一種頻率相關iq不平衡與信道的聯合估計與補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域,特別涉及無線通信系統中一種聯合信道估計與頻 率相關IQ(In-phaseQuadrature,IQ)不平衡補償的方法。
【背景技術】
[0002] 無線通信通常需要載波調制,鑒于實際中模擬器件的非理想性,模擬前端(FE, front-end)的同相與正交(IQ,In-phaseQuadrature)兩路信號在調制解調的過程中會產 生信號的不平衡,即IQ兩路本振信號的幅度不再相同,相位差也不等于(IQ不平衡),從而 導致系統性能下降,這在載波頻率較高的系統(如毫米波通信系統)中更為嚴重,尤其是在 當高頻通信系統采用高階調制或者射頻前端為了降低成本而采用低成本的直接變頻結構 的情況下。一般來說,也有一些模擬域的技術可用來降低IQ不平衡的影響,如布線技術、使 用不同的電路拓撲結構等等,但是這些技術往往會增加設備尺寸、功耗和成本,而且不能有 效地消除IQ不平衡。相比之下,在數字域通過數字信號處理對IQ不平衡進行估計和補償 不需要像模擬域一樣做各種權衡或折中,有著巨大優勢。因此,在數字基帶中進行IQ不平 衡補償是必要和關鍵的。
[0003] 造成IQ不平衡的原因分為兩種:一種是與頻率獨立的IQ不平衡 (frequency-independentI/Qmismatch),這種不平衡是由于混頻器產生的本振信號不準 確引起,混頻器中本振信號相位差不為90°或者幅度不同導致IQ兩路信號不能發生正交 的解調,這種不平衡的效果與信號中各個頻率分量相互獨立。另一種IQ不平衡與頻率相 關,即IQ不平衡的效果根據信號中的頻率成分的不同而不同,這種不平衡產生的主要是源 于IQ兩路中電路器件頻響特性的差距,例如兩支路中的濾波器頻率響應的不同,放大器、 數模轉換器(DAC,Digital-to_AnalogConverter)或模數轉換器(ADC,Analog-to_Digital Converter)輸出的不同等,這些都會造成I\Q兩路發生與頻率相關的不匹配的情況。
[0004] 目前,常見的一些IQ不平衡的補償方案,大致分為兩種:盲估計或非盲估計算 法。關于盲估計算法,例如,以干擾抵消(IC,InterferenceCancellation)和盲源分離 (BSS,BlindSourceSeparation)為基礎的補償算法,通過分析IQ不平衡對信號統計特性 的影響來補償IQ不平衡。該方法不需要任何已知序列,也不需要對IQ不平衡參數進行估 計,但通常需要大量的符號以及較長的自適應迭代過程,同時信號統計特性易受多徑的破 壞。而對于非盲估計算法,基于信號檢測理論,IQ不平衡參數也可以通過發送已知訓練序列 進行估計。一般可以通過基于系統級的算法并采用傳統的最小二乘(LS,LeastSquares)、 期望最大化(EM,ExpectationMaximization)等準則,實現對IQ不平衡準確、快速的估計 和補償。這種補償方案比盲估計運算量小,易于實現,因此應用廣泛。但常用的非盲估計算 法面臨著依賴于理想信道估計、對訓練序列有特定要求從而適用性受限、無法將IQ不平衡 參數與信道分離開或者無法對頻率相關IQ不平衡進行有效補償等問題。針對上訴問題,研 究一種通用的聯合信道估計與頻率相關IQ不平衡補償的方法具有重要的實際意義。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種頻率相關IQ不平衡與信道的聯合估計與補償方法,具體如下:
[0006]S1、令長度為N的訓練序列x[n]通過信道h[n],考慮接收端頻率相關IQ不平衡的 引入,接收端接收信號的頻域表達為:+ $,其中,Xk為x[n]經過 Ns點的FFT后的頻域信號,XL*為x[n]的共軛信號x?[n]經過Ns點的FFT后的頻域信號, Hk為信道h[n]經過Ns點的FFT后的頻域響應,⑴,為信道h[n]的共軛h?[n]經過Ns點的 FFT后的頻域響應,0彡k彡Ns-1,%:為噪聲~CJV'(0,c4),〇彡Ns<N且\為整數, 八15、815為與接收端頻率相關19不平衡參數€[1;、0 1;、]11=[1111,1112,1113]與11 (3=[11(31,11(32,11 (33] 相關聯的參量,具體關系表達式如下:
[0007]
【主權項】
1. 一種頻率相關IQ不平衡與信道的聯合估計與補償方法,其特征在于,包括如下步 驟: 51、 令長度為N的訓練序列x[n]通過信道h[n],考慮接收端頻率相關IQ不平衡的引 入,接收端接收信號的頻域表達為+ R,其中,XkSx[n]經過 Ns點的FFT后的頻域信號,[η]的共軛信號χ#[η]經過Ns點的FFT后的頻域信號, Hk為信道h[n]經過Ns點的FFT后的頻域響應,Η;^為信道h[n]的共軛h #[n]經過Ns點的 FFT后的頻域響應,O彡k彡Ns-1,R為噪聲,巧~ej\T(0,〇,〇彡NsS N且\為整數,Ak、 Bk為與接收端頻率相關IQ不平衡參數a K、Pph1= [hn,hI2,hI3]與比=[hQ1,h Q2,hQ3]相 關聯的參量,具體關系表達式如下:
^ ?rrL· Λ iTrhr H1 .占 H Q.k分別為h占 h 0的N 3點FFT :
所述參數aK、PrM5Ph Q之間相互獨立,α ,和β κ表示接收端IQ不平衡對接收信號 的影響,hI= [hn,hI2,hI3]和比=[hQ1,h Q2,hQ3]為考慮IQ不平衡頻率相關性的一種等效表 7^, J=V-I ; 52、 初始化 Sl 所述參數 α κ、β K、h#p h Q,令 α κ= 1,β Ji= 〇, h T= [1, 0, 0], h Q = [1,0,0]; 53、 對SI所述信道h[n]進行最大似然估計,得到信道h[n]在頻域上的響應Hk和信 道h[n]的共軛h*[n]在頻域上的響應 54、 將 S3 所述 Hk和 代入 SI 所述Yi =At .Xi 中,對 β κ進行估
計,得到β κ的估計值; 55、 將S4所述β κ的估計值代入《 得到α κ的估計值; 56、 將S3所述Hk和H;: 4.,S4所述β游估計值和S5所述α ,的估計值代入Sl所述 Y廣A* 'Xr HjBi _Χ^ 'Η;^ +1?沖,通過迭代的方式依次對S1所述hi= [h n,hi2, hJ和hQ= [hQ1,hQ2, hQ3]進行估計,得到 h〗=[h n,hI2, hI3]和 hQ= [h Q1,hQ2, hQ3]的估計值; 57、 將估計得到的頻率相關IQ不平衡的所有參數代入SI所述 ? 'Xi 'HJBt ·ΧΚ^ + R中,通過最大似然準則對信道進行估計,得到的估計值作為 最終確定的信道估計; 58、 發送信息序列,經過信道與IQ不平衡的影響,得到接收信號,利用S7所述最 終確定的信道估計對所述接收信號進行補償,恢復出不受接收端IQ不平衡影響的信號
=A巧,利用得到的信道估計移除信道影響之后,可得尤=€/&,即 恢復出原始發送信號。
2. 根據權利要求1所述的一種頻率相關IQ不平衡與信道的聯合估計與補償方法,其特 征在于:S1所述Ns= 512。
3. 根據權利要求1所述的一種頻率相關IQ不平衡與信道的聯合估計與補償方法,其特 征在于:S3所述對信道h [η]進行最大似然估計的具體步驟如下: 531、 將信道頻域響應進行傅里葉展開,令Fk,n表示對應于第k個子載波的 2ττ FFT列向量,即Fi.,, =αχρ(-jy 1<_η),(〇彡k彡Ns-I, O彡η彡N),h為表示信道時 域沖擊的列向量,有Hk=FkT*h,廠F/_// ?,則接收的頻域信號可以表示為: Yt=ArKh+Bk.U.h、J^ 532、 根據最大似然準則,得h的最大似然估計量為 h = argmin {(y, - A, ·Χ, · F/ · h - B, · X^. · F; · ;?* )* (Y, - A, · X, · F/ -h-Bk -X^ · F; - A*)}, 對所述£中的h和^分別取微分并將結果置〇,得到關于h和h#的方程組為 氣3 $ =弋,其中,BpbJPc1為已知量; 533、 根據S32所述方程組求得信道時域沖擊h的估計值; 534、 計算出信道h在頻域上的響應Hk和信道h的共軛h #在頻域上的響應。
4. 根據權利要求1所述的一種頻率相關IQ不平衡與信道的聯合估計與補償方法,其特 征在于:S4所述對β ,進行估計,具體步驟如下: 541、 將 S3 所述 Hk和 Hl代入 Sl 所述Yt =Ai .Xi .!!,+Bi .XK^ 中,保持 α κ= 1、 Ii1= [1,0, 0]與 h Q= [1,0, 0]的取值不變; 542、 根據S1,有:
543、 根據最大似然準則,得到β κ的最大似然估計量為 A=OTg min {(YA -Ai-Xi -Hi-Bi -X; /c-H; ^ σ;τ '(Yi-Ai -Xi-Hi -Bi ·Χ; λ ·Η; ,)}; βκ ^ ' 544、 對S43所述Λ中β /取微分并將結果置〇,得到關于β β /的方程組; 545、 聯立S44所述方程組求解,得到β K= (a 2 · b/_a/ · c2) Ab2 · b/-c2 · c/),即得到 β κ的估計值。
【專利摘要】本發明屬于無線通信技術領域,特別涉及無線通信系統中一種聯合信道估計與頻率相關IQ(In-phase Quadrature,IQ)不平衡補償的方法。本發通過發送訓練序列,經過信道并引入接收端頻率相關IQ不平衡,得到接收信號及其頻域表達式;初始化參數αR、βR、hI和hQ;得到信道h[n]在頻域上的響應Hk和信道h[n]的共軛h*[n]在頻域上的響應得到βR、αR、hI=[hI1,hI2,hI3]和hQ=[hQ1,hQ2,hQ3]的估計值;恢復出原始發送信號這些步驟來實現。本發明同時得到分離開的IQ不平衡的參數和估計信道,用估計到的IQ不平衡參數作為固定參數進行統一補償,無需再對IQ不平衡參數進行重復的參數估計,相對于以往的IQ不平衡補償方法大多將IQ不平衡與信道作為一個整體考慮,降低了系統計算的開銷。同時,本發明的整體算法主要涉及線性運算,復雜度低。
【IPC分類】H04L27-38, H04L27-26
【公開號】CN104639490
【申請號】CN201510039721
【發明人】羅曾強, 成先濤, 李少謙
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月27日