一種載波頻偏估計的方法和裝置的製作方法

2023-05-26 12:19:36 1

專利名稱：一種載波頻偏估計的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及多入多出(MIMO)系統的信號檢測技術，特別涉及一種相 關MIMO信道下載波頻偏估計的方法和裝置。
背景技術：
近年來，MIMO技術已得到人們的廣泛關注。在MIMO系統中，發端 和收端均採用多個天線對無線信號進行發射和接收，能充分利用無線信道的 空間分集，從而明顯提高系統的頻譜效率。
圖1為MIMO系統的結構示意圖。同其他無線通信系統一樣，在MIMO
頻率誤差，不可避免的會產生載波頻偏(CFO),而載波頻偏的存在會使系統 性能嚴重惡化。因此在檢測之前，必須進行準確的載波頻偏估計，並對頻偏 進行補償。
頻偏估計的基本思想是進行頻偏估計時，採用特定的訓練序列進行， 該訓練序列在收發兩端均有保存，發端將訓練序列調製後通過發射天線發送 出來，接收機利用接收天線接收到訓練序列對應的接收序列後，對其進行解 調，並通過一定的算法，與自身保存的訓練序列做比較，從而確定載波頻偏。
目前，研究MIMO系統中的頻偏估計問題時，均假設MIMO信道各條 支路相互獨立，以此為前提，進行頻偏估計。這樣的頻偏估計事實上並沒有 考慮MIMO信道各支路之間的相關性，因此在實際應用中具有一定的局限 性。
在實際MIMO信道中，各條支路常常具有一定的相關性，在此類MIMO 系統中，利用以MIMO信道相互獨立為前提的頻偏估計方法進行頻偏估計
時，其頻偏估計的準確度會降低，從而進一步降低系統的信號檢測性能。

發明內容
有鑑於此，本發明實施例提供一種載波頻偏估計的方法，能夠準確估計
相關MIMO信道下的載波頻偏，從而提高系統的信號檢測性能。
本發明實施例還提供一種載波頻偏估計的裝置，利用該裝置能夠準確估
計相關MIMO信道下的載波頻偏，從而提高系統的信號檢測性能。 為實現上述目的，本發明實施例採用如下的技術方案 一種載波頻偏估計的方法，該方法包括
接收天線接收發射信號，並對該發射信號進行匹配濾波，經同步後確定 採樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將接收天線的接收數 據序列組成接收數據矢量；
根據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性 和信道的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數；
根據平均對數似然函數，確定MIMO信道的載波頻偏估計值。
一種載波頻偏估計的裝置，該裝置包括接收模塊、似然函數模塊和頻 偏估計模塊，其中，
所述接收模塊，用於接收發射信號，並對該發射信號進行匹配濾波，經 同步後確定釆樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將接收天 線的接收數據序列組成接收數據矢量，將該接收數據矢量發送給所述似然函 數模塊；
所述似然函數模塊，用於接收所述接收模塊發送的接收數據矢量，並根 據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道 的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數，將該平 均對數似然函數發送給所述頻偏估計模塊；
所述頻偏估計模塊，用於根據接收到的平均對數似然函數，確定MIMO 信道的載波頻偏估計值。由上述技術方案可以看出，本發明實施例將對接收天線上接收到的信號
進行匹配濾波和釆樣後的接收數據序列進行組合形成接收數據矢量；根據該 接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道的 噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數；最後根據 平均對數似然函數，確定MIMO信道的載波頻偏估計值。由於本發明實施 例在構造平均對數似然函數時利用到了 MIMO信道的相關特性，因此以該 平均對數似然函數為依據確定的載波頻偏估計值，可以應用於各支路具有相 關性的MIMO信道中，實現在相關MIMO信道中準確估計載波頻偏，提高 系統信號檢測性能。


圖1為MIMO系統的結構示意圖。
圖2為本發明實施例的相關MIMO信道下載波頻偏估計方法的總體流 程圖。
圖3為本發明實施例的相關MIMO信道下載波頻偏估計裝置的總體結 構圖。
圖4為本發明實施例一 中發送端對訓練序列進行調製並發射的過程。 圖5為本發明實施例一中相關MIMO信道下載波頻偏估計方法的具體 流程圖。
圖6為本發明實施例二中相關MIMO信道下載波頻偏估計裝置的具體 結構圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術手段和優點更加清楚明白，以下結合附圖並舉 實施例，對本發明做進一步詳細說明。
圖2為本發明實施例的相關MIMO信道下載波頻偏估計方法的總體流 程圖。如圖2所示，該方法包括 步驟201，接收天線接收發射信號，並對該發射信號進行匹配濾波，經 同步後確定採樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將接收天 線的接收數據序列組成接收數據矢量。
步驟202,根據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道 的相關特性和信道的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數 似然函數。
步驟203,根據平均對數似然函數，確定MIMO信道的載波頻偏估計值。
圖3為本發明實施例的相關MIMO信道下載波頻偏估計裝置的總體結 構圖。如圖3所示，該裝置300包括接收模塊310、似然函數模塊320和 頻偏估計模塊330,其中，
在該裝置300中，接收模塊310,用於接收發射信號，並對該發射信號 進行匹配濾波，經同步後確定採樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據 序列，並將所有接收天線的接收數據序列組成接收數據矢量，將該接收數據 矢量發送給似然函數模塊320。
似然函數模塊320,用於接收所述接收模塊發送的接收數據矢量，並根 據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道 的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數，將該平 均對數似然函數發送給頻偏估計模塊330。
頻偏估計模塊330,用於根據接收到的平均對數似然函數，確定MIMO 信道的載波頻偏估計值。
上述即為對本發明實施例的MIMO信道下載波頻偏估計的總體4既述， 下面通過具體實施例說明本發明的具體實施方式
。
實施例一
在本實施例中，發端和收端均採用集中式天線，並且發端和收端均採用 同一個振蕩器的MIMO系統.這樣，發端各發射天線與收端各個接收天線 之間的時延和頻偏均相同，即整個MIMO系統只具有一個時延和一個頻偏。 系統信道為平坦衰落MIMO信道，其各支路之間可以具有任意的相關係數，
但各支路之間的相關係數不能全為1,也即各支路的信道特性不完全相同。 在實際系統中，各支路的信道特性完全相同的概率很小。
假定在M,根發射天線、M《根接收天線的MIMO系統中，利用訓練序列
對載波頻偏進^f於估計。
圖4為本發明實施例一 中發送端對訓練序列進行調製並發射的過程。如 圖4所示，該過程包括
(1) 在發送端，為各個發射天線選擇一組訓練序列
",["],/ = l，2,...,Mr " = 1，2,...,W,其中iV為訓練序列長度，/為發射天線的索引，可以為任意序列，只要保持收發兩端保存的序列相同即可。
(2) 將各個發射天線上的訓練序列a,W分別通過脈衝成形濾波器，與 脈衝波形-(,)相乘，得到Mr個發射天線上的發射信號
其中r為符號持續時間。
(3 )將71^個發射天線上的發射信號&(0分別通過A^個發射天線發射出去。
在接收端，接收經過相關MIMO信道的發射信號，並對該信號進行處 理從而得到頻偏估計。具體地，收端對接收信號的處理包括前端處理和頻偏 估計兩個部分。
圖5為本發明實施例一中相關MIMO信道下載波頻偏估計方法的具體 流程圖。如圖5所示，該方法包括
步驟501,各個接收天線接收信號並進行匹配濾波。
本步驟中，所有接收天線對信號進行接收、匹配濾波的過程相同。這裡 以第A:個接收天線為例說明該過程。
設接收濾波器的時域特性為"O，匹配於發端的"0。濾波後得到第^;個
接收天線上的基帶接收信號
^)=Ev—"1,2,...,mb 其中，j^為接收天線數，g(o=^(o—(0, *表示巻積，/^,表示第/個發
射天線與第*個接收天線之間的信道增益，r和《分別為收端與發端之間的時 延和(角)頻偏， (0表示雙邊功率譜密度為iV。/2的零均值加性白高斯噪聲
(awgn)。
步驟502,接收機在完成時間同步後，確定採樣時刻，並對濾波結果進 行採樣。
本步驟中，對各個接收天線上匹配濾波後的基帶信號以l/r的速率進行 採樣，得到接收數據序列。以第yt個接收天線為例，對應該接收天線進行採 樣為
formula see original document page 10
定義^ = 7為歸一化(角)頻偏，也即載波頻偏估計的對象。同時，採 用滿足奈奎斯特準則的傳輸波形，即滿足
formula see original document page 10
將(2)式代入(1)即可以得到第yt個接收天線上的接收數據序列
步驟503，按照步驟501和步驟502的方式得到所有接收天線上的接收 數據序列後，將這M^個接收天線上的接收數據序列^[m]排列成以下接收數
據矢量
formula see original document page 10 (3)
其中，r,-[/;[l]A[2],…，rj7V]了表示第A:個接收天線上的接收數據序列，
rJ/]表示第yt個接收天線上接收數據序列中的第/個符號。
步驟504,根據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道
的相關特性和信道的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數 似然函數。
本步驟中，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數的具體
方式為
考慮瑞利平坦衰落信道模型，則信道增益&為具有單位方差的零均值循 環對稱復高斯(ZMCSCG)隨機變量，即~-c#(o，i)。同時本發明實施例還考慮 了 MIMO信道各條支路的信道增益之間的相關性，其互相關矩陣定義為 Rh=￡{hhff}，其中h4hf,h〖,…，h。7。另外，假設各接收天線上的噪聲相互獨立，
則 為相互獨立的ZMCSCG隨機變量序列，有￡卜"= 1層，，其中，
其中，r^r,，r;",…,r:,了即為公式(l)所示的r， r(s) = diag{ 2V..,e*}。令
z(s) = r(￡) a i仏，其中 表示矩陣的Kronecker乘積，vW^為MIMO系統中接 收天線的個數， ]為訓練矩陣， a, ^a,[l],a,[2],…，a,[W]丫為第/才艮發
射天線使用的訓練序列。則式(4)變為
其中，(.廣表示取赫密特共軛。從式(5)中可以看出，條件似然函數中除 了待估計的參數s外，還包含未知參數h。本實施例中，假定信道是瑞利平 坦衰落信道模型，然後將似然函數關於h求統計平均，得到平均對數似然函 數。
為了構造平均對數似然函數，本實施例首先需要將條件似然函數表示成
接收信號在未知參數s和h下的條件似然函數可以表示為實數形式。令
f = [Re {,Z (s)}, — Im {r"Z
Re{h}' ，Im{h}
Z
Re(Z Z(s)} -Im{z Z(s)} Im{z Z(e)} Re(Z }
則有2Re(r"Z(s)h卜2n h"Z"(s)Z(一h = 2^2￡ ,從而條件似然函數變為
const— 2r h + 2h Zh
在瑞利平坦衰落信道下，信道增益h的聯合概率密度函數(PDF)為
p(h卜^M,Wexp{—h R;;lh},採用和上面同才羊的方法，令6:'=丄
Re{Rh-'} -Im{Rh-Im{R;;'} Re(R:'
則PDF可以表示成實數形式p(ii卜;z:,叫expr2irfi:'iij 。
然後通過將條件似然函數p(f I si)對S求統計平均，得到平均對數似然函
數
=constxexp<j — r (2Z + 2W0Rh r|
對以上的平均對數似然函數取對數，便得到對數似然函數
〃 \ 1 J/A 1 A
lnp(r |s) = const +——r 2Z + 2A^0Rh r
利用實數矩陣和複數矩陣之間的關係，可以再將得到的平均對數似然函
數還原為複數形式
ln/7(r I f) = const +丄,Z(f )[ZW (s)Z(s) + W。Rj;']—' Zff (e)r (6)W。
最後，將式(6)進行一些整理，便得到構造的平均對數似然函數 /(0,(r一r卞(,、]G[r"(,I仏]r (7),
其中，
G = (A Iw, )(A"A Iw, + 7V0Rh')—' (A" 、 )
也即，本步驟中構造的平均對數似然函數為 /(咖一(巾卜,[r(f)劍叫](A劍叫)(A"A②I叫+iVA-丁)A、I叫)[r^)劍Jr。由上述可 以看出，本發明實施例中構造的平均對數似然函數是根據MIMO信道的互
相關特性進行的，因此其似然函數適用於相關MIMO信道。
步驟505,根據平均對數似然函數，確定MIMO信道的載波頻偏估計值。 本步驟中，確定MIMO信道的載波頻偏估計值的具體方式為，獲取平
均對數似然函數取最大值時載波頻偏的取值，並將該取值作為載波頻偏估計值。
至此，本發明實施例一的方法流程結束。
由上述公式 (7)可以看出，事實上，構造平均對數似然函數可以分為兩 步進行，首先是G矩陣的構造，而後是公式(7)中平均對數似然函數的構造。 在實施例 一 中這兩步均是在形成接收數據矢量後進行的。
其實，G矩陣的構造也可以在接收數據矢量形成前進行。由於G矩陣 的構造只需要信道的互相關特性，不需要系統的實時數據，因此可以在系統 中保存G矩陣，從而減小系統開銷，在接收到訓練序列對應的數據後，再 進行接收數據矢量的形成，和根據G矩陣構造平均對數似然函數的過程。
通過上述流程得到的載波頻偏估計，由於其平均對數似然函數的構造是 根據相關MIMO信道進行的，因此以該似然函數為依據進行的頻偏估計即 可以適用於相關MIMO信道。
實施例二
圖6為本發明實施例二中相關MIMO信道下載波頻偏估計裝置的具體 結構圖。如圖6所示，該裝置600包括接收模塊610、似然函數模塊620 和頻偏估計模塊630。其中，接收模塊610包括接收子模塊611、匹配濾波 子模塊612、同步子模塊613和採樣子模塊614。
在該裝置600的接收模塊610中，接收子模塊611,用於接收發射信號， 並將該信號發送給匹配濾波子模塊612和同步子模塊613。匹配濾波子模塊
612,用於對接收子模塊611轉發的信號進行匹配濾波，並將濾波後的結果 發送給同步子模塊613。
同步子模塊613,用於接收接收子模塊611轉發的信號和匹配濾波子模 塊612發送的濾波結果，並確定採樣時刻，將各個接收天線上的對應採樣時 刻開始的匹配濾波結果發送給採樣子模塊614。採樣子模塊614，用於對接 收到的匹配濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將所有接收天線的接收 數據序列組成接收數據矢量，發送給似然函數模塊620中的平均對數似然函 數構造子模塊622。
在似然函數模塊620中，G矩陣構造子模塊621,用於根據訓練序列構 成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道的噪聲特性，構造G矩陣， 並將構造的G矩陣發送給平均對數似然函數子模塊622。平均對數似然函數 構造子模塊622，用於接收接收模塊610中採樣模塊614發送的接收數據矢 量和G矩陣構造子模塊621發送的G矩陣，並根據接收數據矢量和G矩陣 構造平均對數似然函數，將構造結果發送給頻偏估計模塊630。
頻偏估計模塊630,用於根據接收到的平均對數似然函數，確定MIMO 信道的載波頻偏估計值。
由上述兩個實施例可見，本發明實施例將對各個接收天線上接收到的信 號進行匹配濾波和採樣後的接收數據序列進行組合形成接收數據矢量；根據 該接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道 的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數；最後根 據平均對數似然函數，確定相關MIMO信道的載波頻偏估計值。由於本發 明在構造平均對數似然函數時利用到了 MIMO信道的相關特性，因此以該 平均對數似然函數為依據確定的載波頻偏估計值，可以應用於各支路具有相 關性的MIMO信道中，實現在相關MIMO信道中準確估計載波頻偏，提高 系統信號檢測性能的目的。
同時，由於本發明實施例基於的平均最大似然(ML)不需要信道信息， 僅需要信道相關統計信息，因此在進行實際構造平均對數似然函數時，可以
首先在系統中保存G矩陣，根據接收數據和保存的G矩陣構造平均對數似 然函數，提高了進行載波頻偏時的實時處理能力。
以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應 包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種載波頻偏估計的方法，其特徵在於，該方法包括接收天線接收發射信號，並對該發射信號進行匹配濾波，經同步後確定採樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將接收天線的接收數據序列組成接收數據矢量；根據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數；根據平均對數似然函數，確定MIMO信道的載波頻偏估計值。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述匹配濾波為，利用與發 送端的脈衝成形濾波相匹配的濾波器對接收到的信號進行濾波。
3、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述將接收天線的接收數據序列組成接收數據矢量為formula see original document page 2為第)t根接收天線的接收數據矢量。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述訓練序列構成的訓練矩 陣為以每根發射天線採用的訓練序列為列向量，將列向量按照發射天線的順 序排列，構成訓練矩陣。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述構造接收數據矢量與訓 練矩陣間的平均對數似然函數包括，構造G矩陣，g ^a0、)(a"a0、 +w。r;;')—'(aw 、)，根據G矩陣，構造平均對數似然函數 /(s),(rlsH卞(批,]G[r，、]r，其中，r(s) = diag{ 2V"，e,}， O表示矩陣的Kronecker乘積，(.)"表示取赫密特共軛，、，為單位矩陣，M,為MIMO系統中接收天線的個數，A4a,A,…，、]為訓練矩陣，a,[。,[l]，",[2],…,。,[W];f為第/根發射天線使用的訓練序列，r^為MIMO信道的相關矩陣，乂為高斯白噪聲的單邊功率譜密度。
6、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述構造G矩陣在形成接收數據矢量前進行，或在形成接收數據矢量後進行。
7、 根據權利要求1到6中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述確定 MIMO信道的載波頻偏估計值為獲取平均對數似然函數取最大值時，載波頻 偏的取值，並將該取值作為載波頻偏估計值。
8、 一種載波頻偏估計的裝置，其特徵在於，該裝置包括接收模塊、似然 函數模塊和頻偏估計^^莫塊，其中，所述接收模塊，用於接收發射信號，並對該發射信號進行匹配濾波，經同 步後確定採樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將接收天線的 接收數據序列組成接收數據矢量，將該接收數據矢量發送給所述似然函數模塊；所述似然函數模塊，用於接收所述接收模塊發送的接收數據矢量，並根據 接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道的噪 聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數，將該平均對數 似然函數發送給所述頻偏估計模塊；所述頻偏估計模塊，用於根據接收到的平均對數似然函數，確定MIMO信 道的載波頻偏估計值。
9、 根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述接收模塊包括接收子模 塊、匹配濾波子模塊、同步子模塊和採樣子模塊，其中，所述接收子模塊，用於接收發射信號，並將該信號發送給所述匹配濾波子 模塊和所述同步子模塊；所述匹配濾波子模塊，用於對所述接收子模塊轉發的信號進行匹配濾波， 並將濾波後的結果發送給所述同步子模塊；所述同步子模塊，用於接收所述接收子模塊轉發的信號和所述匹配濾波子 模塊發送的濾波結果，並確定採樣時刻，將對應採樣時刻開始的濾波結果發送 給所述採樣子模塊；所述採樣子模塊，用於對接收到的濾波結果進行採樣得到接收數據序列， 並將接收天線的接收數據序列組成接收數據矢量，發送給所述似然函數^t塊。
10、根據權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，所述似然函數模塊包括G矩陣構造子模塊和平均對數似然函數構造子模塊，其中，所述G矩陣構造子模塊，用於根據訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道的噪聲特性，構造G矩陣，並將構造的G矩陣發送給所述平均對數似然函數子模塊；所述平均對數似然函數構造子模塊，用於接收所述接收模塊發送的接收數據矢量和所述G矩陣構造子模塊發送的G矩陣，並根據接收數據矢量和G矩陣構造平均對數似然函數，將構造結果發送給所述頻偏估計模塊。
全文摘要
本發明實施例公開了一種載波頻偏估計的方法，包括接收天線發射信號，並對該發射信號進行匹配濾波，經同步後確定採樣時刻，對濾波結果進行採樣得到接收數據序列，並將接收天線的接收數據序列組成接收數據矢量；根據接收數據矢量、訓練序列構成的訓練矩陣、MIMO信道的相關特性和信道的噪聲特性，構造接收數據矢量與訓練矩陣間的平均對數似然函數；根據平均對數似然函數，確定MIMO信道的載波頻偏估計值。該方法能夠準確估計相關MIMO信道中的載波頻偏，提高MIMO系統的信號檢測性能。本發明實施例還公開了一種載波頻偏估計的裝置。
文檔編號H04B7/02GK101188447SQ200610145439
公開日2008年5月28日 申請日期2006年11月15日 優先權日2006年11月15日
發明者劉發彪, 唐友喜, 凱 鄧 申請人:華為技術有限公司;電子科技大學