CN110519194A - Ofdm数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，属于数字无线通信传输技术领域。该方法利用OFDM符号的梳状导频，在解调端通过加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值，并通过线性拟合消除各个子载波相位噪声。本发明实现了***间存在较大钟漂时，对相位噪声的有效抑制，能够有效提升收发机抗相噪干扰能力。

Description

OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法。
背景技术
OFDM数据链收发机常应用到微小型无人飞行器对地宽带数据传输***。对于低造价、模块化、小型化的数据终端，所采用时钟发生单元如晶体的相位噪声性能较差。此时对接收机会引起较大的性能损失。需要采用信号处理技术消除相位噪声影响。
专利“OFDM***的相位噪声消除方法”(201310652815.3)针对特定APSK星座映，结合各子载波的噪声功率，计算得到相位噪声系数，最后将相位噪声消除。专利“OFDM接收机中消除由相位噪声引起的子载波间干扰的方法”(200710071470.7)从子载波数据中提取出相位噪声频谱，消除由于相位噪声引起的子载波间的干扰。
“飞行试验遥测***中相位噪声纠正算法”(王仲杰，中国测试,2017,43(6):1-6)对连续导频位置进行了信道估计和补偿，对共同相位误差进行相位噪声估计和纠正。“OFDM***中相位噪声的影响与补偿”(高宇洁，西安电子科技大学,2007)采用一种数据共轭算法消除相位噪声的影响。
但是上述文献针对OFDM信号相位噪声进行共同相位偏差消除，或者采用噪声谱分析或自消除方法降低相位噪声的影响，没有考虑***间存在较大钟漂时OFDM信号采样时间抖动引起的频域信号相位噪声较差的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，实现了***间存在较大钟漂时，对相位噪声的有效抑制。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，步骤如下：
步骤(一)、在OFDM数据终端调制端，OFDM符号包含Ns个采样，则频域共Ns个子载波，Ns取值为2的次幂，且64≤Ns≤8192，OFDM数据终端调制端时域数据表示为x(n)，0≤n≤Ns-1，调制端频域数据表示为X(k)，0≤k≤Ns-1，梳状导频为Xp(m)，0≤m≤M-1；
在解调端，经过信道传输后的理论时域数据表示为y(n)，受相位噪声影响的时域数据为y(n-τ(n))，其中τ(n)表示第n个数据的时钟漂移，在同一个OFDM符号内，τ(n)变化较小，设为统一的值τ；经过信道传输后在解调端频域数据表示为Y(k)，梳状导频为Yp(m)；
步骤(二)、在OFDM数据终端解调端，先进行同步处理，然后消除接收导频符号中相位调制信息，再通过加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值
步骤(三)、依据步骤(二)获得的当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值线性拟合计算出Nu个有效子载波对应的相位θ(k)，将θ(k)转换为复数并与Y(k)相乘，完成相位噪声消除。
步骤(一)中，频域Ns个子载波满足如下情况：
a)有效子载波数为Nu，1≤Nu≤Ns；
b)中间1个子载波值为0；
c)Nu个有效子载波的两边Ns-Nu-1个子载波值均设为0；
d)Nu个有效子载波中有M个导频，1≤M≤Nu；
e)M个导频以D为间隔均匀分布，1≤D≤Nu。
步骤(二)中，将梳状导频与接收端已知导频的频域信号Xp(m)共轭相乘，消除接收导频符号中相位调制信息，表示为
步骤(二)中，利用如下公式进行加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值
其中，R0为设计差分间隔长度，w(d)为设计加权系数，arg[]表示取钟漂相位操作。
1≤R0≤M/2。
步骤(二)中，相位θ(k)利用如下公式获得：
相邻的两个OFDM符号，应通过选择不同的M和D设计不同的导频图样。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明针对***间存在较大钟漂的情况，根据调制端OFDM符号的频域梳状导频，在解调端通过加权差分相关计算得到OFDM符号内的时钟漂移量估计值，再通过线性拟合得到有效子载波对应的相位，实现了对各个子载波相位噪声的有效抑制。
(2)本发明利用OFDM符号的频域梳状导频，通过加权差分相关计算得到OFDM符号内的时钟漂移量估计值，解调性能不受相邻OFDM符号相位噪声量影响。
(3)本发明通过线性拟合得到OFDM符号有效子载波的相位，并消除各个子载波相位噪声，适用于不同导频间隔D的导频图样。
(4)本发明设计可调差分间隔长度，可针对不同大小的相位噪声进行调整，满足相位估计范围与估计精度的设计要求。
附图说明
图1为本发明OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法***框图与导频图样；
图2为本发明OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法在不同SNR下的估计偏差均值性能。
图3为本发明OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法在不同SNR下的估计偏差标准偏差性能。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，利用OFDM符号的梳状导频，在解调端通过加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值，并通过线性拟合消除各个子载波相位噪声，有效提升收发机抗相噪干扰能力。
OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，主要包括如下步骤：
步骤(一)、在OFDM数据终端调制端，OFDM符号包含Ns个采样，一般数据链***中Ns取值为2的次幂，64≤Ns≤8192，频域共Ns个子载波，其中：
a)有效子载波数为Nu，1≤Nu≤Ns，
b)Ns个子载波中，中间1个子载波(即第Ns/2个)值为0，
c)Nu个有效子载波的两边Ns-Nu-1个子载波值均设为0，
d)Nu个有效子载波中有M个导频，1≤M≤Nu，
e)M个导频以D为间隔均匀分布，1≤D≤Nu。
不同OFDM符号内所含导频个数M可不相同，间隔D也可不相同，得到不同的导频图样。
OFDM数据终端调制端时域数据表示为x(n)，0≤n≤Ns-1。调制端频域数据表示为X(k)，0≤k≤Ns-1，梳状导频为Xp(m)，0≤m≤M-1。
在解调端，经过信道传输后的理论时域数据表示为y(n)。受相位噪声影响的时域数据为y(n-τ(n))，其中τ(n)表示第n个数据的时钟漂移，在不同OFDM符号之间，τ(n)变化较大，在同一个OFDM符号内，τ(n)变化较小，设为统一的值τ。
经过信道传输后在解调端频域数据表示为Y(k)，梳状导频为Yp(m)。
步骤(二)、在OFDM数据终端解调端，经过同步处理后，将梳状导频与接收端已知导频的频域信号Xp(m)共轭相乘，消除接收导频符号中相位调制信息，表示为然后通过加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值
其中，R0为设计差分间隔长度，1≤R0≤M/2，为设计加权系数，arg[]表示取钟漂相位操作，通过ROM表1查表计算。
步骤(三)、依据步骤(二)获得的当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值线性拟合计算出Nu个有效子载波对应的相位：
根据有效子载波的相位θ(k)查表ROM表2，将θ(k)转换为复数I(k)+jQ(k)，并通过与Y(k)相乘，完成相位噪声消除。
实施例
对本发明OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法的性能进行分析。
图1为OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法***框图与导频图样。设计了两种导频图样。Nu+1个子载波中有中间1个载波为0，不同导频间隔D形成M＝Np1、Np2两种不同导频长度的导频图样。
设OFDM符号有1024点FFT信号，720个有效子载波形成10.8MHz物理带宽，其中每个OFDM符号有120个导频子载波，利用本发明方案，采用Np1、Np2两种导频图样交替进行时钟漂移量估计，仿真得到钟漂导致的OFDM信号相噪在频域的时钟漂移量估计值估计偏差均值性能如图2所示，标准偏差性能如图3所示，仿真5000次统计分析。
对于图2估计偏差均值，在有效信噪比SNR＝5dB-20dB范围内，仿真偏差均值为0。对于SNR＝5dB，当R0＝32时，时钟漂移量估计值最大值为0.0009，当R0＝60时，时钟漂移量估计值最大值为0.00055。对于SNR＝20dB，当R0＝32时，时钟漂移量估计值最大值为0.00018，当R0＝60时，时钟漂移量估计值最大值为0.00016。
分析图3估计标准偏差，对于SNR＝5dB，当R0＝32、60时，时钟漂移量估计值标准偏差分别为0.00025、0.00016。对于SNR＝20dB，当R0＝32、60时，时钟漂移量估计值标准偏差分别为5E-5、3E-5。
说明本发明提供的方法可以有效估计时钟漂移量，再通过线性拟合即可消除各个子载波相位噪声，有效提升收发机抗相噪干扰能力。
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于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤(一)、在OFDM数据终端调制端，OFDM符号包含Ns个采样，则频域共Ns个子载波，Ns取值为2的次幂，且64≤Ns≤8192，OFDM数据终端调制端时域数据表示为x(n)，0≤n≤Ns-1，调制端频域数据表示为X(k)，0≤k≤Ns-1，梳状导频为Xp(m)，0≤m≤M-1；
在解调端，经过信道传输后的理论时域数据表示为y(n)，受相位噪声影响的时域数据为y(n-τ(n))，其中τ(n)表示第n个数据的时钟漂移，在同一个OFDM符号内，τ(n)变化较小，设为统一的值τ；经过信道传输后在解调端频域数据表示为Y(k)，梳状导频为Yp(m)；
步骤(二)、在OFDM数据终端解调端，先进行同步处理，然后消除接收导频符号中相位调制信息，再通过加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值
步骤(三)、依据步骤(二)获得的当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值线性拟合计算出Nu个有效子载波对应的相位θ(k)，将θ(k)转换为复数并与Y(k)相乘，完成相位噪声消除。
2.根据权利要求1所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，步骤(一)中，频域Ns个子载波满足如下情况：
a)有效子载波数为Nu，1≤Nu≤Ns；
b)中间1个子载波值为0；
c)Nu个有效子载波的两边Ns-Nu-1个子载波值均设为0；
d)Nu个有效子载波中有M个导频，1≤M≤Nu；
e)M个导频以D为间隔均匀分布，1≤D≤Nu。
3.根据权利要求2所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，步骤(二)中，将梳状导频与接收端已知导频的频域信号Xp(m)共轭相乘，消除接收导频符号中相位调制信息，表示为
4.根据权利要求3所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，步骤(二)中，利用如下公式进行加权差分相关计算，得到当前OFDM符号内的时钟漂移量估计值
其中，R0为设计差分间隔长度，w(d)为设计加权系数，arg[]表示取钟漂相位操作。
5.根据权利要求4所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，1≤R0≤M/2。
6.根据权利要求5所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，
7.根据权利要求2所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，步骤(二)中，相位θ(k)利用如下公式获得：
8.根据权利要求2所述的OFDM数据链中基于梳状导频的相位噪声抑制方法，其特征在于，相邻的两个OFDM符号，应通过选择不同的M和D设计不同的导频图样。
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