一种用于WiFi业务的相位跟踪方法和系统
阅读说明：本技术 一种用于WiFi业务的相位跟踪方法和系统 (Phase tracking method and system for WiFi service ) 是由 蒋芜 吴建兵 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于WiFi业务的相位跟踪方法和系统,所述相位跟踪方法包括以下步骤：步骤S1,分析信号系统消息；步骤S2,对数据符号进行残留采样频率偏差相位跟踪；步骤S3,对数据符号进行IQ判决,按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置；步骤S4,对接收信号实现采样频率偏差相位跟踪,计算采样频率偏差补偿因子；步骤S5,对频域信号进行相位补偿。本发明在完成相位跟踪后,合理补偿数据子载波的相位,能够有效地将残余频偏和采样频率偏差带来的影响降到最低,并提升测试仪测试DUT信号性能的精确性和稳定性,以最终达到测试仪提升接收性能的目的。(The invention provides a phase tracking method and a phase tracking system for WiFi service, wherein the phase tracking method comprises the following steps: step S1, analyzing the signal system message; step S2, carrying out residual sampling frequency deviation phase tracking on the data symbol; step S3, IQ judgment is carried out on the data symbol, and a point with the minimum distance is selected as a standard reference position according to a constellation modulation rule; step S4, implementing sampling frequency deviation phase tracking to the received signal, and calculating a sampling frequency deviation compensation factor; in step S5, the frequency domain signal is subjected to phase compensation. After the phase tracking is finished, the phase of the data subcarrier is reasonably compensated, the influence caused by residual frequency offset and sampling frequency deviation can be effectively reduced to the minimum, the accuracy and the stability of the DUT signal performance tested by the tester are improved, and the purpose of improving the receiving performance of the tester is finally achieved.)
技术领域
本发明涉及一种相位跟踪的方法，尤其涉及一种适用于测试仪分析WiFi业务(802.11a/g/n/ac/ax标准)的相位跟踪方法，还进一步涉及采用该用于WiFi业务的相位跟踪方法的相位跟踪系统。
背景技术
在IEEE802.11基于OFDM通信的Wi-Fi标准(802.11a/g/n/ac/ah/ax)中，应用OFDM技术将传输带宽划分成多个带宽相同且相互正交的独立子信道，也就将高速率的串行符号转化成低速率并行符号传输数据。
为了完成信号的传输和接收，基于OFDM通信的Wi-Fi标准(802.11a/g/n/ac/ah/ax)设计了相同的前导码，前导码中插入了特定的训练序列，用于完成信号的同步和信道估计，数据字段特定位置的几个子载波插入已知的导频数据，用于跟踪相位，纠正信道随时间变化后对接收数据造成的影响。图2是802.11N的时频域资源分布，插入的训练序列和导频如图2所示。
通用的相位跟踪方法是在每个接收符号上统计导频的相位偏差，然后对这个符号上所有数据子载波补偿这个相位偏差。
在实际操作中，由于发射机和接收机存在误差，当频偏估计和补偿不精确时，残余频偏会引起相位旋转；而且，随着符号数增加，相位旋转会叠加而变得越来越大，当接收符号上统计导频的相位偏差累积超过+/-2π时，则出现相位翻转导致相位跟踪方法失效。图3所示的就是一个未进行相位跟踪补偿信号的星座点分布，离理想星座点的位置偏差已经非常明显。
另一方面，发射机和接收机的采样器如果不精准，则训练序列数据和符号数据存在采样频率偏差，采样频率偏差会引起子载波星座点偏移，越是边缘的子载波受影响越大。如果不对采样频率偏差引起的相位偏移进行补偿，那么边缘载波的性能受到重大影响，其解调性能会变差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种用于WiFi业务的相位跟踪方法，旨在完成相位跟踪后，合理补偿数据子载波的相位，将残余频偏和采样频率偏差带来的影响降到最低，以便提升测试仪测试DUT信号性能的精确性和稳定性，在此基础上，还进一步提供采用了该用于WiFi业务的相位跟踪方法的相位跟踪系统。
对此，本发明提供一种用于WiFi业务的相位跟踪方法，包括以下步骤：
步骤S1，分析信号系统消息；
步骤S2，对数据符号进行残留采样频率偏差相位跟踪；
步骤S3，对数据符号进行IQ判决，按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置；
步骤S4，对接收信号实现采样频率偏差相位跟踪，计算采样频率偏差补偿因子；
步骤S5，对频域信号进行相位补偿。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，计算数据符号s(i)在每个子载波k上的相位Phs(i),k，i为数据符号的循环变量；用于表示子载波序号；N是数据符号s(i)子载波总数；
步骤S202，首次计算导频子载波上接收信号载波与理想载波之间的相位差Ph_diffs(i)，p；
步骤S203，计算残偏补偿相位θ1。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S201中，通过公式Phs(i)，k＝arctan(Is(i)，k/Qs(i)，k)计算数据符号s(i)在每个子载波k上的相位Phs(i)，k，其中，Is(i)，k表示对数据符号s(i)均衡后的频域信号的实部，Qs(i)，k表示对数据符号s(i)均衡后的频域信号的虚部，arctan(x)表示求反正切；所述步骤S202中，通过公式Ph_diffs(i)，p＝Phs(i)，p-Pilots(i)，p首次计算相位差Ph_diffs(i)，p，其中，Phs(i)，p表示导频子载波上接收信号的载波相位，p为子载波的导频部分，p∈k，Pilots(i)，p为理想载波的相位。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S203中，通过公式计算残偏补偿相位θ1，其中，Np为导频总数。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，通过信号的调制模式得到对应的星座图，在其星座点中选出与频域信号距离最小的点作为标准参考位置YIdeal(fs(i))k。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S4包括以下子步骤：
步骤S401，第二次计算导频子载波上接收信号载波与理想载波之间的相位差，并以此作为新的相位差Ph_diffs(i)，p，p为子载波的导频部分；
步骤S402，计算1阶拉格朗日插值函数，得到第一采样频率偏差补偿因子(kθ2)1；
步骤S403，以第一采样频率偏差补偿因子(kθ2)1的一半作为第二采样频率偏差补偿因子(kθ2)2；
步骤S404，计算2阶拉格朗日插值函数，得到第三采样频率偏差补偿因子(kθ2)3。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S401中，通过公式Ph-diffs(i)，p＝Phs(i)，p-Pilots(i)，p-θ1第二次计算得到新的相位差Ph_diffs(i)，p；所述步骤S402中，通过公式(kθ2)1＝L1(k)，k∈[-26-1]∪[126]得到第一采样频率偏差补偿因子(kθ2)1，L1(k)为1阶拉格朗日插值函数；所述步骤S404中，通过公式(kθ2)3＝L2(k)，k∈[-26-1]∪[126]得到第三采样频率偏差补偿因子(kθ2)3，L2(k)为2阶拉格朗日插值函数。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S5中，先通过公式 对频域信号进行相位补偿，Yl*(fs(i))k为补偿相位后的频域值，l＝1,2,3；j为虚数单位；然后通过公式Dl＝∑k∈[-26-1]∪[126](Yl*(fs(i))k-YIdeal(fs(i))k)2计算误差距离Dl，YIdeal(fs(i))k为标准参考位置，最后比较Dl在l＝1,2,3里的最小值，选择Dl的最小值对应的频域值Yl*(fs(i))k作为补偿后的频域信号。
本发明的进一步改进在于，还包括所述步骤S6，处理下一个数据符号s(i+1)，对数据符号s(i+1)均衡后获得的频域信号为复信号首先对补偿前i个数据符号的频偏补偿因子(θ1)i的累加值再通过公式 对频域信号进行相位补偿，频偏补偿因子(θ1)i表示在符号i上按步骤S2计算得到的残偏补偿相位θ1；最后重复步骤S2至步骤S6，直到完成所有数据符号的相位补偿。
本发明还提供一种用于WiFi业务的相位跟踪系统，其特征在于，采用了如上所述的用于WiFi业务的相位跟踪方法，并包括：
信号前置分析模块，用于对信号进行前置分析；
残留采样频率偏差相位跟踪模块，用于对数据符号进行残留采样频率偏差相位跟踪；
IQ判决模块，用于对数据符号进行IQ判决，按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置；
采样频率偏差相位跟踪模块，用于对接收信号实现采样频率偏差相位跟踪，计算频偏补偿因子；
相位补偿模块，用于对频域信号进行相位补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提出了一种优化的用于WiFi业务的相位跟踪方法和系统，在完成相位跟踪后，合理补偿数据子载波的相位，能够有效地将残余频偏和采样频率偏差带来的影响降到最低，并提升测试仪测试DUT信号性能的精确性和稳定性，以最终达到测试仪提升接收性能的目的。
附图说明
图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；
图2是11N的频域信息分布示意图；
图3是未做相位跟踪的星座图；
图4是16QAM IQ判决示意图；
图5本发明一种实施例补偿残留频偏相位的示意图；
图6本发明一种实施例补偿采样频率偏差相位的示意图；
图7本发明一种实施例补偿残留频偏相位+采样频率偏差相位的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
本例基于OFDM通信802.11系统(11a/g/n/ac/ah/ax)，旨在提出一种优化的用于WiFi业务的相位跟踪方法和系统，进而保证相位偏差不超过+/-2π以避免引起相位翻转，通过导频相位差补偿接收数据，以便纠正信号残余频偏和采样频率偏差(Samplingfrequency offset)而引起相位旋转的不利影响。
以11N 20M信号为例，假设综测仪接收到的信号为y(t)，t为采样点序号。HT-LTF所在时刻为y(tltf)，数据符号s(i)所在时刻为y(ts(i))，数据符号可简称符号。由于发射机和接收机存在噪声，发射机和接收机的采样时钟可能存在误差，且信道会随时间变化。因此，在接收端完成频偏估计和频偏补偿后，仍旧可能存在残留频偏Δf，y(tltf)和y(ts(i))时刻会存在一个采样偏Δm。若y(ts(i))的频域理想状态表示为Y(fs(i))，那么在残留频偏Δf对其影响的表示是其中N是符号子载波总数，W是接收信号的带宽。
采样偏Δm在时域上影响为转换到频域 其中N是符号子载波总数，是子载波序号。
令则其中为的第k号子载波序号，nk为整体噪声。
以上为接收模型。
如图1所示，本例提供一种用于WiFi业务的相位跟踪方法，包括以下步骤：
步骤S1，分析信号系统消息；
步骤S2，对数据符号进行残留采样频率偏差相位跟踪；
步骤S3，对数据符号进行IQ判决，按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置；
步骤S4，对接收信号实现采样频率偏差相位跟踪，计算采样频率偏差补偿因子；
步骤S5，对频域信号进行相位补偿。
本例所述步骤S1分析信号系统消息，包含帧同步、频偏估计和补偿、信号字段分析以及信道估计等分析，这些都是信号分析的常规和基本流程，现有技术的通用方法来实现即可。
本例所述步骤S2用于实现残留采样频率偏差相位跟踪，也称残留频偏相位跟踪/补偿，如接收模型，对数据符号s(i)来说，均衡后获得的频域信号为复信号用Phs(i),k表示频域信号的相位。对每个符号来说，其导频位置的信号理想值是已知的。
本例所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，计算数据符号s(i)在每个子载波k上的相位Phs(i),k，i为数据符号的循环变量；用于表示子载波序号；N是数据符号s(i)子载波总数；
步骤S202，首次计算导频子载波上接收信号载波与理想载波之间的相位差Ph_diffs(i)，p；
步骤S203，计算残偏补偿相位θ1。
本例所述步骤S201中，通过公式Phs(i)，k＝arctan(Is(i)，k/Qs(i)，k)计算数据符号s(i)在每个子载波k上的相位Phs(i)，k，其中，Is(i)，k表示对数据符号s(i)均衡后的频域信号的实部，Qs(i)，k表示对数据符号s(i)均衡后的频域信号的虚部，符号s(i)在每个子载波k上的频域信号记为j为复信号的虚数单位，arctan(x)表示求反正切。
本例所述步骤S202中，通过公式Ph_diffs(i)，p＝Phs(i)，p-Pilots(i)，p首次计算相位差Ph_diffs(i)，p，其中，Phs(i)，p表示导频子载波上接收信号的载波相位，p为子载波的导频部分，用于代表导频编号，p∈k，以图2为例，k∈[-26-1]∪[126]，p＝±21，±7；Pilots(i)，p为理想载波的相位，由协议规定；载波相位Phs(i)，p由步骤S201计算得到。
本例所述步骤S203中，通过公式计算残偏补偿相位θ1，其中，Np为导频总数。
本例所述步骤S3用于实现IQ判决，在进入IQ判决之前，已经解析了信号的系统消息，也就得到了调制模式，根据调制模式，则能得到对应的星座图，图4所示的是16QAM对应的性质图，星座点总共有16个，对数据符号s(i)每个频域信号 从16个星座点中选出与频域信号欧氏距离最小的点，作为解映射后的标准参考位置YIdeal(fs(i))k。例如图4中那么标准参考位置YIdeal(fs(i))k＝1+1j，其中j为虚数单位。即本例所述步骤S3通过信号的调制模式得到对应的星座图，在其星座点中选出与频域信号距离最小的点作为标准参考位置YIdeal(fs(i))k。
本例所述步骤S4用于实现采样频率偏差相位跟踪，已知n阶拉格朗日插值公式为其中，n为拉格朗日插值函数的阶数，ln(x)为n阶拉格朗日插值函数。
本例所述步骤S4包括以下子步骤：
步骤S401，第二次计算导频子载波上接收信号载波与理想载波之间的相位差，并以此作为新的相位差Ph_diffs(i)，p，p为子载波的导频部分；
步骤S402，计算1阶拉格朗日插值函数，得到第一采样频率偏差补偿因子(kθ2)1；
步骤S403，以第一采样频率偏差补偿因子(kθ2)1的一半作为第二采样频率偏差补偿因子(kθ2)2；即(kθ2)2＝0.5*(kθ2)1；
步骤S404，计算2阶拉格朗日插值函数，得到第三采样频率偏差补偿因子(kθ2)3。
本例所述步骤S401中，通过新的公式Ph_diffs(i)，p＝Phs(i)，p-Pilots(i)，p-θ1第二次计算得到新的相位差Ph-diffs(i)，p；其中p是k的导频部分，以图2的案例为例，k∈[-26-1]∪[126]，p＝±21，±7，相位Phs(i)，p由步骤S201计算得到，理想载波的相位Pilots(i)，p由协议定义得到，残偏补偿相位θ1由步骤S203计算得到。
本例所述步骤S402中，计算1阶拉格朗日插值函数，将相位p作为1阶拉格朗日插值函数L1(x)内的自变量，步骤S401得到的新的相位差Ph_diffs(i)，p作为1阶拉格朗日插值函数L1(x)内的因变量，计算1阶拉格朗日插值函数L1(x)。通过公式(kθ2)1＝L1(k)，k∈[-26-1]∪[126]得到第一采样频率偏差补偿因子(kθ2)1，L1(k)为1阶拉格朗日插值函数。
本例所述步骤S404中，计算2阶拉格朗日插值函数，将相位p作为2阶拉格朗日插值函数L2(x)内的自变量，步骤S401得到的新的相位差Ph_diffs(i)，p作为2阶拉格朗日插值函数L2(x)内的因变量，计算2阶拉格朗日插值函数L2(x)。通过公式(kθ2)3＝L2(k)，k∈[-26-1]∪[126]得到第三采样频率偏差补偿因子(kθ2)3，L2(k)为2阶拉格朗日插值函数。
本例所述步骤S5中用于实现相位补偿，由步骤S2计算到的残偏补偿相位θ1，如图5所示；步骤S402-步骤S404计算到的采样频率偏差补偿因子(kθ2)l，l＝1，2，3，如图6所示，均衡后获得的频域信号为频域信号先通过公式 对频域信号进行相位补偿，Yl*(fs(i))k为补偿相位后的频域值，l＝1，2，3；j为虚数单位；然后通过公式Dl＝∑k∈[-26-1]∪[126](Yl*(fs(i))k-YIdeal(fs(i))k)2计算误差距离Dl，YIdeal(fs(i))k为标准参考位置，最后比较Dl在l＝1，2，3里的最小值，选择Dl的最小值对应的频域值Yl*(fs(i))k作为补偿后的频域信号，如图7所示。
本例还优选包括所述步骤S6，处理下一个数据符号s(i+1)，对数据符号s(i+1)均衡后获得的频域信号为复信号首先对频域信号补偿前i个数据符号的频偏补偿因子(θ1)i的累加值再通过公式 对频域信号进行相位补偿，频偏补偿因子(θ1)i表示在符号i上按步骤S2计算得到的残偏补偿相位θ1；最后重复步骤S2至步骤S6，直到完成所有数据符号的相位补偿。
在步骤S6之后，本例优选按现有流程完成后续的解调信号和分析指标，按照协议标准给出的评估方法和标准执行和完成。即在步骤S5和步骤S6已经完成相位跟踪的相关补偿之后，其余流程按正常接收机的工作流程进行即可。
本例还提供一种用于WiFi业务的相位跟踪系统，其特征在于，采用了如上所述的用于WiFi业务的相位跟踪方法，并包括：
信号前置分析模块，用于对信号进行前置分析；
残留采样频率偏差相位跟踪模块，用于对数据符号进行残留采样频率偏差相位跟踪；
IQ判决模块，用于对数据符号进行IQ判决，按星座图调制规则选择距离最小的点作为标准参考位置；
采样频率偏差相位跟踪模块，用于对接收信号实现采样频率偏差相位跟踪，计算频偏补偿因子；
相位补偿模块，用于对频域信号进行相位补偿。
根据本例提出的优化的用于WiFi业务的相位跟踪方法，在接收信号变换到频域，并完成均衡获得每个符号的频域数据后，利用符号内导频位置接收相位和导频理想相位进行做相关的估计和运算，结合IQ判决后，优选出最佳的补偿方式和补偿相位，然后对接收信号中的每个数据符号进行相位补偿，使得跟踪后的接收信号星座点会与理想星座点更接近，以便对残余频偏和采样频率偏差导致的相位偏差抑制效果更好，旨在达到测试DUT信号性能的精确性和稳定性的目的。
综上所述，本例提出了一种优化的用于WiFi业务的相位跟踪方法和系统，在完成相位跟踪后，合理补偿数据子载波的相位，能够有效地将残余频偏和采样频率偏差带来的影响降到最低，并提升测试仪测试DUT信号性能的精确性和稳定性，以最终达到测试仪提升接收性能的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。