CN113783814B - Mimo高速接收机频偏估计及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，补偿精度高，实现难度低，估计精度高、计算量少。本发明通过下述技术方案予以实现：接收端接收到频偏纠正前输入信号，通过帧起始检测模块计算本地存储的已知帧头信息与频偏纠正前输入信号的互相关，通过搜索相关值的最高峰，得到数据帧的起始位置M；根据起始位置M取出两段背靠背帧头导频序列，计算两段背靠背帧头的复数互相关，根据计算出的复数互相关，求其相关后数据的平均角度，并计算得到两段帧头信号的相位偏差，然后利用相位偏差计算出载波频偏；将正确估计出的载波频偏与延迟后的数据送入频差补偿模块进行频差补偿，获得频偏纠正同步数据输出信号。

Description

MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中，利用数据帧头信息进行频偏估计及补偿的方法。

技术背景

随着科学技术的发展，人们对移动通信服务的需求越来越高。如何在日趋复杂的电磁环境下实现高速地无线数据传输并降低对系统频率资源的占用是无限通信领域的研究热点之一。MIMO技术利用信号的空间和时间分集性，充分发挥信号在传输过程中可能出现的多径传播作用和多天线对的空间复用，实现了多输入多输出MIMO系统信道的多径增益，在没有明显增加系统带宽和天线发射功率的条件下，成倍地提升了系统的信道容量和频谱利用率，提高的倍数和系统收、发天线的数目成正比。

在数字通信系统中,载波同步是一个非常重要的问题。通信系统能否有效可靠地工作,很大程度上依赖于同步技术的优劣。也就是说,同步技术的好坏将直接影响通信质量的好坏,它是通信系统的一项关键技术。在无线通信系统中,接收机一般由振荡器产生本地载波,并用这个载波和接收信号相乘实现下变频。但由于多普勒频移和振荡器精度等因素,使得接收信号的载波和本地载波并不完全同步,存在频率偏移简称频偏，而解调出的星座图相位会随着时间对频偏进行累积，导致相位旋转，即解调后的基带信号不再是标准的星座图，频偏较小时，星座图偏离标准的位置，频偏较大的星座图为一个圆。在相关接收机的判决中，星座图的旋转对于接收机的误码率的影响较大，会严重影响接收机的性能，因此准确地估计出频偏并对其进行纠正，使得星座图恢复到标准位置是实现正确解调的重要前提。

频偏估计与补偿即通过算法估计出发送端与接收端的载波频率偏移，通过对接收端的信号进行频率补偿完成载波同步的过程。载波同步的恢复方式分为两种，一种是基于反馈的锁相环方式的补偿方式，由于反馈系统的稳定需要一个调整过程,在系统调整过程期间锁定的误差较大,这种工作原理限制了锁相环方式的同步速度,锁相环一旦锁定,则锁定误差较小,所以这种方式适合于连续解调方式。另一种是基于前馈的补偿方式这种方式的同步速度很快,但锁定的精度不如锁相环,比较适合于突发解调方式或不能通过锁相环进行同步的通信系统。

频偏估计与补偿通常是通过算法估计出发送端与接收端的载波频率偏移，通过对接收端的信号进行频率补偿完成载波同步的过程。载波同步的恢复方式分为两种，一种是基于反馈的锁相环方式的补偿方式，由于反馈系统的稳定需要一个调整过程,在系统调整过程期间锁定的误差较大,这种工作原理限制了锁相环方式的同步速度,锁相环一旦锁定,则锁定误差较小,所以这种方式适合于连续解调方式。另一种是基于前馈的补偿方式这种方式的同步速度很快,但锁定的精度不如锁相环,比较适合于突发解调方式或不能通过锁相环进行同步的通信系统。

对于MIMO通信系统，由于收端信号是发端多路信号的加权，传统的基于反馈锁相环的频差补偿方式无法工作。因此，本发明采用基于前馈补偿的频差补偿方式，首先通过帧起始检测模块检测出数据帧的准确起始位置，再取出两段背靠背帧头导频训练序列进行互相关，相关后的数据进行求其平均角度，得到2段帧头信号的相位偏差，再利用相位偏差可计算出载波频差，然后将其与延迟后的数据一同送入频差补偿模块进行频差补偿，得到同步后的数据。

发明内容

本发明的目的是针对现有MIMO系统载波同步技术存在的不足，提供一种补偿精度高，实现难度低，能够提高估计精度、减少计算量的MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，其特征在于：接收端接收到频偏纠正前输入信号S(k)后，首先通过帧起始检测模块，计算本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)的互相关，通过搜索相关值的最高峰，得到数据帧的起始位置M；根据数据帧的起始位置M，取出两段背靠背帧头导频训练序列，计算两段背靠背帧头的复数互相关，根据计算出的复数互相关，求其相关后数据的平均角度，计算出相位差，得到两段帧头信号的相位偏差，然后利用相位偏差计算出载波频偏；根据正确估计出的载波频偏，将其与延迟后的数据送入频差补偿模块进行频差补偿，得到频偏纠正后的同步数据输出信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1、本发明为了解决MIMO系统的频偏估计问题，接收端接收到频偏纠正前输入信号S(k)后，首先通过帧起始检测模块检测出数据帧的准确起始位置，得到数据帧的起始位置M，同步速度快，检测效果极佳。

2、本发明根据数据帧的起始位置M，取出两段背靠背帧头导频训练序列进行复数互相关，通过本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)，计算两段背靠背帧头的复数互相关，求得多天线之间的频偏，计算简单可靠，便于工程实现。

3、本发明利用帧头导频训练序列估计出载波的初始频偏并进行频偏补偿，将其与延迟后的数据一送入频差补偿模块，通过简单的相位旋转模块可实现载波频差的补偿，补偿精度高，实现难度低。

4、本发明通过帧起始检测模块检测出数据帧的准确起始位置，再根据数据帧的起始位置取出背靠背2端帧头信息，将2段帧头进行互相关运算后计算接收机本地载波与发送端的频偏，再进行频偏补偿，消除本地载波与发端频率误差，适用于各种环境下的MIMO高速接收机频偏估计与补偿。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过参照附图，来描述本发明，其中：

图1本发明的MIMO高速接收机频偏估计与补偿流程图；

图2是本发明的帧结构示意图；

图3是本发明的频偏补偿模块示意图；

下面将结合附图对本发明的实施进行进一步具体的描述。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，接收端接收到频偏纠正前输入信号S(k)后，首先通过帧起始检测模块，计算本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)的互相关，通过搜索相关值的最高峰，可以得到数据帧的起始位置M；根据数据帧的起始位置M，取出两段背靠背帧头导频训练序列，计算两段背靠背帧头的复数互相关，根据计算出的复数互相关，求其相关后数据的平均角度，计算出相位差，得到两段帧头信号的相位偏差，利用相位偏差计算出载波频偏；根据正确估计出的载波频偏，将其与延迟后的数据送入频差补偿模块进行频差补偿，得到频偏纠正后的同步数据输出信号。

在检测数据帧的准确起始位置中，首先通过本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)计算互相关，通过搜索相关值的最高峰，可以得到数据帧的起始位置M；根据数据帧的起始位置M，已知帧头信息为zt(m)(m＝1…L)，频偏纠正前输入信号为S(k)，取出从M位置开始长度分别为L的2段帧头数据S1与S2，然后计算两段背靠背帧头的复数互相关r：

其中，L为帧头长度，代表复数的共轭，m代表采样点。

参阅图2。针对MIMO高速通信系统，设计数据传输帧结构为带已知帧头与数据段的帧结构形式，设帧头长度为L，频偏纠正前输入信号为S(k)，每一帧数据的起始位置为2段相同的背靠背的已知帧头，以已知帧头信息为zt(m)(m＝1…L)为一组具有很好相关性的确定序列，通过本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)计算互相关，搜索相关值的最高峰，可以得到数据帧的起始位置M，再从数据帧起始位置M开始，取L长的第一段帧头S1，在从M+L位置开始，取L长的第二段帧头S2，计算帧头S1与帧头S2的复数互相关，通过相关运算，可以检测出数据帧的起始位置M，从M位置开始，紧接着的为背靠背帧头的第一个长度为L的帧头S1，第二个长度为L的帧头S2，数据段，接下来是第二段数据帧的第一个帧头，第二个帧头，数据段，循环重复，再计算复数互相关的角度，得到帧头相差，再根据相差可以计算得到频率误差，得到后的频率误差送入频差补偿单元进行频差补偿。一般来说，可选取帧头长度L为1024，数据段长度为32768。

参阅图3。参阅图3根据计算出的复数互相关可计算出相位差θ：θ＝arctan(r)；根据相位差θ计算信号的载波频差：Δf＝θ/L×f_s；通过频差计算模块计算出的频差Δf通过累加器，得到输出相位θ_f；输入信号S(k)通过延迟单元使得计算出的相位θ_f与帧头起始位置M对齐，得到对齐后的信号S(k+τ)，再将S(k+τ)与相位θ_f送入相位旋转模块进行频差补偿，得到频偏纠正后信号输出

其中f_s为采样率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，其特征在于：接收端接收到频偏纠正前输入信号S(k)后，首先通过帧起始检测模块，计算本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)的互相关，通过搜索相关值的最高峰，得到数据帧的起始位置M；根据数据帧的起始位置M，取出两段长度相同的背靠背帧头导频训练序列，计算两段背靠背帧头的复数互相关，根据计算出的复数互相关，求其相关后数据的平均角度，计算出相位差，得到两段帧头信号的相位偏差，然后利用相位偏差计算出载波频偏；根据正确估计出的载波频偏，将其与延迟后的数据送入频差补偿模块进行频差补偿，得到频偏纠正后的同步数据输出信号。

2.如权利要求1所述的MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，其特征在于：在检测数据帧的准确起始位置中，根据数据帧的起始位置M，已知帧头信息为zt(m)(m＝1…L)，频偏纠正前输入信号为S(k)，取出从M位置开始长度分别为L的2段帧头数据S1与S2，然后计算两段背靠背帧头的复数互相关r：

其中，L为帧头长度，*代表复数的共轭，m代表采样点。

3.如权利要求1所述的MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，其特征在于：针对MIMO高速通信系统，设计数据传输帧结构为带已知帧头与数据段的帧结构形式，设帧头长度为L，频偏纠正前输入信号为S(k)，每一帧数据的起始位置为2段相同的背靠背的已知帧头，以已知帧头信息为zt(m)(m＝1…L)为一组具有很好相关性的确定序列，通过本地存储的已知帧头信息zt(m)与频偏纠正前输入信号S(k)计算互相关，搜索相关值的最高峰，得到数据帧的起始位置M，再从数据帧起始位置M开始，取L长的第一段帧头S1，在从M+L位置开始，取L长的第二段帧头S2，计算帧头S1与帧头S2的复数互相关，通过相关运算，检测出数据帧的起始位置M。

4.如权利要求1所述的MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，其特征在于：从M位置开始，紧接着的是背靠背帧头的第一个长度为L的帧头S1，第二个长度为L的帧头S2，数据段，接下来是第二段数据帧的第一个帧头、第二个帧头和数据段，循环重复，再计算复数互相关的角度，得到帧头相差，然后根据相差计算得到频率误差，得到后的频率误差送入频差补偿单元进行频差补偿。

5.如权利要求1所述的MIMO高速接收机频偏估计及补偿方法，其特征在于：根据计算出的复数互相关可计算出相位差θ：θ＝arctan(r)；根据相位差θ计算信号的载波频偏：Δf＝θ/L×f_s；通过频差计算模块计算出的频差Δf通过累加器，得到输出相位θ_f；输入信号S(k)通过延迟单元使得计算出的相位θ_f与帧头起始位置M对齐，得到对齐后的信号S(k+τ)，再将S(k+τ)与相位θ_f送入相位旋转模块进行频差补偿，得到频偏纠正后信号输出

其中f_s为采样率。

Images