CN108650199B - 无线通信接收端iq不平衡和信道联合估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计方法及装置，不仅适用于OFDM，也适用于其他包含循环前缀的多载波技术。本发明基于特殊的导频序列设计，满足在偶数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相同，在奇数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相反，接收端分别在奇偶载波上对频域接收信号及其镜像进行处理，分离IQ不平衡参数和信道，进而得到IQ不平衡参数以及信道响应估计。与现有技术相比，本发明可以得到IQ和信道的独立估计，无需因为信道的变化而进行重复的IQ参数估计，加之其线性运算的本质，从总体上降低了系统的复杂度。除此之外，本发明只需要一个符号，就可以实现IQ和信道的联合估计，降低了系统开销。

Description

无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信接收端IQ不平衡参数和信道联合估计的方法及装置，属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，由于低功耗、低复杂度的要求，零中频接收机在高速无线通信系统中展现出了很大的优势。然而，本地振荡器I路和Q路的幅度和相位失真会严重影响系统性能。为了减轻IQ不平衡的影响，提出了很多IQ不平衡补偿方案。补偿方案大体上分为了盲补偿和基于训练序列两种。目前对IQ不平衡问题的研究还是比较全面的，但是仍然存在一些不足。比如大部分方法都是把IQ不平衡和信道的影响联合在一起估计，因此只要信道变化就要重新进行估计，这会大大增加系统的开销；或者IQ和信道估计方案中往往需要多个训练符号，或是通过多步迭代完成。

考虑到IQ不平衡的影响几乎不随时间变化而信道等干扰随时间变化这一现象，如果能把IQ不平衡和其他干扰的估计和补偿分离开，就可以在估计完一次IQ不平衡以后在很长时间内不用估计，节省开销。如何在训练符号数目减少的情况下，仍然保证良好的估计性能。所以我们需要探索新的效率更高的IQ不平衡与信道联合估计方法。

发明内容

发明目的：基于以上现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计方法及装置，根据特殊的导频设计，可以在接收端简单的将IQ参数和信道分离，减少训练符号的数目，降低系统复杂度和开销。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计方法，包括如下步骤：

(1)接收发送端发送的长度为K的训练序列，并将去循环前缀CP后的接收信号进行傅立叶变换得到频域接收信号；其中K为子载波数，训练序列满足在偶数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相同，在奇数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相反；

(2)根据训练序列的特性，分别在奇偶子载波上对频域接收信号进行处理，通过对频域接收信号镜像后再相加消除IQ不平衡参数的影响，得到信道响应估计

k∈{0，2，4，…}；

(3)结合信道响应估计、频域接收信号和频域训练序列，分别在奇偶子载波上通过最小二乘法计算IQ不平衡参数估计得到两组估计值并求均值后得到最终IQ不平衡参数估计

和

进一步地，步骤(1)中的频域训练序列，结构如下：

X^#(k)＝X(k)k∈{0,2,4,…}

X^#(k)＝-X(k)k∈{1,3,5,…}

其中，X(k)表示第k∈{0,1,…K-1}个子载波上频域训练序列，上标#表示镜像操作。

进一步地，步骤(1)中傅立叶变换后频域接收信号表示为：

R(k)＝μH(k)X(k)+νH^#(k)X^#(k)+W(k)

其中，μ和ν是接收端IQ不平衡参数，R(k)、X(k)、H(k)、W(k)分别表示第k∈{0，1，…K-1}个子载波上的频域接收信号、频域训练序列、信道响应、频域噪声，上标#表示镜像操作。

进一步地，步骤(2)中对频域接收信号在奇偶子载波上进行处理，包括：

(2.1)对偶数子载波上的频域接收信号做如下运算：

其中，R(k)为第k∈{0，2，4，…}个子载波上的频域接收信号，X(k)为第k∈{0，2，4，…}个子载波上的频域训练序列，上标#表示镜像操作；

(2.2)对奇数子载波上的频域接收信号做如下运算：

其中，R(k)为第k∈{1，3，5，…}个子载波上的频域接收信号，X(k)为第k∈{1，3，5，…}个子载波上的频域训练序列；

(2.3)计算信道响应估计

其中，k∈{0，2，4，…}；

(2.4)对

k∈{0，2，4,…}进行插值得到全部子载波上的信道响应估计。

进一步地，步骤(3)中的基于最小二乘法的IQ不平衡参数估计，包括：

(3.1)在偶数子载波上求到IQ参数的一组估计：

其中，下标even表示取偶数子载波上的数据，即

其中k∈{0，2，4，…}；R_even和X_even分别由频域接收信号和频域训练序列中偶数子载波上的数据组成；

(3.2)在奇数子载波上同样求得一组估计：

其中，下标odd表示取奇数子载波上的数据，即

其中k∈{1，3，5，…}；R_odd和X_odd分别由频域接收信号和频域训练序列中奇数子载波上的数据组成；

(3.3)对两组参数求平均得到μ和ν的估计：

本发明另一方面提供的一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计装置，包括：

接收及频域变换模块，用于接收发送端发送的长度为K的训练序列，并将去循环前缀CP后的接收信号进行傅立叶变换得到频域接收信号；其中K为子载波数，训练序列满足在偶数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相同，在奇数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相反；

信道估计模块，用于根据训练序列的特性，分别在奇偶子载波上对频域接收信号进行处理，通过对频域接收信号镜像后再相加消除IQ不平衡参数的影响，得到信道响应估计

k∈{0,2,4,…}；

以及，不平衡参数估计模块，用于结合信道响应估计、频域接收信号和频域训练序列，分别在奇偶子载波上通过最小二乘法计算IQ不平衡参数估计得到两组估计值并求均值后得到最终IQ不平衡参数估计

和

本发明另一方面提供的一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的IQ不平衡和信道联合估计方法。

有益效果：本发明提供的IQ不平衡参数和信道联合估计的方法，可以适用于所有包含循环前缀的多载波技术。接收端根据发送端发送的特殊训练序列对频域接收信号分别在奇偶子载波上进行处理，将信道的影响与IQ参数分离，进而得到信道响应估计；在此基础上，使用最小二乘得到IQ不平衡参数的估计。本发明提供的估计方法能得到独立的信道响应估计和IQ不平衡参数估计，并且训练开销只是一个符号，因此大大降低复杂度和系统开销。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明方法得到的信道响应估计的均方误差(MSE)仿真图。

图3为本发明方法得到的IQ不平衡参数估计的均方误差(MSE)仿真图。

图4为本发明方法的误比特(BER)性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

作为本发明的一种实施例，本发明提供一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计的方法，具体步骤如下：

步骤1：接收发送端发送的训练序列，并将去CP后的接收信号进行傅立叶变换得到频域接收信号；其中发送端发送的是长度为K＝512的特殊训练序列，训练序列的频域满足如下条件：

X^#(k)＝X(k)k∈{0,2,4,…}

X^#(k)＝-X(k)k∈{1,3,5,…}

其中，X(k)表示第k∈{0,1,…K-1}个子载波上频域训练序列，上标#表示镜像操作，定义为：

信道采用瑞利多径信道，接收端的幅度和相位不平衡设定为ε＝1.3,θ＝10deg，相应的IQ不平衡参数可以表示为：

得到接收端去CP后的512点接收信号，经过傅立叶变换得到频域接收信号：

R(k)＝μH(k)X(k)+vH^#(k)X^#(k)+W(k)

其中，R(k)、X(k)、H(k)、W(k)分别表示第k∈{0,1,…K-1}个子载波上的频域接收信号、频域训练序列、信道响应、频域噪声。

步骤2：根据训练序列的特性，分别在奇偶子载波上对频域接收信号进行处理，得到信道响应估计，具体包括以下子步骤：

步骤2.1：对频域接收信号偶数子载波(k∈{0,2,4，…})上的数据进行处理，先进行镜像操作，再相加消除IQ不平衡参数的影响，进而可以得到关于信道和信道镜像的估计：

R(k)＝μH(k)X(k)+λH^#(k)X(k)

R^#(k)＝μ^*H^#(k)X(k)+λ^*H(k)X(k)

步骤2.2：对频域接收信号奇数子载波(k∈{1，3，5，…})上的数据进行处理，先进行镜像操作，再相加消除IQ不平衡参数的影响，进而可以得到关于信道和信道镜像的估计：

R(k)＝μH(k)X(k)-λH^#(k)X(k)

R^#(k)＝λ^*H(k)X(k)-μ^*H^#(k)X(k)

步骤2.3：计算信道响应估计

其中，k∈{0,2,4,…}。Y₁(k)是偶数子载波上的信道响应与其镜像的和，Y₂(k)是奇数子载波上的信道响应与其镜像的差。一般情况下，信道的相干带宽大于载波间隔，所以在连续频带内，信道的频率响应变化很小，呈现出的是一种平滑的特性，即相邻奇偶子载波上的信道响应近似相等，所以对Y₁(k)和Y₂(k)相加，可以消去信道响应的镜像，最终得到信道响应估计。因此得到256点信道响应估计

(2.4)对

k∈{0,2,4,…}再进行线性插值得到512点即全部子载波上的信道响应估计。

步骤3：将信道响应估计代入频域接收信号，通过最小二乘法得到IQ不平衡参数估计

和

具体包括以下子步骤：

步骤3.1：在偶数子载波上(k∈{0,2,4,…})，可以求到IQ参数的一组估计：

下标even表示取偶数子载波上的数据，即

其中k∈{0,2,4,…}；R_even和X_even分别由频域接收信号和频域训练序列中偶数子载波上的数据组成；

步骤3.2：在奇数子载波上(k∈{1,3,5,…})，同样可以求得一组估计：

下标odd表示从中取奇数子载波上的数据，即

其中k∈{1,3,5,…}；R_odd和X_odd分别由频域接收信号和频域训练序列中奇数子载波上的数据组成；

步骤3.3：最终对两组参数求平均得到μ和v的估计：

在得到IQ不平衡参数以及信道响应估计之后，使用估计的IQ不平衡参数对时域信号进行补偿，使用估计的信道响应进行频域单点均衡。

图2以及图3分别是信道以及IQ不平衡参数估计的均方误差仿真曲线。从图中来看，虽然本发明只是用了一个训练符号，但是仍然保持了良好的估计性能。从图4中可以更直观的看出，与没有IQ不平衡且信道已知的理想情况相比，本发明的误码率性能仅仅与其相差1dB。可见本发明不仅能实现对信道和IQ不平衡参数独立的估计，还降低系统复杂度和开销，同时保证了良好的性能。

本发明另一实施例公开的一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计装置，包括：接收及频域变换模块，用于接收发送端发送的长度为K的训练序列，并将去循环前缀CP后的接收信号进行傅立叶变换得到频域接收信号；其中训练序列满足在偶数子载波上的频域训练序列的镜像与训练序列相同，在奇数子载波上的频域训练序列的镜像与训练序列相反；信道估计模块，用于根据训练序列的特性，分别在奇偶子载波上对频域信号进行处理，通过对频域接收信号镜像后再相加消除IQ不平衡参数的影响，得到信道响应估计；以及，不平衡参数估计模块，用于结合信道响应估计、频域接收信号和频域训练序列，分别在奇偶子载波上通过最小二乘法计算IQ不平衡参数估计得到两组估计值并求均值后得到最终IQ不平衡参数估计

和

上述IQ不平衡和信道联合估计装置实施例可以用于执行上述IQ不平衡和信道联合估计方法实施例，其技术原理、所解决的技术问题及产生的技术效果相似，具体细节可以参考前述IQ不平衡和信道联合估计方法实施例，在此不再赘述。

基于同样的发明构思，本发明另一实施例公开的一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述的IQ不平衡和信道联合估计方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)接收发送端发送的长度为K的训练序列，并将去循环前缀CP后的接收信号进行傅立叶变换得到频域接收信号；其中K为子载波数，训练序列满足在偶数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相同，在奇数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相反；

(2)根据训练序列的特性，分别在奇偶子载波上对频域接收信号进行处理，通过对频域接收信号镜像后再相加消除IQ不平衡参数的影响，得到信道响应估计

步骤(2)中对频域接收信号在奇偶载波上进行处理，包括：

(2.1)对偶数子载波上的频域接收信号做如下运算：

其中，R(k)为第k∈{0，2，4，…}个子载波上的频域接收信号，X(k)为第k∈{0，2,4，…}个子载波上的频域训练序列，上标#表示镜像操作；

(2.2)对奇数子载波上的频域接收信号做如下运算：

其中，R(k)为第k∈{1,3,5,…}个子载波上的频域接收信号，X(k)为第k∈{1,3，5,…}个子载波上的频域训练序列；

(2.3)计算信道响应估计

其中，k∈{0，2，4，…}；

(2.4)对

进行插值得到全部子载波上的信道响应估计；

(3)结合信道响应估计、频域接收信号和频域训练序列，分别在奇偶子载波上通过最小二乘法计算IQ不平衡参数估计得到两组估计值并求均值后得到最终IQ不平衡参数估计

和

步骤(3)中的基于最小二乘法的IQ不平衡参数估计，包括：

(3.1)在偶数子载波上求到IQ参数的一组估计：

其中，下标even表示取偶数子载波上的数据，即

其中k∈{0,2,4,…}；R_even和X_even分别由频域接收信号和频域训练序列中偶数子载波上的数据组成；

(3.2)在奇数子载波上同样求得一组估计：

其中，下标odd表示取奇数子载波上的数据，即

其中k∈{1,3,5，…}；R_odd和X_odd分别由频域接收信号和频域训练序列中奇数子载波上的数据组成；

(3.3)对两组参数求平均得到μ和ν的估计：

2.根据权利要求1所述的接收端IQ不平衡和信道联合估计方法，其特征在于，步骤(1)中的频域训练序列，结构如下：

X^#(k)＝X(k) k∈{0,2,4,…}

X^#(k)＝-X(k) k∈{1,3,5,…}

其中，X(k)表示第k∈{0，1，…K-1}个子载波上频域训练序列，上标#表示镜像操作。

3.根据权利要求1所述的接收端IQ不平衡和信道联合估计方法，其特征在于，步骤(1)中傅立叶变换后频域接收信号表示为：

R(k)＝μH(k)X(k)+νH^#(k)X^#(k)+W(k)

其中，μ和ν是接收端IQ不平衡参数，R(k)、X(k)、H(k)、W(k)分别表示第k∈{0,1,…K-1}个子载波上的频域接收信号、频域训练序列、信道响应、频域噪声，上标#表示镜像操作。

4.一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计装置，其特征在于，包括：

接收及频域变换模块，用于接收发送端发送的长度为K的训练序列，并将去循环前缀CP后的接收信号进行傅立叶变换得到频域接收信号；其中K为子载波数，训练序列满足在偶数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相同，在奇数子载波上的频域训练序列的镜像与频域训练序列相反；

信道估计模块，用于根据训练序列的特性，分别在奇偶子载波上对频域接收信号进行处理，通过对频域接收信号镜像后再相加消除IQ不平衡参数的影响，得到信道响应估计

其中对频域接收信号在奇偶子载波上进行处理，包括：

对偶数子载波上的频域接收信号做如下运算：

其中，R(k)为第k∈{0,2,4,…}个子载波上的频域接收信号，X(k)为第k∈{0,2,4,…}个子载波上的频域训练序列，上标#表示镜像操作；

对奇数子载波上的频域接收信号做如下运算：

其中，R(k)为第k∈{1,3，5,…}个子载波上的频域接收信号，X(k)为第k∈{1,3,5,…}个子载波上的频域训练序列；

计算信道响应估计

其中，k∈{0,2,4，…}；

对

进行插值得到全部子载波上的信道响应估计；

以及，不平衡参数估计模块，用于结合信道响应估计、频域接收信号和频域训练序列，分别在奇偶子载波上通过最小二乘法计算IQ不平衡参数估计得到两组估计值并求均值后得到最终IQ不平衡参数估计

和

其中基于最小二乘法的IQ不平衡参数估计，包括：

(3.1)在偶数子载波上求到IQ参数的一组估计：

其中，下标even表示取偶数子载波上的数据，即

其中k∈{0，2,4，…}；R_even和X_even分别由频域接收信号和频域训练序列中偶数子载波上的数据组成；

(3.2)在奇数子载波上同样求得一组估计：

其中，下标odd表示取奇数子载波上的数据，即

其中k∈{1，3，5，…}；R_odd和X_odd分别由频域接收信号和频域训练序列中奇数子载波上的数据组成；

(3.3)对两组参数求平均得到μ和v的估计：

5.一种无线通信接收端IQ不平衡和信道联合估计装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-3任一项所述的IQ不平衡和信道联合估计方法。

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