，该特性对接收机完成快速准确的增益控制带来了挑战。针对采用OFDM体制移动通信***或无人机数据链***等新应用领域，ADI公司开发了基于软件无线电平台的收发机架构，典型的如AD9361、AD9371、AD9375平台等。这些收发机里集成了增益控制模块，主要有自动增益控制AGC、手动增益控制MGC两种模式。其中，自动增益控制模式无需FPGA的基带处理BBP进行交互控制，而手动增益控制MGC主要控制指向增益查找表的指针，查找表分为全表和分表模式。全表模式下每个接收机通过一个指针控制增益，分表模式下基带处理BBP分别控制LMT(低噪声放大器LNA、混频器和跨阻放大器)和低通滤波器LPF的增益。该查找表一般的以1dB为单位进行AGC步进，手动增益控制MGC模式下，基带处理BBP可有两种控制增益方法：采用SPI写控制增益指针，或者用“控制输入”引脚移动增益指针。自动增益控制本身基于接收信号与噪声的总能量处理接收信号幅度，手动增益控制MGC模式需要在基带处理BBP中对接收信号幅度进行有效缩放，与传统自动增益控制电路类似，如2017年10月27日公开得的公开号为CN107302409A“一种基于过采样信号信噪比估计的AGC方法”中的控制方法，都需要进行增益控制处理。
2017年7月28日中国授权的公告号为CN 104954033 B的专利“一种用于OFDM***的快速自动增益控制电路及方法”中公开了对OFDM信号电平进行计算比较；2015年8月5日中国授权的公告号为CN 102273164 B的专利“无线通信网络中对基于OFDM的传输的自动增益控制(AGC)”中公开了基于循环前缀调整初始接收机增益；2013年9月18日中国授权的公告号为CN 101964774 B的专利“一种适用于OFDM***的自动增益控制方法及控制电路”中公开了使用滑窗处理计算窗内信号能量的平均；2015年8月26日中国授权的公告号为CN102057568 B的专利“用于OFDM/OFDMA***的AGC和DC校准方法和***”中公开了基于循环前缀实现AGC和DC校准。
在文献“赵星.基于FPGA实现的中频数字相干AGC的设计方法[J].四川兵工学报2014,35(2):94-96.”中使用解调后的一阶环来跟踪信号的幅度。在文献“梁冀；蒋志年.基于双环反馈的OFDM***数字AGC设计算法[J].现代电子技术,2014,37(3):52-54”中采用了信号二阶矩总功率的前后双环路。在文献“敬祥.监测接收机中突发信号检测及AGC电路设计与实现.电子科技大学,2014.”中研究了速度三档可调、可适应多种基带带宽的基带自动增益控制***。在文献“蒋超.OFDM***信道估计与AGC技术研究及其实现.电子科技大学2013”中研究一种基于延迟计数器与双因子收敛方案。在文献“汪涛；郭虹；李鸥；刘洛琨.一种适用于OFDM***的自适应AGC改进方法[J].信息工程大学学报,2011,12(5):550-554.”中通过可变增益补偿系数和惰性计数器的控制机制实现了AGC快速调整和稳定收敛。在文献“王晓琴；黑勇；周璇.面向OFDM接收机的一种自适应自动增益控制策略[J].电子学报,2008,36(8):1642-1645.”中设计了混合增益补偿系数的平均绝对误差自动增益控制结构。
以上文献主要通过信号二阶矩功率估计进行前馈或反馈功率控制，采用了不同控制步长、混合系数或多级调整结构，没有针对OFDM信号时域信号特性进行相应功率控制改进，这些方法在多径干扰下或低信噪比时不能有效调整信号电平，会造成OFDM接收机中基于门限检测的解调算法性能损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于检测的OFDM信号增益控制方法、装置及记录介质，该方法首先基于传统二阶矩信号功率估计与初始控制增益进行处理，然后基于OFDM接收机检测到的前导符号在时域提取精确信号功率对增益控制进行修正调整，同时从数据段基于虚拟子载波提取信号功率估计值进行进一步增益控制调整，从而完成OFDM数据链***中接收信号的快速准确增益控制，该方法可以较低复杂度实现增益控制准确度的有效提升。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
基于检测的OFDM信号增益控制方法，包括如下步骤：
步骤一、基于预设的初始增益控制参数和OFDM信号二阶矩信号功率估计计算增益控制的误差跟踪信号EA1，同时检测OFDM信号前导符号数据yP(n)和接收信号y(n)；
步骤二、根据步骤一中获得的OFDM信号前导符号数据yP(n)，计算时域增益控制的误差跟踪信号EA2；
步骤三、根据步骤一中获得的接收信号y(n)，计算频域增益控制的误差跟踪信号EA3。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述步骤一中增益控制的误差跟踪信号EA1为：
Figure BDA0001700625300000031
式中
y(n)＝ej[2πvn/N+θ]s(n)+z(n)
Figure BDA0001700625300000041
其中，n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；N为OFDM符号的长度，且为正整数；y(n)为接收信号；z(n)为信道的噪声；θ为信道相偏；v为信道频偏；s(n)为发射机发送信号；Es为信号功率；H(k)为OFDM符号所经历的信道频域响应；k为第二序数，k为整数；X(k)为OFDM信号调制信号的频域表达式。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述步骤一中检测OFDM前导符号数据的方法为：
Figure BDA0001700625300000042
式中
Figure BDA0001700625300000043
其中，
Figure BDA0001700625300000044
为前导符号起始位置估计值，argmax{}表示求最大值的位置，M(d)为检测度量，d为第三序数，d为正整数，N为OFDM符号的长度，M2为OFDM信号的二阶矩；n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；y(n)为接收信号；y*(n)为y(n)的共轭；x(n)为OFDM信号调制信号的时域表达式，x*(n)为x(n)的共轭。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述OFDM信号前导符号数据yP(n)分为OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)，OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)相同。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述步骤二中时域增益控制的误差跟踪信号EA2为：
Figure BDA0001700625300000045
其中，N为OFDM符号的长度，n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；yP0(n)为OFDM信号前导符号第一数据段，yP1(n)为OFDM信号前导符号第二数据段。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述步骤三中频域增益控制的误差跟踪信号EA3为：
Figure BDA0001700625300000051
其中，M2为OFDM信号的二阶矩；Aref为目标信号电平；Yv(k)为长度为Nv的虚拟子载波，k为第二序数，k为整数。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述OFDM信号用于数据链***。
上述基于检测的OFDM信号增益控制方法，所述基于检测的OFDM信号增益控制方法用于接收机端的增益控制。
一种记录介质，所述记录介质上记录了计算机可读程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
步骤一、基于预设的初始增益控制参数和OFDM信号二阶矩信号功率估计计算增益控制的误差跟踪信号EA1，同时检测OFDM信号前导符号数据yP(n)和接收信号y(n)；
步骤二、根据步骤一中获得的OFDM信号前导符号数据yP(n)，计算时域增益控制的误差跟踪信号EA2；
步骤三、根据步骤一中获得的接收信号y(n)，计算频域增益控制的误差跟踪信号EA3。
基于检测的OFDM信号增益控制装置，采用基于检测的OFDM信号增益控制方法。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法，基于传统增益控制方法，联合检测后的时域前导信号功率进行增益控制调整，相对于传统方法提升了数据链***接收信号电平准确度；
(2)本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法，在频域基于数据段的虚拟子载波功率进行增益控制调整，可以较低的复杂度获得更准确的增益控制性能；
(3)本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法，从检测后的前导段与数据段提取信息进行增益控制调整，适用于数据链***的动态特性环境，在软件无线电收发机中确保了突发信号在基带处理时的有效性。
附图说明
图1为本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法在软件无线电收发机应用框图；
图2为本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法的增益控制误差性能。
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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法在软件无线电收发机应用框图，射频输入OFDM信号经过增益控制模块后，基带输出信号进入数字基带处理单元，经过误差跟踪信号驱动的增益控制模块后，通过增益指针控制增益控制表，实现对增益控制模块的参数控制。其中，增益控制模块包含LMT(低噪声放大器LNA、混频器和跨阻放大器TIA)、低通滤波器LPF和数字增益控制；增益控制表分别对应LNA、混频器、TIA、LPF和数字几部分。采用二阶矩估计增益控制误差(即增益控制的误差跟踪信号)、时域修正增益误差(即时域增益控制的误差跟踪信号)、频域修正增益误差(即频域增益控制的误差跟踪信号)共同完成增益控制。
基于检测的OFDM信号增益控制方法，包括如下步骤：
步骤一、基于预设的初始增益控制参数和OFDM信号二阶矩信号功率估计计算增益控制的误差跟踪信号EA1，同时检测OFDM信号前导符号数据yP(n)和接收信号y(n)。
增益控制的误差跟踪信号EA1为：
Figure BDA0001700625300000071
式中
y(n)＝ej[2πvn/N+θ]s(n)+z(n)
Figure BDA0001700625300000072
其中，
Figure BDA0001700625300000073
为信号功率估计，M2为OFDM信号的二阶矩
Figure BDA0001700625300000074
n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；N为OFDM符号的长度，且为正整数；y(n)为接收信号；z(n)为信道的噪声；θ为信道相偏；v为信道频偏；s(n)为发射机发送信号；Es为信号功率；H(k)为OFDM符号所经历的信道频域响应；k为第二序数，k为整数；X(k)为OFDM信号调制信号的频域表达式。
所述OFDM信号前导符号数据yP(n)分为OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)，OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)相同。
检测OFDM前导符号数据的方法为：
Figure BDA0001700625300000075
式中
Figure BDA0001700625300000076
其中，
Figure BDA0001700625300000077
为前导符号起始位置估计值，argmax{}表示求最大值的位置，M(d)为检测度量，d为第三序数，d为正整数，N为OFDM符号的长度，M2为OFDM信号的二阶矩；n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；y(n)为接收信号；y*(n)为y(n)的共轭；x(n)为OFDM信号调制信号的时域表达式，x*(n)为x(n)的共轭。根据前导符号起始位置估计值
Figure BDA0001700625300000081
即可获得前导符号起始位置dP及对应的前导符号数据yP(n)。
步骤二、根据步骤一中获得的OFDM信号前导符号数据yP(n)，计算时域增益控制的误差跟踪信号EA2。
时域增益控制的误差跟踪信号EA2为：
Figure BDA0001700625300000082
其中，N为OFDM符号的长度，n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；yP0(n)为OFDM信号前导符号第一数据段，yP1(n)为OFDM信号前导符号第二数据段。利用时域增益控制的误差跟踪信号EA2实现接收信号电平调整。
步骤三、根据步骤一中获得的接收信号y(n)，y(n)通过N点傅里叶变换变换到频域得到Y(k)，0≤k≤N-1，其中Yv(k)为长度为Nv的虚拟子载波，Yu(k)为长度为Nu的调制信号子载波，N＝Nv+Nu，计算频域增益控制的误差跟踪信号EA3。
频域增益控制的误差跟踪信号EA3为：
Figure BDA0001700625300000083
其中，M2为OFDM信号的二阶矩；Aref为目标信号电平；Yv(k)为长度为Nv的虚拟子载波，k为第二序数，k为整数。利用频域增益控制的误差跟踪信号EA3实现接收信号电平调整。
本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法采用增益控制的误差跟踪信号EA1、时域增益控制的误差跟踪信号EA2、频域增益控制的误差跟踪信号EA3共同完成增益控制。
本发明的基于检测的OFDM信号增益控制方法，可用于数据链***的接收机端实现增益控制。
一种记录介质，所述记录介质上记录了计算机可读程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
步骤一、基于预设的初始增益控制参数和OFDM信号二阶矩信号功率估计计算增益控制的误差跟踪信号EA1，同时检测OFDM信号前导符号数据yP(n)和接收信号y(n)。
增益控制的误差跟踪信号EA1为：
Figure BDA0001700625300000091
式中
y(n)＝ej[2πv/nN+θ]s(n)+z(n)
Figure BDA0001700625300000092
其中，
Figure BDA0001700625300000093
为信号功率估计，M2为OFDM信号的二阶矩
Figure BDA0001700625300000094
n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；N为OFDM符号的长度，且为正整数；y(n)为接收信号；z(n)为信道的噪声；θ为信道相偏；v为信道频偏；s(n)为发射机发送信号；Es为信号功率；H(k)为OFDM符号所经历的信道频域响应；k为第二序数，k为整数；X(k)为OFDM信号调制信号的频域表达式。
所述OFDM信号前导符号数据yP(n)分为OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)，OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)相同。
检测OFDM前导符号数据的方法为：
Figure BDA0001700625300000101
式中
Figure BDA0001700625300000102
其中，
Figure BDA0001700625300000104
为前导符号起始位置估计值，argmax{}表示求最大值的位置，M(d)为检测度量，d为第三序数，d为正整数，N为OFDM符号的长度，M2为OFDM信号的二阶矩；n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；y(n)为接收信号；y*(n)为y(n)的共轭；x(n)为OFDM信号调制信号的时域表达式，x*(n)为x(n)的共轭。根据前导符号起始位置估计值
Figure BDA0001700625300000105
即可获得前导符号起始位置dP及对应的前导符号数据yP(n)。
步骤二、根据步骤一中获得的OFDM信号前导符号数据yP(n)，计算时域增益控制的误差跟踪信号EA2。
时域增益控制的误差跟踪信号EA2为：
Figure BDA0001700625300000103
其中，N为OFDM符号的长度，n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；yP0(n)为OFDM信号前导符号第一数据段，yP1(n)为OFDM信号前导符号第二数据段。利用时域增益控制的误差跟踪信号EA2实现接收信号电平调整。
步骤三、根据步骤一中获得的接收信号y(n)，y(n)通过N点傅里叶变换变换到频域得到Y(k)，0≤k≤N-1，其中Yv(k)为长度为Nv的虚拟子载波，Yu(k)为长度为Nu的调制信号子载波，N＝Nv+Nu，计算频域增益控制的误差跟踪信号EA3。
频域增益控制的误差跟踪信号EA3为：
Figure BDA0001700625300000111
其中，M2为OFDM信号的二阶矩；Aref为目标信号电平；Yv(k)为长度为Nv的虚拟子载波，k为第二序数，k为整数。利用频域增益控制的误差跟踪信号EA3实现接收信号电平调整。
基于检测的OFDM信号增益控制装置，采用基于检测的OFDM信号增益控制方法。
实施例1：
图2所示为本发明基于检测的OFDM信号增益控制方法的仿真性能，采用N＝512长FFT信号，QPSK调制，仿真采用本发明增益控制方法的增益控制误差与采用传统二阶矩方法的增益控制误差在SNR＝﹣10dB～20dB的AWGN信道下归一化偏差，纵轴为偏差的百分比，从仿真结果分析可知，本发明增益控制调整方法比传统二阶矩增益控制方法提升18dB，在SNR＝﹣10dB时尚可准确进行增益控制，而传统二阶矩增益控制方法在SNR>10dB时才能达到同等性能。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、基于接收信号y(n)计算增益控制的误差跟踪信号EA1，同时检测接收信号y(n)中的OFDM信号的前导符号数据yP(n)；
步骤二、根据步骤一中获得的OFDM信号前导符号数据yP(n)，计算时域增益控制的误差跟踪信号EA2；
步骤三、根据步骤一中获得的接收信号y(n)，计算频域增益控制的误差跟踪信号EA3；
步骤一中检测OFDM信号的前导符号数据的方法为：
Figure FDA0002861601460000011
式中
Figure FDA0002861601460000012
其中，
Figure FDA0002861601460000013
为前导符号起始位置估计值，argmax{}表示求最大值的位置，M(d)为检测度量，d为第三序数，d为正整数，N为OFDM符号的长度，M2为OFDM信号的二阶矩；n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；y(n)为接收信号；y*(n)为y(n)的共轭；x(n)为OFDM信号调制信号的时域表达式，x*(n)为x(n)的共轭；根据
Figure FDA0002861601460000014
即可获得yP(n)。
2.根据权利要求1所述的基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：所述步骤一中增益控制的误差跟踪信号EA1为：
Figure FDA0002861601460000015
式中
y(n)＝ej[2πvn/N+θ]s(n)+z(n)
Figure FDA0002861601460000021
其中，n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；N为OFDM符号的长度，且为正整数；y(n)为接收信号；z(n)为信道的噪声；θ为信道相偏；v为信道频偏；s(n)为发射机发送信号；Es为信号功率；H(k)为OFDM符号所经历的信道频域响应；k为第二序数，k为整数；X(k)为OFDM信号调制信号的频域表达式。
3.根据权利要求1所述的基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：所述OFDM信号前导符号数据yP(n)分为OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)，OFDM信号前导符号第一数据段yP0(n)和OFDM信号前导符号第二数据段yP1(n)相同。
4.根据权利要求1所述的基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：所述步骤二中时域增益控制的误差跟踪信号EA2为：
Figure FDA0002861601460000022
其中，N为OFDM符号的长度，n为第一序数，n为整数，0≤n≤N-1；Aref为目标信号电平；yP0(n)为OFDM信号前导符号第一数据段，yP1(n)为OFDM信号前导符号第二数据段。
5.根据权利要求1所述的基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：所述步骤三中频域增益控制的误差跟踪信号EA3为：
Figure FDA0002861601460000023
其中，M2为OFDM信号的二阶矩；Aref为目标信号电平；Yv(k)为长度为Nv的虚拟子载波，k为第二序数，k为整数。
6.根据权利要求1所述的基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：所述OFDM信号用于数据链***。
7.根据权利要求1所述的基于检测的OFDM信号增益控制方法，其特征在于：所述基于检测的OFDM信号增益控制方法用于接收机端的增益控制。
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