CN101499991B - Iq不平衡影响下mimo-ofdm系统载波频偏和采样偏差联合估计方法 - Google Patents

Iq不平衡影响下mimo-ofdm系统载波频偏和采样偏差联合估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法，所述方法应用于具有Q个发送天线、P个接收天线、N个子载波和M个导频子载波的MIMO-OFDM系统，所述方法包括以下步骤：在发送端，在针对每一个发送天线相同子载波位置上插入导频，所述导频对称地分布在中心子载波两侧；在接收端，先利用一个OFDM符号中的两个导频及其镜像导频估计IQ不平衡参数，并补偿IQ不平衡对系统的影响，然后根据最大似然估计原理完成载波频偏和采样偏差的联合估计；本发明充分利用所设计的OFDM符号结构，完成IQ不平衡、载波频偏、采样偏差三个参数的估计，具有方法灵活、实现简单等优点。

Description

IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法
技术领域
本发明涉及一种IQ不平衡影响下MIMO-OFDM(多输入多输出，Multi-InputMulti-Output；正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统载波频偏和采样偏差联合估计方法。
背景技术
OFDM是一种多载波调制技术，它把数据调制到多个互相正交的子载波上同时发送，将宽带传输变成窄带传输，所以OFDM能有效的抗频率选择性衰落，同时OFDM在频率上互相重叠，所以它的频谱利用率很高，这一特点在频谱资源十分珍贵的无线环境中尤为重要。MIMO技术能在不增加带宽的情况下显著提高系统容量，因此将二者结合形成的MIMO-OFDM是新一代(B3G/4G)移动通信系统中最有前景的技术。
为了研制低价格、低功耗、小尺寸的OFDM终端，直变频已经成为移动终端设计的主流方向。但这种直变频接收机一般采用正交混频，不可避免的存在IQ不平衡问题，非常微小的IQ不平衡会使系统的性能严重恶化。现有的IQ不平衡估计与补偿可分为三类：一是自适应方法，这种方法需要大量的训练符号和迭代运算以获得均衡器系数；二是复合模型方法，将信道因子和IQ不平衡因子结合在一起，并利用特殊的双导频符号进行校正，这种方法需要大量的频率资源且不适合于时变信道；三是时域盲补偿方法，但这种方法假设IQ不平衡的影响集中在其中一路，不适用于实际的系统且实时性很差。
而现有的载波频偏和采样偏差的联合估计方法非常少，主要是一种：将对称导频分成正负两个集合，利用两个集合的相位积累联合估计出载波频偏和采样偏差。这种方法估计的方差很高，容易受到信道的影响，且采样偏差跟踪的性能不好。
发明内容：
本发明要解决的问题是提供一种IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法，克服现有方法的不足。
为了实现上述目的，本发明提出了一种IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法所述方法应用于具有Q个发送天线、P个接收天线、N个子载波和M个导频子载波的MIMO-OFDM系统，该系统包括以下步骤：
在发送端，在针对每一个发送天线相同子载波位置上插入导频，所述导频对称地分布在中心子载波两侧；
在接收端，先利用一个OFDM符号中的两个导频及其镜像导频估计IQ不平衡参数，并补偿IQ不平衡对系统的影响，然后根据最大似然估计原理完成载波频偏和采样偏差的联合估计。
优选地，插入的导频是等间隔的，与数据符号形成发送帧通过发送天线发送出去。
优选地，插入导频的个数和导频之间的距离根据系统对复杂度和估计精度的要求折中进行选择。
优选地，在发送端，所有发送天线使用同一个本振，在接收端，所有接收天线使用同一个本振，即MIMO-OFDM系统每个发送天线和接收天线对之间的IQ不平衡、载波频偏、采样偏差是相同的。
优选地，在接收端，帧同步和符号定时同步已经完成。
优选地，根据频域信号在IQ不平衡影响下的特点，只利用一个OFDM符号中的两个导频符号及其镜像导频构成一个线性方程组，便可估计出IQ不平衡的两个参数，为获得更加精确的结果，可将多个OFDM符号样本加权平均。
优选地，用于最大似然估计的导频是以中心子载波为中心成对做共轭乘积，离中心子载波越近的导频对可获得越大的估计范围，离中心子载波越远的导频对可获得越高的估计精度，同时估计范围和精度可以根据系统的要求灵活调节，为获得更加精确的结果，可将多个OFDM符号样本加权平均。
优选地，对每个天线上的IQ不平衡估计值以及载波频偏和采样偏差联合估计值进行等增益比或最大比分集合并处理，以抵抗衰落和提高估计的精度。
优选地，使用一定的信道估计可以很好地提高IQ不平衡、载波频偏、采样偏差估计的性能。
根据本发明，提出了一种IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法，该方法充分利用所设计的OFDM符号结构特点，能够完成IQ不平衡估计与补偿、载波频偏和采样偏差联合估计三种功能。本发明具有估计的高精度和实现的低复杂度，同时具备工程应用的有效性和实用性，因而具有很高的专利价值。
附图说明
图1是本发明示出OFDM符号结构方框图。
图2是本发明示出根据本发明的IQ不平衡估计与补偿、载波频偏和采样偏差联合估计的示意方框图。
图3是本发明更详细地示出图2中的IQ不平衡估计器的方框图。
图4是本发明更详细地示出图2中的IQ不平衡补偿器的方框图。
图5是本发明更详细地示出图2中的载波频偏和采样偏差联合估计器的方框图。
具体实施方式
在下述的描述中，所限定的事物如详细结构和部件只是有助于对本发明进行全面地理解。因此本发明的实施可以不用那些限定的事物。另外，由于一些众所周知的功能或结构会使本发明在不必要的细节模糊，所以没有具体描述这些功能或结构。
图1是示出OFDM符号结构方框图。如图1所示，本发明设计的OFDM符号包括数据符号和导频符号，其中导频符号等间隔地、对称地分布在中心子载波0附近。
图2是示出根据本发明的IQ不平衡估计与补偿、载波频偏和采样偏差联合估计的示意方框图。如图2所示，本发明接收机包括：OFDM调制器、IQ不平衡估计器、IQ不平衡补偿器、载波频偏和采样偏差估计器、分集合并器。其中OFDM调制器包括串/并变换、去循环前缀、FFT变换。
图3是更详细地示出图2中的IQ不平衡估计器的方框图。如图3所示，IQ不平衡估计器包括镜像器、共轭复数器、乘法器、减法器。
取两导频的镜像导频与其对应子载波上的数据相乘，再将结果相减，便可得到幅度不平衡估计，将这两导频与其对应子载波上的数据相乘，再将结果相减，便可得到相位不平衡估计。本发明IQ不平衡估计器的简洁性在于幅度不平衡和相位不平衡两参数的估计一共只需要4次乘法和两次加法，其复杂度远远低于现有的IQ不平衡估计方法。
图4更详细地示出图2中的IQ不平衡补偿器的方框图。如图4所示，IQ不平衡补偿器包括镜像器、乘法器、除法器、减法器。
将接收数据减去其镜像数据和IQ不平衡估计器的IQ不平衡相位估计的乘积，再将结果除以IQ不平衡估计器的IQ不平衡幅度估计，然后将结果送去载波频偏和采样偏差联合估计器。
图5是更详细地示出图2中的载波频偏和采样偏差联合估计器的方框图。如图5所示，载波频偏和采样偏差联合估计器包括：镜像器、乘法器、除法器、累加求和器、减法器、平方器。
本估计器是基于最大似然原理推导的。将导频与其镜像导频相乘，便可求出包含载波频偏和采样偏差的相位，将导频对应的索引与其镜像导频索引相减，便可求出两导频跨度，将相位乘以跨度，再除以跨度的平方，便可求出载波频偏和采样偏差的估计，其中，估计器将所有导频的结果累加求和。可以看出，离中心子载波越近的导频可获得越大的估计范围，离中心子载波越远的导频可获得越高的估计精度，且估计的精度和范围可根据系统的要求灵活调节。
如上所述，本发明提供的IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法能够更简洁和更高效地估计IQ不平衡、载波频偏和采样偏差，同时可以根据系统的要求灵活调节估计的范围和精度，同时，本发明提供的方法与现有方法相比，能简化接收机的结构，降低接收机的复杂度和成本，具有很好的实用性。
上述实施例和优点仅是示例性的，并不应该被解释为限制本发明。另外，对本发明实施例的上述描述是示意性的，并不限制权利要求的范围，很明显，本领域的技术人员可以做出多种选择、替换和改变。

Claims (8)

1.一种IQ不平衡影响下MIMO-OFDM系统载波频偏和采样偏差联合估计方法，所述方法应用于具有Q个发送天线、P个接收天线、N个子载波和M个导频子载波的MIMO-OFDM系统；在直变频接收机中一般发送机输出和接收机前端均采用正交混频技术，同相I路和正交Q路的两路通道实际系统中存在幅度和相位不平衡，称为IQ不平衡；MIMO称为多输入多输出，OFDM称为正交频分复用；其特征在于，包括以下步骤：
在发送端，在针对每一个发送天线相同子载波位置上插入导频，所述导频对称地分布在中心子载波两侧；
在接收端，IQ不平衡估计器包括镜像器、共轭复数器、乘法器和减法器，其IQ不平衡估计方法是利用一个OFDM符号中的两个导频及其镜像导频估计IQ不平衡参数，即取两个导频的镜像导频与其对应子载波上的数据相乘，再将结果相减，便可得到幅度不平衡估计，将这两导频与其对应子载波上的数据相乘，再将结果相减，便可得到相位不平衡估计；
在上述幅度和相位不平衡参数估计的基础上，对IQ不平衡进行并补偿，其IQ不平衡补偿器包括镜像器、乘法器、除法器和减法器，其补偿方法是将接收数据减去其镜像数据和IQ不平衡估计器的IQ不平衡相位估计的乘积，再将结果除以IQ不平衡估计器的IQ不平衡幅度估计，然后将IQ不平衡补偿后的数据送入载波频偏和采样偏差联合估计器；
载波频偏和采样偏差联合估计器包括镜像器、乘法器、除法器、累加求和器、减法器和平方器，其联合估计方法是将导频与其镜像导频相乘，便可求出包含载波频偏和采样偏差的相位，将导频对应的索引与其镜像导频索引相减，便可求出两导频跨度，将相位乘以跨度，再除以跨度的平方，便可求出载波频偏和采样偏差的估计，其中，估计器将所有导频的结果累加求和。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：插入的导频是等间隔的，与数据符号形成发送帧通过发送天线发送出去。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：插入导频的个数和导频之间的距离根据系统对复杂度和估计精度的要求折中进行选择。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在发送端，所有发送天线使用同一个本振，在接收端，所有接收天线使用同一个本振，即MIMO-OFDM系统每个发送天线和接收天线对之间的IQ不平衡、载波频偏、采样偏差是相同的。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在接收端，帧同步和符号定时同步已经完成。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：根据频域信号在IQ不平衡影响下的特点，只利用一个OFDM符号中的两个导频符号及其镜像导频构成一个线性方程组，便可估计出IQ不平衡的两个参数，为获得更加精确的结果，可将多个OFDM符号样本加权平均。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于：用于最大似然估计的导频是以中心子载波为中心成对做共轭乘积，离中心子载波越近的导频对可获得越大的估计范围，离中心子载波越远的导频对可获得越高的估计精度，同时估计范围和精度可以按系统的要求灵活处理，为获得更加精确的结果，可将多个OFDM符号样本加权平均。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于：对每个天线上的IQ不平衡估计值以及载波频偏和采样偏差联合估计值进行等增益比或最大比分集合并处理，以抵抗衰落和提高估计的精度。
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