一种无线通信系统信号符号内时延的估计与信号恢复方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种符号内时延的估计与信号恢复方法。


背景技术：

2.在无线通信系统中，通信的发送端和接收端之间是完整的通信过程。首先，发送端把需要传输的原始信息进行基带调制以达到用尽量小的带宽传输尽量多的信息的目的，脉冲成型发送出去；在信道中因噪声等缘故，会造成信号的时延、频偏和相移等；接收端通过匹配滤波消除码间干扰，然后，进行信道估计(例如时延估计、频率估计和相位估计等)、补偿(例如定时校正、频率校正和相位校正等)，经过解调后恢复出基带信息。在通信过程中，由于本地时钟偏移、发送端与接收端之间的相对运动，导致符号时延问题，也称为定时偏移。
3.在一些通信系统中，为了提高采样得到的信号的信噪比，会对信号进行上采样，也就是内插，然后再利用数字的方法对信号进行抽取，使最后的采样率与符号速率相等。在进行上采样后，原本相邻的符号之间多了几个内插的符号，当时延大于原本相邻两个符号之间的内插符号的个数时，将产生符号外时延，反之则称为符号内时延。
4.现有符号内时延估计方法在低信噪比、高频偏相移的突发场景下，获得的估计值的误差较大，会导致信号无法正确解调，甚至可能导致通信中断，尤其是在传输突发信号时，传统方法存在较大的局限性，不能满足通信要求，这是由于突发信号时间短、突发性强、信噪比低。例如，在基于数据辅助的系统中，常规方法最具有代表性的是schmidl方案，它采用两段重复的训练序列完成定时偏移的估计和补偿，但由于系统本身的影响(例如，ofdm循环前缀的影响等)，这一方案的定时估计误差较大。此外，常规算法采用的信号恢复规则往往是机械地按照估计出的时延进行补偿，难以应对因为噪声等各种因素而导致时延估计不精确的情况。
5.因此，需要对现有技术进行改进，准确估计符号内时延，从而提升链路性能，快速准确得解调信号。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供有效估计符号内时延的估计方法以及相应的信号恢复方法。
7.根据本发明的第一个方面，提供了一种用于无线通信系统信号符号内时延的估计方法，包括以下步骤：步骤1：对基带信息进行预处理，得到正交振幅调制后的已调信号；步骤2：基于所述已调信号的iq序列进行时延估计，所述时延为在关注的时间段内的偏移量与时间段的比值。
8.在一个实施例中，所述时延为时延信息的归一化偏移量。
9.在一个实施例中，所述步骤2进一步包括：将i路序列和q路序列分别乘以正弦序列
和余弦序列，进行低通滤波、平方运算；对得到的i和q两路序列的实部序列和得到的虚部序列分别进行相加、平均；以及对取得的平均值进行反正切运算。
10.在一个实施例中，所述时延为
[0011][0012]
其中，t是当前时刻，t为关注的总时间，ts为符号周期。
[0013]
在一个实施例中，所述时延为
[0014][0015]
其中，t是当前时刻，t为关注的总时间，ts为符号周期，l表示用来计算时延的符号的个数,n为上采样的个数。
[0016]
根据本发明的第二个方面，提供了一种基于前述方法的时延估计的信号恢复方法，该方法包括：基于接收到的复数形式的信号以及所述时延估计，分别对其实部和虚部进行补偿。
[0017]
在一个实施例中，该方法包括：基于所述时延估计的小数部分对所述信号进行恢复。
[0018]
在一个实施例中，该方法还包括：基于周围信号的幅值对所述信号进行恢复。
[0019]
根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被执行时用于实现前述时延估计方法和/或信号恢复方法。
[0020]
根据本发明的第四个方面，提供了一种计算系统，包括存储装置和处理器，所述存储装置用于存储一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时用于实现前述时延估计方法和/或信号恢复方法。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点在于：提供了一种新的技术思路和技术方案来对符号内时延进行估计并进行信号恢复；能够准确估计出符号内时延；在高信噪比下对信号恢复有良好的效果；能够在低信噪比、高频偏相移的突发场景下，获得准确的时延估计并恢复原始信号。
附图说明
[0022]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0023]
图1示出了根据利用i和q两信号序列来进行定时误差估计算法的框图。
具体实施方式
[0024]
在整个通信过程中，由于发送端和接收端存在时钟不一致、发送端和接收端的相对运动产生的频偏等现实问题，产生符号时延，为获取较高的信噪比，会对信号采用内插再抽取的方法，由此产生符号内时延。若没有一个较好的符号内时延的估计方法，会导致信号无法正确解调，甚至导致无法通信。发明人经过对符号内时延的估计算法的研究发现，解决该问题可以通过iq序列对信号进行处理计算来准确估计符号时延，并有很好的可实施性。这一解决思路与现有技术依据相关函数的峰值等进行求解的技术思路截然不同，属于一种新的技术思路和技术方案。
[0025]
为便于理解，下面将按照基带信息预处理、基于iq序列进行时延估计以及对信号进行恢复分别对根据本发明的实施例进行描述。
[0026]
1.基带信息预处理
[0027]
基带信息经过天线发射出去后，受到信道内加性高斯白噪声、多普勒效应以及收发机本振不同源等因素的影响，其有效信息便引入了噪声、时延和频偏。令基带二进制信息序列为p(k)，将滤波器数字化表示为h(k)，则已调的信息序列为s(k)
·
h(k)。可以得到已调的信息序列经过信道后的表达式：
[0028][0029]
其中，a为信号的幅度，s(k)为调制序列的第k个符号，即数据调制信息，ε为信号发出端与接收端之间定时点的偏移量，亦即因时延以及接收端定时不精确等因素而带来误差，δf为序列的频偏，θ为未知的初始相位，ts为符号周期，是调制序列的第k个符号到第k 1个符号中间的时长，n为零均值、方差σ2的加性高斯白噪声。
[0030]
此时得到的信号含有基带信息、时延、频偏相移和噪声，根据本发明的实施例，可将基带信息和频偏相移看作一体，此时的信号含有三部分，综合信息a(k)、时延和噪声，用下式表示：
[0031]
r(k)＝a(k)
·
h(k-ε) n(k)
ꢀꢀ
(2)
[0032]
为了便于理解本发明的时延估计，在此以移动通信系统中的nt序列为例进行说明。对nt burst信号进行时延估计，是对存在时延的突发信号进行一个符号内的时延位数的估计，以完成信号恢复。终端对信号进行采样和匹配滤波之后，进行一个符号内的时延估计。以四倍上采样为例，即在原信号相邻的两个点之间插入4个点，所以时延的位数可能为{0，1，2，3}；若为八倍上采样，则可能的取值为{0，1，2，3，4，5，6，7}。
[0033]
2.基于iq序列进行时延估计
[0034]
图1给出了接收端同时利用i和q两信号序列来进行定时误差估计算法的框图。此处的i和q两信号序列系无线通信系统中的正交振幅调制，i路表示一个复数序列信号的实部，q路表示这个复数序列信号的虚部。如图1所示，i路序列分别乘以正弦序列和余弦序列，q路序列也分别乘以正弦序列和余弦序列，再经过低通滤波，随后进行平方运算，由i和q两路序列样本得到的实部序列与得到的虚部序列分别进行相加、平均，最后进行反正切(arctan)运算计算符号时延。
[0035]
其中输入信号如式(2)所示，k＝t/t，其中t是当前时刻，t是关注的总时间。信号首先乘以指数e
jπk
，之后通过低通滤波器l(k)，低通滤波器的截止带宽为α/2t，此时信号可以表示为：
[0036]
y(k)＝u(k) jv(k)＝[r(k)e
jπk
]*l(k)
ꢀꢀ
(3)
[0037]
其中u(k)和v(k)分别为y(k)的实部和虚部。
[0038]
将式(2)代入式(3)中，得到
[0039][0040]
n1(k)是n(k)的共轭复数。f(k)是低通滤波器傅里叶逆变换的基带频带转换，表达式如下：
[0041][0042]
其中：
[0043][0044][0045]
n1(k)＝[n(k)e
jπk
]*l(k)
ꢀꢀ
(8)
[0046]
根据本发明的实施例，时延φ定义为在关注的时间t内的偏移量ε与t的比值。进一步地，根据本发明的实施例，可以利用复数的性质，通过求期望的角度计算该时延，就是时延信息的归一化偏移量。进而，时延可以表示为：
[0047][0048]
其中，
[0049]
根据本发明的另一个实施例，时延亦可通过以下方式简化计算：
[0050][0051]
其中l表示用来计算时延的符号的个数,n为上采样的个数。
[0052]
通过时延估计，可以得到时延的整数部分te和小数部分u0。根据本发明的一个实施例，需要对u0的取值进行进一步的调整得到u。进一步地，考虑到u0的取值通常为nπ u，可通过去掉nπ的方式得到u的取值。例如，若u0的取值基本在-π/2，π/2或0附近，则需要将u0调整到相同的取值范围内，比如0附近，得到u。
[0053]
3.信号的恢复
[0054]
发明人经过研究发现，现有技术中的信号恢复规则往往是机械地按照估计出的时延进行补偿，难以应对因为噪声等各种因素而导致时延估计不精确的情况。同时，现有技术中的信号恢复规则通常亦不考虑为时延的小数部分。针对上述问题，本发明提供了一种信号恢复的方法。该方法基于接收端接收到的复数形式的信号，通过分别对实部和虚部作相应补偿和恢复的方式来进行信号回复，从而可以更准确地恢复出原始信号；通过在信号恢复中综合考虑时延的小数部分和/或周围信号的幅值从而进一步提高信号恢复的准确性。
[0055]
设接收机接收到的信号为：
[0056]
r(n)＝ri(n) j
·rq
(n),n＝1,2,...,l
ꢀꢀ
(11)
[0057]
设时延估计完成、信号恢复之后的序列表示为：
[0058]
r(n)＝ri(n) j
·rq
(n),n＝1,2,...,l/4
ꢀꢀ
(12)
[0059]
在此仅以4倍上采样为例描述根据本发明的实施例的信号恢复的规则：
[0060][0061]
式中n＝n/4，同理可得：
[0062][0063]
通过在信号恢复中分别对实部和虚部作相应补偿和恢复、综合考虑时延的小数部分和/或周围信号的幅值，从而可以实现在高信噪比下对信号的恢复的良好效果。
[0064]
进一步地，根据本发明的另一个实施例，考虑到当信噪比较低时利用连续数据点的降采样算法令噪声也得到了相应的叠加，增大了噪声的方差，可以直接从连续数据点中提取其中信号强度最高的作为信号时延恢复的信息。以4倍上采样为例，直接从四个点中提取信号强度最高的那个点，通过提取每四个点中的第一个点作为信号时延恢复的信息，从而保障在信噪比较低时信号恢复的准确性，降低计算的复杂度。具体表达式下式所示。
[0065]r′
(n)＝r(4n),n＝1,2,...,l/4
ꢀꢀ
(15)
[0066]
需要说明的是，上文中虽然以4倍上采样为例对根据本发明的实施例进行描述和说明，但是并不意味着本发明技术方案的实施将受到特定上采样倍数的限制。此外，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
[0067]
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
[0068]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例
子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
[0069]
为使本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容，上面围绕本公开内容进行了描述。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行各种修改是显而易见的，并且，本文定义的通用原理也可以在不脱离本公开内容的精神或保护范围的基础上适用于其它变型。此外，除非另外说明，否则任何方面和/或实施例的所有部分或一部分可以与任何其它方面和/或实施例的所有部分或一部分一起使用。因此，本公开内容并不限于本文所描述的例子和设计方案，而是与本文公开的原理和特征的最广范围相一致。