CN105049172A - 一种短突发的载波频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种短突发的载波频偏估计方法，涉及通信领域，特别是移动通信系统中具有较少唯一字的短突发时的载波频偏估计方法。在通信接收端对频率跟踪过程中，接收信号为短突发信号时，一种短突发频偏估计方法具体过程为：首先，将接收的短突发信号进行解调译码获得信号比特信息。其次，将其重新进行编码调制得到对接收信号的估计，最后从中抽取部分数据符号作为唯一字与接收信号的唯一字信息一起分别进行载波频偏估计，得到最终频偏估计值，然后通过载波跟踪环路对接收信号频率进行补偿即可。采用本申请方法，不但可以降低所取信息比特长度，而且可以提高频率估计精度。

Description

一种短突发的载波频偏估计方法

技术领域

本发明属于通信领域，特别是移动通信系统中具有较少唯一字的短突发时的载波频偏估计方法。

背景技术

在移动通信，尤其是卫星移动通信系统中，接收机完成初始同步后，仍有残余频偏的存在，且由于通信双方相对运动，频率会发生漂移，只有快速、有效的估计并跟踪出频率偏差，才能及时进行频率补偿，使得接收突发信号的频偏在接收机正常接收范围以内，接收端才能进行正确解调。因此，在接收端实现对接收信号频偏的快速准确估计和跟踪，是实现移动通信系统载波同步的关键。

在突发通信系统中，可以采用反馈环路对信号频率进行跟踪，即利用接收突发信号进行频偏估计，将频偏估计得到频偏值进行滤波后用于调节接收突发信号频率，基于频偏估计的载波跟踪环路如图1所示。

频偏估计是载波频率跟踪环路中重要的部分，频偏估计的性能直接影响频率跟踪精度，频偏估计算法根据接收突发信号是否有辅助信息可分为数据辅助和非数据辅助方式的频偏估计算法。其中，数据辅助的方式应用在有已知唯一字场景，虽然系统传输效率有所牺牲，但可大幅降低系统设计难度。常用的数据辅助的频偏估计算法，如L&R算法，Fitz算法，Kay算法等，是最大似然估计算法简化的载波频偏估计算法，其频偏估计性能与参与估计的符号个数密切相关。但在接收短突发信号时，用于频偏估计的唯一字很少，利用传统的数据辅助频偏估计算法精度降低，从而导致载波频率跟踪性能不高。

综上所述，针对现有技术中的频偏估计方法，如何提高接收短突发信号，且接收信号具有较少的唯一字情况下的频偏估计性能，是卫星移动通信系统中接收端实现信号频偏的快速准确估计和跟踪必须解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种降低所取信息比特长度，而且可以提高频率估计精度的短突发的载波频偏估计方法。本发明的技术方案如下：一种短突发的载波频偏估计方法，其包括以下步骤：

101、接收机接收到短突发信号时，将接收的短突发信号进行解调译码获得信号比特信息；

102、将步骤101解调译码的信号比特信息重新进行编码调制得到对接收信号的估计值；

103、最后从步骤102对接收信号的估计值中抽取部分数据符号作为唯一字与接收信号的唯一字信息一起分别进行载波频偏估计，得到最终频偏估计值然后通过载波跟踪环路对接收信号频率进行补偿。

进一步的，步骤103抽取部分数据符号作为唯一字与接收信号的唯一字信息一起分别进行载波频偏估计具体为：设唯一字信息r₁(k)和部分数据符号r₂(k)，计算误差信号，分别得到相应唯一字信息误差信号r_e1(k)以及部分数据符号误差信号r_e2(k)：

$\begin{array}{cc}{r}_{e1}\left(k\right)=c_1^{*}\left(k\right)r_1\left(k\right)=e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+N_k& 0\≤k\≤M_1-1\end{array}$ (公式1)

$\begin{array}{cc}{r}_{e2}\left(k\right)=c_2^{*}\left(k\right)r_2\left(k\right)=e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+N_k& M_1+N\≤k\≤M_1+N+M_2-1\end{array}$ (公式2)

其中，c₁(k)为已知唯一字，c₂(k)为抽取的部分数据符号估值；Δf为接收信号频偏；T_s为符号周期；θ为初始相偏；N_k为高斯白噪声；设接收信号的唯一字信息长度为M₁，抽取的部分数据符号长度为M₂，抽取的部分数据符号与接收信号的唯一字信息间隔数据信息长度为N。

进一步的，基于误差信号的基础上，对接收信号唯一字信息误差信号r_e1(k)求和得到y₁，对部分数据符号误差信号r_e2(k)求和得到y₂：

$\begin{array}{c}{y}_1=\underset{k=0}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{r}_{e1}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{e}^{j2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s}\\ ={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s\frac{M_1-1}{2}}\end{array}$ (公式3)

$\begin{array}{c}{y}_2=\underset{k=M_1+N}{\overset{M_1+N+M_2-1}{\Σ}}{r}_{e2}\left(k\right)=\underset{k=M_1+N}{\overset{M_1+N+M_2-1}{\Σ}}{e}^{j2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s}\\ =A^{\′}{e}^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s\frac{2M_1+2N+M_2-1}{2}}\end{array}$ (公式4)

其中，A和A'为实数；

由以上两式共轭相乘求幅角即arg运算，可得频偏的估计值：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{1}{(N+M_1/2+M_2/2)j2{\mathrm{\πT}}_s}\arg \left\{y_1^{*}{y}_2\right\}$ (公式5)

其中，N为抽取的部分数据符号与接收信号的唯一字信息间隔数据信息长度，若数据符号长度N₁，第二段数据符号长度为N₂，则N的取值范围为(M₁/2+M₂/2，M₁/2+N₂)。

进一步的，步骤101中接收到短突发信号，设接收的短突发信号载波频偏为Δf，则接收端基带信号表示为：

$\begin{array}{cc}r\left(k\right)=c\left(k\right)e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+n\left(k\right)& 0\≤k\≤L-1\end{array}$ (公式1)

上式中，c(k)为接收信号的唯一字，对于MPSK调制信号，有c(k)c^*(k)＝1；Δf为接收信号频偏；T_s为符号周期；θ为初始相偏；n(k)为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；L为可使用的唯一字的长度。

进一步的，步骤101进行解调译码获得信号比特信息具体包括步骤：对接收信号采取QPSK解映射；解交织；补零操作；卷积译码步骤；

步骤102进行编码调制得到对接收信号的估计值具体包括步骤：

对译码结果进行卷积编码步骤，得到编码的比特序列；对编码的比特序列进行打孔交织，得到交织的比特序列；对交织的比特序列进行QPSK调制映射，得到调制符号作为已知唯一字用于频偏估计步骤。

本发明的优点及有益效果如下：

采用本专利方法，解决了接收机接收短突发信号时，由于频偏估计的符号较少或者时间间隔较短时，频偏估计性能恶化的问题。通过对接收信号进行判决估计作为已知唯一字进行频偏估计，增加了可用于频偏估计的符号个数，利用两段唯一字进行频偏估计方法提高了接收短突发信号时频率估计精度，使接收端保持频率同步，保证接收端对接收信号的正确解调。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例载波跟踪环路；

图2是本发明提供优选实施例一种突发结构示意图；

图3是本发明提供优选实施例示一种抽取用于频偏估计的部分符号示意图；

图4是本发明提供优选实施例一种频偏估计方案原理图；

图5是本发明提供优选实施例一种接收信号判决反馈示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

频偏估计是载波频率跟踪环路中重要的部分，频偏估计的性能直接影响频率跟踪精度，在接收短突发信号时，可用于频偏估计的唯一字很少的情况下，利用传统的数据辅助频偏估计算法精度降低，从而导致载波频率跟踪性能不高。

本发明以一种卫星移动通信中频偏估计的方法为例进行详细说明，其接收端载波跟踪环路如图1所示：

在接收端将采样后的突发信号作为输入信号，对接收信号进行频偏估计，假设对接收信号进行频偏估计时已经完成定时同步且无码间干扰。设接收信号载波频偏为Δf，则接收端基带信号表示为：

$\begin{array}{cc}r\left(k\right)=c\left(k\right)e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+n\left(k\right)& 0\≤k\≤L-1\end{array}$ (公式1)

上式中，c(k)为接收信号的唯一字，对于MPSK调制信号，有c(k)c^*(k)＝1；Δf为接收信号频偏；T_s为符号周期；θ为初始相偏；n(k)为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；L为可使用的唯一字的长度。该接收的基带信号与c^*(k)相乘，可以消除调制影响，得到接收误差信号为：

$\begin{array}{cc}{r}_e\left(k\right)=e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+c^{*}\left(k\right)n\left(k\right)& 0\≤k\≤L-1\end{array}$ (公式2)

其中，c^*(k)n(k)和n(k)具有相同的统计特性。

跟踪环路中频率估计器的作用是对输入信号进行频偏估计，得到估计值

将得到的频偏估计值经过环路滤波，图1中环路滤波器表现为低通性质，频偏估计值送入环路滤波器，滤除频偏噪声，改善数控振荡器误差信号的频谱纯度，提高系统稳定性，环路滤波器输出为将频偏估计模块得到的频率估计值经过比例积分环路滤波器滤除噪声，令环路滤波器输出为将环路滤波器输出的进行累加后，经过数控振荡器对接收信号进行频率校正。

其中，在频偏估计器模块，接收短突发信号时采用上述频偏估计算法，接收短突发信号结构如图2。接收短突发信号包括保护间隔，数据符号，唯一字信息。

基于软判决反馈进行频偏估计方法为：对接收信号进行解调译码得到信息比特的估计值，再将译码结果重新进行编码调制，得到对接收信号的估计，如图4所示，这样就可以抽取部分数据符号作为唯一字进行载波频偏估计，得到的频偏估计值用于载波跟踪环路中，如图5所示。

将已知唯一字信息和经过判决反馈后抽取的部分数据符号一起分别用于频偏估计，如图3。

设在接收端抽取突发信号唯一字信息为r₁(k)，唯一字为c₁(k)，抽取的第二段部分数据信息为r₂(k)，经过软判决反馈后得到第二段部分数据信息的估值，作为唯一字设为c₂(k)。此时有两段可作为已知唯一字信息进行频偏估计，可得第一段唯一字信息误差信号：

$r_{e1}\left(k\right)=c_1^{*}\left(k\right)r\left(k\right)=e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+N_k$ (公式3)

设第一段唯一字长度为M₁，这里将初始相位项视为噪声项，对第一段唯一字信息求和，忽略噪声项：

$\begin{array}{c}{y}_1=\underset{k=0}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{r}_{e1}\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{e}^{j2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s}\\ =e^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s\frac{M_1-1}{2}}\underset{k=0}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{e}^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s(k-\frac{M_1-1}{2})}\\ ={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\πfT}}_s\frac{M_1-1}{2}}\end{array}$ (公式4)

公式4中为一系列共轭复数的和，结果为实数，用A表示。同理，对第二段唯一字信息做相同处理，其中M₂为第二段唯一字长度，N为两段唯一字间数据符号长度：

$\begin{array}{c}{y}_2=\underset{k=M_1+N}{\overset{M_1+N+M_2-1}{\Σ}}{r}_{e2}\left(k\right)=\underset{k=M_1+N}{\overset{M_1+N+M_2-1}{\Σ}}{e}^{j2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s}\\ =A^{\′}{e}^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s\frac{2M_1+2N+M_2-1}{2}}\end{array}$ (公式5)

由以上两式共轭相乘求幅角，可得频偏的估计值

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{1}{(N+M_1/2+M_2/2)j2{\mathrm{\πT}}_s}\arg \left\{y_1^{*}{y}_2\right\}$ (公式6)

由于频偏估计的两段数据符号具有一定间隔，降低了相邻数据频偏相关度，不但可以降低所取信息比特长度，而且可以提高频率估计精度。频偏估计的理论是|Δf|＜[T_s(M₁+M₂+2N)]^-1。采用传统的数据辅助频偏估计算法，在信噪比20dB时，仍有几十赫兹的估计误差。采用本专利频偏估计方法，在信噪比4dB时，频偏估计误差在20Hz以内，在信噪比20dB时，频偏估计误差在2Hz以内。此时唯一字符号长度M₁取值为6，抽取的部分数据符号长度M₂取值为10，抽取的部分数据符号与接收信号的唯一字信息间隔数据信息长度N取值为55。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种短突发的载波频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、接收机接收到短突发信号时，将接收的短突发信号进行解调译码获得信号比特信息；

102、将步骤101解调译码的信号比特信息重新进行编码调制得到对接收信号的估计值；

103、最后从步骤102对接收信号的估计值中抽取部分数据符号作为唯一字与接收信号的唯一字信息一起分别进行载波频偏估计，得到最终频偏估计值然后通过载波跟踪环路对接收信号频率进行补偿。

2.根据权利要求1所述的一种短突发的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤103抽取部分数据符号作为唯一字与接收信号的唯一字信息一起分别进行载波频偏估计具体为：设唯一字信息r₁(k)和部分数据符号r₂(k)，计算误差信号，分别得到相应唯一字信息误差信号r_e1(k)以及部分数据符号误差信号r_e2(k)：

$\begin{array}{cc}{r}_{e1}\left(k\right)=c_1^{*}\left(k\right)r_1\left(k\right)=e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+N_k& 0\≤k\≤M_1-1\end{array}$ (公式1)

$\begin{array}{cc}{r}_{e2}\left(k\right)=c_2^{*}\left(k\right)r_2\left(k\right)=e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+N_k& M_1+N\≤k\≤M_1+N+M_2-1\end{array}$ (公式2)

其中，c₁(k)为已知唯一字，c₂(k)为抽取的部分数据符号估值；Δf为接收信号频偏；T_s为符号周期；θ为初始相偏；N_k为高斯白噪声；设接收信号的唯一字信息长度为M₁，抽取的部分数据符号长度为M₂，抽取的部分数据符号与接收信号的唯一字信息间隔数据信息长度为N。

3.根据权利要求2所述的一种短突发的载波频偏估计方法，其特征在于，

基于误差信号的基础上，对接收信号唯一字信息误差信号r_e1(k)求和得到y₁，对部分数据符号误差信号r_e2(k)求和得到y₂：

$\begin{array}{c}{y}_1=\underset{k=0}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{r}_{e1}\left(k\right)=\underset{n=1}{\overset{M_1-1}{\Σ}}{e}^{{\mathrm{j\πk\ΔfT}}_s}\\ ={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s\frac{M_1-1}{2}}\end{array}$ (公式3)

$\begin{array}{c}{y}_2=\underset{k=M_1+N}{\overset{M_1+N+M_2-1}{\Σ}}{r}_{e2}\left(k\right)=\underset{k=M_1+N}{\overset{M_1+N+M_2-1}{\Σ}}{e}^{j2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s}\\ =A^{\′}{e}^{j2{\mathrm{\π\ΔfT}}_s\frac{2M_1+2N+M_2-1}{2}}\end{array}$ (公式4)

其中，A和A'为实数；

由以上两式共轭相乘求幅角即arg运算，可得频偏的估计值：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{1}{(N+M_1/2+M_2/2)j2{\mathrm{\πT}}_s}\arg \left\{y_1^{*}{y}_2\right\}$ (公式5)

其中，N为抽取的部分数据符号与接收信号的唯一字信息间隔数据信息长度，若数据符号长度N₁，第二段数据符号长度为N₂，则N的取值范围为(M₁/2+M₂/2，M₁/2+N₂)。

4.根据权利要求1所述的一种短突发的载波频偏估计方法，其特征在于，

步骤101中接收到短突发信号，设接收的短突发信号载波频偏为Δf，则接收端基带信号表示为：

$\begin{array}{cc}r\left(k\right)=c\left(k\right)e^{j(2{\mathrm{\πk\ΔfT}}_s+\mathrm{\θ})}+n\left(k\right)& 0\≤k\≤L-1\end{array}$ (公式1)

上式中，c(k)为接收信号的唯一字，对于MPSK调制信号，有c(k)c^*(k)＝1；Δf为接收信号频偏；T_s为符号周期；θ为初始相偏；n(k)为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；L为可使用的唯一字的长度。

5.根据权利要求1所述的一种短突发的载波频偏估计方法，其特征在于，

步骤101进行解调译码获得信号比特信息具体包括步骤：对接收信号采取QPSK解映射；解交织；补零操作；卷积译码步骤；

步骤102进行编码调制得到对接收信号的估计值具体包括步骤：

对译码结果进行卷积编码步骤，得到编码的比特序列；对编码的比特序列进行打孔交织，得到交织的比特序列；对交织的比特序列进行QPSK调制映射，得到调制符号作为已知唯一字用于频偏估计步骤。