CN117675157B - 发送端iq时延自适应补偿方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供发送端IQ时延自适应补偿方法及装置,包括:接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;控制I路信号与Q路信号按照对应的重采样位置进行重采样,并根据I路重采样结果与Q路重采样结果计算合路偏差,根据合路偏差对重采样控制器输出的重采样位置进行自适应补偿,通过实时根据I路重采样偏差与Q路重采样偏差对重采样位置进行补偿,保证发送端IQ时延的时效性,并不受多普勒频偏和相位模糊因素的限制。
Description
技术领域
本发明涉及卫星激光通信技术领域,尤其涉及一种发送端IQ时延自适应补偿方法及装置。
背景技术
无线通信系统中由发送端和接收端两部分组成。在发送端,需要将待传输数据调制到载波上,通过射频无线信号传输信息;在接收端,需要将射频信号下变频到零频,再进行解调,恢复出原始数据。一般采用超外差的形式,且采用数字中频技术,即在发送端先将信号数字基带信号调制到中频,通过DAC输出后,再模拟调制到射频;在接收端,先将射频信号模拟下变频到中频,ADC采样后,再将中频信号进行数字下变频,得到数字基带信号。然而,在高速数据通信中(如激光通信),受到DAC和ADC带宽和采样率的限制,数字中频技术不再适用。在模拟中频技术中,将数字基带信号的I路和Q路通过2个DAC输出,由正交调制器(IQ调制器)完成模拟中频调制;接收端配备有正交解调器(IQ解调器),将信号下变频到基带,再使用2个ADC完成I路信号和Q路信号的采样。在上述这个过程中,常常出现发送IQ时延和接收IQ时延现象。
发送IQ时延是指发送端设备调制输出的IQ两路信号之间存在时间延迟,该现象产生的原因包括:(1)IQ两路传输线路长度不一致;(2)IQ两路DAC器件不一致;(3)IQ两路滤波器群延时不一致。在理想情况下,不存在发送IQ时延, IQ两路的最佳采样时刻一致载波同步后的星座点聚集在标准点附近;如果存在发送IQ时延,则IQ两路的最佳采样时刻不一致,且均不等于定时同步方法求出的采样时刻,其结果是星座点发散,最终损失误码率;发送IQ时延通常不如接收IQ时延严重,但是对误码率的影响仍是不可忽视的。因此,在实际应用中亟需寻找方法补偿发送IQ时延的影响。考虑到器件精度受限的前提和数字信号处理技术的发展,利用数字信号处理技术实现发送IQ时延的估计与补偿是必然的选择。
在实际应用中,一般采用事先标定出发送IQ时延并在后续进行补偿的方式,但是无法自适应跟踪发送IQ时延的变化,时效性较差;并且常用的载波同步算法如科斯塔斯环、平方环、V-V算法都有可能发生相位模糊现象,造成IQ两路信号互换,这种情况下按照事先标定的发送IQ时延进行补偿,不但无法补偿实际的IQ时延,还导致IQ之间的时延变大,使得误码率进一步恶化。
发明内容
本发明提供一种发送端IQ时延自适应补偿方法及装置,用以解决现有技术中受限于多普勒频偏或相位模糊,对发送端IQ时延无法进行自适应时延,时效性差的缺陷。
本发明提供一种发送端IQ时延自适应补偿方法,所述发送端IQ时延自适应补偿方法包括:
接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;
获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;
控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;
基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;
基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置。
根据本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,在获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,并控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果之后,所述发送端IQ时延自适应补偿方法还包括:
对所述I路重采样结果与所述Q路重采样结果进行合路,并将合路后的信号进行输出。
根据本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,在所述获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置之后,在基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量之前,还包括:
对Q路重采样位置进行取反;
基于第一公式对所述I路重采样位置及取反后的Q路重采样位置进行计算,并将计算得到的I路重采样位置与Q路重采样位置作为重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置;
其中,所述第一公式具体为:=mod(/>,1),/>=mod(/>,1);
其中,为I路重采样位置,/>为Q路重采样位置。
根据本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,所述基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量,包括:
预先设定所述重采样所需数据长度,并确定目标处理时刻;
在目标处理时刻下,以一倍采样率分别对I路数据向量及Q路数据向量进行缓存,以获取第一I路数据向量与第一Q路数据向量,所述第一I路数据向量与所述第一Q路数据向量的数据长度均为所述重采样所需数据长度加一;
当I路重采样位置大于第一预设值时,取所述第一I路数据向量中的1至N个数据作为所述I路数据向量;
当I路重采样位置小于第一预设值时,取所述第一I路数据向量中的2至N+1个数据作为所述I路数据向量;
当Q路重采样位置大于第一预设值时,取所述第一Q路数据向量中的1至N个数据作为所述Q路数据向量;
当Q路重采样位置小于第一预设值时,取所述第一Q路数据向量中的2至N+1个数据作为所述Q路数据向量。
根据本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,所述基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量,包括:
基于第二公式与所述I路重采样位置确定I路采样偏差,并基于所述第三公式与所述Q路重采样位置确定Q路采样偏差;
基于第四公式、所述I路采样偏差及Q路采样偏差确定合成采样偏差;
基于所述合成采样偏差与第五公式进行比例缩放,得到目标控制量;
其中,所述第二公式为,其中,为第/>时刻的I路采样偏差,/>为第/>时刻I路重采样结果;
其中,所述第三公式为,其中,为第/>时刻的Q路采样偏差,/>为第/>时刻Q路重采样结果;
其中,所述第四公式为,其中,/>为所述合成采样偏差;
其中,所述第五公式为,其中,/>为缩放比例因子,/>为所述目标控制量。
根据本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置,包括:
基于第六公式及所述目标控制量确定第一重采样位置;
基于第七公式将第一重采样位置更新为第二重采样位置,并将所述第二重采样位置作为重采样控制器输出的I路重采样位置,并将取反后的第二重采样位置作为重采样控制器输出的Q路重采样位置。
根据本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,所述第六公式为,其中,/>代表第/>时刻的重采样位置;
所述第七公式为,其中/>为正的预设量。
本发明还提供一种发送端IQ时延自适应补偿装置,包括:
分路单元,用于接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;
缓存单元,用于获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;
重采样单元,用于控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;
确定单元,用于基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;
补偿单元,用于基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置。
本发明还提供一种计算设备,包括:
存储器和处理器;
所述存储器用于存储计算机可执行指令,所述处理器用于执行所述计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现如上任意一项所述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,其存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现如上任意一项所述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。
本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,所述发送端IQ时延自适应补偿方法包括:接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置,通过实时根据I路重采样偏差与Q路重采样偏差对重采样位置进行补偿,保证发送端IQ时延的时效性,并不受多普勒频偏和相位模糊因素的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的发送端IQ时延自适应补偿方法的流程示意图;
图2是本发明实施例提供的发送端IQ时延自适应补偿装置的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的另一发送端IQ时延自适应补偿方法的流程示意图;
图4是本发明实施例提供的计算设备的结构示意图;
图5是本发明实施例提供的发送端IQ时延对载波同步前后星座图的影响的仿真示意图;
图6是本发明实施例提供的发送端IQ时延自适应补偿的效果图;
图7是本发明实施例提供的合成偏差的性能仿真分析示意图;
图8是本发明实施例提供的误码率的性能仿真分析示意图;
图9是本发明实施例提供的补偿端发送IQ时延补偿前后的信号星座图的对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图7描述本发明的一种发送端IQ时延自适应补偿方法。
图1是本发明实施例提供的发送端IQ时延自适应补偿方法的流程示意图。
发送端设备IQ两路器件的差异引起发送IQ时延。如图5所示的仿真结果展示了发送端IQ时延对载波同步前后星座图的影响,其中仿真信号采用QPSK调制,符号速率为5Gsps,无噪声干扰,多普勒频偏为20MHz。可以看到,很小的时延就能引起明显的星座图发散,且IQ时延补偿模块未能校正发送IQ时延。需指出,由于定时同步模块位于载波同步模块前面,此时尚未通过载波同步算法进行多普勒频偏补偿,因此受到多普勒频偏的影响,只能补偿接收IQ时延的原因。
另外,在对发送端IQ时延补偿之前,还需要按照符号速率的2倍或以上进行A/D采样。依次经过抽取滤波、数字AGC、定时同步&接收端IQ时延补偿、匹配滤波、自适应信道均衡、载波同步模块处理。最后,在通过定时同步模块将采样率降为一倍、通过载波同步模块补偿多普勒频偏之后,创新性地引入本发明提出的发送端IQ时延自适应补偿方法,因此,本发明是对依次经过抽取滤波、数字AGC、定时同步&接收端IQ时延补偿、匹配滤波、自适应信道均衡、载波同步模块处理之后的发送端信号进行IQ时延自适应补偿的。
如图1所示,本实施例提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,发送端IQ时延自适应补偿方法主要包括以下步骤:
步骤S101,接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号。
在一个具体的实现过程中,发送端信号是指经过抽取滤波、数字AGC、定时同步&接收端IQ时延补偿、匹配滤波、自适应信道均衡及载波同步处理,并经过载波同步模块输出的发送端信号,发送端信号经过分路得到I路信号与Q路信号。
步骤S102,获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量。
具体的,如图1和3所示,在I路所在重采样支路中,首先获取到重采样控制器所输出的I路重采样位置,该重采样位置用于对I路进行重采样,同时,I路重采样位置还参与I路信号的数据预处理部分,在对I路信号进行预处理过程中,通过I路重采样位置对I路信号进行调整,同时,根据重采样所需数据长度对I路信号进行缓存,以进行后续的重采样过程,将I路信号缓存为数据向量。相对应的,Q路做上述同样的处理,得到Q路数据向量。
步骤S103,控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果。
具体的,如图3所示,I路数据向量在I路重采样位置进行重采样,并得到I路重采样结果,相应的,得到Q路重采样结果。
步骤S104,基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量。
具体的,根据得到的I路重采样结果与Q路重采样结果计算合成采样偏差,并在对合成采样偏差进行比例缩放后,得到目标控制量。
步骤S105,基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置。
具体的,如图3所示,目标控制量作为重采样控制器的输入对重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置作为下一次的重采样位置,从而实现对I路重采样位置与Q路重采样位置的实时补偿,并在补偿后重复上述方法,以重复对I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿更新,最终达到最优的I路重采样位置与Q路重采样位置。
进一步的,在上述实施例的基础上,本实施例中的所述在获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,并控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果之后,所述发送端IQ时延自适应补偿方法还包括:
对所述I路重采样结果与所述Q路重采样结果进行合路,并将合路后的信号进行输出。
具体的,如图3所示,在得到I路重采样结果与Q路重采样结果后,除了作为采样偏差计算,还需要对I路重采样结果与Q路重采样结果进行合路输出,需要说明的是,上述两个步骤是同时进行的,I路重采样结果与Q路重采样结果分别进入补偿支路与合路支路,合路后形成的合路信号作为发送端IQ试验补偿输出结果进行输出,由于前期补偿效果不好或未补偿的输出信号,可以在后续重新单独进行补偿或重新获取。
进一步的,在上述实施例的基础上,本实施例中的所述在所述获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置之后,在基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量之前,还包括:
对Q路重采样位置进行取反;
基于第一公式对所述I路重采样位置及取反后的Q路重采样位置进行计算,并将计算得到的I路重采样位置与Q路重采样位置作为重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置;
其中,所述第一公式具体为:=mod(/>,1),/>=mod(/>,1);
其中,为I路重采样位置,/>为Q路重采样位置。
具体的,如图3所示,假设I路的理论采样位置为,发送IQ时延为/>,则与之对应的Q路的理论采样位置为/>。经过前面的模块处理(图 2中的定时同步&接收IQ时延补偿模块)之后,当前IQ两路的实际采样位置均为/>,则将I路信号进行位置为的重采样后(采样位置提前/>)可以达到理论采样位置,同理Q路信号需进行位置为/>的重采样(采样位置延迟/>),显然IQ两路的重采样位置之间存在关系/>。基于上述分析,I路的重采样位置选择重采样控制器&限幅模块输出的采样位置/>,即/>;Q路则将/>取反之后作为重采样位置,/>;这样处理的优点在于保持了IQ两路重采样的同步性,且利用了/>的特点,无需单独计算两个重采样位置,节约了一半计算资源。在将重采样位置/>、/>输入重采样模块前,需要对其进行如下的预处理以满足重采样算法的要求:/>=mod(/>,1),/>=mod(/>,1),上述为求模计算,以保证I路重采样位置与Q路重采样位置均处于0-1之间。
进一步的,在上述实施例的基础上,本实施例中的所述基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量,包括:
预先设定所述重采样所需数据长度,并确定目标处理时刻;
在目标处理时刻下,以一倍采样率分别对I路数据向量及Q路数据向量进行缓存,以获取第一I路数据向量与第一Q路数据向量,所述第一I路数据向量与所述第一Q路数据向量的数据长度均为所述重采样所需数据长度加一;
当I路重采样位置大于第一预设值时,取所述第一I路数据向量中的1至N个数据作为所述I路数据向量;
当I路重采样位置小于第一预设值时,取所述第一I路数据向量中的2至N+1个数据作为所述I路数据向量;
当Q路重采样位置大于第一预设值时,取所述第一Q路数据向量中的1至N个数据作为所述Q路数据向量;
当Q路重采样位置小于第一预设值时,取所述第一Q路数据向量中的2至N+1个数据作为所述Q路数据向量。
具体的,假设重采样处理需要的数据长度为,则在第/>处理时刻,首先缓存I路在一倍采样率下的最新/>点/>,同理Q路缓存/>;为了保证IQ的符号是对齐的,还要根据/>、/>对数据进行调整:
,上述处理方式对IQ两路使用了相同的逻辑,便于进行FPGA开发。
进一步的,在上述实施例的基础上,本实施例中的所述基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量,包括:
基于第二公式与所述I路重采样位置确定I路采样偏差,并基于所述第三公式与所述Q路重采样位置确定Q路采样偏差;
基于第四公式、所述I路采样偏差及Q路采样偏差确定合成采样偏差;
基于所述合成采样偏差与第五公式进行比例缩放,得到目标控制量;
其中,所述第二公式为,其中,为第/>时刻的I路采样偏差,/>为第/>时刻I路重采样结果;
其中,所述第三公式为,其中,为第/>时刻的Q路采样偏差,/>为第/>时刻Q路重采样结果;
其中,所述第四公式为,其中,/>为所述合成采样偏差;
其中,所述第五公式为,其中,/>为缩放比例因子,/>为所述目标控制量。
具体的,I路采样偏差计算公式如下:
;
Q路采样偏差计算公式如下:
;
其中,为第/>时刻的I路采样偏差,/>为第/>时刻的Q路采样偏差,/>为第/>时刻I路重采样的输出,/>为第/>时刻Q路重采样的输出。上述公式的优点包括:(1)只有减法运算和取正负运算,FPGA实现简单;(2)在一倍采样率下也能准确估计采样偏差。然后计算合成采样偏差代替/>:
虽然和/>在无噪的情况下应当满足/>,但在有高斯白噪声的情况下,这样计算的合成偏差相比/>和/>具有更好的信噪比,使得后续模块收敛更快、结果更平稳。最后将/>输入到一个比例缩放模块中,而非将/>和/>分别输入两个比例缩放模块。
通过比例缩放生成一个较小的控制量,即目标控制量。其实现比较简单,即;其中/>为缩放比例因子。工程应用中需选择一个适当大小的缩放比例因子,过大会导致重采样控制器结果不稳定,/>过小会导致重采样控制器收敛太慢。之所以选择简单的线性比例缩放方法,是因为发送IQ时延引起的IQ两路采样偏差通常不会有高阶变化,因此只需要线性比例缩放就可以跟踪采样偏差。控制量/>作为重采样控制器模块的输入。
进一步的,在上述实施例的基础上,基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置,包括:
基于第六公式及所述目标控制量确定第一重采样位置;
基于第七公式将第一重采样位置更新为第二重采样位置,并将所述第二重采样位置作为重采样控制器输出的I路重采样位置,并将取反后的第二重采样位置作为重采样控制器输出的Q路重采样位置。
进一步的,在上述实施例的基础上,所述第六公式为,其中,代表第/>时刻的重采样位置;
所述第七公式为,其中/>为正的预设量。
具体的,通过重采样控制器基于输出采样位置/>,该模块的更新公式为:
其中,代表第/>时刻的采样位置/>,/>为一个正的极小量。这样得到了第一步所需的采样位置(I路取/>,Q路取/>);由于发送IQ时延通常在±0.5个符号周期的范围内,因此其造成的IQ两路采样偏差均在±0.25个符号周期的范围内,针对该特点,我们在上述公式中使用了±0.25的限幅处理,其目的是在重采样控制器未收敛时防止较大的采样位置造成重采样结果不稳定。
另外,在对I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿后,I路信号与Q路信号在一倍采样率下分别按照不同的重采样位置进行I路重采样和Q路重采样。重采样的使能信号选择载波同步模块输出的一倍符号率的使能信号,无需通过重采样控制器额外生成使能信号;输入数据分别为预处理后的和/>;重采样过程使用常规重采样算法;重采样位置分别为/>、/>。上述处理方式也对IQ两路使用了相同的逻辑,便于进行FPGA开发。两路重采样的输出结果既作为补偿的输出,也作为I路和Q路采样偏差计算模块的输入。
如图6所示,为了评估第六步重采样控制器输出的采样位置是否可以用于补偿发送IQ时延,我们进行了仿真分析,图 4给出了在几种激光通信常见干扰影响下第六步计算得到的采样位置(可以作为发送IQ时延的1/2估计)的结果随符号数变化的收敛曲线,仿真的发送IQ时延为0.2符号周期。从(a)(b)(c)(d)可以看到重采样控制器模块求出的采样位置的绝对值始终收敛到0.1。以(a)为例,采样位置收敛到-0.1,即重采样模块将I路采样位置提前0.1符号周期,将Q路采样位置延迟0.1符号周期,则IQ两路之间采样位置之差被人为校正了0.2符号周期,该结果显然符合预期。此外,从(b)(c)(d)可以看到在多径衰落、高斯白噪声、相位噪声的影响下本发明仍然可以估计发送IQ时延。特别需要注意的是,由于(c)中载波同步相比(a)(b)(d)出现了相位模糊现象,因此采样位置收敛到0.1而不是-0.1,该结果侧面证明了本发明在出现相位模糊的情况下仍可以估计并补偿发送IQ时延。
如图7所示,为了评估合成偏差的性能,我们进行了仿真分析,图7对比了缩放比例因子大小相同、存在高斯白噪声(EbN0=10dB)的条件下,比例缩放模块输入合成偏差和仅输入I路采样偏差的重采样控制器输出采样位置的收敛曲线对比;结果显示使用合成偏差的曲线收敛更快且收敛后结果更平稳。结果证明了合成偏差相比于单纯一路采样偏差的有益性。
如图8所示,为了评估本发明的误码率性能,我们进行了仿真分析,信号采用QPSK调制,符号速率为5Gsps,发送IQ时延为0.2符号周期。通过蒙特卡洛仿真,得到了采用该方法、不采用该方法对信号解调的误码率(BER)与信噪比(EbN0)的关系曲线与理论值的比较。可以看到,如果不补偿发送IQ时延,误码率恶化非常明显;通过本发明补偿以后,误码率明显降低,更加接近理论值;例如在误码率处,有大约2dB的增益;且信噪比越大,补偿增益越大。
如图9所示,在补偿发送IQ时延前,信号的星座图发散明显,自然会影响误码率;通过本技术发明补偿发送IQ时延之后,信号的星座图明显更加聚集,因此改善了解调性能。
综上可知,本发明具有以下有益效果:
补偿能力强。本发明突破了多普勒频偏、相位模糊现象对现有方法补偿发送IQ时延的限制;通过重采样的方式对载波同步之后的信号进行发送IQ时延(±0.5个符号以内)的估计和补偿,在高信噪比和低信噪比时均能有效补偿发送IQ时延的影响,提高解调性能。仿真证明补偿之后误码率得到了较大改善。
干扰抗性强。本发明针对发送IQ时延对IQ两路采样位置影响的特点,通过分别计算I路采样偏差和Q路采样偏差并相减的方式,增强了采样偏差的信噪比;通过比例缩放因子权衡计算采样位置的收敛速度和稳定性。此外,仿真证明本发明对多径衰落等干扰也有很好的抗性。
工程易实现。本发明引入的数学公式以加减法为主,工程实现简单;本发明对IQ两路信号的处理在逻辑上(除了采样偏差和采样位置取反)是一致的,可以通过相同的代码开发实现;本发明只使用一个简单的线性比例缩放,只计算一个采样位置,节约了一半计算资源;本发明使用的方法可以在一倍采样率下实现,进一步降低了资源;除了发送IQ补偿,其他模块则使用数字信号处理中应用成熟的常规方法。基于这些优点,本发明十分易于工程实现。
自适应性强。预先发送已知序列标定发送IQ时延然后校正的方法主要适用于发送IQ时延固定不变的情况,而本发明对发送IQ时延的估计是实时的,可以自适应地跟踪变化的时延。
使用效率高。相较于先标定后校正的方法,本发明不需要提前发送额外的已知序列,提高了系统效率。
适用范围广。本发明可用于存在发送IQ时延的多种通信系统。
本发明提供的一种发送端IQ时延自适应补偿方法,所述发送端IQ时延自适应补偿方法包括:接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置,通过实时根据I路重采样偏差与Q路重采样偏差对重采样位置进行补偿,保证发送端IQ时延的时效性,并不受多普勒频偏和相位模糊因素的限制。
图2是本发明实施例提供的发送端IQ时延自适应补偿装置的结构示意图。
如图2所示,本实施例提供的一种发送端IQ时延自适应补偿装置,装置包括:
分路单元10,用于接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;
缓存单元20,用于获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;
重采样单元30,用于控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;
确定单元40,用于基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;
补偿单元50,用于基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置。
图4示出了根据本说明书一个实施例提供的一种计算设备400的结构框图。该计算设备400的部件包括但不限于存储器410和处理器420。处理器420与存储器410通过总线430相连接,数据库450用于保存数据。
计算设备400还包括接入设备440,接入设备440使得计算设备400能够经由一个或多个网络460通信。这些网络的示例包括公用交换电话网(PSTN,Public SwitchedTelephone Network)、局域网(LAN,Local Area Network)、广域网(WAN,Wide AreaNetwork)、个域网(PAN,Personal Area Network)或诸如因特网的通信网络的组合。接入设备440可以包括有线或无线的任何类型的网络接口(例如,网络接口卡(NIC,networkinterface controller))中的一个或多个,诸如IEEE802.11无线局域网(WLAN,WirelessLocal Area Network)无线接口、全球微波互联接入(Wi-MAX,WorldwideInteroperability for Microwave Access)接口、以太网接口、通用串行总线(USB,Universal Serial Bus)接口、蜂窝网络接口、蓝牙接口、近场通信(NFC,Near FieldCommunication)。
在本说明书的一个实施例中,计算设备400的上述部件以及图4中未示出的其他部件也可以彼此相连接,例如通过总线。应当理解,图4所示的计算设备结构框图仅仅是出于示例的目的,而不是对本说明书范围的限制。本领域技术人员可以根据需要,增添或替换其他部件。
计算设备400可以是任何类型的静止或移动计算设备,包括移动计算机或移动计算设备(例如,平板计算机、个人数字助理、膝上型计算机、笔记本计算机、上网本等)、移动电话(例如,智能手机)、可佩戴的计算设备(例如,智能手表、智能眼镜等)或其他类型的移动设备,或者诸如台式计算机或个人计算机(PC,Personal Computer)的静止计算设备。计算设备400还可以是移动式或静止式的服务器。
其中,处理器420用于执行如下计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现上述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。上述为本实施例的一种计算设备的示意性方案。需要说明的是,该计算设备的技术方案与上述的发送端IQ时延自适应补偿方法的技术方案属于同一构思,计算设备的技术方案未详细描述的细节内容,均可以参见上述发送端IQ时延自适应补偿方法的技术方案的描述。
本说明书一实施例还提供一种计算机可读存储介质,其存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现上述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。
上述为本实施例的一种计算机可读存储介质的示意性方案。需要说明的是,该存储介质的技术方案与上述的发送端IQ时延自适应补偿方法的技术方案属于同一构思,存储介质的技术方案未详细描述的细节内容,均可以参见上述发送端IQ时延自适应补偿方法的技术方案的描述。
本说明书一实施例还提供一种计算机程序,其中,当所述计算机程序在计算机中执行时,令计算机执行上述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。
上述为本实施例的一种计算机程序的示意性方案。需要说明的是,该计算机程序的技术方案与上述的发送端IQ时延自适应补偿方法的技术方案属于同一构思,计算机程序的技术方案未详细描述的细节内容,均可以参见上述发送端IQ时延自适应补偿方法的技术方案的描述。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下,在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外,在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中,多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
所述计算机指令包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是,所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减,例如在某些司法管辖区,根据立法和专利实践,计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需要说明的是,对于前述的各方法实施例,为了简便描述,故将其都表述为一系列的动作组合,但是本领域技术人员应该知悉,本说明书实施例并不受所描述的动作顺序的限制,因为依据本说明书实施例,某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次,本领域技术人员也应该知悉,说明书中所描述的实施例均属于优选实施例,所涉及的动作和模块并不一定都是本说明书实施例所必须的。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其它实施例的相关描述。
以上公开的本说明书优选实施例只是用于帮助阐述本说明书。可选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书实施例的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本说明书实施例的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本说明书。本说明书仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,所述方法包括:
接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;
获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;
控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;
基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;
基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置。
2.根据权利要求1所述的发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,在获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,并控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果之后,所述发送端IQ时延自适应补偿方法还包括:
对所述I路重采样结果与所述Q路重采样结果进行合路,并将合路后的信号进行输出。
3.根据权利要求2所述的发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,在所述获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置之后,在基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量之前,还包括:
对Q路重采样位置进行取反;
基于第一公式对所述I路重采样位置及取反后的Q路重采样位置进行计算,并将计算得到的I路重采样位置与Q路重采样位置作为重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置;
其中,所述第一公式具体为:=mod(/>,1),/>=mod(/>,1);
其中,为I路重采样位置,/>为Q路重采样位置。
4.根据权利要求3所述的发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,所述基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量,包括:
预先设定所述重采样所需数据长度,并确定目标处理时刻;
在目标处理时刻下,以一倍采样率分别对I路数据向量及Q路数据向量进行缓存,以获取第一I路数据向量与第一Q路数据向量,所述第一I路数据向量与所述第一Q路数据向量的数据长度均为所述重采样所需数据长度加一;
当I路重采样位置大于第一预设值时,取所述第一I路数据向量中的1至N个数据作为所述I路数据向量;
当I路重采样位置小于第一预设值时,取所述第一I路数据向量中的2至N+1个数据作为所述I路数据向量;
当Q路重采样位置大于第一预设值时,取所述第一Q路数据向量中的1至N个数据作为所述Q路数据向量;
当Q路重采样位置小于第一预设值时,取所述第一Q路数据向量中的2至N+1个数据作为所述Q路数据向量。
5.根据权利要求4所述的发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,所述基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量,包括:
基于第二公式与所述I路重采样位置确定I路采样偏差,并基于第三公式与所述Q路重采样位置确定Q路采样偏差;
基于第四公式、所述I路采样偏差及Q路采样偏差确定合成采样偏差;
基于所述合成采样偏差与第五公式进行比例缩放,得到目标控制量;
其中,所述第二公式为,其中,/>为第/>时刻的I路采样偏差,/>为第/>时刻I路重采样结果;
其中,所述第三公式为,其中,/>为第/>时刻的Q路采样偏差,/>为第/>时刻Q路重采样结果;
其中,所述第四公式为,其中,/>为所述合成采样偏差;
其中,所述第五公式为,其中,/>为缩放比例因子,/>为所述目标控制量。
6.根据权利要求5所述的发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置,包括:
基于第六公式及所述目标控制量确定第一重采样位置;
基于第七公式将第一重采样位置更新为第二重采样位置,并将所述第二重采样位置作为重采样控制器输出的I路重采样位置,并将取反后的第二重采样位置作为重采样控制器输出的Q路重采样位置。
7.根据权利要求6所述的发送端IQ时延自适应补偿方法,其特征在于,
所述第六公式为,其中,/>代表第/>时刻的重采样位置;
所述第七公式为,其中/>为正的预设量。
8.一种发送端IQ时延自适应补偿装置,其特征在于,包括:
分路单元,用于接收经过载波同步输出后的发送端信号,并将所述发送端信号分为I路信号与Q路信号;
缓存单元,用于获取重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置,基于重采样所需数据长度缓存所述I路信号在目标处理时刻时的I路数据向量以及Q路信号的在目标处理时刻时的Q路数据向量;
重采样单元,用于控制所述I路数据向量按照所述I路重采样位置进行重采样,控制所述Q路数据向量按照所述Q路重采样位置进行重采样,并输出I路重采样结果与Q路重采样结果;
确定单元,用于基于所述I路重采样结果与Q路重采样结果确定合成采样偏差,并对所述合成采样偏差进行比例缩放,得到目标控制量;
补偿单元,用于基于所述目标控制量对所述重采样控制器的I路重采样位置与Q路重采样位置进行补偿,并将重采样控制器输出的I路重采样位置与Q路重采样位置更新为补偿后的I路重采样位置与Q路重采样位置。
9.一种计算设备,其特征在于,包括:
存储器和处理器;
所述存储器用于存储计算机可执行指令,所述处理器用于执行所述计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述发送端IQ时延自适应补偿方法的步骤。
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