毫米波通信系统中分数间隔频域均衡硬件实现方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种在毫米波通信系统中适用于硬件实现的基于分数间隔的频域均衡方法。

背景技术：

传统低频无线通信系统，频谱资源有限，传输速率提高已经变得非常困难。毫米波通信系统，具有丰富的频谱资源，可以大幅提高通信带宽，从而提高传输速率。除了具有高带宽、高传输速率特点之外，毫米波通信还具有高安全性、天线设备高集成度等特点。由于毫米波通信速率可以达到近10gbps数量级，对硬件系统的处理能力提出了非常高的要求。毫米波通信系统帧结构也不同于传统lte或ieee802.11n/ac等协议帧结构，需要特别设计。

mimo(multipleinputmultipleoutput)系统在第四代移动通信技术标准中被采用，同时也广泛运用于高速无线局域网(wlan)的标准协议中。多天线技术能为系统提供更大的分集增益或者复用增益，提高系统性能。无线通信系统，信号通过无线电波在空气中全向传播，不可避免的存在多径干扰和频率选择性衰落等因素影响。单载波频域均衡技术20世纪90年代首次被提出来，在频率选择性衰落信道下，它与ofdm具有相似的性能，能很好的解决频率选择性衰落问题，并且其还具有低papr、对载波同步和相位噪声不敏感的特点。毫米波通信系统由于其载波频率非常高，符号持续时间非常短，所以定时偏差和相位噪声等干扰会对系统性能产生很大的影响。毫米波段的信号处理对硬件系统有着非常高的要求，不可避免的会引入硬件损失带来的相位噪声和频偏等干扰。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明在消除毫米波通信系统中多径干扰、定时偏差和相位噪声等影响的基础上，综合考虑硬件资源消耗，处理能力等因素，公开了一种毫米波通信系统中分数间隔频域均衡硬件实现方法，旨在改善毫米波通信系统中硬件损耗引入的相位噪声以及固有的信道延时失真等因素的影响，提升系统性能。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

毫米波通信系统中分数间隔频域均衡硬件实现方法，包括如下步骤：

步骤1：接收天线获取信号，进行同步：

步骤1.1，发射端将处理之后的数据进行升采样，然后通过2根发射天线发射出去；同时接收端，通过2根接收天线接收空间的信号，经过ad转化，使得到的信号离散化；

步骤1.2，接收到的2路信号，采用延时相关的帧同步方法获取帧头信息；

根据帧中的块进行同步，同步序列表达式如下：

其中，

其中，y(n)为接收到的数据，*表示取共轭，n＝1024,m＝960；

根据r(n)波形图得到帧的起始位置；

步骤2：对同步后的数据做分数间隔处理

采用t/2分数间隔法，将数据每一路信号按照奇和偶间隔采样形成奇偶两个流，每个流重新形成块，两路信号同时并行执行形成四个流，同步后的两路数据y1[n]，y2[n]经过分割之后为ye,1[n]，yo1[n]，ye,2[n]，yo,2[n]；

其中，下标1、2分别表示第1路和第2路，e、o分别表示每路分割的偶、奇流；

步骤3：将数据做fft，生成频域数据

根据此时的块单位将4个流同时并行进行快速离散傅里叶变换将时域数据变换到频域，变换之后的数据为ye,1(k),yo,1(k),ye,2(k),yo,2(k)；

步骤4：根据导频数据对系统进行信道估计，获得信道估计矩阵h

分别计算以下公式：

其中，

将得到的he(k),ge(k),ho(k),go(k),组合得到信道矩阵如下：

其中，k表示第k个频点；

步骤5：根据信道矩阵h，进行频域均衡

步骤5.1，根据估计得到的信道矩阵h，利用最小均方差(mmse)均衡方法，获取均衡权值矩阵w，形式为：

其中，分别对应接收1，2路信号的噪声功率；

步骤5.2，根据矩阵w，对接收分数间隔处理之后的数据进行均衡，计算过程如下：

其中，

为接受数据均衡后的结果。

进一步的，所述步骤1中进行2倍的升采样。

进一步的，所述步骤1中根据每一帧前两个时隙的8,9号两个块进行同步。

进一步的，所述步骤3中fft变换用的是labview中的快速傅里叶变换ip核来实现。

进一步的，所述步骤3中块单位为1024个符号。

本发明具有如下优点和有益效果：

与现有传统块频域均衡相比，本发明方法利用了毫米波升采样提供的分集增益信息，结合硬件实现过程中矩阵分块运算特点和最小均方差均衡技术，在不明显影响运算复杂度情况下，能够有效改善毫米波通信系统中定时相位误差和信道延时失真的影响，提高系统的误比特性能；同时均衡过程即完成信号的降采样。

附图说明

图1为毫米波通信帧结构图。

图2为毫米波通信一帧中的时隙结构图。

图3为接收端同步信道估计以及均衡模块框图。

图4为matlab仿真得到的两个流同步时序图。

图5为本发明较优实施例毫米波系统分数间隔频域均衡星座示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

广义上，毫米波包括频谱为30ghz-300ghz频段，本发明所介绍的通信系统载波频率优选为73ghz，其他波段也同样适用。本发明基于毫米波2×2mimo通信系统，发射和接收端分别采用两根天线，进行信号发与收。信道估计与均衡也是两根接收天线接收下的两路信号联合进行处理。在硬件实现中，本方法可以运用于毫米波无线通信系统的信道均衡模块，先对接收到的数据(完整帧)进行按奇偶做分数间隔处理，然后按奇偶做信道估计和均衡。

本发明重点在于对数据进行分数间隔处理之后信道估计和频域均衡模块的实现设计，实现方法包括如下步骤：

步骤1，接收天线获取信号，进行同步，具体包括如下子步骤：

步骤1.1，发射端将处理之后的数据进行2倍的升采样，然后通过2根发射天线发射出去，信号的采样频率为3.072ghz，载波频率73ghz；同时接收端，通过2根接收天线接收空间的信号，经过ad转化，使得到的信号离散化。

步骤1.2，接收到的2路信号，采用延时相关的帧同步方法获取帧头信息。帧结构图见图1。每帧的长度10ms，大小达到15.36m符号。

步骤1.2.1，根据每一帧前两个时隙的8,9号两个块，进行同步。时隙结构图见图2。

接收到的数据为y(n)，根据延时互相关和自相关相除得到用于同步的序列r(n)，计算表达式如下：

其中，p(n)表示间隔n符号，长度为m符号数据互相关，q(n)表示长度为m符号数据自相关，n指计算对应当前符号位置。

其中，*表示取共轭，n＝1024,m＝960。

r(n)波形图见附图4，根据r(n)波形图可以得到帧的起始位置。

步骤2，对同步后的数据做t/2分数间隔处理，具体步骤为：采用t/2分数间隔法，对数据进行分割。将数据按奇偶进行分流，每一路信号按照奇和偶间隔采样形成奇偶两个流，每个流重新形成块(可以理解为分割前的一路信号中的两个相邻的块，分离之后重新组成两个奇偶块)。两路信号同时并行执行形成四个流。同步后两路数据y1[n]，y2[n]，分割之后为ye,1[n]，yo1[n]，ye,2[n]，yo,2[n]形式。

步骤3：将数据做fft(fastfouriertransformation)，生成频域数据，具体步骤为：

同步后的数据，经过分数间隔处理之后，每时隙内相邻两个块间隔采样重新组成一个偶数块一个奇数块，分别处于两个流中，处理效果参见附图3。然后根据此时的块单位，以1024个符号为一个块做离散傅里叶变换，采用fft方法将时域数据变换到频域。4个流同时并行进行快速离散傅里叶变换。此处fft变换用的是labview中的快速傅里叶变换ip核来实现。变换之后的数据为ye,1(k),yo,1(k),ye,2(k),yo,2(k)，下标1、2分别表示第1路和第2路，e、o分别表示每路分割的偶、奇流。

步骤4：根据导频数据对系统进行信道估计，获得信道估计矩阵h，具体为：

步骤4.1，根据导频，进行信道估计。每个时隙内第8，9号块为导频块，参见附图2，用来进行信道估计。根据接收到的信号和已知的导频序列。可以计算出信道估计矩阵。具体步骤如下：

步骤4.1.1，分别计算以下公式：

其中，p1,p2分别对应第一个流中8号block处导频序列和第二个流9号block处的导频序列，均是根据zc序列修改生成，*表示取共轭。

步骤4.1.2，将得到的he(k),ge(k),ho(k),go(k),组合得到信道矩阵如下：

其中，k表示第k个频点，h中的元素都为复数。

步骤5：根据信道矩阵h，进行频域均衡，具体步骤如下：

步骤5.1，根据估计得到的信道矩阵h，利用最小均方差(mmse)均衡方法，获取均衡权值矩阵w，形式为：

其中，h^h(k)表示对矩阵h(k)取共轭转置，分别对应接收1，2路信号的噪声功率，可以根据信道冲击响应计算得到。

步骤5.2，根据矩阵w，对接收分数间隔处理之后的数据进行均衡，计算过程如下：

其中，

为接受数据均衡后的结果。

下面结合实际硬件设计进一步说明本发明实施方法。在本实施例中，具体实现基于美国国家仪器(后文用ni简称代替)公司的mmwave收发仪系统平台。发射和接收天线采用标准喇叭增益天线，接收端通过nimmwaveheads接收处理接收天线上的数据并将数据解调到中频，然后利用nipxie3620fpga将数据解调到基带。经过nipxie3630fpga做ad转换，对模拟数据离散化。然后进行数据同步信道估计和分数间隔频域均衡过程，这些过程是在nipxie7902fpga上完成的。利用ni的labview进行程序开发。由于硬件试验平台资源限制，目前fpga模块处理能力只支持一对一毫米波通信。附图5为经过本发明步骤进行毫米波siso硬件分数间隔频域均衡之后的星座图。发射端先从上位机上得到数据，之后采用64qam调制方式进行调制，然后进行iq补偿，升余弦滤波等处理(并不是本发明的重点，所以没有详细介绍)；接收端接收数据之后，按照发明中的步骤进行同步，信道估计和分数间隔频域均衡得到数据其星座图见附图5。通过实际测试和星座图效果可以看出，接收端采用分数间隔频域均衡方法进行均衡处理得到的数据，能有效的解调出发送的数据。采用分数间隔频域均衡方法进行均衡，接收端数据evm能达到-28db。

本发明中的均衡技术基于mimo系统进行介绍，主要针对毫米波2×2mimo通信系统均衡模块。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如应用在毫米波siso系统中，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。