一种频率相关iq不平衡与信道的联合估计与补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别涉及无线通信系统中一种联合信道估计与频 率相关IQ(In-phaseQuadrature,IQ)不平衡补偿的方法。
【背景技术】
[0002] 无线通信通常需要载波调制，鉴于实际中模拟器件的非理想性，模拟前端（FE， front-end)的同相与正交（IQ,In-phaseQuadrature)两路信号在调制解调的过程中会产 生信号的不平衡，即IQ两路本振信号的幅度不再相同，相位差也不等于（IQ不平衡），从而 导致系统性能下降，这在载波频率较高的系统（如毫米波通信系统）中更为严重，尤其是在 当高频通信系统采用高阶调制或者射频前端为了降低成本而采用低成本的直接变频结构 的情况下。一般来说，也有一些模拟域的技术可用来降低IQ不平衡的影响，如布线技术、使 用不同的电路拓扑结构等等，但是这些技术往往会增加设备尺寸、功耗和成本，而且不能有 效地消除IQ不平衡。相比之下，在数字域通过数字信号处理对IQ不平衡进行估计和补偿 不需要像模拟域一样做各种权衡或折中，有着巨大优势。因此，在数字基带中进行IQ不平 衡补偿是必要和关键的。
[0003] 造成IQ不平衡的原因分为两种：一种是与频率独立的IQ不平衡 (frequency-independentI/Qmismatch)，这种不平衡是由于混频器产生的本振信号不准 确引起，混频器中本振信号相位差不为90°或者幅度不同导致IQ两路信号不能发生正交 的解调，这种不平衡的效果与信号中各个频率分量相互独立。另一种IQ不平衡与频率相 关，即IQ不平衡的效果根据信号中的频率成分的不同而不同，这种不平衡产生的主要是源 于IQ两路中电路器件频响特性的差距，例如两支路中的滤波器频率响应的不同，放大器、 数模转换器（DAC，Digital-to_AnalogConverter)或模数转换器（ADC，Analog-to_Digital Converter)输出的不同等，这些都会造成I\Q两路发生与频率相关的不匹配的情况。
[0004] 目前，常见的一些IQ不平衡的补偿方案，大致分为两种：盲估计或非盲估计算 法。关于盲估计算法，例如，以干扰抵消（IC,InterferenceCancellation)和盲源分离 (BSS,BlindSourceSeparation)为基础的补偿算法，通过分析IQ不平衡对信号统计特性 的影响来补偿IQ不平衡。该方法不需要任何已知序列，也不需要对IQ不平衡参数进行估 计，但通常需要大量的符号以及较长的自适应迭代过程，同时信号统计特性易受多径的破 坏。而对于非盲估计算法，基于信号检测理论，IQ不平衡参数也可以通过发送已知训练序列 进行估计。一般可以通过基于系统级的算法并采用传统的最小二乘（LS,LeastSquares)、 期望最大化（EM,ExpectationMaximization)等准则，实现对IQ不平衡准确、快速的估计 和补偿。这种补偿方案比盲估计运算量小，易于实现，因此应用广泛。但常用的非盲估计算 法面临着依赖于理想信道估计、对训练序列有特定要求从而适用性受限、无法将IQ不平衡 参数与信道分离开或者无法对频率相关IQ不平衡进行有效补偿等问题。针对上诉问题，研 究一种通用的联合信道估计与频率相关IQ不平衡补偿的方法具有重要的实际意义。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种频率相关IQ不平衡与信道的联合估计与补偿方法，具体如下：
[0006]S1、令长度为N的训练序列x[n]通过信道h[n]，考虑接收端频率相关IQ不平衡的 引入，接收端接收信号的频域表达为：+ $，其中，Xk为x[n]经过 Ns点的FFT后的频域信号，XL*为x[n]的共轭信号x?[n]经过Ns点的FFT后的频域信号， Hk为信道h[n]经过Ns点的FFT后的频域响应，⑴，为信道h[n]的共轭h?[n]经过Ns点的 FFT后的频域响应，0彡k彡Ns-1，％:为噪声~CJV'(0，c4)，〇彡Ns<N且\为整数， 八15、815为与接收端频率相关19不平衡参数€[1;、0 1;、]11=[1111，1112，1113]与11 (3=[11(31，11(32，11 (33] 相关联的参量，具体关系表达式如下：
[0007]
【主权项】
1. 一种频率相关IQ不平衡与信道的联合估计与补偿方法，其特征在于，包括如下步 骤： 51、 令长度为N的训练序列x[n]通过信道h[n]，考虑接收端频率相关IQ不平衡的引 入，接收端接收信号的频域表达为+ R，其中，XkSx[n]经过 Ns点的FFT后的频域信号，[η]的共轭信号χ#[η]经过Ns点的FFT后的频域信号， Hk为信道h[n]经过Ns点的FFT后的频域响应，Η；^为信道h[n]的共轭h #[n]经过Ns点的 FFT后的频域响应，O彡k彡Ns-1，R为噪声，巧~ej\T(0,〇，〇彡NsS N且\为整数，Ak、 Bk为与接收端频率相关IQ不平衡参数a K、Pph1= [hn，hI2，hI3]与比=[hQ1，h Q2，hQ3]相 关联的参量，具体关系表达式如下：
^ ?rrL· Λ iTrhr H1 .占 H Q.k分别为h占 h 0的N 3点FFT :
所述参数aK、PrM5Ph Q之间相互独立，α ,和β κ表示接收端IQ不平衡对接收信号 的影响，hI= [hn，hI2，hI3]和比=[hQ1，h Q2，hQ3]为考虑IQ不平衡频率相关性的一种等效表 7^, J=V-I ； 52、 初始化 Sl 所述参数 α κ、β K、h#p h Q,令 α κ= 1，β Ji= 〇, h T= [1, 0, 0], h Q = [1,0,0]; 53、 对SI所述信道h[n]进行最大似然估计，得到信道h[n]在频域上的响应Hk和信 道h[n]的共轭h*[n]在频域上的响应 54、 将 S3 所述 Hk和 代入 SI 所述Yi =At .Xi 中，对 β κ进行估
计，得到β κ的估计值； 55、 将S4所述β κ的估计值代入《 得到α κ的估计值； 56、 将S3所述Hk和H;: 4.，S4所述β游估计值和S5所述α ,的估计值代入Sl所述 Y广A* 'Xr HjBi _Χ^ 'Η；^ +1?冲，通过迭代的方式依次对S1所述hi= [h n，hi2, hJ和hQ= [hQ1，hQ2, hQ3]进行估计，得到 h〗=[h n，hI2, hI3]和 hQ= [h Q1，hQ2, hQ3]的估计值； 57、 将估计得到的频率相关IQ不平衡的所有参数代入SI所述 ? 'Xi 'HJBt ·ΧΚ^ + R中，通过最大似然准则对信道进行估计，得到的估计值作为 最终确定的信道估计； 58、 发送信息序列，经过信道与IQ不平衡的影响，得到接收信号，利用S7所述最 终确定的信道估计对所述接收信号进行补偿，恢复出不受接收端IQ不平衡影响的信号
=A巧，利用得到的信道估计移除信道影响之后，可得尤=€/&，即 恢复出原始发送信号。
2. 根据权利要求1所述的一种频率相关IQ不平衡与信道的联合估计与补偿方法，其特 征在于：S1所述Ns= 512。
3. 根据权利要求1所述的一种频率相关IQ不平衡与信道的联合估计与补偿方法，其特 征在于：S3所述对信道h [η]进行最大似然估计的具体步骤如下： 531、 将信道频域响应进行傅里叶展开，令Fk,n表示对应于第k个子载波的 2ττ FFT列向量，即Fi.,, =αχρ(-jy 1<_η)，（〇彡k彡Ns-I, O彡η彡N)，h为表示信道时 域冲击的列向量，有Hk=FkT*h，厂F/_// ?,则接收的频域信号可以表示为： Yt=ArKh+Bk.U.h、J^ 532、 根据最大似然准则，得h的最大似然估计量为 h = argmin {(y, - A, ·Χ, · F/ · h - B, · X^. · F； · ；?* )* (Y, - A, · X, · F/ -h-Bk -X^ · F； - A*)}, 对所述￡中的h和^分别取微分并将结果置〇,得到关于h和h#的方程组为 气3 $ =弋，其中，BpbJPc1为已知量； 533、 根据S32所述方程组求得信道时域冲击h的估计值； 534、 计算出信道h在频域上的响应Hk和信道h的共轭h #在频域上的响应。
4. 根据权利要求1所述的一种频率相关IQ不平衡与信道的联合估计与补偿方法，其特 征在于：S4所述对β ,进行估计，具体步骤如下： 541、 将 S3 所述 Hk和 Hl代入 Sl 所述Yt =Ai .Xi .!!,+Bi .XK^ 中，保持 α κ= 1、 Ii1= [1，0, 0]与 h Q= [1，0, 0]的取值不变； 542、 根据S1，有：
543、 根据最大似然准则，得到β κ的最大似然估计量为 A=OTg min {(YA -Ai-Xi -Hi-Bi -X； /c-H； ^ σ；τ '(Yi-Ai -Xi-Hi -Bi ·Χ； λ ·Η； ,)}； βκ ^ ' 544、 对S43所述Λ中β /取微分并将结果置〇,得到关于β β /的方程组； 545、 联立S44所述方程组求解，得到β K= (a 2 · b/_a/ · c2) Ab2 · b/-c2 · c/)，即得到 β κ的估计值。
【专利摘要】本发明属于无线通信技术领域，特别涉及无线通信系统中一种联合信道估计与频率相关IQ(In-phase Quadrature，IQ)不平衡补偿的方法。本发通过发送训练序列，经过信道并引入接收端频率相关IQ不平衡，得到接收信号及其频域表达式；初始化参数αR、βR、hI和hQ；得到信道h[n]在频域上的响应Hk和信道h[n]的共轭h*[n]在频域上的响应得到βR、αR、hI＝[hI1,hI2,hI3]和hQ＝[hQ1,hQ2,hQ3]的估计值；恢复出原始发送信号这些步骤来实现。本发明同时得到分离开的IQ不平衡的参数和估计信道，用估计到的IQ不平衡参数作为固定参数进行统一补偿，无需再对IQ不平衡参数进行重复的参数估计，相对于以往的IQ不平衡补偿方法大多将IQ不平衡与信道作为一个整体考虑，降低了系统计算的开销。同时，本发明的整体算法主要涉及线性运算，复杂度低。
【IPC分类】H04L27-38, H04L27-26
【公开号】CN104639490
【申请号】CN201510039721
【发明人】罗曾强, 成先涛, 李少谦
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月27日