CN105846988B - 一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法 - Google Patents

一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，包括接收方向和发送方向的处理；接收方向，系统在接收无线数据信号的同时发送无线参考信号；所有天线及收发单元在接收无线数据信号的同时，接收该无线参考信号；根据无线参考信号获取各收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对接收到的无线数据信号的时偏和频偏进行校正；发送方向：系统在发射无线数据信号的同时，发送无线参考信号；所有天线及收发单元在发送无线数据信号的同时，接收该无线参考信号；根据无线参考信号获取各收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对发送的无线数据信号进行时偏补偿和频偏补偿；解决现有系统中采用大量电缆进行时钟和频率同步处理，影响到系统稳定工作的问题。

Description

一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法。
背景技术
为了满足不断提高的用户数据速率要求，无线通信系统将采用越来越多的天线进行信号的接收和发送，以提高系统容量和增强信号覆盖。多天线无线通信系统中每个天线连接一个收发机，这些收发机之间需要保持时钟和频率同步。
现有解决收发机之间的时钟和频率同步的方案是：通信系统通过电缆将参考频率和时间信号送到每个收发机，以保证所有收发机使用相同的参考频率和时间信号；该方法的缺点在于：通信系统中需要大量的电缆用于传输参考频率和时间信号，大量的电缆不仅是系统的累赘，而且是影响系统稳定工作的不可靠因素；尤其在天线数量越来越多和设备越来越小型化的情况下，减少电缆数量成为一个迫切的需求。
另外一种方法是采用卫星信号进行同步，比如GPS或北斗系统信号。该方法的缺陷在于：卫星信号接收和同步模块的成本较高，且需要单独的天线用于卫星信号的接收，给系统设计带来了成本问题和其它设计困难，例如需要在每个收发模块上增加一个卫星模块，而且卫星模块需要工作在室外才能接收信号，造成成本增加且使用不便。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，其目的在于利用参考信号在收发单元进行时钟和频率同步处理，以减少现有通信系统中用于传输参考频率和时间信号所需要的电缆数量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，基于多天线无线通信系统，该系统包括：
集中处理模块，用于集中处理来自多个收发模块的信号，从中提取用户发送的信息；采用FPGA、DSP、ASIC、CPU实现；
多个收发模块，用于对无线信号进行相变频和滤波，并进行数模转换或模数转换，将转换的数据进行数字信号处理后发送到集中处理模块；收发模块包含射频单元、中频单元、滤波器、模数转换单元和数模转换单元；多根收发天线，用于发送和接收无线信号；以及无线参考信号发射模块，用于发送无线参考信号；
每个收发模块包含至少一个收发单元；每个收发单元连接一根收发天线；每个收发模块具有独立的频率和时钟源；一个收发模块上的多个收发单元是同步的，但各收发模块之间没有同步锁定关系。
本发明提供的多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，包括接收方向和发送方向的处理；具体如下：
其中，接收方向的处理包括如下步骤：
(a1)系统在接收无线数据信号的同时发送无线参考信号；所有天线及收发单元在接收无线数据信号的同时，接收所述无线参考信号；
(a2)根据无线参考信号获取各收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对接收到的无线数据信号的时偏和频偏进行校正；
所述发送方向的处理包括如下步骤：
(b1)系统在发射无线数据信号的同时，发送无线参考信号；所有天线及收发单元在发送无线数据信号的同时，接收所述无线参考信号；
(b2)根据无线参考信号获取各收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对发送的无线数据信号进行时偏补偿和频偏补偿。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，采用周期性窄带信号作为无线参考信号，所述周期性窄带信号的每个信号周期包含相同的参考信号序列；
所述参考信号序列采用自相关良好的序列，包括m序列或恒包络零自相关序列。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，采用不同频率的多个周期性窄带信号作为无线参考信号，各频率的每个信号周期包含相同的参考信号序列。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，获取收发单元与参考信号之间时偏的方法，包括如下步骤：
(i)对接收到的信号进行采样和滤波，获取参考信号的接收序列{r0，r1，r2…，ri…rn}；
其中，ri是指参考信号对应的接收信号经过采样和滤波后的第i个采样点；参考信号序列为{s0，s1…，si…sn}；
(ii)获取时间延迟为k时的相关值
其中，L是指相关计算长度，L不大于参考信号序列周期；n是指采样点序号，rk+Kn是指参考信号对应的接收信号经过采样和滤波后的第(k+Kn)个采样点，是指参考信号第n个采样点的共轭；K是指参考信号的接收序列的采样率是参考信号符号速率的K倍；
(iii)获取所述相关值ck的峰值对应的时间延迟，将所述时间延迟作为收发单元与参考信号之间的估计时偏；
(iv)对所有收发单元的估计时偏取平均，获得收发单元与参考信号之间的时偏。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，其获取收发单元与参考信号之间频偏的方法，包括如下步骤：
(I)获取所述相关值ck的峰值的相位，将所述相位作为估计相位差θ；
(II)在两个时间点进行两次相位差估计，根据两次相位差估计获得的相位差，获取估计频偏为Δθ/(2πΔt)；
其中，Δθ为两次相位差估计得到相位差的差值，Δθ＝θa-θb；θa是第一次相位估计获得的相位差，θb是第二次相位估计获得的相位差；Δt为两次相位差估计之间的时间差；
(III)对所有收发单元在多个时间点获得的估计频偏取平均，获得收发单元与参考信号之间的频偏。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，收发单元与参考信号之间时偏校正的方法如下：
对接收到的信号延迟(τMax-τi)时长，由此将所有的收发单元的接收信号在时间上对齐；其中，τMax是指收发单元与参考信号之间的最大时偏，τMax＝max{τi}(i＝1,2,...,n)；τi是指第i个收发单元与参考信号之间的时偏。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，频偏校正的方法为，将待校正信号乘上exp(-j2πΔin)，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δi是第i个收发单元与参考信号之间的频偏；j是虚单位；其中，待校正信号是指收发单元接收到的或拟发送的信号。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，频偏校正的方法为，将待校正信号乘上exp[-j2πΔi(fS/fR)n]，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δi是第i个收发单元与参考信号之间的频偏，fR是参考信号频率，fS是待校正信号频率。
优选地，上述多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，频偏校正方法为，将待校正信号乘上exp(j2πnΔ)，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δ＝Δi1+(Δi2-Δi1)(fS-fR1)/(fR2-fR1)；Δi1是第i个收发单元的待校正信号与参考信号1之间的频偏，Δi2是第i个收发单元的待校正信号与参考信号2之间的频偏，fS是待校正信号频率，fR1是参考信号1的频率，fR2是参考信号2的频率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，由于利用无线信号代替通信系统中集中处理模块和收发模块之间大量的连接线，因此具有减少通信系统大量连接电缆的有益效果；
(2)本发明提供的多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，由于采用无线参考模块发送参考信号，因此解决了采用卫星信号进行同步带来的成本较高和设计困难的有益效果；
(3)本发明提供的多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，由于简化了通信系统，减少了系统中的连接线，因此具有使多天线无线通信系统的时钟和频率同步更加简易可行的有益效果。
附图说明
图1是实施例中多天线无线通信系统架构示意图；
图2是实施例中收发模块结构示意图；
图3是实施例中信号接收方向的同步处理流程图；
图4是实施例中信号发送方向的同步方处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例中的多天线无线通信系统的系统架构如图1示意的，包括32个收发模块；每个模块包括8根天线；实施例中的多天线无线通信系统的收发模块的结构如图2所示意的，模块内的收发单元与天线一一对应。
本发明实施例提供的多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，包括接收方向和发送方向的处理；
其中，接收方向的处理流程如图3所示，包括如下步骤：
(a1)系统在接收无线数据信号的同时发送无线参考信号；所有天线及收发单元在接收无线数据信号的同时，接收所述无线参考信号；
(a2)根据无线参考信号获取各收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对接收到的无线数据信号的时偏和频偏进行校正；
其中，发送方向的处理流程如图4所示，包括如下步骤：
(b1)系统在发射无线数据信号的同时，发送无线参考信号；所有天线及收发单元在发送无线数据信号的同时，接收所述无线参考信号；
(b2)根据无线参考信号获取各收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对发送的无线数据信号进行时偏补偿和频偏补偿。
实施例中，采用的无线参考信号速率为5.12K符号/秒，周期为100ms，每个周期是512个符号，符号序列采用Zadoff-Chu序列，参考信号序列是{s0,s1,s3,…}。
实施例中，获取收发单元与参考信号之间时偏的方法，包括如下步骤：
(i)对收发单元收到的信号进行K＝16倍采样和滤波，获得参考信号的接收序列{r0,r1,r2,…}；
(ii)获取时间延迟为k时的相关值
(iii)获取所述相关值ck峰值对应的时间延迟，将该时间延迟作为收发单元与参考信号之间的估计时偏；
(iv)对所有收发单元的估计时偏取平均，获得收发单元与参考信号之间的时偏。
对收发单元进行时偏校正，具体如下：
对接收到的信号延迟(τMax-τi)时长，由此将所有的收发单元的接收信号在时间上对齐；其中，τMax是指收发单元与参考信号之间的最大时偏，τMax＝max{τi}(i＝1,2,...,n)；τi是指第i个收发单元与参考信号之间的时偏。
实施例中，获取收发单元与参考信号之间频偏的方法，包括如下步骤：
(I)获取所述相关值ck的峰值的相位，将所述相位作为估计相位差θ；
(II)在两个不同时间进行两次相位差估计，根据所述估计相位差获取估计频偏为Δθ/(2πΔt)；
其中，Δθ为两次相位差估计之间的相位差的差值，Δθ＝θa-θb，θa是第一次相位估计获得的相位差，θb是第二次相位估计获得的相位差；Δt为两次相位差估计之间的时间差；
(III)对收发模块上的多个收发单元在多个时间段获得的估计频偏取平均，获得收发单元与参考信号之间的频偏。
实施例提供的频偏校正的方法为，将待校正信号乘上exp(-j2πΔin)，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δi是第i个收发单元与参考信号之间的频偏；j是虚单位；其中，待校正信号是指收发单元接收到的或拟发送的信号。
还可以采用exp[-j2πΔi(fS/fR)n]进行频偏校正，将待校正信号乘上exp[-j2πΔi(fS/fR)n]，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δi是第i个收发单元与参考信号之间的频偏，fR是参考信号频率，fS是待校正信号频率。
还可以采用两个频率分别为fR1和fR2的参考信号对待校正信号进行频偏校正，将待校正信号乘上exp(j2πnΔ)，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δ＝Δi1+(Δi2-Δi1)(fS-fR1)/(fR2-fR1)；Δi1是第i个收发单元的待校正信号与参考信号1之间的频偏，Δi2是第i个收发单元的待校正信号与参考信号2之间的频偏，fS是待校正信号频率，fR1是参考信号1的频率，fR2是参考信号2的频率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多天线无线通信系统的时钟和频率同步方法，包括接收方向和发送方向的处理；其特征在于，
所述接收方向的处理包括如下步骤：
(a1)所述系统在接收数据信号的同时发送参考信号；所有天线及收发单元在接收数据信号的同时，接收所述参考信号；
(a2)根据所述无线参考信号获取收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对接收到的数据信号的时偏和频偏进行校正；
所述发送方向的处理包括如下步骤：
(b1)所述系统在发送数据信号的同时发送参考信号；所有天线及收发单元在发送数据信号的同时，接收所述参考信号；
(b2)根据所述参考信号获取收发单元与参考信号之间的时偏和频偏，并对发送的数据信号进行时偏补偿和频偏补偿；
获取收发单元与参考信号之间的时偏的方法，包括如下步骤：
(i)对接收到的信号进行采样和滤波，获取参考信号的接收序列{r0，r1，r2…，ri…rn}；
其中，ri是指参考信号的接收信号经过采样和滤波后的第i个采样点；参考信号序列为{s0，s1…，si…sn}；
(ii)获取时间延迟为k时的相关值
其中，L是指相关计算长度，L不大于参考信号序列周期；n是指采样点序号，rk+Kn是指参考信号对应的接收信号经过采样和滤波后的第(k+Kn)个采样点，是指参考信号第n个采样点的共轭，K是指参考信号的接收序列的采样率是参考信号符号速率的K倍；
(iii)获取所述相关值ck的峰值对应的时间延迟，将所述时间延迟作为收发单元与参考信号之间的估计时偏；
(iv)对所有收发单元的估计时偏取平均，获得收发单元与参考信号之间的时偏；
获取收发单元与参考信号之间频偏的方法，包括如下步骤：
(I)获取所述相关值ck的峰值的相位，将所述相位作为估计相位差θ；
(II)在两个时间点进行两次相位差估计，根据两次相位差估计获得的相位差，获取估计频偏为Δθ/(2πΔt)；
其中，Δθ为两次相位差估计得到相位差的差值，Δθ＝θa-θb；θa是第一次相位估计获得的相位差，θb是第二次相位估计获得的相位差；Δt为两次相位差估计之间的时间差；
(III)对所有收发单元在多个时间点获得的估计频偏取平均，获得收发单元与参考信号之间的频偏。
2.如权利要求1所述的时钟和频率同步方法，其特征在于，采用周期性窄带信号作为参考信号，所述周期性窄带信号的每个信号周期包含相同的参考信号序列；
所述参考信号序列采用m序列或恒包络零自相关序列。
3.如权利要求1所述的时钟和频率同步方法，其特征在于，采用不同频率的多个周期性窄带信号作为参考信号，各频率的每个信号周期包含相同的参考信号序列。
4.如权利要求1所述的时钟和频率同步方法，其特征在于，所述时偏校正的方法如下：
对接收到的信号延迟(τMax-τi)时长，获得校正后的信号；由此将所有的收发单元的接收信号在时间上对齐；
其中，τMax是指收发单元与参考信号之间的最大时偏，τMax＝
max{τi}(i＝1,2,...,n)；τi是指第i个收发单元与参考信号之间的时偏。
5.如权利要求1所述的时钟和频率同步方法，其特征在于，所述频偏校正的方法为，将待校正信号乘上exp(-j2πΔin)，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δi是第i个收发单元与参考信号之间的频偏；j是虚单位；其中，待校正信号是指收发单元接收到的或拟发送的信号。
6.如权利要求1所述的时钟和频率同步方法，其特征在于，所述频偏校正的方法为，将待校正信号乘上exp[-j2πΔi(fS/fR)n]，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δi是第i个收发单元与参考信号之间的频偏，fR是参考信号频率，fS是待校正信号频率。
7.如权利要求1所述的时钟和频率同步方法，其特征在于，所述频偏校正方法为，将待校正信号乘上exp(j2πnΔ)，获得校正信号；
其中，n是指采样点序号，Δ＝Δi1+(Δi2-Δi1)(fS-fR1)/(fR2-fR1)；Δi1是第i个收发单元的待校正信号与参考信号1之间的频偏，Δi2是第i个收发单元的待校正信号与参考信号2之间的频偏，fS是待校正信号频率，fR1是参考信号1的频率，fR2是参考信号2的频率。
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