CN104901917B

CN104901917B - Ofdm通信系统中iq延时差的环路调整方法及其实现装置

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Publication number: CN104901917B
Application number: CN201510259505.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋伟; 夏海涛; 张瑞松; 李星辰; 罗武
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: CN104901917A

Abstract

本发明公布了一种OFDM通信系统中的IQ延时差的环路调整方法及其实现装置，环路调整方法采用闭环方式，包括计算得到单个OFDM符号的误差信号加权总功率，将多个符号功率累加得到检测量；通过检测量计算延时差；再通过设定延时差累加标志、调整步进和检测量门限值补偿延时差。本发明还提供用于实现环路调整方法的装置，包括原有系统的ADC模块和FFT运算器，还包括延时差估计装置、累加器和延时滤波器；延时差估计装置用于实现OFDM通信系统中的IQ延时差的估计计算。本发明克服了频偏的影响，估计性能良好；经过延时差补偿之后，系统性能得到明显改善。本发明计算复杂度低，提供的装置结构简单；使用价值高。

Description

OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法及其实现装置。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)是现代通信系统广泛采用的调制技术，其频谱利用率较高，抗多径干扰能力较强。然而，OFDM系统性能受模拟前端不理想的影响较大。

在正交变频接收机中，信号经过混频器下变频得到同相(In-phase，I)信号分量和正交(Quadrature-phase，Q)信号分量。两路信号分别经过低通滤波器、模数转换器(Analogto Digital Converter，ADC)之后得到基带采样信号。由于模拟器件的非理想性，两路信号在模拟链路上的传输延时不一致。IQ延时差是指两路信号在模拟链路上传输的延时差。IQ信号延时差产生的因素有：IQ两路滤波器群延时不一致、IQ信号线长度不一致、ADC采样时刻不一致。IQ延时差由器件特性决定，在短时间内基本是不变的。当不存在载波频偏时，IQ延时差会带来镜像频率干扰；当存在载波频偏时，干扰信号扩散到镜像频率周围的多个子载波上。由IQ延时差导致的干扰信号强度与子载波频率有关，随着子载波频率的增加而增大。在一般通信系统中，IQ延时差远小于采样速率，影响较小，可以忽略。而随着速率的提升，由IQ延时差导致的镜像干扰逐渐增大。在低信噪比系统中，IQ延时差的影响不显著，而在工作于高信噪比的高阶调制系统中，IQ延时差会造成严重的系统信噪比损失。因此，需要一种有效的方法从根本上解决高速OFDM通信系统中IQ延时差的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种OFDM通信系统中的同相-正交IQ(In-phase Quadrature-phase)延时差的环路调整方法和实现装置。本发明结构简单，计算复杂度低，并有效地改善了系统性能。

本发明提供的技术方案是：

一种OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，所述环路调整方法中，每次环路调整需利用接收到的OFDM通信系统中的L个OFDM符号，每个OFDM符号的子载波数量为N。所述环路调整方法采用闭环的方式，首先通过IQ延时差的估计方法计算得到残余延时差并根据环路调整状态信息记录上一次环路调整的残余延时差，flag是延时差累加标志)以及调整步进α得到实际延时差的估计值最后通过延时差补偿方法对IQ延时差进行补偿；

其中，IQ延时差的估计方法包括如下步骤：

1)计算得到单个OFDM符号的误差信号加权总功率，再将多个符号功率累加得到检测量P；

检测量P的计算方法包括如下步骤(参照图1)：

1.1)对于第l(l＝0,...,L-1)个OFDM符号第k(k＝-N/2,...,N/2-1)个子载波，时域基带信号经过FFT运算得到频率信号Y^l(k)，根据信道估计结果和硬判决结果得到有效信号估计值利用Y^l(k)和计算误差信号e^l(k)：

(式1)

式1中，Y^l(k)为频率接收信号；为有效信号估计值。

1.2)计算第l个OFDM符号第k个子载波上的误差信号功率

(式2)

1.3)将所有子载波误差信号功率加权得到单个符号的加权总功率P_l：

(式3)

其中，表示第l个符号第k个子载波的误差信号功率的加权系数；

1.4)将L个符号的加权总功率进行累加得到检测量P：

(式4)

2)通过检测量P初步计算出延时差τ。

延时差τ为：

(式5)

式5中，τ表示IQ两路的延时差；P为检测量；a是检测量P与延时差平方τ²的比例因子。

其中，a的取值为：

(式6)

式6中，表示第l个符号第k个子载波的误差信号功率的加权系数；L表示累加符号数；N为子载波数量；表示第l个符号第k个子载波的信道估计值；表示子载波发送信号X(k)的方差；f_d表示频偏值；k_max＝Round(-k-2f_d)，Round(-k-2f_d)表示最接近-k-2f_d的整数。

针对上述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法中IQ延时差的估计方法，进一步地：

步骤1.3)中，在各子载波背景噪声功率相同的情况下，所述的加权系数满足条件：

(式7)

式7中，N表示子载波数量；是第l个符号第k个子载波误差信号功率的加权系数。

进一步地，加权系数的取值方法为等权重取值方法或非等权重取值方法，具体是：

步骤1.3)中，所述的加权系数等权重取值方法具体是通过式8得到，即

(式8)

加权系数取等权重时，实现简单，运算量小，性能略逊于非等权重系数。

步骤1.3)中，所述的加权系数的计算方法为非等权重取值方法，首先计算理论最优系数，进一步地可以通过拟合方法得到近似系数，具体是：

1.3.1)根据步骤1.2)中计算得到的计算得到矩阵A；

(式9)

式9中，其中

a₂₂＝0；E{·}表示求均值；

1.3.2)根据矩阵A计算得到矩阵X^T＝A^-1b，其中b＝[0,…,-1,0]^T。

1.3.3)根据矩阵X得到理论最优系数，作为加权系数

理论最优系数可利用数值计算工具进行计算，在本发明实施例中，具体是利用MatLab数值计算工具通过式1.3.3)得到的加权系数获得最优估计性能，但该方法计算量稍大。进一步地，可以将式1.3.3)得到的加权系数，利用MatLab拟合工具得到近似系数，使性能接近最优，同时计算量小。

OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，是在上述OFDM通信系统中IQ延时差的估计方法基础上，采用闭环的方式，首先利用上述IQ延时差的估计方法估计残余延时差并根据环路调整状态信息得到实际延时差的估计值最后通过延时差补偿方法对延时差进行补偿；具体是：设置两个状态信息和flag，记录上一次环路调整的残余延时差，flag是延时差累加标志；α是调整步进；具体包括如下步骤：

2.1)初始状态设为：flag＝1，(τ_max为最大延时差)，预设检测量门限值T和调整步进α；

2.2)根据当前检测量P得到残余延时差的取值；

根据式1～式4计算得到当前检测量P。若当前检测量P＜0，则当前残余延时差若P≥0，则根据式5计算得到当前的残余延时差

2.3)比较和并根据延时差累加标志flag得到实际延时差的估计值若且flag＝1，则若且flag＝0，则若且flag＝1，则若且flag＝0，则2.4)更新flag和若且flag＝1，flag＝0；若且flag＝0，flag＝1；

2.5)补偿延时差

2.6)若当前检测量P小于门限值T则结束环路调整；否则重复步骤2.2)～2.5)。

上述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法中，步骤2.5)中的补偿具体是通过采样点的提前或滞后补偿整数倍采样周期的延时差；或者通过采用FIR插值滤波器补偿小数倍采样周期的延时差；或者通过采用IIR滤波器(全通滤波器)补偿小数倍采样周期的延时差。

上述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法中，步骤2.3)中α是调整步进，根据系统性能要求选取，取值范围为0＜α≤1；调整步进α具有滤波效果，避免振荡。α越小，稳定之后的残余延时差越小，代价是残余延时差收敛速度慢。

本发明还提供一种用于实现上述OFDM通信系统中的IQ延时差环路调整的实现装置，包括原有系统的ADC模块和FFT运算器，还包括延时差估计装置、乘法器、累加器和延时滤波器；该IQ延时差环路调整的实现装置首先在原有系统的FFT运算器之后依次添加延时差估计装置、乘法器和累加器，延时差估计装置用于实现OFDM通信系统中的IQ延时差的估计计算，经过延时差估计装置计算得到残余延时差残余延时差经过乘法器与调整步进α相乘，再根据状态信息flag，使用累加器得到实际延时差的估计值将延时滤波器添加在在原有系统的ADC模块后，补偿延时差

上述OFDM通信系统中的IQ延时差环路调整的实现装置中，延时差估计装置用于实现OFDM通信系统中的IQ延时差的估计计算，延时差估计装置包括减法器、平方计算器、乘法器、累加器、除法器和平方根计算器；针对每个OFDM符号：频率信号Y^l(k)和有效信号估计值经过减法器计算得到误差信号e^l(k)；误差信号经过平方计算器计算得到误差信号功率误差信号功率和对应的加权系数经过乘法器相乘并经过累加器计算得到单个符号的加权总功率P_l；再将L个符号的加权总功率经过累加器进行累加得到检测量P；检测量经过除法器得到P/a，再经过平方根计算器得到延时差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种OFDM通信系统中的IQ延时差的环路调整方法及其实现装置。该方法通过统计误差信号的加权总功率估计IQ两路的延时差，有效地克服了频偏的影响，估计性能良好；经过延时差补偿之后，系统性能得到了明显的改善。本发明计算复杂度低，效果明显；提供的装置结构简单；使用价值高。

附图说明

图1是本发明实施例中检测量P的计算方法的流程框图。

图2是本发明实施例中延时差环路调整方法的流程框图；

其中，P为当前检测量；为上一次的残余延时差；为实际延时差的估计值；flag为延时差累加标志；为当前残余延时差；T为检测量门限值；α为调整步进。

图3是本发明实施例中进行OFDM通信系统中的IQ延时差环路调整的实现装置的组成结构框图。

其中，为当前残余延时差；为实际延时差的估计值；α为调整步进。

图4是本发明实施例中的延时差估计装置的组成结构框图；

其中，Y^l(k)为频率信号；为有效信号估计值；e^l(k)为误差信号；为误差信号功率；为加权系数；P_l为单个符号的加权总功率；P为检测量；a是检测量P与延时差平方τ²的比例因子，是估计的残余延时差。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

OFDM通信系统接收信号经过下变频得到IQ两路信号，分别经过低通滤波器得到时域信号。假设Q路信号滞后于I路信号，延时差为τ，那么IQ路时域接收信号可以分别表示为

(式11)

式11中，Δf表示载波频偏；x(t)表示时域基带发送复信号；x^*(t)表示x(t)的共轭。

OFDM通信系统中，时域接收信号经过ADC采样，数字频偏消除等操作，再经过FFT运算得到频域信号，第l个符号第k个子载波频域接收信号用Y^l(k)表示。

本发明提供OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，每次环路调整需利用接收到的OFDM通信系统中的L个OFDM符号，每个OFDM符号的子载波数量为N，所述环路调整方法采用闭环的方式，首先通过IQ延时差的估计方法计算得到残余延时差并根据环路调整状态信息flag(记录上一次环路调整的残余延时差，flag是延时差累加标志)和调整步进α得到实际延时差的估计值最后通过延时差补偿方法对延时差进行补偿；

其中，IQ延时差的估计方法包括如下第1步和第2步：

第1步，计算检测量P，参照图1，图1是本发明实施例中检测量P的计算方法的流程框图。假设第l个符号第k个子载波的信道估计信息为(信道估计信息由原系统信道估计模块提供)，频率接收信号Y^l(k)的硬判决结果为那么有效信号估计值根据Y^l(k)和得到第l个符号第k个子载波的误差信号e^l(k)：

(式1)

1.1)根据e^l(k)得到误差信号功率

(式2)

1.2)将所有子载波误差信号功率加权得到单个符号的加权总功率P_l：

(式3)

式3中，表示第l个符号第k个子载波的误差信号功率；表示的加权系数；N为子载波数量。

1.3)将L个符号的加权总功率进行累加得到检测量P：

(式4)

这里加权系数的取值是决定估计性能的关键因素，有多种取法，以下列举两种。第一种方法是加权系数取等权重值，即：

(式8)

式6中，N表示子载波数量；

该方法实现简单，运算量小，性能略逊于非等权重系数。。

第二种方法为非等权重取值方法：

首先计算得到理论最优系数，进一步地可以通过拟合方法得到近似系数，具体是：

1.3.1)根据步骤1.2)中计算得到的计算得到矩阵A；

(式9)

式9中，其中

a₂₂＝0；E{·}表示求均值；

1.3.2)根据矩阵A计算得到矩阵X^T＝A^-1b，其中b＝[0,…,-1,0]^T。

1.3.3)根据矩阵X得到理论最优系数，作为加权系数

理论最优系数可利用数值计算工具进行计算，在本发明实施例中，具体是利用MatLab数值计算工具通过式1.3.3)得到的加权系数获得最优估计性能，但该方法计算量稍大。进一步地，可以将通过式1.3.3)得到的加权系数，利用MatLab拟合工具得到近似系数，使得性能接近最优、计算量小。

第2步，根据检测量P计算延时差τ：

(式5)

式5中，τ表示IQ两路的延时差；a是检测量P与延时差的平方τ²的比例因子，

(式6)

OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法是在上述OFDM通信系统中IQ延时差的估计方法基础上，采用闭环的方式，首先利用上述IQ延时差的估计方法估计残余延时差并根据环路调整状态信息和调整步进得到实际延时差的估计值最后通过延时差补偿方法对延时差进行补偿；具体是：设置两个状态信息和flag，记录上一次环路调整的残余延时差，flag是延时差累加标志；α为调整步进；具体包括如下步骤：

假设上一次由延时差估计得到的残余延时差为当前补偿的延时差为延时差累加标志为flag，执行如下步骤：

2.1)初始状态设为：flag＝1，(τ_max为最大延时差)，预设检测量门限值T＝1e-6和调整步进α＝0.5；

2.2)根据式1-5计算当前检测量P，再根据式7计算残余延时差由于有效信号以及频偏的估计值存在误差，因此当前检测量P有可能小于0，若当前检测量P＜0，则残余延时差

2.3)比较和并根据延时差累加标志更新当前补偿的延时差若且flag＝1，则若且flag＝0，则若且flag＝1，则flag＝0；若且flag＝0，则flag＝1；

2.4)更新flag和若且flag＝1，flag＝0；若且flag＝0，flag＝1；

2.5)补偿延时差

步骤2.5)中的补偿具体是通过采样点的提前或滞后补偿整数倍采样周期的延时差；或者通过采用FIR插值滤波器补偿小数倍采样周期的延时差；或者通过采用IIR滤波器(全通滤波器)补偿小数倍采样周期的延时差

步骤2.3)中的α是调整步进，根据系统性能选取，取值范围为0＜α≤1。调整步进α具有滤波效果，避免振荡。α越小，稳定之后的残余延时差越小，代价是残余延时差收敛速度慢。

图3是本发明实施例中进行OFDM通信系统中的IQ延时差环路调整的实现装置的组成结构框图。该装置首先计算残余延时差，然后累加得到实际延时差估计值，最后在ADC后添加延时滤波器进行延时差补偿。具体地，该实现装置包括ADC模块和FFT计算器，还包括延时差估计装置、乘法器、累加器和延时滤波器；该实现装置首先在原有系统的FFT计算器之后添加延时差估计装置计算残余延时差然后，残余延时差经过乘法器与调整步进α相乘，再根据状态信息，使用累加器得到实际延时差的估计值最后，在原有系统的ADC模块后添加延时滤波器补偿延时差

图4是本发明实施例中的延时差估计装置。该装置首先计算各子载波的误差信号，其次计算各子载波的误差信号功率，然后计算符号的加权总功率，最后将多个符号的功率累加得到检测量P。具体地，检测量计算装置包括减法器、平方计算器、乘法器、累加器、除法器、平方根计算器；频率信号Y^l(k)和有效信号估计值经过减法器计算得到误差信号e^l(k)；误差信号经过平方计算器计算得到误差信号功率误差信号功率和对应的加权系数经过乘法器相乘并经过累加器计算得到单个符号的加权总功率P_l；将L个符号的加权总功率经过累加器进行累加得到检测量P；检测量经过除法器得到P/a，在经过平方根计算器得到延时差。

仿真测试表明，IQ延时差估计方法有效地克服了频偏的影响，估计性能良好。经过补偿之后，系统性能明显改善。本发明可操作性强，效果明显，使用价值高。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，所述环路调整方法中，每次环路调整需利用接收到的OFDM通信系统中的L个OFDM符号，每个OFDM符号的子载波数量为N；所述环路调整方法采用闭环的方式，设定环路调整状态信息记录上一次环路调整的残余延时差，设定环路调整状态信息flag为延时差累加标志，调整步进为α；首先通过IQ延时差的估计方法计算得到残余延时差再根据flag和α得到实际延时差的估计值最后通过延时差补偿方法对进行补偿；

所述IQ延时差的估计方法包括如下步骤：

1)计算得到单个OFDM符号的误差信号加权总功率，再将多个符号功率累加得到检测量P；包括步骤1.1)～1.4)：

1.1)对于第l个OFDM符号第k个子载波，利用频率信号Y^l(k)和有效信号估计值做减法计算得到误差信号e^l(k)；l＝0,...,L-1，k＝-N/2,...,N/2-1；

1.2)计算误差信号e^l(k)的平方，得到所述子载波的误差信号功率

1.3)将所有子载波误差信号功率加权，得到单个OFDM符号的加权总功率P_l；

1.4)将L个OFDM符号的加权总功率进行累加，得到检测量P；

2)通过检测量P初步计算得到延时差τ，具体通过式5计算得到：

式5中，τ表示IQ两路的延时差，即残余延时差P为检测量；a是检测量P与延时差平方τ²的比例因子。

2.如权利要求1所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，步骤2)所述式5中比例因子a的取值通过式6得到：

式6中，表示第l个OFDM符号第k个子载波的误差信号功率的加权系数；L表示累加OFDM符号数；表示第l个OFDM符号第k个子载波的信道估计值；表示子载波发送信号X(k)的方差；f_d表示频偏值；k_max＝Round(-k-2f_d)，Round(-k-2f_d)表示最接近-k-2f_d的整数。

3.如权利要求1所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，步骤1.3)所述将所有子载波误差信号功率加权，在各子载波背景噪声功率相同的情况下，第l个符号第k个子载波误差信号功率的加权系数满足条件：

4.如权利要求3所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，所述第l个符号第k个子载波误差信号功率的加权系数的取值方法为等权重取值方法或非等权重取值方法。

5.如权利要求4所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，所述等权重取值方法具体是根据式8取值：

式8中，表示第l个OFDM符号第k个子载波的误差信号功率的加权系数。

6.如权利要求4所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，所述非等权重取值方法首先计算理论最优系数，再通过拟合方法得到近似系数，作为加权系数

7.如权利要求1所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，所述通过IQ延时差的估计方法计算得到残余延时差再根据flag和α得到实际延时差的估计值最后通过延时差补偿方法对IQ延时差进行补偿，具体包括如下步骤：

2.1)初始状态设为：flag＝1，τ_max为最大延时差，预设检测量门限值T和调整步进α；

2.2)根据当前检测量P得到残余延时差的取值；

2.3)比较和并根据延时差累加标志flag得到实际延时差的估计值若且flag＝1，则若且flag＝0，则若且flag＝1，则若且flag＝0，则

2.4)更新flag和若且flag＝1，flag＝0；若且flag＝0，flag＝1；

2.5)补偿延时差

8.如权利要求1所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法，其特征是，步骤2.5)所述补偿具体是通过采样点的提前或滞后补偿整数倍采样周期的延时差、采用FIR插值滤波器补偿小数倍采样周期的延时差或采用全通滤波器补偿小数倍采样周期的延时差。

9.一种实现权利要求1所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法的实现装置，所述实现装置包括原有系统的ADC模块和FFT运算器，还包括延时差估计装置、乘法器、累加器和延时滤波器；所述实现装置首先在原有系统的FFT运算器之后依次添加延时差估计装置、乘法器和累加器，所述延时差估计装置用于实现OFDM通信系统中的IQ延时差的估计计算，经过所述延时差估计装置计算得到残余延时差残余延时差经过所述乘法器与调整步进α相乘，再根据状态信息flag，使用所述累加器得到实际延时差的估计值将所述延时滤波器添加在在原有系统的ADC模块后，补偿延时差

10.如权利要求9所述OFDM通信系统中IQ延时差的环路调整方法的实现装置，所述延时差估计装置包括减法器、平方计算器、乘法器、累加器、除法器和平方根计算器；

针对每个OFDM符号：经过所述减法器，将频率信号Y^l(k)和有效信号估计值做减法计算得到误差信号e^l(k)；经过所述平方计算器，计算误差信号e^l(k)的平方，得到子载波的误差信号功率误差信号功率和加权系数经过所述乘法器相乘并经过所述累加器将所有子载波误差信号功率加权计算，得到单个OFDM符号的加权总功率P_l；

将多个OFDM符号的加权总功率经过所述累加器进行累加，得到检测量P；经过所述除法器，得到P/a；再经过所述平方根计算器得到延时差。