CN101895321B - 多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法，在每个远程射频单元设置数字锁相环，各数字锁相环计算本远程射频单元射频参考晶体振荡器的输出信号与参考源的频偏量并生成补偿信号，并以此对射频频偏进行预校正。本发明的有益技术效果是：该方法解决了多个RRH之间，由于空间分离，无法采用同源的射频本振参考源而造成每个RRH频偏各异的问题；能够保证MIMO系统的多条传输路径的射频频率偏移的一致性，简化了系统接收频率偏移估计和校正实现的复杂性，提高了频率偏移估计和实现的精确性，提升了MIMO系统的传输性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线电通信领域，具体涉及一种多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法。
背景技术
多发多收天线(以下简称MIMO)技术是无线通信领域天线技术的重大突破，因为从理论上可以在不增加时间、频率资源的基础上成倍地提高系统容量和频谱效率。为了提高传输容量或者提高传输的可靠性，MIMO有两种形式，即空间分集和空间复用，空间复用技术利用MIMO信道提供的空间复用增益，可以大大提高信道容量；空间分集利用MIMO信道提供的空间分集增益，则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。但是在远程射频单元(以下简称RRH)部署的系统中，多个RRH在空间上是分离的，MIMO系统的多条传输链路的频偏各不相同，对系统性能带来负面影响。
越来越多新一代基站(一个站点、一端站点)的射频模块都作为RRH部署，而且全部分布于天线(室外设备)，而非置于基站机房(室内设备)内，室内设备规范术语是IDU，室内信号处理单元指室内设备包含的信号处理单元。基站机房和RRH之间通过串行CPRI或OBSAI光纤链路进行连接，光纤链路两端连接分别连接室内和室外设备的信号处理单元。基站机房内的信号处理单元完成信道编码、空时编码和调制解调等功能；RRH的信号处理单元主要功能是数字前端处理，包括信道滤波，预失真处理等，并且和ADC、DAC相连。进行发送信号处理时，基站机房内的基带调制信号通过串行CPRI或OBSAI光纤链路输出到RRH，在RRH内的信号处理单元进行数字前端处理，通过DAC转换成模拟信号输出到射频单元；进行接收信号处理时，射频单元输出的信号首先通过ADC转换成数字信号，在RRH的信号处理单元进行数字前端处理，通过串行CPRI或OBSAI光纤链路把接收的信号传输到基站机房的信号处理单元，进行接收信号的处理。
RRH部署特别适合MIMO系统，RRH数字链路取代了基站和射频模块之间昂贵的同轴电缆，这不仅可以避免3dB的电缆传损，而且能够让射频放大器实现更大的增益。大大减少了传统通过射频电缆连接室内设备和室外设备连接的馈线损耗，同时信号处理主要在室内完成，方便调试和检测。在MIMO系统中，多个RRH的CPRI模块的时钟是统一到室内单元的CPRI模块时钟上，室内单元是CPRI模块的主端，室外单元是CPRI模块的从端，因此在MIMO系统的一个站点上，所有的CPRI模块时钟是同步的，全部以室内单元的CPRI模块时钟为参考。
每个RRH的发信机和收信机内的频率合成器可以采用分离的或者统一的参考晶体振荡器作为频率合成的参考源，通过频率合成产生变频所需的本振信号，即使采用统一的参考晶体振荡器也无法保证多个RRH之间的频率合成器输出信号频率的同步。RRH的射频参考振荡器一般是采用高稳定度的晶体振荡器，其接收和发送频率合成器无法像CPRI模块那样，能够将多个RRH的频率合成器统一到室内单元的某个参考源上，RRH部署的MIMO系统一个突出问题是各个RRH之间的射频频偏，这会对MIMO系统的接收信号处理带来极大的不便。
在MIMO系统的信号处理过程中，为了保证良好的接收效果，需要进行频偏校正来消除发送和接收频率合成器之间的频率差异，在单发单收系统中频偏校正可以很好的解决，并且技术相当成熟，但是在MIMO系统中接收信号中存在多个发射机和多个接收机之间的频率偏移，并且这些频率偏移是叠加在一起的无法进行分离，这大大提高了MIMO系统频偏校正处理的复杂度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，要解决的问题是：提供一种在采取RRH部署的MIMO系统，由于多个RRH之间空间分离，无法采用同源的射频本振参考源而造成每个RRH射频频偏各异的预校正的方法。
本发明为解决上述现有技术存在的问题，是通过如下技术方案实现的：一种多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法，包括室内设备，与室内设备连接的多个远程射频单元，单个远程射频单元包括变频器和射频参考晶体振荡器，其特征在于：在每个远程射频单元设置数字锁相环，统一以室内设备的时钟信号CLKCPRI为参考源，各数字锁相环计算本远程射频单元射频参考晶体振荡器的输出信号与参考源的频偏量并生成补偿信号，并以此对本远程射频单元的发射信号，或者接收信号的射频频偏进行预校正。
进一步，单个远程射频单元发射信号的射频频偏预校正，包括如下步骤：
a.将室内设备的时钟信号CLKCPRI和射频参考晶体振荡器的时钟信号CLKREF输入数字锁相环，得到CLKCPRI信号和CLKREF信号的频偏量Δf，则射频频偏为M*Δf，数字锁相环依此产生一频率为f＝-M*Δf的频偏预校正本振信号，其中，M为对应远程射频单元的发射频率设计值与射频参考晶体振荡器标称频率的比值；
b.将频偏预校正本振信号和对应的基带调制信号输入乘法器，经乘法器处理得到校正后的基带调制信号，校正后的基带调制信号输入变频器，变频过程中，射频频偏M*Δf被抵消，也即完成了对远程射频单元发射信号的射频频偏校正。
进一步，单个远程射频单元接收信号的射频频偏预校正，包括如下步骤：
a.将室内设备的时钟信号CLKCPRI和射频参考晶体振荡器的时钟信号CLKREF输入数字锁相环，得到CLKCPRI信号和CLKREF信号的频偏量Δf，则射频频偏为N*Δf，数字锁相环依此产生一频率为f＝-N*Δf的频偏预校正本振信号，其中，N为对应远程射频单元的接收频率设计值与射频参考晶体振荡器标称频率的比值；
b.远程射频单元接收到的信号，经变频器处理后，得到带有频偏的基带调制信号，将带有频偏的基带调制信号和频偏预校正本振信号输入乘法器，乘法器处理过程中，射频频偏N*Δf被抵消，也即完成了对远程射频单元接收信号的射频频偏校正。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：该方法解决了多个RRH之间，由于空间分离，无法采用同源的射频本振参考源而造成每个RRH频偏各异的问题；能够保证MIMO系统的多条传输路径的射频频率偏移的一致性，简化了系统接收频率偏移估计和校正实现的复杂性，提高了频率偏移估计和实现的精确性，提升了MIMO系统的传输性能。
附图说明
图1是本发明RRH基站部署示意图；
图2是本发明2X2MIMO系统的频偏示意图；
图3是本发明2X2MIMO系统频率校正后的频偏示意图；
图4是本发明双通道频率校正示意图；
图5是本发明发送频偏预校正的原理框图；
图6是本发明数字锁相环原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
见图1至图6所示，一种多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法，在保持射频收发信机结构不变的情况下，基站机房(室内设备)和RRH之间通过串行CPRI或OBSAI光纤链路进行连接，光纤链路两端连接分别连接室内和室外设备的信号处理单元。每个室外远程射频单元的CPRI的时钟CLKCPRI与基站机房室内的CPRI模块的时钟CLKCPRI是统一的。本发明利用这一特点，为每个远程射频单元设置数字锁相环，统一以室内设备的时钟信号CLKCPRI为参考源，通过数字锁相环计算各个晶体振荡器的输出信号与参考源的频偏量，由数字锁相环针对频偏量产生一补偿信号，对每个远程射频单元的射频频偏分别进行预校正，使多个远程射频单元的射频频偏一致。
每个远程射频单元包括发送机和接收机，采用共用的参考晶体振荡器来产生射频发射和接收的本振信号，参考晶体振荡器输出的时钟CLKREF，射频频率fc＝K*CLKREF，K为该远程射频单元的射频频率设计值与该远程射频单元的射频参考晶体振荡器标称频率的比值。每个RRH内恢复的CPRI时钟作为处理时钟，对射频参考晶体振荡器输出的时钟进行锁相，锁相环路采用二阶环，其环路滤波器积分环节的值可以反映两个时钟(CPRI时钟和参考晶体振荡器输出的时钟)之间的频率偏移量，根据该频率偏移量和实际设置的发射和接收频率再对基带信号进行频偏预校正，这样射频发射本振和接收本振的实际输出频率是以CPRI时钟为参考的。两个RRH的CPRI时钟是通过CPRI模块接口由室内设备统一提供的，即每个RRH内的CPRI时钟是锁定在室内单元的CPRI时钟上的，因此保证了一端站点两个射频单元的发射和接收频率全部以室内单元的CPRI时钟为参考。
频偏预校正后MIMO系统的效果如图4所示，图中两个RRH的发送和接收频率都是以室内设备的CPRI时钟为参考，保证了两者的发送和接收频率完全相同，消除了系统中一端站点多个RRH之间的频偏，保证了MIMO系统的性能。
下边以MIMO系统中的一个RRH的发送信号的频偏预校正为例对MIMO系统的频偏预校正进行说明：
发送频偏预校正的具体过程如图5所示，室内CPRI模块输出基带调制信号和控制信息到RRH的CPRI模块，输出信号以室内时钟CLKCPRI为参考，在RRH的CPRI模块恢复出时钟CLKCPRI和基带调制信号，恢复的时钟CLKCPRI和射频参考晶体振荡器输出的时钟CLKREF同时输入到数字锁相环，显然两者存在频偏，定义该频偏是Δf，数字锁相环采用二阶环路，环路滤波器的积分环节输出和Δf相对应；定义射频发射频率fc_tx＝M*CLKREF，该频率是以为CLKREF参考的，那么射频发射频率的频偏是M*Δf。
数字锁相环的处理时钟是CLKCPRI，其结构参见图6所示，图6的上边是锁相环路，图的下边是倍频处理和频偏预校正处理。锁相环路的组成包括：数控振荡器、环路滤波器、相位累加器；其中，数控振荡器，通过sin LUT(正弦函数查找表)来实现；环路滤波器，采用二阶滤波器，其直通支路和积分支路的增益分别是α和β；相位累加器的输入包括两部分，将CLKREF’(即CLKCPRI)信号和环路滤波器的输出二者相加作为相位累加器的输入，进行累加；相位累加器的输出作为sin LUT的相位地址；另外包括可以调节的相位增益。数字锁相环的具体原理可以参考现有的相关资料。
通过数字锁相环路的相位跟踪，sin LUT输出和CLKREF频率完全相同的信号，但是相位存在90°的相移。因为环路滤波器积分环节的输出直接和Δf对应，通过倍频处理可以产生频率是-M*Δf的频偏预校正信号，倍频处理的结构和锁相环路相似，差异在于只取环路滤波器积分环节的输出Δf，然后对Δf进行-M的放大再进行相位累加，数控振荡器输出的频率是-M*Δf的频偏预校正本振信号，频偏预校正本振信号是复数正交信号，该信号和RRH的CPRI模块恢复出基带调制信号相乘，相当于对基带调制信号进行了频率搬移，频偏预校正处理后的基带调制信号的载频是-M*Δf，在射频上变频过程中和射频频偏M*Δf相抵消，最终产生的射频发送信号的频率是M*CLKCPRI，从而达到频偏预校正的目的。
下边以MIMO系统中的一个RRH的接收信号的频偏预校正为例对MIMO系统的频偏预校正进行说明：
RRH接收信号时，在混频过程中，由于存在射频频偏，经变频器处理后，得到带有频偏的基带调制信号；同样定义射频接收频率fc_Rx＝N*CLKREF，该频率是以为CLKREF参考的，将室内设备的时钟信号CLKCPRI和射频参考晶体振荡器的时钟信号CLKREF输入数字锁相环，得到CLKCPRI信号和CLKREF信号的频偏量Δf，那么射频接收频率的频偏是N*Δf。由数字锁相环产生一频率为f＝-N*Δf的频偏预校正本振信号，N为对应远程射频单元的接收频率理论值与射频参考晶体振荡器标称频率的比值。将带有频偏的基带调制信号和频偏预校正本振信号输入乘法器，乘法器处理过程中，射频频偏N*Δf被抵消，也即完成了对远程射频单元接收信号的射频频偏校正。
对多个RRH内的发送和接收的信号进行相同的处理，完成MIMO一端设备的频率预校正处理，保证了所有RRH的发送和接收信号的本振参考源的统一，全部以CLKCPRI为参考。
下面以2X2的MIMO系统为例进行原理介绍，同时该方案对MIMO系统可以扩充，比如3X3、4X4系统等。2X2MIMO系统中共有四套射频单元，每个射频单元的收发信机采用相同参考晶体产生发射和接收的本振信号。如图2所示，四套射频单元在空间上是分离的，分别采用独立的参考晶体来产生本地发射和接收的本振信号，因此对于一端站点(一个基站)的两套射频单元来说，即使设置的发射和接收频率完全相同，两者之间的发射和接收频率实际上也会存在频偏，2X2MIMO系统存在四条传输路径，在接收端四条传输路径的频率偏移量是各不相同的。每幅接收天线的接收信号是两幅发射天线发射信号的叠加，无法同时对两个发射信号进行精确的频率校正，另外两幅接收天线的信号还需要进行联合估计，四条传输路径的频偏存在差异，最多只能对两条接收路径(每幅接收天线各有一条接收路径)的信号进行精确频率校正，或者基于最小均方误差的多路频率联合校正，显然会对接收效果造成负面影响，降低系统的传输性能。
如图3所示，通过对一端站点的两套射频单元进行频率校正，保证两套射频单元在设置的发射和接收频率相同的情况下，两者之间的发射和接收频率没有频偏，这样2X2MIMO系统的四条传输路径具有相同的频率偏移量(频率偏移量是由于两端站点的参考频率不同造成的)，这样四条传输路径可以进行联合频率偏移估计和修正，保证了系统的传输性能。
本发明解决了多个室外远程射频单元(RRH)之间，由于空间分离，无法采用同源的射频本振参考源而造成每个RRH频偏各异的问题；能够保证MIMO系统的多条传输路径的射频频率偏移的一致性，简化了系统接收频率偏移估计和校正实现的复杂性，提高了频率偏移估计和实现的精确性，提升了MIMO系统的传输性能。
Claims (3)
1.多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法，多发多收无线通信系统包括室内设备，与室内设备连接的多个远程射频单元，单个远程射频单元包括变频器和射频参考晶体振荡器，其特征在于：在每个远程射频单元设置数字锁相环，统一以室内设备的时钟信号CLKCPRI为参考源，各数字锁相环计算本远程射频单元射频参考晶体振荡器的输出信号与参考源的频偏量并生成补偿信号，并以此对本远程射频单元的发射信号，或者接收信号的射频频偏进行预校正。
2.如权利要求1所述的多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法，其特征在于：单个远程射频单元发射信号的射频频偏预校正，包括如下步骤：
a．将室内设备的时钟信号CLKCPRI和射频参考晶体振荡器的时钟信号CLKREF输入数字锁相环，得到CLKCPRI信号和CLKREF信号的频偏量 
，则射频频偏为
，数字锁相环依此产生一频率为
的频偏预校正本振信号，其中，
为对应远程射频单元的发射频率设计值与射频参考晶体振荡器标称频率的比值；
b．将频偏预校正本振信号和对应的作为发射信号的基带调制信号输入乘法器，经乘法器处理得到校正后的基带调制信号，校正后的基带调制信号输入变频器，变频过程中，射频频偏
被抵消，也即完成了对远程射频单元发射信号的射频频偏校正。
3.如权利要求1所述的多发多收无线通信系统射频频偏预校正的方法，其特征在于：单个远程射频单元接收信号的射频频偏预校正，包括如下步骤：
a．将室内设备的时钟信号CLKCPRI和射频参考晶体振荡器的时钟信号CLKREF输入数字锁相环，得到CLKCPRI信号和CLKREF信号的频偏量
，则射频频偏为
，数字锁相环依此产生一频率为的频偏预校正本振信号,其中，N为对应远程射频单元的接收频率设计值与射频参考晶体振荡器标称频率的比值；
b．远程射频单元接收到的信号，经变频器处理后，得到带有频偏的基带调制信号，将带有频偏的基带调制信号和频偏预校正本振信号输入乘法器，乘法器处理过程中，射频频偏
被抵消，也即完成了对远程射频单元接收信号的射频频偏校正。
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