一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法和系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法和系统，接收信号经过下变频得到模拟基带信号后被分成两路：一路使用高采样率超低精度（1‑2比特）量化，根据所得低精度样值序列，通过设计合适的参考序列以自相关法实现帧同步搜索，并设计高效迭代算法以实现对各个子载波对应的复信道增益的精确估计，进而恢复各个子载波上传输的星座符号数据；另一路使用低采样率高精度量化，通过长时时间平均，实现噪声功率估计以及自动增益控制。本发明专利技术提出的接收方法与接收机处理系统可保证在使用1‑2比特的超低精度ADC的情况下，实现高可靠性的OFDM数据传输。

A baseband processing method and system for OFDM receiver based on low precision ADC

A baseband processing method and system for OFDM receiver based on low-precision ADC is proposed. The received signal is divided into two channels after down-converting to analog baseband signal: one is quantized with high sampling rate and ultra-low precision (1_2 bits), and the other is self-quantized by designing a suitable reference sequence according to the obtained low-precision sample sequence. Closing method realizes frame synchronization search, and designs an efficient iterative algorithm to accurately estimate the complex channel gain corresponding to each sub-carrier, and then restores the constellation symbol data transmitted on each sub-carrier; the other way uses low sampling rate and high precision quantization, and realizes noise power estimation and automatic increase through long time averaging. Benefit control. The receiving method and the receiver processing system of the invention can ensure high reliability of OFDM data transmission in the case of using 1_2 bit ultra-low precision ADC.

【技术实现步骤摘要】
一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法和系统
本专利技术涉及一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法和系统，属于无线通信

技术介绍
通信系统中，模数转换器(ADC，Analog-to-DigitalConverter)常用于对经过下变频的模拟基带信号进行采样量化得到数字基带信号，以方便数字化存储与基带处理。为实现千倍的通信速率提升，未来移动通信系统通常需要使用超大带宽，此时ADC模块所需采样频率相应大幅提高，例如5G系统中ADC所需的采样频率可高达几GS/s甚至数百GS/s。ADC模块的功耗可近似表示为PADC∝2b×fs，其中b表示ADC量化精度，fs表示信号带宽。由此可见，对于数GS/s量级的采样频率，使用高精度ADC将产生过高的功耗，同时，实现数GS/s量级采样频率的高精度ADC必须采用Flash结构，该结构成本高昂，实现复杂度高。除此之外，ADC后级的基带处理单元的功耗随量化精度的增加而快速增加，因此高采样频率下高精度ADC给基带处理单元的低功耗实现带来了巨大的挑战，且这样的基带处理模块集成难度大，硬件成本高。过大的功耗和过高的成本限制了高精度ADC在未来超大带宽移动通信系统中的使用，该问题已成为未来移动通信系统低成本高效率实现中必须解决的问题之一。使用低精度ADC可极大降低系统功耗和硬件成本，为解决上述问题的可行方案之一，引起了学术界与工业界的广泛关注。而未来宽带移动通信系统中，信号传输带宽通常远大于信道相干带宽，从而引起严重的频率选择性衰落和符号间干扰(ISI,Inter-SymbolInterference)。正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术通过添加循环前缀(CP,CyclicPrefix)并利用离散傅立叶变换(DFT，DiscreteFourierTransform)将线性卷积转换为循环卷积，将ISI信道分解成一组带宽远小于相干带宽的正交子信道，以对抗频率选择性衰落。OFDM技术已被广泛使用用于各种宽带无线通信系统中来实现Gbps级的高速数据传输，如IEEE802.11ad和IEEE802.15.3c等系统中，同时，3GPP已确定在5G新空口的上行与下行方向均采用CP-OFDM技术。由此可见，OFDM传输与低精度ADC相结合为未来移动通信系统的典型场景。然而低精度ADC引入的非线性失真破坏了OFDM子载波间的正交性，引起强烈的子载波间干扰，而经典的线性OFDM收发机很大程度上依赖于子载波的正交性，从而不再适用于基于低精度量化的OFDM无线传输，这种情况下，有必要针对如何尽可能精确地估计信道参数，以及如何以尽可能小的差错概率还原原始发送信息这些具体问题，开展算法设计与系统实现等方面的研究工作。目前，学术界与工业界对于上述问题展开了广泛研究，提出可能的解决方案包括：线性接收机算法，快速自适应阈值转换算法，广义近似消息传递算法等。然而上述解决方案仅停留在理论研究和数值仿真阶段，且单纯关注于统计推断问题及其相应的算法设计与分析，未考虑接收机整体架构设计与系统实现等方面的问题。为实现基于低精度ADC的可靠OFDM数据传输，除了高效算法设计之外，还存在帧结构设计、同步搜索、自动增益控制以及噪声功率估计等问题等一系列亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法和系统，以实现基于低精度ADC的可靠OFDM数据传输。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，射频接收信号被天线单元接收后，经过下变频处理得到模拟基带信号，所述模拟基带信号被分成两路：(一)对于其中一路模拟基带信号，使用低量化精度ADC，以频率Fs进行采样，并以最低1至2比特的精度进行量化，得到低精度量化样值序列，所述低精度量化样值序列经过的处理包括：1)对于每一无线帧，进行帧同步搜索；2)对于每一传输时隙，通过相应的迭代过程，首先进行信道估计，然后根据信道增益矢量的估计值以及接收矢量q，进行信号检测，得到星座符号矢量s的估计值，用于信道解码；(二)对于另一路模拟基带信号，使用低采样率、高量化精度ADC进行量化，得到高精度量化样值序列，所述低采样率指所述ADC的采样率为所述频率Fs的0.1倍至0.001倍；对于该路信号，通过功率累加器对其计算长时间平均，以辅助自动增益控制以及噪声功率估计。如前所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，进一步地，所述帧同步搜索选择Zadoff-Chu序列作为主同步序列，对于被分配用于传输主同步序列的OFDM符号，将Zadoff-Chu序列置于零频率两侧的各31个子载波上，其余子载波传输零信号；所述帧同步搜索通过计算所述低精度量化样值序列与预置的参考序列的自相关，并搜索最大相关峰位置，用于确定各个帧的起始位置。如前所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，进一步地，帧同步搜索中，所述参考序列通过以下步骤设计：步骤a、将传输主同步序列的频域OFDM符号通过IDFT转到时域；步骤b、对步骤a得到的序列的平均功率进行归一化；步骤c、使用映射函数对上一步得到的序列进行离散化。如前所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，进一步地，所述自动增益控制包括：测量各个帧的平均接收功率Pr，并将其归一化，令所述可变增益放大器的增益gAGC＝1/Pr。如前所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，进一步地，所述噪声功率估计包括：在各个无线帧分配若干OFDM符号传输零信号；通过对这些OFDM符号对应的高精度接收样值的功率取时间平均，得到噪声平均功率的估计值如前所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，进一步地，信道估计和信号检测的迭代计算过程包括：模块A，用于根据低精度量化接收矢量q计算辅助向量x的粗略估计；模块B，用于根据模块A得到的辅助向量x的粗略估计，对目标矢量进行精确地估计；循环地执行模块A、B直至收敛；其中，信道估计中，所述辅助向量x定义为其中表示频域导频符号矢量,h为信道增益矢量；所述目标矢量为信道增益的估计值信号检测中，所述辅助向量x定义为x＝diag(h)s，所述目标矢量为星座符号矢量s。如前所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，进一步地，所述信道估计的具体步骤如下：步骤a、定义两个辅助向量以及z＝FHx，其中F表示归一化DFT矩阵，上标H表示取共轭转置；将和三个向量初始化为N维零向量，将均方误差初始化为当前OFDM符号的无噪信号平均功率估值并设定t＝1；步骤b、采用所述模块A，根据其输入与以及低精度量化接收矢量q计算向量z每个元素的后验均值和后验方差如下：其中z各个元素的实部对应的后验均值和后验方差的计算表达式给出如下：其中，函数φ(·)和Φ(·)分别定义为和参数参数η1和η2分别计算为：其中和分别表示实值量化器输出对应的门限下界和上界；对于z各个元素虚部对应的后验均值和后验方差的计算，只需在计算参数η1和η2时，将用代替即可；步骤c、计算所述模块A的外信息，所述外信息包括：其中，并将以及作为模块B的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，射频接收信号被天线单元接收后，经过下变频处理得到模拟基带信号，所述模拟基带信号被分成两路：(一)对于其中一路模拟基带信号，使用低量化精度ADC，以频率Fs进行采样，并以最低1至2比特的精度进行量化，得到低精度量化样值序列，所述低精度量化样值序列经过的处理包括：1)对于每一无线帧，进行帧同步搜索；2)对于每一传输时隙，通过相应的迭代过程，首先进行信道估计，然后根据信道增益矢量的估计值

【技术特征摘要】
1.一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，射频接收信号被天线单元接收后，经过下变频处理得到模拟基带信号，所述模拟基带信号被分成两路：(一)对于其中一路模拟基带信号，使用低量化精度ADC，以频率Fs进行采样，并以最低1至2比特的精度进行量化，得到低精度量化样值序列，所述低精度量化样值序列经过的处理包括：1)对于每一无线帧，进行帧同步搜索；2)对于每一传输时隙，通过相应的迭代过程，首先进行信道估计，然后根据信道增益矢量的估计值以及接收矢量q，进行信号检测，得到星座符号矢量s的估计值，用于信道解码；(二)对于另一路模拟基带信号，使用低采样率、高量化精度ADC进行量化，得到高精度量化样值序列，所述低采样率指所述ADC的采样率为所述频率Fs的0.1倍至0.001倍；对于该路信号，通过功率累加器对其计算长时间平均，以辅助自动增益控制以及噪声功率估计。2.如权利要求1所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，所述帧同步搜索选择Zadoff-Chu序列作为主同步序列，对于被分配用于传输主同步序列的OFDM符号，将Zadoff-Chu序列置于零频率两侧的各31个子载波上，其余子载波传输零信号；所述帧同步搜索通过计算所述低精度量化样值序列与预置的参考序列的自相关，并搜索最大相关峰位置，用于确定各个帧的起始位置。3.如权利要求2所述的一种基于低精度ADC的OFDM迭代接收方法，其特征在于，帧同步搜索中，所述参考序列通过以下步骤设计：步骤a、将传输主同步序列的频域OFDM符号通过IDFT转到时域；步骤b、对步骤a得到的序列的平均功率进行归一化；步骤c、使用映射函数对上一步得到的序列进行离散化。4.如权利要求1所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，所述自动增益控制包括：测量各个帧的平均接收功率Pr，并将其归一化，令所述可变增益放大器的增益gAGC＝1/Pr。5.如权利要求1所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，所述噪声功率估计包括：在各个无线帧分配若干OFDM符号传输零信号；通过对这些OFDM符号对应的高精度接收样值的功率取时间平均，得到噪声平均功率的估计值6.如权利要求1所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，信道估计和信号检测的迭代计算过程包括：模块A，用于根据低精度量化接收矢量q计算辅助向量x的粗略估计；模块B，用于根据模块A得到的辅助向量x的粗略估计，对目标矢量进行精确地估计；循环地执行模块A、B直至收敛；其中，信道估计中，所述辅助向量x定义为其中表示频域导频符号矢量,h为信道增益矢量；所述目标矢量为信道增益的估计值信号检测中，所述辅助向量x定义为x＝diag(h)s，所述目标矢量为星座符号矢量s。7.如权利要求6所述的一种基于低精度ADC的OFDM接收机基带处理方法，其特征在于，所述信道估计的具体步骤如下：步骤a、定义两个辅助向量以及z＝FHx，其中F表示归一化DFT矩阵，上标H表示取共轭转置；将和三个向量初始化为N维零向量，将均方误差初始化为当前OFDM符号的无噪信号平均功率估值并设定t＝1；步骤b、采用所述模块A，根据其输入与以及低精度量化接收矢量q计算向量z每个元素的后验均值和后验方差如下：其中z各个元素的实部对应的后验均值和后验方差的计算表达式给出如下：其中，函数φ(·)和Φ(·)分别定义为和参数参数η1和η2分别计算为：其中和分别表示实值量化器输出对应的门限下界和上界；对于z...

【专利技术属性】
技术研发人员：金石，王瀚庆，温朝凯，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32