CN108616469B - 一种sc-fde***的接收端iq不平衡估计和补偿方法及装置 - Google Patents

一种sc-fde***的接收端iq不平衡估计和补偿方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SC‑FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法及装置，在发射端将调制后的数据进行流解析；数据块加上CP，经过无线信道和噪声干扰被接收端接收；接收信号因射频端的硬件损伤引入了IQ不平衡。本发明方法在接收端移除数据的CP后将时域数据FFT变换到频域；利用导频数据，先估计信道信息，再得到IQ不平衡参数估计值；随后对接收的信号求镜像并合并，通过LS估计出原始信号的频域数据；最后经过IFFT变换和解调后就可以恢复出原始数据。本发明提出的IQ不平衡参数估计和补偿方法，先在频域利用导频数据，对IQ不平衡参数和信道分开估计，随后采用简单的LS方法，就可以同时补偿IQ不平衡和信道的干扰，并且此方法可以同时适用于SISO和MIMO***。

Description

一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法及装置，属于无线通信***技术领域。
背景技术
下变频是所有射频前端架构中的一个基本阶段，与传统的超外差前端架构相比，直变频接收机提供了一个很好的实现方案。然而，这样一个低成本的前端可能对模拟组件缺陷非常敏感，主要是由于制造不均匀导致的射频损伤，例如IQ不平衡、载波频率偏移、相位噪声等。其中，IQ不平衡分为频率独立(FI)和频率相关(FD)两种，FI不平衡主要是由本地振荡器(LO)的非理想性造成的，它在信号带宽内保持恒定。理想情况下，LO应该产生相同增益和90°相位偏移的I路和Q路分支，然而，在实际中这几乎不可能，因此会导致FI不平衡。与之相反，FD模型同时考虑了FI不平衡和FD不平衡，FD不平衡是I路和Q路的不平衡频率响应造成的，它随着带宽变化。在本发明中，我们只考虑FI不平衡。随着下一代无线***将需要更简单、灵活和可配置的前端，使用缩小的制造技术实现前端将使这些不平衡的影响将变得更加严重。由此产生的失真可能会导致性能急剧下降并限制可实现的数据速率，因此这些损伤应该得到充分的补偿。
单载波频域均衡(SC-FDE)技术可以有效对抗多径效应，它是将时域的调制信号组成数据块的方式进行传输，每个数据块都占据了整个发射带宽，并且接收端在频域对接收信号进行均衡。SC-FDE技术具有较低的峰值平均功率比(PAPR)，对频率偏移不敏感，频谱利用率高等优点。多输入多输出(MIMO)***是指在发射端和接收端均配有多根天线，多天线***可以在不增加信道带宽的情况下成倍地提高***容量。将MIMO和SC-FDE技术相结合既可以有效对抗信道频率选择性干扰，又可以增加***的吞吐量。
发明内容
发明目的：针对SC-FDE***的接收端存在IQ不平衡的情况，本发明目的在于提出一种基于导频数据的IQ不平衡估计和补偿方法及装置。
技术方案：为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法，包括以下步骤：
(1)接收端将移除循环前缀后的时域数据FFT变换到频域；
(2)将导频数据块频域数据与镜像叠加，利用IQ不平衡参数之间的关系，得到与IQ不平衡不相关的叠加后的数据，采用LS方法估计信道信息；
(3)将得到的信道估计及其镜像代入接收的频域数据，利用导频数据块估计IQ不平衡参数；
(4)对频域接收数据取其镜像后合并，将IQ不平衡参数和信道信息代入，对频域数据进行补偿，在频域上通过LS估计出发送信号的频域数据；
(5)将频域上得到的估计值IFFT变换到时域，解调后恢复出原始发送数据。
接收端将接收信号FFT变换后得到的频域数据Y(k,n)表示为：
Figure BDA0001657995480000021
其中，k表示第k个数据块，n表示频域数据块的第n个数据符号，Yj(k,n)是接收端第j根天线的接收信号FFT变换后的值；Si(k,n)是发射端第i根天线的发射信号FFT变换后的值；上标#表示镜像；W(k,n)、U(k,n)是和信道信息以及IQ不平衡参数相关的项，取值为：
Figure BDA0001657995480000026
其中，αj＝(1+εjexp(jθj))/2，βj＝(1-εjexp(-jθj))/2，θj和εj是第j根接收天线上的相位和幅度不平衡参数；Hji(k,n)是第j根接收天线对第i根发射天线的信道频域衰落系数；
Figure BDA0001657995480000022
是接收端第j根天线的噪声干扰项，Vj(k,n)是接收端第j根天线的加性高斯白噪声FFT变换后的值。
步骤(2)中信道信息估计方法为：
对频域数据Y(k,n)求镜像，将Y(k,n)和Y#(k,n)叠加，利用IQ不平衡参数的关系
Figure BDA0001657995480000023
得到和IQ不平衡不相关的值
Figure BDA0001657995480000024
Figure BDA0001657995480000025
将导频数据块的第n个数据符号堆叠得到：
Figure BDA0001657995480000031
其中，K表示导频数据块的个数，V是和噪声相关的干扰项；
采用LS方法估计H：
Figure BDA0001657995480000032
步骤(3)中IQ不平衡参数估计方法为：
将信道信息
Figure BDA0001657995480000033
和其镜像
Figure BDA0001657995480000034
代入第j根天线的频域数据Yj(k,n)：
Figure BDA0001657995480000035
把第j根天线接收的K个导频数据块的所有数据符号依次堆叠，变成列向量的形式：
Figure BDA0001657995480000036
其中
Figure BDA0001657995480000037
Figure BDA0001657995480000038
由噪声和信道估计误差组成；
采用LS方法估计参数αj和βj：
Figure BDA0001657995480000039
步骤(4)中频域数据补偿方法为：
对Y(k,n)取其镜像Y#(k,n)合并后得到：
Figure BDA00016579954800000310
Wa(k)、Ua(k)是和信道信息以及IQ不平衡相关的项，取值为：
Figure BDA0001657995480000041
采用LS方法得到Sa的估计值：
Figure BDA0001657995480000042
一种实现所述SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法的装置，包括：
FFT变换模块，用于将移除循环前缀后的时域数据FFT变换到频域；
信道信息估计模块，用于将导频数据块频域数据与镜像叠加，利用IQ不平衡参数之间的关系，得到与IQ不平衡不相关的叠加后的数据，采用LS方法估计信道信息；
IQ不平衡估计模块，用于将得到的信道估计及其镜像代入接收的频域数据，利用导频数据块估计IQ不平衡参数；
IQ不平衡补偿模块，用于对频域接收数据取其镜像后合并，将IQ不平衡参数和信道信息代入，对频域数据进行补偿，在频域上通过LS估计出发送信号的频域数据；
IFFT变换模块，用于将IQ不平衡补偿模块得到的频域数据进行IFFT变换到时域；
以及，解映射模块，用于将IQ不平衡补偿后的时域数据进行解调得到原始发送数据。
有益效果：本发明提供的基于SC-FDE技术通信***接的收端IQ不平衡参数估计和补偿方法，利用了导频数据以及IQ不平衡参数之间的关系，在频域对IQ不平衡参数和信道信息分开估计。随后求取频域接收信号的镜像，将估计出的IQ不平衡参数和信道信息代入，采用简单的LS估计，就可以同时补偿IQ不平衡和信道对信号的干扰，且此方法可以同时适用于SISO和MIMO***。
附图说明
图1是本发明实施例的SC-FDE***的IQ不平衡补偿方法示意图。
图2是本发明实施例的IQ不平衡参数估计均方误差仿真示意图
图3是本发明实施例的IQ不平衡补偿后数据误比特率仿真示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，在SC-FDE***中，在发射端数据进行调制后，经过流解析将数据分成与发射天线个数对应的流数。数据块加上CP，数据通过射频端发送出去，第i根天线上发送的数据为si(k,t)。
不考虑发射端IQ不平衡参数，经过无线信道和加性噪声干扰后，第j根接收天线的信号为
Figure BDA0001657995480000051
其中k代表第k个数据块，t代表第t个数据符号。hji表示第j根接收天线对第i根发射天线的衰落系数，vj是第j根接收天线的加性噪声，
Figure BDA0001657995480000052
代表信号卷积。
考虑接收的时域信号因射频前端的硬件损伤引入了IQ不平衡，接收信号加入原始信号的共轭项，第j根天线的接收信号yj应为
Figure BDA0001657995480000053
其中αj和βj是第j根天线上和IQ不平衡相关的项，它们的值为αj＝(1+εjexp(jθj))/2，βj＝(1-εjexp(-jθj))/2，θj和εj是第j根接收天线上的相位和幅度不平衡参数。
针对上述情况，本发明实施例公开的一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法，主要包括以下步骤：
(1)接收端接收到引入了IQ不平衡的数据后，移除CP，将时域数据FFT变换到频域。数据块移除CP，经过FFT变换到频域后的数据Y(k,n)为
Figure BDA0001657995480000054
上标#表示镜像，
Figure BDA0001657995480000055
是由IQ不平衡引入的镜像干扰，N个数据符号的数据块
Figure BDA0001657995480000056
和Si(k,n)的关系为
Figure BDA0001657995480000061
W(k,n)、U(k,n)是和信道信息以及IQ不平衡参数相关的项，取值为：
Figure BDA0001657995480000062
(2)利用导频数据块对信道信息进行估计。
对频域数据Y(k,n)求镜像：
Figure BDA0001657995480000063
将Y(k,n)和Y#(k,n)叠加，利用IQ不平衡参数的关系
Figure BDA0001657995480000064
得到和IQ不平衡不相关的值
Figure BDA0001657995480000065
Figure BDA0001657995480000066
将导频数据块的第n个数据符号堆叠
Figure BDA0001657995480000067
K表示导频数据块的个数，V是和噪声相关的干扰项。采用LS方法估计H：
Figure BDA0001657995480000068
(3)将得到的信道信息
Figure BDA0001657995480000069
和其镜像
Figure BDA00016579954800000610
代入接收的频域数据，对IQ不平衡参数进行估计。第j根接收天线上的频域信号为：
Figure BDA00016579954800000611
把第j根天线接收的K个导频数据块的N个数据符号依次堆叠，变成列向量的形式：
Figure BDA0001657995480000071
其中
Figure BDA0001657995480000072
Figure BDA0001657995480000073
由噪声和信道估计误差组成。我们采用LS方法估计参数αj和βj：
Figure BDA0001657995480000074
(4)将信道信息和IQ不平衡参数代入频域数据，对频域数据进行补偿，频域接收数据改写为：
Figure BDA0001657995480000075
对Y(k,n)取其镜像Y#(k,n)合并后得到：
Figure BDA0001657995480000076
Wa(k)、Ua(k)是和信道信息以及IQ不平衡相关的项，取值为：
Figure BDA0001657995480000077
采用简单的LS方法就可以得到Sa的估计值：
Figure BDA0001657995480000078
(5)得到频域数据块估计值后，再经过IFFT变换和解映射以后就可以恢复出原始数据。
本发明另一实施例公开了一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿装置，包括：FFT变换模块，用于将移除循环前缀后的时域数据FFT变换到频域；信道信息估计模块，用于将导频数据块频域数据与镜像叠加，利用IQ不平衡参数之间的关系，得到与IQ不平衡不相关的叠加后的数据，采用LS方法估计信道信息；IQ不平衡估计模块，用于将得到的信道估计及其镜像代入接收的频域数据，利用导频数据块估计IQ不平衡参数；IQ不平衡补偿模块，用于对频域接收数据取其镜像后合并，将IQ不平衡参数和信道信息代入，对频域数据进行补偿，在频域上通过LS估计出发送信号的频域数据；IFFT变换模块，用于将IQ不平衡补偿模块得到的频域数据进行IFFT变换到时域；以及，解映射模块，用于将IQ不平衡补偿后的时域数据进行解调得到原始发送数据。上述FFT变换模块、IFFT变换模块、解映射模块等模块均是现有通信***中的成熟模块，此处不再赘述。IQ不平衡参数估计和IQ不平衡补偿模块的具体实施细节可参考上述方法实施例，此处也不再赘述。
下面结合具体matlab仿真实例和效果来对IQ不平衡参数估计和补偿方法进行进一步说明。该方法主要包括以下步骤：
1)***配有两根发射天线，两根接收天线。发射端数据采用16QAM方式调制，生成100个包含256采样点的数据块。其中为了保证IQ不平衡参数和信道信息估计的准确性，导频数据块K取8-12个，将数据进行流解析，分成两个相等数据量的流。
2)每个数据块加上长度为64的CP，不考虑发射端IQ不平衡参数，信道的时延长度小于CP的长度，且信道在连续数据块间隔内保持稳定。信号经过信道，再加上加性高斯白噪声干扰后两根天线上的接收信号为
Figure BDA0001657995480000081
Figure BDA0001657995480000082
考虑接收的时域信号因射频前端的硬件损伤引入了IQ不平衡
y1(k,t)＝α1r1(k,t)+β1r1 *(k,t)
Figure BDA0001657995480000083
其中αj＝(1+εjexp(jθj))/2，βj＝(1-εjexp(-jθj))/2，第一根接收天线上的相位和幅度不平衡参数为θ1＝3°，ε1＝1.2；第二根接收天线上的相位和幅度不平衡参数为θ2＝2°，ε2＝1.3。
3)在接收端，数据块移除掉CP，再经过256点的FFT变换到频域后的数据为
Figure BDA0001657995480000091
其中(·)T表示转置，W(k,n)和U(k,n)是和IQ不平衡参数及信道有关的参数：
Figure BDA0001657995480000092
求Y(k,n)的镜像：
Figure BDA0001657995480000093
将Y(k,n)和Y#(k,n)叠加，利用IQ不平衡参数的关系
Figure BDA0001657995480000094
得到和IQ不平衡不相关的值
Figure BDA0001657995480000095
Figure BDA0001657995480000096
其中
Figure BDA0001657995480000097
H#(k,n)是H(k,n)的镜像。可以利用
Figure BDA0001657995480000098
去估计信道，然而
Figure BDA0001657995480000099
只产生一个等式去估计H(k,n)和H#(k,n)，
Figure BDA00016579954800000910
包含两个参数，H(k,n)和H#(k,n)包含八个参数，为了保证估计估计的准确性，需要生成多个相同的等式去估计信道，因此导频数据块个数K的取值范围是8-12，因此我们将导频数据块的第n个数据符号堆叠
Figure BDA00016579954800000911
采用LS方法估计H：
Figure BDA00016579954800000912
4)将得到的信道信息
Figure BDA00016579954800000913
和其镜像
Figure BDA00016579954800000914
代入接收的频域数据，对IQ不平衡参数进行估计。第1根接收天线上的频域信号为：
Figure BDA0001657995480000101
把K个导频数据块的N个数据符号依次堆叠，变成列向量的形式：
Figure BDA0001657995480000102
其中
Figure BDA0001657995480000103
Figure BDA0001657995480000104
由噪声和信道估计误差组成。我们采用LS方法估计参数α1和β1：
Figure BDA0001657995480000105
同样的方法也可以对第2根天线的IQ不平衡参数α2和β2进行估计，IQ不平衡参数估计均方误差
Figure BDA0001657995480000106
导频数据分别取8、10、12个时，IQ不平衡参数估计的误差随SNR的变化曲线如图2所示。
5)取10个导频数据估计出来的信道信息和IQ不平衡参数代入频域数据，对频域数据进行补偿，频域接收数据改写为：
Figure BDA0001657995480000107
Wa(k)、Ua(k)是和信道信息以及IQ不平衡相关的项为：
Figure BDA0001657995480000108
对Y(k,n)取其镜像Y#(k,n)合并后得到：
Figure BDA0001657995480000109
采用简单的LS方法就可以得到Sa的估计值：
Figure BDA0001657995480000111
6)估计出的数据
Figure BDA0001657995480000112
中取出原始数据的估计值
Figure BDA0001657995480000113
再经过IFFT变换和解映射以后就可以恢复出原始数据。
将估计出的比特数据和原始数据对比，计算在不同信噪比之下的误比特率，仿真结果如图3所示。本方法还和接收端不存在IQ不平衡以及IQ不平衡没有补偿的情况作了对比，可以看出IQ不平衡的存在对***性能造成严重影响，使用本发明方法补偿IQ不平衡后，误比特率接近于理想情况。
综上所述，本方法适用于无线通信***收发端存在频率不相关IQ不平衡的情况，利用了导频数据块，在频域将IQ不平衡参数和信道信息分开估计，随后将估计的信息代入频域数据，采用简单的LS方法就可以同时补偿IQ不平衡参数和信道干扰，本方法对MIMO***有很好的适应性。

Claims (3)

1.一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接收端将移除循环前缀后的时域数据FFT变换到频域；
(2)将导频数据块频域数据与镜像叠加，利用IQ不平衡参数之间的关系，得到与IQ不平衡不相关的叠加后的数据，采用LS方法估计信道信息；
(3)将估计的信道信息及其镜像代入接收的导频数据块频域数据，利用导频数据块估计IQ不平衡参数；
(4)对频域数据取其镜像后合并，将IQ不平衡参数和信道信息代入，对频域数据进行补偿，在频域上通过LS估计出发送信号的频域数据；
(5)将频域上得到的估计值IFFT变换到时域，解调后恢复出原始发送数据；
接收端将接收信号FFT变换后得到的频域数据Y(k,n)表示为：
Figure FDA0002627041990000011
其中，k表示第k个数据块，n表示频域数据块的第n个数据符号，Yj(k,n)是接收端第j根天线的接收信号FFT变换后的值；Si(k,n)是发射端第i根天线的发射信号FFT变换后的值；上标#表示镜像；W(k,n)、U(k,n)是和信道信息以及IQ不平衡参数相关的项，取值为：
Figure FDA0002627041990000012
其中，αj＝(1+εjexp(jθj))/2，βj＝(1-εjexp(-jθj))/2，θj和εj是第j根接收天线上的相位和幅度不平衡参数；Hji(k,n)是第j根接收天线对第i根发射天线的信道频域衰落系数；
Figure FDA0002627041990000013
是接收端第j根天线的噪声干扰项，Vj(k,n)是接收端第j根天线的加性高斯白噪声FFT变换后的值；
步骤(2)中信道信息估计方法为：
对频域数据Y(k,n)求镜像，将Y(k,n)和Y#(k,n)叠加，利用IQ不平衡参数的关系
Figure FDA0002627041990000014
得到和IQ不平衡不相关的值
Figure FDA0002627041990000015
Figure FDA0002627041990000021
将导频数据块的第n个数据符号堆叠得到：
Figure FDA0002627041990000022
其中，K表示导频数据块的个数，V是和噪声相关的干扰项；
采用LS方法估计H：
Figure FDA0002627041990000023
步骤(3)中IQ不平衡参数估计方法为：
将信道信息
Figure FDA0002627041990000024
和其镜像
Figure FDA0002627041990000025
代入第j根天线的频域数据Yj(k,n)：
Figure FDA0002627041990000026
把第j根天线接收的K个导频数据块的所有的数据符号依次堆叠，变成列向量的形式：
Figure FDA0002627041990000027
其中
Figure FDA0002627041990000028
Figure FDA0002627041990000029
由噪声和信道估计误差组成；
采用LS方法估计参数αj和βj：
Figure FDA00026270419900000210
2.根据权利要求1所述的一种SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法，其特征在于，步骤(4)中频域数据补偿方法为：
对Y(k,n)取其镜像Y#(k,n)合并后得到：
Figure FDA0002627041990000031
Wa(k,n)、Ua(k,n)是和信道信息以及IQ不平衡相关的项，取值为：
Figure FDA0002627041990000032
采用LS方法得到Sa的估计值：
Figure FDA0002627041990000033
3.一种实现根据权利要求1-2任一项所述SC-FDE***的接收端IQ不平衡估计和补偿方法的装置，其特征在于，包括：
FFT变换模块，用于将移除循环前缀后的时域数据FFT变换到频域；
信道信息估计模块，用于将导频数据块频域数据与镜像叠加，利用IQ不平衡参数之间的关系，得到与IQ不平衡不相关的叠加后的数据，采用LS方法估计信道信息；
IQ不平衡估计模块，用于将得到的信道估计及其镜像代入接收的频域数据，利用导频数据块估计IQ不平衡参数；
IQ不平衡补偿模块，用于对频域接收数据取其镜像后合并，将IQ不平衡参数和信道信息代入，对频域数据进行补偿，在频域上通过LS估计出发送信号的频域数据；
IFFT变换模块，用于将IQ不平衡补偿模块得到的频域数据进行IFFT变换到时域；
以及，解映射模块，用于将IQ不平衡补偿后的时域数据进行解调得到原始发送数据。
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