一种数据辅助载波同步和相位噪声补偿方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，尤其涉及一种在毫米波无线通信系统中利用格雷序列的互相关性进行载波同步并同时补偿抑制相位噪声的方法。本发明专利技术提出一种数据辅助载波同步和相位噪声补偿方法。该方法利用伪随机序列良好的相关性和匹配增益，将载波频偏以及相位噪声对于信号误码率的影响转换成纠正数据相位的偏移问题，从而利用基于数据辅助载波同步和补偿抑制相位噪声的相关理论，通过纠正载波频偏和相位噪声引起的相位偏移，将数据的误码率降低至10‑6至10‑7数量级。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种在毫米波无线通信系统中利用格雷序列的互相关性进行载波同步并同时补偿抑制相位噪声的方法。
技术介绍
如图1所示，在无线通信系统中，一个典型的数据帧结构包括导频序列和数据块。其中，导频序列被用来进行同步(载波、定时和帧同步)。具体原理阐述如下：假设接收端接收到的导频序列r[n]＝s[n]·ej(2πnΔf+θ)+w[n]，其中，s[n]是发送端发送的长度为K的已知训练序列，Δf为载波频偏，θ为由载波频偏引起的训练序列初始相位偏移，w[n]为加性高斯白噪声。假设发送序列满足s[n]·s*[n]＝1，将r[n]乘以s*[n]可以得到载波频偏其中与w[n]的数理统计特性相同，依然可以将其看作是高斯白噪声信号。从序列z[n]提取载波频偏估计值的方法有两种，一种是通过相邻序列的相位差得到频偏估计值。z[n]中相邻序列的相关值为表示相乘后所有噪声之和。那么载波频偏文献B.C.Lovell,R.C.Williamson.Thestatisticalperformanceofsomeinstantaneousfrequencyestimators[J].RanaononGnalRong,1992,40(7)提出了一种对γ(n)加权平均后再取相位的方法，具体形式为其中，K为训练序列的长度，p[n]为加权系数，其表达形式为n＝1,2,...,K-1。这种方法在高信噪比下精度较高，估计范围可达到[-0.50.5],但由于工作门限较高，不适用于低信噪环境。另一种是构造z[n]相关函数，通过相关序列间的相位差得到频偏估计值。z[n]的自相关函数1≤m≤K-1。则可以直接从R(m)中得到频偏估计值文献M.Luise,R.Reggiannini.Carrierfrequencyrecoveryinall-digitalmodemsforburst-modetransmissions[J].IEEETransactionsonCommunications,1995,43(2)提出一种加权平均提取载波频偏估计值的方法。其表达式为毫米波无线通信系统载波频偏为1ppm(60KHz)，根据仿真结果，传统数据辅助载波同步方法虽然性能良好，但是由于运算复杂度高，硬件实现难度大，且两种方法都不能抑制相位噪声，因此不适用于毫米波无线通信系统。
技术实现思路
为了克服载波同步运算复杂度高，实现难度大缺陷，本专利技术提出一种数据辅助载波同步和相位噪声补偿方法。该方法利用伪随机序列良好的相关性和匹配增益，将载波频偏以及相位噪声对于信号误码率的影响转换成纠正数据相位的偏移问题，从而利用基于数据辅助载波同步和补偿抑制相位噪声的相关理论，通过纠正载波频偏和相位噪声引起的相位偏移，将数据的误码率降低至10-6至10-7数量级。为了方便地描述本专利技术的内容，首先对本专利技术中所使用的概念和术语进行定义：伪随机序列：毫米波无线通信系统每一帧中包含前导码和数据块。其中前导码包含短训练序列和信道估计序列。他们都是由格雷序列组成的。毫米波无线通信系统中每一帧中有2304个数据块。载波频偏(CFO)：在毫米波无线通信系统中，由于发送机和接收机的晶体振荡器有频差，导致接收机进行相干解调后，基带上会有残留的载波频率，这种载波频率会导致信号的相位旋转从而使判决发生错误，增加系统误码率。经实测，毫米波无线通信系统中载波频偏的大小为1ppm(60KHz)。相位噪声(PN)：毫米波无线通信系统中，在高频段下，基于COMS工艺的射频前端中的锁相环会从产生很强的的相位噪声，这种噪声是乘性噪声，会使系统输出信号相位随机变化，严重影响通信系统性能。其具体表达式为c(t)＝cos[2πfct+φ(t)]，复数形式为p(t)＝ejφ(t)为相位噪声的表达式。一种数据辅助载波同步和相位噪声补偿方法，包括如下步骤：S1、根据标准对帧的数据块进行构造，定义数据块符号序列为xi＝[u(0),u(1),u(2),...,u(Ncp-1),si(0),si(1),....,si(Ns-1)]T＝[xi(0),xi(1),...,xi(Nb-1)]T，定义N×N信道矩阵定义H0和H1的合并矩阵定义时域相位噪声矩阵定义均衡矩阵其中，h＝[h(0),h(1),...,h(L-1)]T为毫米波无线通信系统的信道冲激响应，为相位噪声的表达式，i的取值范围为[1,1024]，u(·)表示循环前缀序列，Ncp为循环前缀长度，值为64,，Ns为发送数据序列的长度，值为448，Nb为第i个数据块的长度，值为512，L≤Ncp；S2、初始化处理，具体如下：S21、发送端调制包含S1所述xi数据块的帧；S22、定义本地伪随机序列，伪随机序列是由格雷序列组成的Ga128序列或Ga64序列，其中，a128表示格雷序列G的长度为128，a64表示格雷序列G的长度为64；S3、接收数据帧，具体如下：S31、在发送端发送标准数据帧，其中，第i个数据块为xi；S32、经过信道后，在接收端可以接收到的第i个数据块为ri＝Aihcirclexi+ni，其中，ni表示第i个发送数据块，经过信道时所受到的加性高斯白噪声向量；S4、处理数据帧，具体如下：S41、将收到的数据块ri＝Aihcirclexi+ni两边进行FFT变换，可以得到Ri＝Fri＝FAiFHFhcircleFHFxi+Fni＝ΦiHXi+Ni，其中，Ri为接收数据块ri的Nb点FFT变换，F为Nb×Nb的FFT变换矩阵，Φi为Nb×Nb的循环Toeplitz矩阵，H为主对角线元素为信道冲激响应h的Nb点FFT变换，Xi为发送数据块xi的Nb点FFT变换；S42、通过数据帧的信道估计序列进行信道估计，然后再利用均衡矩阵Ci对Xi进行频域均衡处理；S43、对于经过均衡处理的数据进行IFFT变换，得到时域信号其中，高斯白噪声向量S5、纠正相位偏移，具体如下：S51、经过均衡后的第i个数据块的接收信号的时域表达式为其中θ[n]为载波频偏引起的相位偏移，φ[n]为毫米波射频产生的相位噪声引起的相位偏移，w[n]为高斯白噪声序列；S52、在接收端用本地的伪随机序列对数据块进行互相关可以得到一系列的相位噪声点，第k个相位噪声点为S53、接收端利用估计的第i个数据块的相位噪声的共轭对其进行补偿相位噪声抑制，可得到抑制后的数据S6、输出S53所述数据。本专利技术的有益效果是：本专利技术保留了基于数据辅助的载波同步的好处，即估计精度高，能工作在低信噪比的环境。同时利用格雷序列良好的互相性以及很好的匹配增益，可以精确实现对相位噪声的估计。本专利技术将载波频偏对相位的偏移影响等效成相位噪声对相位的偏移影响，从而能够同时实现载波同步和抑制相位噪声。毫米波无线通信系统射频的相位噪声功率谱密度大小约为-85dBc/Hz@1MHz，载波频偏为1ppm,通过本专利技术能够将误码率降低到10-6至10-7数量级。本专利技术和补偿抑制相位噪声方法类似，可以运用在毫米波无线通信系统中。附图说明图1是毫米波无线通信系统示意图。图2是载波频偏补偿过程示意图。图3是本专利技术仿真程序的流程图。图4是毫米波无线通信系统中误码分布图。图5是本专利技术应用于毫米波无线通信系统中载波同步后误码分布图。具体实施方式下面结合具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数据辅助载波同步和相位噪声补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据标准对帧的数据块进行构造，定义数据块符号序列为xi＝[u(0),u(1),u(2),...,u(Ncp‑1),si(0),si(1),....,si(Ns‑1)]T＝[xi(0),xi(1),...,xi(Nb‑1)]T，定义N×N信道矩阵定义H0和H1的合并矩阵定义时域相位噪声矩阵定义均衡矩阵其中，h＝[h(0),h(1),...,h(L‑1)]T为毫米波无线通信系统的信道冲激响应，为相位噪声的表达式，i的取值范围为[1,1024]，u(·)表示循环前缀序列，Ncp为循环前缀长度，值为64,，Ns为发送数据序列的长度，值为448，Nb为第i个数据块的长度，值为512，L≤Ncp；S2、初始化处理，具体如下：S21、发送端调制包含S1所述xi数据块的帧；S22、定义本地伪随机序列，伪随机序列是由格雷序列组成的Ga128序列或Ga64序列，其中，a128表示格雷序列G的长度为128，a64表示格雷序列G的长度为64；S3、接收数据帧，具体如下：S31、在发送端发送标准数据帧，其中，第i个数据块为xi；S32、经过信道后，在接收端可以接收到的第i个数据块为ri＝Aihcirclexi+ni，其中，ni表示第i个发送数据块，经过信道时所受到的加性高斯白噪声向量；S4、处理数据帧，具体如下：S41、将收到的数据块ri＝Aihcirclexi+ni两边进行FFT变换，可以得到Ri＝Fri＝FAiFHFhcircleFHFxi+Fni＝ΦiHXi+Ni，其中，Ri为接收数据块ri的Nb点FFT变换，F为Nb×Nb的FFT变换矩阵，Φi为Nb×Nb的循环Toeplitz矩阵，H为主对角线元素为信道冲激响应h的Nb点FFT变换，Xi为发送数据块xi的Nb点FFT变换；S42、通过数据帧的信道估计序列进行信道估计，然后再利用均衡矩阵Ci对Xi进行频域均衡处理；S43、对于经过均衡处理的数据进行IFFT变换，得到时域信号其中，高斯白噪声向量S5、纠正相位偏移，具体如下：S51、经过均衡后的第i个数据块的接收信号的时域表达式为其中θ[n]为载波频偏引起的相位偏移，φ[n]为毫米波射频产生的相位噪声引起的相位偏移，w[n]为高斯白噪声序列；S52、在接收端用本地的伪随机序列对数据块进行互相关可以得到一系列的相位噪声点，第k个相位噪声点为S53、接收端利用估计的第i个数据块的相位噪声的共轭对其进行补偿相位噪声抑制，可得到抑制后的数据S6、输出S53所述数据。...

【技术特征摘要】
1.一种数据辅助载波同步和相位噪声补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据标准对帧的数据块进行构造，定义数据块符号序列为xi＝[u(0),u(1),u(2),...,u(Ncp-1),si(0),si(1),....,si(Ns-1)]T＝[xi(0),xi(1),...,xi(Nb-1)]T，定义N×N信道矩阵定义H0和H1的合并矩阵定义时域相位噪声矩阵定义均衡矩阵其中，h＝[h(0),h(1),...,h(L-1)]T为毫米波无线通信系统的信道冲激响应，为相位噪声的表达式，i的取值范围为[1,1024]，u(·)表示循环前缀序列，Ncp为循环前缀长度，值为64,，Ns为发送数据序列的长度，值为448，Nb为第i个数据块的长度，值为512，L≤Ncp；S2、初始化处理，具体如下：S21、发送端调制包含S1所述xi数据块的帧；S22、定义本地伪随机序列，伪随机序列是由格雷序列组成的Ga128序列或Ga64序列，其中，a128表示格雷序列G的长度为128，a64表示格雷序列G的长度为64；S3、接收数据帧，具体如下：S31、在发送端发送标准数据帧，其中，第i个数据块为xi；S32、经过信道后，在接收端可以接收到的第i个数据块为ri＝Aihcirclexi...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐小珂，岳光荣，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51