CN100433745C - 一种п/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种π/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法，其用于基站或终端的接收机，该方法包括以下步骤：将接收的射频载波信号进行下变频，模数转换；对模数转换后的数据进行正交分解，得到基带数据IQ分量；在基带对该IQ分量进行差分运算得到包含了收发频率偏差的分量运算结果对待判决的数据进行频率偏差补偿操作。本发明方法，简化了运算的复杂度，节省了系统实现成本，提高了系统实现效率，并在接收端实现了一种比较简洁、实现复杂度低的进行频率偏差补偿的方法。

Description

一种п/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法

技术领域

本发明涉及一种无线数字通信系统的调制方法，尤其涉及无线数字移动通信领域中应用PI/4 DQPSK(π/4四相差分相移键控)调制技术的PHS(个人手持系统)系统的基站和终端中的接收频率补偿方法。

背景技术

在无线数字移动通信系统中通常有两个基本设备：基站和终端。基站和终端之间通过数字调制后进行无线通讯。具体实现时，在终端或基站通常都是采用调制技术将基带数据进行上变频变成射频载波信号进行发信传输，在接收时再将射频载波信号进行下变频后进行接收信号处理，发送和接收这一过程是在基站和终端间相互配合实现的。考虑到成本因素，通常基站和终端间在具体设计实现允许发送载波有一定的频率偏差，当应用系统在进行接收解调信号处理时如果不考虑该收发频率的偏差，会导致实际应用系统的接收性能有所下降。

为了改善接收性能，实现接收频率和发信频率同频，现有已知技术通常可以采取两类方法：

1)插入导频法，即在发送有用信号的同时在适当的频率位置上插入一个或多个称作导频的正弦波，接收端就由该导频提取出载波；

2)直接法，不专门发送导频，接收端直接从发送信号中提取载波。

在直接法中，通常是对接收信号进行某种非线性变换后就可以提取载波分量，其主要有平方变换法、平方环法、同相正交环法等。这些方法实现时需要和具体的调制方式进行结合。

在美国专利号5,588,026，名称为“一种相移键控频率偏差的补偿方法”“Method of compensating phase shift keying frequency offset”实现了直接法中一种用M平方法来实现接收频率和发信频率同频，其主要实现过程如下：将输入接收信号先作四次方变换，然后对N个码元(symbol)进行累加求和，再做平均。将得到的平均数求反正切函数，将得到的反正切函数结果再除M，此时得到待补偿的频率偏差角度。最后将该频率偏差补偿值和待解调判决数据进行相乘，即得到了频率偏差补偿后的数据。

从以上简单的叙述中，可以看到这种方法在实现时会占用较多的系统资源，要求实现反正切函数；当然也可以通过查找表的方法简化反正切函数的实现，但由于位数有限，反正切函数实现的精度会下降明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种π/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法，通过克服现有已知技术中的实现复杂度高，占用资源较多缺点，提供一种实现效率高、复杂度低的方法。

本发明的技术方案如下：

一种π/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法，其用于基站或终端的接收机，该方法包括以下步骤：

a)将接收的射频载波信号进行下变频，模数转换；

b)对模数转换后的数据进行正交分解，得到基带数据IQ分量；

c)在基带对该IQ分量按π/4四相差分相移键控调制方式进行差分运算，得到受频率偏差影响的待解调判决数据X_k和Y_k；

对待解调判决的数据按以下公式进行频率偏差计算：

X_k＝W_kW_k-1+Z_kZ_k-1

Y_k＝Z_kW_k-1-W_kZ_k-1

其中，k为序号，W_k为正交分解后得到的第k个基带数据I分量；Z_k为正交分解后得到的第k个基带数据Q分量；

对连续多个计算结果求和取平均，得到频率偏差平均值；

d)对待解调判决的数据进行频率偏差补偿操作。

所述的方法，其中，所述步骤c)具体包括：

c21)在数字信号处理器件中先按照以下公式进行差分解调：

其中，θ(k)为第k个码元的调制相位；

根据上式，两路信号W_k和Z_k通过差分解码器进行差分解调，解码器按照以下方式工作，

X_k＝W_kW_k-1+Z_kZ_k-1

Y_k＝Z_kW_k-1-W_kZ_k-1；

c22)按照下表的公式得到含频率偏差参数的函数：

其中，X_k，Y_k是差分解码后的待解调判决数据，α是收发载频频率差对应的角度；

c23)求和取平均，得到频率偏差平均值。

所述方法，其中，进行频率偏差补偿是按照下述公式用频率偏差平均值对差分解调后的数据进行频率偏差补偿，将补偿后的数据作为判决的数据源进行判决：

Xk′＝Xk*cos(α)+Yk*sin(α)

Yk′0＝Yk*cos(α)-Xk*sin(α)。

采用本发明所述方法，与现有技术相比，简化了运算的复杂度，节省了系统实现成本，提高了系统实现效率，并在接收端实现了一种比较简洁、实现复杂度低的进行频率偏差补偿的方法。

附图说明

图1是本发明方法的PI/4 DQPSK调制系统的接收信号处理系统框图；

图2是本发明方法的实现频率偏差补偿的流程图；

图3为本发明方法的PHS基站接收通道框架示意图；

图4为本发明方法的PHS基站进行频率补偿的基带信号处理流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的较佳实施例加以详细描述，并结合在PHS系统基站中的具体实施作进一步的详细描述。

本发明所述的一种PI/4DQPSK调制方式的频率偏差补偿的方法基本过程如下：

根据PI/4DQPSK的调制方式，在接收机处理时按照如下方式实现：先将接收的射频载波信号进行下变频，模数转换，然后进行正交分解得到基带数据IQ分量。在基带对该接收的IQ数据进行差分运算，由于接收频率和发信频率不同，运算结果中已经包含了收发频率偏差的分量。

考虑到实际系统特性和PI/4DQPSK的实现方式，运算结果中所含的频率偏差分量的绝对值将小于45度，同时理论解调相位为正负45度和正负135度。根据这一特性，对差分运算后的结果按四个象限进行反操作，求解得到一个瞬时的频率偏差值。对连续N个接收数据进行如上处理，然后求和取平均，就得到一个频率偏差均值。

对得到的频率偏差均值按照差分运算的结果进行反运算，实现对连续N个数据的频率偏差补偿运算。具体的补偿实现就是如公式C23，详细的补偿过程是：该公式中只应用了单个码元的频偏值，考虑到空中信道特性，需要对连续N个码元数据做同样的处理，将N个码元数据得到的频偏值函数cosα和sinα分别对应求和取平均，得到N个码元数据处理后的一个平均值：cosα和sinα。将平均处理后得到的cosα和sinα在应用于公式C23，就可以求得N个码元数据频偏补偿后的待解调判决数据了。

从以上叙述中，可以看到本方法进行频率偏差补偿的运算简单，在实现效率上也比较高。

如图1所示是本发明方法的PI/4 4DQPSK调制系统的接收信号处理系统框图，在基带进行差分解调算法，这是在DSP、FPGA日益普及应用的背景下一种常用的处理方法。当考虑到接收和发信频率存在差异时，其一些相关关系如下：

PI/4DQPSK的基带差分解调方式：

假设空中射频载波接收信号为：

k*T≤t＜(k+1)*T，k＝0..∞(1)

其中，T为一个码元的持续时间。w_c＝2*π*f_c，f_c为基站收到的射频信号的载波频率。

为空间传输对接收产生的附加相位。

对接收到的空中射频载波信号进行下变频和正交分解，由两路同相、正交信号与本地载波ω相乘，经过低通滤波器后滤出的低频信号为：

其中，θ(k)为第k个码元的调制相位。

根据式(2)，两路信号W_k和Z_k通过差分解码器进行差分解调。解码器按照以下方式工作，

X_k＝W_kW_k-1+Z_kZ_k-1

Y_k＝Z_kW_k-1-W_kZ_k-1    (3)

将(3)展开为，

$=\cos \{\mathrm{\θ}\left(k\right)-\mathrm{\θ}(k-1)+({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})*[t\left(k\right)-t(k-1)\left]\right\}$

$=\cos (\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)+({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})*T)$

$=\sin \{\mathrm{\θ}\left(k\right)-\mathrm{\θ}(k-1)+({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})*[t\left(k\right)-t(k-1)\left]\right\}$

$=\sin [\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)+({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})*T]$

其中，Δθ(k)＝θ(k)-θ(k-1)

ω_c-ω＝2*π*(f_c-f)＝2*π*Δf

......通过以上推导，可以得到X_k，Y_k为含有频率偏差Δf的变量。

如图2所示是频率偏差补偿的流程图，在图1的系统中考虑频率偏差的影响后进行该频率补偿的流程图。

根据PI/4 DQPSK的调制，决定了两个码元的相位差Δθ为如下四个数值中的一个：[π/4，-π/4，π*3/4，-π*3/4]。

将公式(4)中X_k和Y_k的最终结果进行展开，设(ω_c-ω)*T＝α，得到，当|α|＜π/4时，可以将公式(4)简化求得表1中的关系公式：

表1频率偏差函数和差分解调后变量的关系表

最后对待解调判决的数据进行频率偏差补偿操作。

从公式(4)中的推导得知，设不存在频率偏差Δf时，待解调判决的变量为

Xk’＝cos(Δθ(k))

Yk’＝sin(Δθ(k))(5)

则有如下公式成立：

Xk′＝cos(Δθ(k)+α-α)

＝cos(Δθ(k)+α)cos(α)+sin(Δθ(k)+α)sin(α)

＝Xk*cos(α)+Yk*sin(α)

Yk′＝sin(Δθ(k)+α-α)

＝sin(Δθ(k)+α)cos(α)-cos(Δθ(k)+α)sin(α)

＝Yk*cos(α)-Xk*sin(α)

(6)

显然，公式(6)中得到了进行频率偏差补偿的待解调判决的数据。根据以上公式推导，在流程图中实现了接收频率偏差补偿功能。

本方法可以用于无线数字通信领域中PHS系统基站或终端的接收和发信频率偏差的补偿应用。

PHS系统采用PI/4 DQPSK调制技术，基站和终端允许发信频率偏差为±3ppm。系统对接收频率偏差补偿实现没有作要求，但为了进一步提高基站或终端的接收灵敏度，需要在接收处理时进行收信频率偏差补偿。另外，PHS系统为TDD/TDMA系统，对频率偏差计算有实时性要求，要求实现效率高，同时要求资源开销尽可能少。

在图3所示中表明了PHS系统基站的接收通道部分构成。首先基站设备将从天线接收下来的空中射频载波信号(先经过PI/4DQPSK调制)通过射频部分进行下变频，该基站接收通道应用的本振频率和空中射频载波信号的频率存在一定的频率偏差，经过下变频后的中频信号最后输入到基带进行信号处理，基带信号处理硬件部分由模数转换器、数字信号处理DSP和可编程器件FPGA等器件构成，基带的信号处理部分主要在DSP中实现。

如图4中所示表明了接收频率偏差补偿的基带信号处理流程图。首先通过模数转换器进行转换，然后将转换后的数据进行正交分解，得到的IQ分量数据输入到DSP中。在DSP中先按照公式(3)进行差分解调，然后按照表1的公式得到含频率偏差参数的函数，然后求和取平均，最后按照公式(6)将差分解调后的数据进行频率偏差补偿，将补偿后的数据作为判决的数据源进行判决。经过如上处理后，就实现了接收频率和发信频率偏差的补偿。

经过这样频率偏差补偿处理后的基站，算法处理的复杂度低，占用资源少，实时性较强，在实施本方法后可以在一定频率偏差范围内保证接收灵敏度没有明显恶化，同时间接地提高了实际应用的接收灵敏度。

以上是对本发明方法的较佳实施例的详细描述，并不能因此而对本发明的专利保护范围进行限制，其保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种π/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法，其用于基站或终端的接收机，该方法包括以下步骤：

a)将接收的射频载波信号进行下变频，模数转换；

b)对模数转换后的数据进行正交分解，得到基带数据IQ分量；

c)在基带对该IQ分量按π/4四相差分相移键控调制方式进行差分运算后得到受频率偏差影响的待解调判决数据X_k和Y_k，对待解调判决的数据按以下公式进行频率偏差计算：

X_k＝W_kW_k-1+Z_kZ_k-1

Y_k＝Z_kW_k-1-W_kZ_k-1

其中，k为序号，W_k为正交分解后得到的第k个基带数据I分量；Z_k为正交分解后得到的第k个基带数据Q分量；

对连续多个计算结果求和取平均，得到频率偏差的平均值；

d)对待解调判决的数据进行频率偏差补偿操作。

2.根据权利要求1所述的π/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法，其特征在于，所述步骤c)具体包括：

c21)在数字信号处理器件中先按照以下公式进行差分解调：

其中，θ(k)为第k个码元的调制相位；

根据上式，两路信号W_k和Z_k通过差分解码器进行差分解调，解码器按照以下方式工作，

X_k＝W_kW_k-1+Z_kZ_k-1

Y_k＝Z_kW_k-1-W_kZ_k-1；

c22)按照下表的公式得到含频率偏差参数的函数：

其中，X_k，Y_k是差分解码后的待解调判决数据，α是收发载频频率差对应的角度；

c23)求和取平均，得到频率偏差平均值。

3.根据权利要求2所述的π/4四相差分相移键控调制方式的接收频率补偿方法，其特征在于，进行频率偏差补偿是按照下述公式用频率偏差平均值对差分解调后的数据进行频率偏差补偿，将补偿后的数据作为判决的数据源进行判决：

Xk′＝Xk*cos(α)+Yk*sin(α)

Yk′＝Yk*cos(α)-Xk*sin(α)

其中，X_k’，Y_k’是差分解码后已进行频率偏差补偿的待解调判决数据。

Images