CN104506259A - 宽带多天线通信系统接收通道间的时延差估计及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带多天线通信系统接收通道问的时延差估计及校正方法：通过检测校准信号估计出接收通道问的时延差，设计延迟模块补偿整数采样周期的时延差，并利用FIR滤波器补偿不足一个采样周期的时延差，最终实现各通道时延对齐；FIR滤波器的阶数较低，占用资源少，设计复杂度低；本发明能够有效地实现针对宽带信号的阵列通道校正。

Description

宽带多天线通信系统接收通道间的时延差估计及校正方法

【技术领域】

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种宽带多天线通信系统接收通道间的时延差估计及校正方法。

【背景技术】

在多天线通信系统中，数字波束形成技术能够实现特定方向上信号的增强，从而提高通信的有效性和可靠性。与模拟波束形成技术相比，其具有极高的灵活性，表现为容易调整波束方向，能够同时形成多个不同指向的波束等。与数字波束形成技术密切相关的波达方向(DOA)估计技术，则能够实现超高分辨率的测向，尤其在军用通信系统中具有重要的作用。在实际系统中应用这些数字信号处理技术时有一个重要的前提，就是需要保证各通道时间上的一致性。然而实际上通道之间总存在差异，通道校正的目的就是通过各种补偿手段使得处理信号时可以认为所有通道的传输特性是一致的。当通道之间差异较大却不进行校正或校正效果不够好时，系统性能将受到显著影响。

由于各通道电子元器件性能不一致、滤波器的群时延不一致等原因，各通道之间总会存在不一致性。在窄带信号处理的场合，这种不一致性可等效为通道间的幅度和相位误差，每个通道使用一个复系数乘法器即可校正。随着信号带宽的增加，系统中的模拟器件都工作在宽带条件下，与频率有关幅度和相位不一致性在所难免。此时仅凭一个复系数乘法器无法实现通道校正。

通过一系列模拟校正手段，能够使通道在带宽范围内具有相对稳定的群时延特性，但却不能保证各通道的群时延一致，也就是说此时各通道与频率有关的相位不一致性表现为时延的不一致。这样的通道时延差，可以通过较低阶的FIR滤波器实现校正。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种宽带多天线通信系统接收通道间的时延差估计及校正方法，通过对校准信号的接收和检测，估计出各通道之间的时延差，再设计校正时延的FIR滤波器。在数字基带处理中加入该FIR滤波器，即可实现各通道时延对齐，进而完成针对宽带信号的接收通道校正，为宽带多天线通信系统的性能提供保障。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种宽带多天线通信系统接收通道间的时延差的估计方法，所述宽带多天线通信系统为包含N个接收通道的多天线接收机，其中各接收通道之间存在传输时延差，已知任意两个通道之间传输时延差的绝对值不超过Δτ_max＞0，多天线接收机配有校准信号源，包括如下步骤：

a)令校准信号源输出频率为ω_c+ω_a的单频信号，其中ω_c代表载频，ω_a为基带信号带宽以内的频点，该单频信号经过功分器后进入N个接收通道；

b)各接收通道数字基带部分同时过采样得到N×M维信号矩阵X，M为采样点数；

c)计算信号自相关矩阵R＝XX^H，该相关矩阵的最大特征值对应的特征向量 ${\hat{E}}_a={\left[\begin{array}{cccc}{\hat{B}}_1{e}^{j{\mathrm{\β}}_{1,a}}& {\hat{B}}_2{e}^{j{\mathrm{\β}}_{2,a}}& ...& {\hat{B}}_N{e}^{j{\mathrm{\β}}_{N,a}}\end{array}\right]}^T,$ 任选第i通道作为时延比较基准通道，计算Δ_n，a＝β_i，a-β_n，a，其中β_i，a和β_n，a分别为特征向量第i和第n个分量的相位，n＝1，2，3，...，N；

d)令校准信号源输出频率为ω_c+ω_b的单频信号，ω_b为基带信号带宽以内的频点，满足ω_b≠ω_a及|(ω_a-ω_b)Δτ_max|＜π，重复步骤a)至c)获得Δ_n，b，则第n通道相对于第i通道时延差的估计值为：

$\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_n={({\mathrm{\Δ}}_{n,a}-{\mathrm{\Δ}}_{n,b})}_{2\mathrm{\π}}/({\mathrm{\ω}}_a-{\mathrm{\ω}}_b),n=\mathrm{1,2,3},...,N$

其中下标2π代表以下运算： ${\left(x\right)}_{2\mathrm{\π}}=x-\left[\frac{x}{2\mathrm{\π}}\right]\×2\mathrm{\π},$ 其中表示与最接近的整数，且-π≤(x)_2π＜π。

一种宽带多天线通信系统接收通道时延差的校正方法，所述宽带多天线通信系统为包含N个接收通道且各通道之间存在传输时延差的多天线接收机，已知各接收通道相对于某基准通道的时延差n＝1，2，3，...，N；所述校正方法包括如下步骤：

a)将最大的记为基带信号过采样周期记为T₀，计算各通道待补偿时延 ${\mathrm{\δ}}_n=(\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_0-\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_n)/T_0\≥0;$

b)计算δ_n的整数部分及小数部分a_n＝δ_n-A_n，其中为不大于δ_n的最大整数；

c)对于A_n，采用能够产生A_n个采样周期延迟的模块进行校正；

d)对于a_n，采用L阶FIR滤波器进行校正，滤波器系数记为h＝[h₀ h₁ … h_L-1]^T，其计算方式为h＝(WW^H)^-1WD，其中

$D={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_1{a}_n}& e^{-j{\mathrm{\ω}}_2{a}_n}& ...& e^{-j{\mathrm{\ω}}_K{a}_n}\end{array}\right]}^T,$ ω_k(k＝1，2，...，K)代表信号频带内K个均匀分布的频点；L≥2，K≥L。

优选的，所述能够产生A_n个采样周期延迟的模块为长度为A_n的移位寄存器。

优选的，采样点数M＝50，FIR滤波器参数为L＝4，K＝10。

优选的，各接收通道相对于某基准通道的时延差采用宽带多天线通信系统接收通道间的时延差的估计方法获得。

与现有的通道校正方法相比，本发明的有益效果是：

1、时延差的估计部分对系统校准信号源的要求较低，频点的选择在约束条件下可灵活变化，仅需校准信号源提供不同的单频信号即可。

2、时延差的估算，仅需计算两次矩阵乘法和阶数较低的实对称矩阵的最大特征向量，运算复杂度低，易于实现。

3、能够解决针对宽带信号的多天线系统通道校正问题。由于使用了FIR滤波器，能够产生期望的频率响应，这是仅使用一个复系数乘法器无法做到的。

4、在模拟滤波器校正的基础上，本发明仅需在信号带宽内形成线性相移特性，使用低阶的滤波器就能达到很好的效果。

5、使用低阶滤波器即可完成校正，存储单元占用少，所需乘法器和加法器也较少。由于滤波器的阶数低，设计该滤波器的运算量也小。计算滤波器系数时需要求逆的矩阵是固定的，可以预先计算好，矩阵求逆并不会引入额外的运算量。

【附图说明】

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明。

图1是本发明涉及的宽带多天线通信系统接收部分示意图。

图2是本发明涉及的接收通道结构示意图。

图3是本发明所得校正滤波器的幅频特性曲线。

图4是本发明所得校正滤波器的相频特性曲线。

图5和图6是本发明对接收通道校正效果的仿真结果。

【具体实施方式】

本发明涉及的多天线接收机如图1所示，共包含N个接收通道，各接收通道结构如图2所示。受模拟信号处理部分的影响，各通道存在不一致性，表现为传输时延不一致以及与频率无关的幅度相位不一致。接收机配有校准信号源，可产生指定频率的单频校准信号，该信号通过功分器及耦合器同时输入各接收通道。各接收通道数字处理部分中的校正模块完成对校准信号的检测和对时延差的校正。

本发明一种宽带多天线通信系统接收通道间的时延差的估计方法，包括以下步骤：

首先对通道时延差进行测量和估计。令校准信号源输出频率为ω_c+ω_a的单频信号，其中ω_c代表载频，ω_a为基带信号带宽以内的频点。将各通道实际的传输时延和幅度及相位增益分别记为τ_n和n＝1，2，3，...，N，则校正模块检测到的信号可表示为以采样频率ω_s对此信号进行采样可得m＝0，1，...，M-1，M为采样点数。N×M维信号矩阵X_a可表示为

其中 $x_a=\left[\begin{array}{ccc}{e}^{j2\mathrm{\π}0{\mathrm{\ω}}_a/{\mathrm{\ω}}_s}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(M-1){\mathrm{\ω}}_a/{\mathrm{\ω}}_s}\end{array}\right].$ 考虑到噪声存在，X_a的自相关矩阵为

$R_a=\frac{1}{M}{X}_a{X}_a^H=\frac{1}{M}(E_a{x}_a+n){(E_a{x}_a+n)}^H\≈E_a{E}_a^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I$

其中：上标H表示共轭转置；n是自相关矩阵为σ²I的高斯白噪声矢量，I是N维单位矩阵。计算R_a最大特征值对应的特征向量 ${\hat{E}}_a={\left[\begin{array}{cccc}{\hat{B}}_1{e}^{j{\mathrm{\β}}_{1,a}}& {\hat{B}}_2{e}^{j{\mathrm{\β}}_{2,a}}& ...& {\hat{B}}_N{e}^{j{\mathrm{\β}}_{N,a}}\end{array}\right]}^T,$ 上标T表示转置，则其中e^jγ代表特征分解引入的相位模糊。任意选取第i通道作为时延比较的基准通道，有近似关系式：

其中β_i，a和β_n，a分别为特征向量第i和第n个分量的相位，n＝1，2，3，...，N，Δτ_n＝τ_n-τ_i是第n通道相对于第i通道的时延差。再令校准信号源输出频率为ω_c+ω_b的单频信号，重复以上步骤获得Δ_n，b；ω_b同样为基带信号带宽以内的频点，满足ω_b≠ω_a及|(ω_a-ω_b)Δτ_max|＜π。此时有近似关系式：

$\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_n={({\mathrm{\Δ}}_{n,a}-{\mathrm{\Δ}}_{n,b})}_{2\mathrm{\π}}/({\mathrm{\ω}}_a-{\mathrm{\ω}}_b)\≈\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_n,n=\mathrm{1,2,3},...,N,$

下标2π代表以下运算： ${\left(x\right)}_{2\mathrm{\π}}=x-\left[\frac{x}{2\mathrm{\π}}\right]\×2\mathrm{\π},$ 其中表示与最接近的整数，且-π≤(x)_2π＜π。考虑到相位的周期性，当|(ω_a-ω_b)Δτ_n|＜π成立时，便可得到Δτ_n的正确估计。

通过上述方法估测出通道间的时延差，便可设计FIR滤波器进行校正。本发明一种宽带多天线通信系统接收通道时延差的校正方法，包括以下步骤：首先，由已测得的各通道相对于第i通道的时延差可以找到所有通道中时延最大的通道，假设具有最大时延的通道为第j通道，即其次，结合基带信号过采样的周期T₀，可以算出(按照采样间隔归一化的)各通道与时延最大的第j通道的时延差然后，每个通道再额外补偿δ_n个采样周期的时延，便可使各通道时延一致，均与第j通道相同，从而完成通道时延差校正。特别的，第j通道作为时延最大的通道，有δ_j＝0，对其无需补偿。

将δ_n的整数部分和小数部分分别记为A_n和a_n，即a_n＝δ_n-A_n，其中表示不大于δ_n的最大整数。对于A_n，只要按照采样时钟周期产生延迟即可完成补偿，如使用长度为A_n的移位寄存器。对于a_n，拟设计L阶(L≥2)FIR滤波器产生不足一个采样周期的延迟。产生τ时延的模拟滤波器其冲激响应可表示为h(t)＝δ(t-τ)，相应频响可表示为H(jω)＝e^-jωτ。借鉴频率采样法，从频域特性出发设计滤波器系数。将FIR滤波器系数记为h＝[h₀ h₁ … h_L-1]^T，对应频响记为H(e^jω)，则期望其满足的频域特性可表示为1≤k≤K，其中ω_k代表信号带宽内均匀分布的K个频点。上述期望频域特性可表示为线性方程组W^Hh＝D，其中

$D={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_1{a}_n}& e^{-j{\mathrm{\ω}}_2{a}_n}& ...& e^{-j{\mathrm{\ω}}_K{a}_n}\end{array}\right]}^T.$ 令

K≥L，上述方程过定，其最小二乘解为h＝(WW^H)^-1WD，这就是本发明设计出的校正滤波器系数。实际中，L和K都不需要取得很大。例如，当L＝4，K＝10，过采样频率约为基带信号带宽的3倍，待补偿的时延为0.3个采样周期时，根据上述方法的到的滤波器实际幅频响应和相频响应如图3、4所示，可以看出在信号带宽范围内实际频响与期望频响的差别很小。

设计完成后，根据所得结果配置对应通道的校正模块(见图2)并激活校正滤波器，这样就完成了通道时延差的校正。校正的效果可通过仿真实验验证。

首先我们仿真理想无通道误差条件下单天线用户发射、2天线基站接收符号的错误率随信噪比变化的曲线，其中基站端使用波束形成技术；其次随机给出接收基站两个通道的时延，并分别考察不做校正和采用本发明的方法进行估计、校正后的性能曲线。校正的参数设置为：检测校准信号的信噪比为30dB，采样点数M＝50，FIR滤波器参数为L＝4，K＝10。检测及校正时的采样频率为基带信号符号速率的6倍。所得结果如下图5和6所示。图5是通道时延差为0.75倍采样周期，从该图可以看出，在通道时延差较小，基站端使用波束成形技术后，做校正相对不做校正的性能无明显改善，两者相对于无时延差情况下的性能略有下降。图6是通道时延差为1.5倍采样周期，从该图可以看出，做校正相对不做校正的性能明显提升，可见本发明对接收机性能的改善有显著效果。

Claims (5)

1.一种宽带多天线通信系统接收通道间的时延差的估计方法，所述宽带多天线通信系统为包含N个接收通道的多天线接收机，其中各接收通道之间存在传输时延差，已知任意两个通道之间传输时延差的绝对值不超过Δτ_max＞0，多天线接收机配有校准信号源，其特征在于，包括如下步骤：

a)令校准信号源输出频率为ω_c+ω_a的单频信号，其中ω_c代表载频，ω_a为基带信号带宽以内的频点，该单频信号经过功分器后进入N个接收通道；

b)各接收通道数字基带部分同时过采样得到N×M维信号矩阵X，M为采样点数；

c)计算信号自相关矩阵R＝XX^H最大特征值对应的特征向量 ${\hat{E}}_a={\left[\begin{array}{cccc}{\hat{B}}_1{e}^{{\mathrm{j\β}}_{1,a}}& {\hat{B}}_2{e}^{{\mathrm{j\β}}_{2,a}}& ...& {\hat{B}}_N{e}^{{\mathrm{j\β}}_{N,a}}\end{array}\right]}^T,$ 任选第i通道作为时延比较基准通道，计算Δ_n，a＝β_i，a-β_n，a，其中β_i，a和β_n，a分别为特征向量第i和第n个分量的相位，n＝1，2，3，…，N；

d)令校准信号源输出频率为ω_c+ω_b的单频信号，ω_b为基带信号带宽以内的频点，满足ω_b≠ω_a及|(ω_a-ω_b)Δτ_max|＜π，重复步骤a)至c)获得Δ_n，b，则第n通道相对于第i通道时延差的估计值为：

$\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_n={({\mathrm{\Δ}}_{n,a}-{\mathrm{\Δ}}_{n,b})}_{2\mathrm{\π}}/({\mathrm{\ω}}_a-{\mathrm{\ω}}_b),n=\mathrm{1,2,3},...,N$

下标2π代表以下运算： ${\left(x\right)}_{2\mathrm{\π}}=x-\left[\frac{x}{2\mathrm{\π}}\right]\×2\mathrm{\π},$ 其中表示与最接近的整数，且-π≤(x)_2π＜π。

2.一种宽带多天线通信系统接收通道时延差的校正方法，其特征在于，所述宽带多天线通信系统为包含N个接收通道且各通道之间存在传输时延差的多天线接收机，已知各接收通道相对于某基准通道的时延差n＝1，2，3，…，N；所述校正方法包括如下步骤：

a)将最大的记为基带信号过采样周期记为T₀，计算各通道待补偿时延 ${\mathrm{\δ}}_n=(\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_0-\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_n)/T_0\≥0;$

b)计算δ_n的整数部分及小数部分a_n＝δ_n-A_n，其中为不大于δ_n的最大整数；

c)对于A_n，采用能够产生A_n个采样周期延迟的移位寄存模块进行校正；

d)对于a_n，采用L阶FIR滤波器进行校正，滤波器系数记为h＝[h₀ h₁ … h_L-1]^T，其计算方式为h＝(WW^H)^-1WD，其中

$D={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-{\mathrm{j\ω}}_1{a}_n}& e^{-{\mathrm{j\ω}}_2{a}_n}& ...& e^{-{\mathrm{j\ω}}_K{a}_n}\end{array}\right]}^T,$ ω_k(k＝1，2，…，K)代表信号频带内K个均匀分布的频点；L≥2，K≥L。

3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，所述能够产生A_n个采样周期延迟的模块为长度为A_n的移位寄存器。

4.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，采样点数M＝50，FIR滤波器参数为L＝4，K＝10。

5.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，各接收通道相对于某基准通道的时延差采用权利要求1所述一种宽带多天线通信系统接收通道间的时延差的估计方法获得。