专利名称：一种多输入多输出无线通信系统的数据接收方法
技术领域：
本发明涉及一种多输入多输出无线通信系统中的数据接收方法，属于无线数据传输技 术领域。
背景技术：
在无线通信中为了支持更高的传输速率，达到更高的频谱利用率，采用多输入多输出 (以下简称MIMO)技术是一种有效的方法。同时，为了支持高速的数据传输速率，必然 要求通信设备具备较高的数据处理能力与之相匹配。由于现场可编程门阵列(以下简称 FPGA)具有便于并行性设计、处理速度快的特点，因此在高速数据传输系统的硬件实现中 经常采用FPGA。
采用MIM0技术的无线通信系统通常在接收机一端需要对接收到的基带数字信号进行 MIM0均衡处理，这就意味着接收机要对MIM0无线信道进行估计以及通过矩阵计算得到 MIMO均衡矩阵等较复杂的信号处理工作。由于FPGA不适宜进行较复杂的矩阵计算，因此 要在使用纯粹FPGA实现的接收机中完全实现MIMO技术并获得相应的系统增益是比较困难 的。
与之相对应的是，通用计算机(以下简称PC机)通常具有相对FPGA更高性能的矩阵 计算能力。因此，本发明考虑充分利用PC机处理矩阵计算的灵活性和高效性来配合FPGA 实现MIMO无线通信系统中的数据接收处理。
发明内容
本发明的目的是为了解决在使用FPGA的接收机中采用MIMO技术遇到的计算复杂度过 高，尤其是矩阵计算能力有限的问题，将接收机中部分较复杂的信号处理功能从FPGA转 移到了PC机来实现。
本发明提出的多输入多输出无线通信系统的数据接收方法，包括以下步骤
(1) 无线通信系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的多输入多输出基带数据 信号发送至计算机；
(2) 接收端的计算机对上述接收的基带数据信号中进行帧同步处理，得到基带数据 信号的帧同步信息，并将该帧同步信息发送至接收端的现场可编程门阵列；(3) 根据上述帧同步信息，现场可编程门阵列对接收的基带数据信号进行帧同步定
位，得到帧起始位置，并从基带数据信号中截取包含导频的数据块，并将该数据块发送至
计算机；
(4) 计算机对上述接收的经过帧同步定位后含有导频的基带数据信号进行频率同步 和采样时钟同步处理，得到无线通信系统的收发频率偏差及收发采样时钟频率和相位偏 差，并将该收发频率偏差及收发采样时钟频率和相位偏差发送至接收端的现场可编程门阵 列；
(5) 接收端的现场可编程门阵列根据上述收发频率偏差对上述帧同步定位后的基带 数据信号进行频偏校正，根据上述收发采样时钟频率和相位偏差对该频偏校正后的信号进 行采样时钟的频率和相位校正，并将经采样时钟的频率和相位校正后的基带数据信号中包 含导频的数据块发送至计算机；
(6) 计算机从上述步骤(5)接收的包含导频的数据块中提取导频信号，利用该导频 信号对无线通信系统进行信道估计；
(7) 计算机利用上述信道估计结果计算出无线通信系统的均衡矩阵，并将该均衡矩 阵发送至现场可编程门阵列； ，
(8) 现场可编程门阵列利用上述接收的均衡矩阵对经上述步骤(5).的采样时钟频率 和相位校正后的基带数据信号进行多输入多输出均衡、解调以及译码，得到输出数据。
上述方法中，现场可编程门阵列截取的包含导频的数据块长度长于导频信号的长度， 即包含导频和导频前后的部分数据。
本发明提出的多输入多输出无线通信系统的数据接收方法，将MIM0接收机信号检测 与处理流程中比较复杂的计算处理，尤其是同步处理以及涉及到矩阵运算的信道估计与 MIM0均衡矩阵计算部分，由FPGA转移到PC机中，这样可以充分利用PC机的强大计算能 力。同时由于PC机只完成上述相对复杂的计算部分，其他实时性要求更高的信号处理部 分，例如均衡、解调、译码等，仍在FPGA中完成，所以并不会影响MIMO接收机最终的数 据处理速度。实验证明，采用本发明所提出的MIMO数据接收方法，利用PC机与FPGA对 MIM0基带数据信号的联合处理，可以在保证系统接收端数据处理速度的前提下有效地实 现MIM0技术对无线系统性能的提升。
图1是本发明方法的数据接收过程示意图。
4图2是本发明方法的一个实施例。
具体实施例方式
本发明提出的多输入多输出无线通信系统的数据接收方法，其过程如图l所示，包括 以下步骤
(1) 无线通信系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的多输入多输出基带数据 信号发送至计算机；
(2) 接收端的计算机对上述接收的基带数据信号中进行帧同步处理，得到基带数据 信号的帧同步信息，并将该帧同步信息发送至接收端的现场可编程门阵列；
(3) 根据上述帧同步信息，现场可编程门阵列对接收的基带数据信号进行帧同步定 位，得到帧起始位置，并从基带数据信号中截取包含导频的数据块，并将该数据块发送至 计算机；
(4) 计算机对上述接收的经过帧同步定位后含有导频的基带数据信号进行频率同步 和采样时钟同步处理，得到无线通信系统的收发频率偏差及收发采样时钟频率和相位偏 差，并将该收发频率偏差及收发采样时钟频率和相位偏差发送至接收端的现场可编程门阵 列；
(5) 接收端的现场可编程门阵列根据上述收发频率偏差对上述帧同步定位后的基带 数据信号进行频偏校正，根据上述收发采样时钟频率和相位偏差对该频偏校正后的信号进 行采样时钟的频率和相位校正，并将经采样时钟的频率和相位校正后的基带数据信号中包 含导频的数据块发送至计算机；
(6) 计算机从上述步骤(5)接收的包含导频的数据块中提取导频信号，利用该导频 信号对无线通信系统进行信道估计；
(7) 计算机利用上述信道估计结果计算出无线通信系统的均衡矩阵，并将该均衡矩 阵发送至现场可编程门阵列；
(8) 现场可编程门阵列利用上述接收的均衡矩阵对经上述步骤(5)的采样时钟频率 和相位校正后的基带数据信号进行多输入多输出均衡、解调以及译码，得到输出数据。
本发明方法中，FPGA首先将接收到的MIM0基带数据信号通过与PC机之间的数据接口 传给PC机。PC机对接收到的MIM0基带数据信号进行同步处理，通过此同步处理获得包 括帧同步信息、收发之间频偏同步信息和采样时钟同步信息等同步信息，并发送给FPGA。 FPGA根据上述各种同步信息进行帧同步定位、频偏校正与采样时钟频率等定时同步调整，并从经过上述同步调整后的基带数据信号中截取出包含导频在内的一块数据传给PC机。 PC机利用FPGA传来的导频信号进行相应的信道估计，以及计算出MIMO均衡矩阵，并及 时地将上述计算结果传送给PFGA。最后，FPGA利用从PC机传送来的MIMO均衡矩阵，对 经过同步调整后的基带数据信号进行MIMO均衡，以及解调、译码，最终得到输出数据。 上述所有步骤执行过程中，PC机将一直利用FPGA传来的数据与FPGA相互配合不断地进 行相应的同步处理及跟踪。
下面结合附图和一个具体的实施例对本发明方法进行详细说明。
在本实施例中，通常考虑采用MIMO与正交品分复用(以下简称OFDM)技术相结合的 无线通信系统，该系统的接收机基本结构框图可如图2所示。在此接收机中，PC机与FPGA 之间的数据接口使用以太网口，接收机所有的MIMO基带数据信号处理分配给FPGA与PC 机两部分来协同完成。其中，FPGA完成的主要功能模块包括了帧同步定位、频偏校正、 采样时钟频率与相位校正、MIMO均衡、解调、译码。PC机完成的功能模块主要包括了 同步处理(包括帧同步、频率同步、采样时钟同步处理)、信道估计、MIMO均衡矩阵计算。
本实施例中，FPGA对MIMO基带数据信号利用PC机同步处理获取并传送的同步信息 中的帧同步信息进行帧同步定位，得到准确的数据帧起始位置，并截取包含导频的数据块 传送给PC机。FPGA中的频偏校正模块则根据PC机同步处理获取并传送的同步信息中的 频率同步信息进行初始的频偏调整，即将频偏纠正到FPGA的频偏校正模块的捕获带以内。 在初始的频偏调整完成后，FPGA的频偏校正模块进入频偏的实时跟踪模式。然后，FPGA 中的采样时钟频率与相位校正模块根据PC机同步处理获取并传送的同步信息中的采样时 钟同步信息进行相应的采样时钟校正及跟踪。FPGA中的MIMO检测模块则利用PC机传送 过来的MIMO均衡矩阵对数据进行MIMO均衡，即将经过频偏、采样时钟校正和帧同步后的 各个接收天线接收到的叠加有各个发天线发送数据的MIMO基带数据信号乘以MIMO均衡矩 阵，即检测出各个发天线所发送的对应基带数据。MIMO均衡后的基带数据，再经过解调、 译码模块，即可最终输出数据。
由上所述可知，在本实施中，PC机完成的同步处理实际上包括了帧同步、收发之间 的频偏估计、采样时钟偏差估计，以获得相应的同步信息包括帧同步信息、频率同步信息 和采样时钟同步信息。PC机在完成上述同步处理过程中，也实现了同步的实时捕获和跟 踪。另外，PC机还需要完成MIMO无线信道估计和MIMO均衡矩阵计算等需要较复杂计算 能力的功能。
为了进一步描述上述实施例1的基带数据信号处理流程，图2给出了相应的PC机与FPGA对MIM0基带数据信号的联合处理流程图。
首先是同步处理环节，包括帧同步、收发之间的频偏校正、采样率的调整。FPGA截 取一块MIMO基带数据信号传送给PC机，PC机利用已知的导频信号与FPGA传来的MIMO 基带数据信号做相关寻找到帧同步的准确位置，并将获得的上述准确帧同步信息传送给 FPGA。 FPGA根据上述帧同步信息，执行帧同步定位操作，即按照帧同步的准确位置截取 包含导频OFDM符号的一块数据传给PC机。PC机利用这些上述包含导频的OFDM符号数据 进行收发之间的频偏和采样时钟偏差的检测，其中采样时钟偏差包括采样率偏差和采样相 位偏差，并及时地将计算结果反馈给FPGA的频偏纠正模块和采样时钟频率与相位校正模 ±央，供FPGA进行频偏校正和采样时钟的调整。
在PC机通过利用已知的导频信号与FPGA传来的MIMO基带数据信号做相关捕获到帧 同步位置，以及频偏校正和采样时钟偏差调整到一定范围内之后，可认为接收机完成了首 次同步获取。首次同步获取完成后，FPGA将继续截取包含导频符号的数据块传送给PC机， 同时将时域的OFDM符号数据进行FFT变换到频域再发送给MIMO均衡模块。PC机同时利 用FPGA传送来的导频数据进行信道估计，即估计出MIMO无线信道的增益矩阵/f，然后利 用/7计算MIM0均衡矩阵，并将上述均衡矩阵计算结果传送给FPGA的MIMO检测模块，随 后依次进行MIMO均衡、解调与译码，以得到输出数据。
在进行信道估计和MIMO均衡矩阵计算的同时，PC机还利用FPGA送来的MIMO基带数 据信号不断地进行采样时钟偏差的跟踪，即PC机根据FPGA传来的数据对接收机的由于采 样时钟偏差造成的同步漂移做检测，并实时地将调整信息反馈给FPGA进行调整。与此同 时，FPGA的频偏校正模块一直在进行收发之间频偏的实时跟踪调整。从而，PC机与FPGA 相互配合对接收机的同步情况进行跟踪调整。
实验证明，本发明提出的MIMO无线通信系统的数据接收方法，结合合理的接口及PC 机程序设计，可以在保证接收机信号处理速度的前提下，使PC机和FPGA发挥各自优势， 较好地完成对MIMO基带接收数据信号的联合处理。
以上所述仅为本发明的一个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种多输入多输出无线通信系统的数据接收方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)无线通信系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的多输入多输出基带数据信号发送至计算机；(2)接收端的计算机对上述接收的基带数据信号中进行帧同步处理，得到基带数据信号的帧同步信息，并将该帧同步信息发送至接收端的现场可编程门阵列；(3)根据上述帧同步信息，现场可编程门阵列对接收的基带数据信号进行帧同步定位，得到帧起始位置，并从基带数据信号中截取包含导频的数据块，并将该数据块发送至计算机；(4)计算机对上述接收的经过帧同步定位后含有导频的基带数据信号进行频率同步和采样时钟同步处理，得到无线通信系统的收发频率偏差及收发采样时钟频率和相位偏差，并将该收发频率偏差及收发采样时钟频率和相位偏差发送至接收端的现场可编程门阵列；(5)接收端的现场可编程门阵列根据上述收发频率偏差对上述帧同步定位后的基带数据信号进行频偏校正，根据上述收发采样时钟频率和相位偏差对该频偏校正后的信号进行采样时钟的频率和相位校正，并将经采样时钟的频率和相位校正后的基带数据信号中包含导频的数据块发送至计算机；(6)计算机从上述步骤(5)接收的包含导频的数据块中提取导频信号，利用该导频信号对无线通信系统进行信道估计；(7)计算机利用上述信道估计结果计算出无线通信系统的均衡矩阵，并将该均衡矩阵发送至现场可编程门阵列；(8)现场可编程门阵列利用上述接收的均衡矩阵对经上述步骤(5)的采样时钟频率和相位校正后的基带数据信号进行多输入多输出均衡、解调以及译码，得到输出数据。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述的步骤(3)中所述的现场可编程门阵 列截取的包含导频的数据块长度长于导频信号的长度。
全文摘要
本发明涉及一种多输入多输出无线通信系统的数据接收方法，属于无线数据传输技术领域。FPGA将接收的MIMO基带数据信号传给PC机。PC机对其进行同步处理，获得帧同步信息、收发之间频偏同步信息和采样时钟同步信息等同步信息，并发送给FPGA。FPGA根据同步信息进行帧同步定位、频偏校正与采样时钟频率等定时同步，并从同步调整后的信号中截取包含导频在内的数据块传给PC机。PC机进行信道估计和MIMO均衡矩阵，并发送给PFGA。FPGA对经过同步调整后的基带数据信号进行MIMO均衡，以及解调、译码，最终得到输出数据。本方法在保证系统接收端数据处理速度的前提下有效地实现MIMO技术对无线系统性能的提升。
文档编号H04L25/03GK101478511SQ20091007781
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者周世东, 周春晖, 张秀军, 京 王, 王燕敏, 鹏 许, 许希斌, 明 赵, 高群毅 申请人:清华大学