CN101404518B - 一种用于无线通信系统的频偏估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于无线通信系统的频偏估计方法及装置。所述方法包括如下步骤：A、利用接收到的训练序列R和基本训练序列B进行信道估计，得到去噪前的信道冲激响应

；B、对

进行去噪处理，得到去噪后的信道冲激响应h；C、利用h构造系统矩阵SM；D、利用SM和R，以最小二乘准则来计算h中每条径的变化系数，得到系数矩阵C；E、利用系数矩阵C的元素进行计算得到频偏值。本发明充分考虑了无线信道的多经因素，采用最小二乘准则来进行频偏估计，能够有效克服频偏估计方差较大并且估计范围有限的问题。

Description

一种用于无线通信系统的频偏估计方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种用于无线通信系统的频偏估计方法及装置。

背景技术

目前，大多数的通信系统都是采用相干检测的方法进行数据解调，即接收机用来接收无线信号的频率应与无线信号的载波频率完全一致或者二者之间误差很小。因此，为了保证接收机能准确跟踪载波频率，接收机的频偏估计算法就比较重要了，只有准确地估计出二者的频率偏差才能及时矫正以达到准确跟踪的目的。通常，为了保证接收机可以准确估计出当前存在的频偏，通信系统会在特定时隙发送已知的训练序列用于接收机的频偏估计。

较为常用的训练序列结构如下：一种是循环前缀结构(参照图1)，即发送的训练序列是在基本训练序列的基础上，将其尾部的m个码片复制到基本训练序列的头部构成一个长为L+m的用于发送的训练序列；另一种训练序列的结构是在基本训练序列两端加保护间隔，作为用于发送的训练序列(参照图2)。

现有的一种频偏估计方法是，将训练序列分成两部分，分别计算信道估计，然后将两个信道估计共轭相乘计算频偏。现有的基于训练序列的频偏估计算法存在的主要问题是频偏估计结果的方差较大并且估计范围有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于无线通信系统的频偏估计方法及装置，来克服偏估计结果的方差较大并且估计范围有限的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种用于无线通信系统的频偏估计方法，包括如下步骤：

A、利用接收到的训练序列R和基本训练序列B进行信道估计，得到去噪前的信道冲激响应

B、对进行去噪处理，得到去噪后的信道冲激响应h；

C、利用h构造系统矩阵SM；

D、利用SM和R，以最小二乘准则来计算h中每条径的变化系数，得到系数矩阵C；

E、利用系数矩阵C的元素进行计算得到频偏值。

上述的方法，其中，步骤C具体包括：

C1、在信道冲激响应h中保留N条有效径，并记录每条保留的有效径在信道估计窗中的位置Pos_i，i＝1，2，…，N；

C2、按照如下公式构造对应于每条有效径的发送序列TB⁽ⁱ⁾：

TB⁽ⁱ⁾(m)＝B((m-Pos_i)％L+1)，m＝1，2，…，L，L为B的长度；

C3、利用TB⁽ⁱ⁾构造SM：

SM＝[TB⁽¹⁾.×n^p，TB⁽¹⁾.×n^p-1，…TB⁽¹⁾，…，TB^(N).×n^p，TB^(N).×n^p-1，…TB^(N)]，p为系统矩阵的阶数，n＝[i₀，i₀+1，…i₀+L-1]，i₀为任意整数。

上述的方法，步骤C1中，N＝min{N_h，N_r}，其中，N_h为信道估计窗中有效径个数，N_r为预设的最大有效径个数。

上述的方法，步骤D中，按照如下公式计算系数矩阵：

a_k ⁽ⁱ⁾表示第i条径的第k次项系数，k＝0，1，…，p。

上述的方法，其中，步骤E具体包括：

E1、计算各条径的角频偏ω_i： ${\mathrm{\ω}}_i=\frac{a_1^{\left(i\right)}}{a_0^{\left(i\right)}},$ i＝1，2，…，N；

E2、对各条径的角频偏进行最大比合并，得到ω： $\mathrm{\ω}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_0^{\left(i\right)}\right|}^2{\mathrm{\ω}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_0^{\left(i\right)}\right|}^2};$

E3、利用ω计算得到频偏值f_o： $f_o=\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ω}\right)}{2\mathrm{\πTs}},$ 其中，Ts为系统的码片速率。上述的方法，其中，步骤E3之后还包括：

E4、对频偏值f_o做收敛化操作，得到

${\hat{f}}_o=f_o\frac{{\left|\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}{{\left|\mathrm{\ω}\right|}^2}.$

一种用于无线通信系统的频偏估计装置，包括：

信道估计器，用于根据接收到的训练序列R和基本训练序列B进行信道估计，得到去噪前的信道冲激响应

噪声消除器，用于对

进行去噪处理，得到去噪后的信道冲激响应h；

系统矩阵生成器，用于根据h构造系统矩阵SM；

系数计算器，用于根据SM和R，以最小二乘准则来计算h中每条径的变化系数，得到系数矩阵C；

频偏计算器，用于根据系数矩阵C的元素进行计算得到频偏值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明充分考虑了无线信道的多经因素，采用最小二乘准则来进行频偏估计，能够有效克服频偏估计方差较大并且估计范围有限的问题。

附图说明

图1为采用循环前缀的训练序列结构；

图2为采用保护间隔的训练序列结构；

图3为本发明实施例的频偏估计装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中采用带保护间隔训练序列时的R的截取示意图。

具体实施方式

为了更好地描述本发明，这里将文档中用到的运算符号及变量集中定义如下：

运算符号定义：

FFT(·)  快速傅立叶变换

IFFT(·) 快速逆傅立叶变换

DFT(·)  离散傅立叶变换

IDFT(·) 离散逆傅立叶变换

./     两个序列的对位相除

.×    两个序列的对位相乘

％     模余运算

Im(x)   复数x的虚部

x^*      复数x的共轭

|x|²    复数x的模

(X)^H    矩阵X的共轭转置

(X)^-1   矩阵X的逆矩阵

变量定义：

B       基本训练序列

TB⁽ⁿ⁾   在接收端观察到的，对应于第n条径的发送训练序列码，由B和第n条径位置计算而来

R       用户终端接收到的训练序列

      去噪前的信道冲击响应

h       去噪后的信道冲击响应

n       序号向量

C       系数矩阵

参照图3，本发明实施例的频偏估计装置包括：信道估计器、噪声消除器、系统矩阵生成器、系数计算器和频偏计算器。

信道估计器

信道估计器利用接收到的训练序列R和未经过无线信道的本地训练序列B(即基本训练序列)进行信道估计，得到去噪前的信道冲激响应

对于第一种基于循环前缀的训练序列结构可以采用傅立叶变换来实现，即在接收到的L+m个码片数据中，截取长为L的数据R(通常选取最后面的L个数据)与本地训练序列B做三次离散傅立叶变换：

当L为2的整数次幂时，离散傅立叶变换可以使用快速傅立叶变换来实现：

对于第二种训练序列结构截取，长为L+n1+n2的数据R(参照图4)，如果取

，那么同样可以通过三次离散傅立叶变换计算信道估计：

其中，n1为系统的定时提前，是为了防止因为系统定时偏差而引起信号的不完整接收；n2为系统的信道冲激响应长度。

当然，信道估计器也可以使用相关来实现，如下：

n＝1，2，…，n1+n2+1

噪声消除器

噪声消除器用于对

进行去噪处理，选出有效径，并得到去噪后的信道冲激响应h。作为一种实施例，可以只选其中最大的Ni条径作为有效径，利用其余各点的平均功率作为噪声功率P_noise，如下：

其中，T为预设门限。

系统矩阵生成器

系统矩阵生成器用于根据h构造系统矩阵SM。经过噪声消除后，得到较为“干净”的信道冲激响应h，h中有效径个数为N_h。那么，系统矩阵生成器通过执行如下操作来完成系统矩阵SM的生成：

(1)在信道冲激响应h中保留N条有效径，其余各点置零，并记录每条保留的有效径在信道估计窗中的位置Pos₁，Pos₂，…，Pos_N，N＝min{N_h，N_r}，其中，N_r为预设的最大有效径个数，取2～4为宜。

(2)构造对应于每条有效径的发送序列TB⁽¹⁾，TB⁽²⁾，…，TB^(N)，这里，TB⁽¹⁾，TB⁽²⁾，…，TB^(N)为列向量。

对于第一种带有循环前缀的训练序列，可按如下公式构造：

TB⁽ⁱ⁾(m)＝B((m-Pos_i)％L+1)m＝1，…L；i＝1，…N

对于第二种使用保护间隔的训练序列，可按如下公式构造：

TB⁽ⁱ⁾(m)＝B′((m-Pos_n)％(L+n1+n2)+1)m＝1，…，L+n1+n2；i＝1，…，N

(3)利用TB⁽ⁱ⁾构造SM：

SM＝[TB⁽¹⁾.×n，TB⁽¹⁾，…，TB^(N).×n，TB^(N)]

其中，n是序号向量，n＝[i₀，i₀+1，…i₀+L-1]，i₀是序号向量的起始元素可以为任意整数，例如

上述为一阶的系统矩阵生成方法，也可以采用更高阶的系统矩阵，具体为：

SM＝[TB⁽¹⁾.×n^p，…TB⁽¹⁾.×n，TB⁽¹⁾，…，TB^(N).×n^p，…TB^(N).×n，TB^(N)]，其中，p为系统矩阵的阶数，一般以1～2为宜。

当接收信号为多个训练序列叠加在一起的情况时，例如TD-SCDMA系统中的存在同频小区的情况，用户终端接收到的训练序列部分的信号是多个同频小区训练序列叠加的结果，此时应该采用多小区信道估计算法来得到多个训练序列各自的信道估计，然后利用各训练序列及其本身的信道估计来计算系统矩阵SM1，SM2.....，并将其合并成一个完整的系统矩阵SM＝[SM1，SM2，…]。

系数计算器

系数计算器利用SM和RM，以最小二乘准则来计算h中每条径的变化系数，得到系数矩阵C：

a_k ⁽ⁱ⁾表示第i条径的第k次项系数，k＝0，1，…，p。

当系统矩阵阶数p＝1时：

$C={\left[\begin{array}{c}{a_1}^{\left(1\right)}{a_1}^{\left(2\right)}\·\·\·{a_1}^{\left(N\right)}\\ {a_0}^{\left(1\right)}{a_0}^{\left(2\right)}\·\·\·{a_0}^{\left(N\right)}\end{array}\right]}_{2\×N}$

频偏计算器

频偏计算器是利用系数矩阵的元素来计算频偏值，具体为：

计算各条径的角频偏ω_i

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{a_1^{\left(i\right)}}{a_0^{\left(i\right)}}$     i＝1，2，…，N

按照最大比合并原则，合并各条径的ω_i

$\mathrm{\ω}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_0^{\left(i\right)}\right|}^2{\mathrm{\ω}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_0^{\left(i\right)}\right|}^2}$

计算频偏值

$f_o=\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ω}\right)}{2\mathrm{\πTs}},$ 其中，Ts表示系统的码片速率，例如对于TD-SCDMA系统来说，该值为1/1.28M秒。

作为一种优化方案，可以进一步对频偏值f_o做一个收敛化的操作

${\hat{f}}_o=f_o\frac{{\left|\mathrm{Im}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2}{{\left|\mathrm{\ω}\right|}^2}$

本发明的上述实施例充分考虑了无线信道的多经因素，采用最小二乘准则来进行频偏估计，能够有效克服频偏估计方差较大并且估计范围有限的问题。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于无线通信系统的频偏估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、利用接收到的训练序列R和基本训练序列B进行信道估计，得到去噪前的信道冲激响应

B、对

进行去噪处理，得到去噪后的信道冲激响应h；

C、利用h构造系统矩阵SM；

D、利用SM和R，以最小二乘准则来计算h中每条径的变化系数，得到系数矩阵C；

E、利用系数矩阵C的元素进行计算得到频偏值；

其中，步骤C具体包括：

C1、在信道冲激响应h中保留N条有效径，并记录每条保留的有效径在信道估计窗中的位置Pos_i，i＝1，2，...，N；

C2、按照如下公式构造对应于每条有效径的发送序列TB⁽ⁱ⁾：

TB⁽ⁱ⁾(m)＝B((m-Pos_i)％L+1)，m＝1，2，...，L，L为B的长度；

C3、利用TB⁽ⁱ⁾构造SM：

SM＝[TB⁽¹⁾.×n^p，TB⁽¹⁾.×n^p-1，...TB⁽¹⁾，...，TB^(N).×n^p，TB^(N).×n^p-1，...TB^(N)]，p为系统矩阵的阶数，n＝[i₀，i₀+1，...i₀+L-1]，i₀为任意整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤C1中，N＝min{N_h，N_r}，其中，N_h为信道估计窗中有效径个数，N_r为预设的最大有效径个数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D中，按照如下公式计算系数矩阵：

$C={\left[\begin{array}{cccc}{a_p}^{\left(1\right)}& {a_p}^{\left(2\right)}& & {a_p}^{\left(N\right)}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ {a_0}^{\left(1\right)}& {a_0}^{\left(2\right)}& & {a_0}^{\left(N\right)}\end{array}\right]}_{(p+1)\×N}={\left({\mathrm{SM}}^H\mathrm{SM}\right)}^{-1}{\mathrm{SM}}^{H}R,$ a_k ⁽ⁱ⁾表示第i条径的第k次项系数，k＝0，1，...，p。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤E具体包括：

E1、计算各条径的角频偏ω_i：

i＝1，2，...，N；

E2、对各条径的角频偏进行最大比合并，得到ω：

E3、利用ω计算得到频偏值f_o：

其中，Ts为系统的码片速率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤E3之后还包括：

E4、对频偏值f_o做收敛化操作，得到

6.一种用于无线通信系统的频偏估计装置，其特征在于，包括：

信道估计器，用于根据接收到的训练序列R和基本训练序列B进行信道估计，得到去噪前的信道冲激响应

噪声消除器，用于对

进行去噪处理，得到去噪后的信道冲激响应h；

系统矩阵生成器，用于根据h构造系统矩阵SM；

系数计算器，用于根据SM和R，以最小二乘准则来计算h中每条径的变化系数，得到系数矩阵C；

频偏计算器，用于根据系数矩阵C的元素进行计算得到频偏值；

其中，所述系统矩阵生成器按照如下方式构造系统矩阵SM：

在信道冲激响应h中保留N条有效径，并记录每条保留的有效径在信道估计窗中的位置Pos_i，i＝1，2，...，N；

按照如下公式构造对应于每条有效径的发送序列TB⁽ⁱ⁾：

TB⁽ⁱ⁾(m)＝B((m-Pos_i)％L+1)，m＝1，2，...，L，L为B的长度；

利用TB⁽ⁱ⁾构造SM：

SM＝[TB⁽¹⁾.×n^p，TB⁽¹⁾.×n^p-1，...TB⁽¹⁾，...，TB^(N).×n^p，TB^(N).×n^p-1，...TB^(N)]，p为系统矩阵的阶数，n＝[i₀，i₀+1，...i₀+L-1]，i₀为任意整数。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

N＝min{N_h，N_r}，其中，N_h为信道估计窗中有效径个数，N_r为预设的最大有效径个数。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述系数计算器按照如下公式计算系数矩阵：

$C={\left[\begin{array}{cccc}{a_p}^{\left(1\right)}& {a_p}^{\left(2\right)}& & {a_p}^{\left(N\right)}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ {a_0}^{\left(1\right)}& {a_0}^{\left(2\right)}& & {a_0}^{\left(N\right)}\end{array}\right]}_{(p+1)\×N}={\left({\mathrm{SM}}^H\mathrm{SM}\right)}^{-1}{\mathrm{SM}}^{H}R,$ a_k ⁽ⁱ⁾表示第i条径的第k次项系数，k＝0，1，...，p。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述频偏计算器按照如下方式计算频偏值：

计算各条径的角频偏ω_i：i＝1，2，...，N ；

对各条径的角频偏进行最大比合并，得到ω：

利用ω计算得到频偏值f_o：

其中，Ts为系统的码片速率。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：

所述频偏计算器还对频偏值f_o做收敛化操作，得到

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