CN114465691A - 一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法及系统，包括：信号建模步骤，计算在m个建模周期内建模信号的相位变化；相位提取步骤，根据建模信号，求取建模信号的相位

并对相位进行相应处理，提取出与采样频率偏差ΔN相关的相位分量；相位曲线获取步骤，根据提取到的相位

在下一个建模计算周期内，采用上一个建模周期结束时的相位值作为初始相位值，同时继续做相位

的计算，计算得到的

Description

一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方 法及系统

技术领域

本发明涉及一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法及系统。

背景技术

在数字通信系统中，解调器的输出必须以符号速率周期性地在精确的抽样时刻t_m＝mT+τ上进行抽样，其中T是符号间隔，τ是信号从发射机到接收器传播时间的标称时延。为了进行周期采样，要求接收机中必须有一个精确的时钟，然而通常情况下，由于接收机晶振频率存在一定偏差，致使ADC采样时钟与期望值或理论值存在一定的偏差，导致经过ADC采样后的信号存在一定的采样偏差。随时间推移，相位累积效应将导致信号的实际采样位置偏离最佳采样位置，从而引起信号的相位失真，极大程度降低接收机的解调性能。采样时钟偏差带来的采样误差可以通过采样定时同步的方法进行估计和补偿，利用采样定时同步输出的信号进行解调，保证通信接收机的解调系统性能。

接收机系统中常用的采样定时同步算法根据采用结构大致分为两类：反馈估计算法和前馈估计算法。其中，反馈估计算法中主要包括Gardner算法和早-迟门法等。Gardner算法是一种非面向判决的定时误差检测算法，独立于载波相位估计，只需要每个符号两个采样点，即可实现误差检测。Gardner算法有两个特点：①每个符号仅需要两个采样点，一个在符号判决点附近，另一个在两个符号判决点中间附近，用连续三个采样点来求定时误差，且以码元速率输出误差信号；②估计算法是独立于载波相位的，即可以在载波相位同步之前，进行定时误差估计。早-迟门估计法也是一种非面向判决的定时估计算法，它利用匹配滤波器或相关器输出端信号的对称特性，通过早门和迟门的两个相关器输出的绝对值之差形成误差信号，同时，为了平滑噪声对信号采样值恶化的影响，将误差信号通过一个低通滤波器进行滤波。若存在定时偏差，则低通滤波器输出的平均误差信号非零，且时钟信号是迟后或者提前的，这取决于误差的正负号。以上两种方法适用于采样定时偏差较小的场景，通查需要通过内插器来调整采样值，且由于引入了反馈环路，收敛速度较慢，链路延迟大，对要求实时处理性能较好的实时通信系统来讲并不合适。

前馈估计有最大能量采样、延时相关采样等。其中最大能量采样法统计多路并行采样数据并比较功率，原理简单且易实现，但采样倍数要求较高，且定时估计不够准确。延时相关采样法采用数据辅助的形式，计算多路并行采样数据的相关值，但和最大能量采样法类似，存在纠偏不够精确的问题，且额外要求数据辅助。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法，所述估计和补偿方法包括以下步骤：

信号建模步骤，对恒包络相位调制信号与周期信号e^j2πk/N的乘积进行如下信号建模，计算在m个建模周期内建模信号的相位变化；

式中，mN_r为采样频率存在误差时，接收机接收信号的实际的时间长度，N_s为不存在采样频率偏差时理论的上采样倍数，即

其中f_s为期望的理论采样频率，f_b为调制信号的符号率；

相位提取步骤，根据建模信号，求取建模信号的相位

并对相位进行相应处理，提取出与采样频率偏差ΔN相关的相位分量；

相位曲线获取步骤，根据提取到的相位

在下一个建模计算周期内，采用上一个建模周期结束时的相位值作为初始相位值，同时继续做相位

的计算，计算得到的

值减去初始相位值，得到下一个建模周期结束时的计算得到的相位值，得到相位曲线；

补偿步骤，根据相位值的相位曲线补偿采样频率偏差。

所述估计和补偿方法还包括低通滤波步骤：

为应对低信噪比场景下噪声对相位计算的影响，在每个计算建模周期结束后，将计算得到

通过IIR低通滤波器进行相位平滑处理。

所述估计和补偿方法中的补偿步骤具体为：

给出由于采样频率存在偏差导致的建模信号偏差的采样点数与m个周期内建模信号相位的变化量之间的关系，根据该变化量实时地对采样频率偏差进行补偿。

变化量实时地对采样频率偏差进行补偿具体为：

相位曲线的值每次达到由采样频率不准确导致的每偏离一个采样点导致的建模信号相位偏差的值时，根据相位变化的大小和方向，来左右调整最优采样点的位置，以补偿采样频率偏差。

考虑存在噪声的情况时的信号建模：

一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿系统，所述系统包括以下单元：

信号建模单元，对恒包络相位调制信号与周期信号e^j2πk/N的乘积进行如下信号建模，计算在m个建模周期内建模信号的相位变化；

式中，mN_r为采样频率存在误差时，接收机接收信号的实际的时间长度，N_s为不存在采样频率偏差时理论的上采样倍数，即

其中f_s为期望的理论采样频率，f_b为调制信号的符号率；

相位提取单元，根据建模信号，求取建模信号的相位

并对相位进行相应处理，提取出与采样频率偏差ΔN相关的相位分量；

相位曲线获取单元，根据提取到的相位

在下一个建模计算周期内，采用上一个建模周期结束时的相位值作为初始相位值，同时继续做相位

的计算，计算得到的

值减去初始相位值，得到下一个建模周期结束时的计算得到的相位值，得到相位曲线；

补偿单元，根据相位值的相位曲线补偿采样频率偏差。

所述估计和补偿方法还包括低通滤波单元：

为应对低信噪比场景下噪声对相位计算的影响，在每个计算建模周期结束后，将计算得到

通过IIR低通滤波器进行相位平滑处理。

所述补偿单元具体为：

给出由于采样频率存在偏差导致的建模信号偏差的采样点数与m个周期内建模信号相位的变化量之间的关系，根据该变化量实时地对采样频率偏差进行补偿。

变化量实时地对采样频率偏差进行补偿具体为：

相位曲线的值每次达到由采样频率不准确导致的每偏离一个采样点导致的建模信号相位偏差的值时，根据相位变化的大小和方向，来左右调整最优采样点的位置，以补偿采样频率偏差。

考虑存在噪声的情况时的信号建模：

本发明利用恒包络信号的幅度特点及e^j2πk/N的周期特性，通过对恒包络相位调制信号与周期信号e^j2πk/N的乘积进行建模，计算在m个建模周期内，建模信号的相位变化，通过公式推导，给出系统采样频率偏差存在时，在m个建模周期内建模信号相位的变化特性，同时根据公式推导，给出由于采样频率存在偏差导致的建模信号偏差的采样点数与m个周期内建模信号相位的变化量之间的关系，根据该变化量实时地对采样频率偏差进行补偿。本发明的补偿方法是通过调整最优采样点位置，使解调信号的输入始终采用实际的最优采样点。为应对低信噪比场景下噪声对相位计算的影响，通过IIR低通滤波的方式对相位曲线进行平滑，优化低信噪比场景下算法性能。

本发明具有实时性好，复杂度低，易于理解和实现，且估计精度高，范围广，在低信噪比场景下性能表现较好，适用于所有的恒包络相位调制信号接收机采样定时估计和补偿。

参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

本发明实施例基于恒包络相位调制信号的幅度恒定特性，对接收到的基带恒包络信号进行周期建模，推导出建模信号在存在采样频率偏差前后，计算出的相位差异，来估计出由于存在定时偏差导致的建模信号相位偏移。

本发明采用的技术方案实现步骤如下：

1、在接收机的实际采样点上，进行如下信号建模；

式中，mN_r为采样频率存在误差时，接收机接收信号的实际的时间长度，N_s为不存在采样频率偏差时理论的上采样倍数，即

其中f_s为期望的理论采样频率，f_b为调制信号的符号率。

2、根据步骤1中的建模信号，求取其相位

并对相位进行相应处理，提取出与采样频率偏差ΔN相关的相位分量。

3、根据提取到的相位

在下一个建模计算周期内，采用上一个建模周期结束时的相位值作为初始相位值，同时继续做相位

的计算，得到下一个建模周期结束时的计算得到的相位值；

4、在每个计算建模周期结束后，将计算得到

通过IIR低通滤波器进行相位平滑，降低由于低信噪比场景下较大功率的噪声对相位计算产生的影响；

5、相位曲线的值每次达到公式中推导出的由采样频率不准确导致的每偏离一个采样点导致的建模信号相位偏差的值时，根据相位变化的大小和方向，来左右调整最优采样点的位置，以补偿采样频率偏差。

附公式推导过程：

假设N_r＝N_s+ΔN，则：

在式(1.2)中，假设m为偶数，且

则

若

则

若

则

由式(1.1)-(1.5)可见，由于累加过程中，在累加长度周期内，采样时钟偏差引起的相位变化均与ΔN相关，因此，通过考察arg(h(m))，结合如前面所述采样时钟偏差导致1个采样点偏移时，引起相位偏移量为

即可在累积变化相位为

时进行最佳采样点选取的移位(左移或右移一个采样点)。

考虑存在噪声的情况：

在式(2.2)和(2.3)的公式推导中可以看出，在SNR一定的前提下，为满足噪声功率的统计特性，应保证累加采样周期长度m的值尽可能大，从而，一方面，噪声的统计功率更接近噪声统计功率σ²，另一方面，保证建模信号f(m)的信号部分中

的值尽可能大，从而尽可能降低后面噪声部分对建模信号f(m)相位的影响。实际仿真过程中，在snr小于5dB时，应保证m≥600，且应同时保证在一个统计周期内，由于采样偏差导致的样点偏移小于一个采样点。假设接收机系统要设计指标要求对抗的采样时钟偏差为Pppm,则该段时间内累加的长度m应满足

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这中叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法，其特征在于，所述估计和补偿方法包括以下步骤：

信号建模步骤，对恒包络相位调制信号与周期信号e^j2πk/N的乘积进行如下信号建模，计算在m个建模周期内建模信号的相位变化；

式中，mN_r为采样频率存在误差时，接收机接收信号的实际的时间长度，N_s为不存在采样频率偏差时理论的上采样倍数，即

其中f_s为期望的理论采样频率，f_b为调制信号的符号率；

相位提取步骤，根据建模信号，求取建模信号的相位

并对相位进行相应处理，提取出与采样频率偏差ΔN相关的相位分量；

相位曲线获取步骤，根据提取到的相位

在下一个建模计算周期内，采用上一个建模周期结束时的相位值作为初始相位值，同时继续做相位

的计算，得到下一个建模周期结束时的计算得到的相位值，得到相位曲线；

补偿步骤，根据相位值的相位曲线补偿采样频率偏差。

2.根据权利要求1所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法，其特征在于，所述估计和补偿方法还包括低通滤波步骤：

为应对低信噪比模式下噪声对相位计算的影响，在每个计算建模周期结束后，将计算得到

通过IIR低通滤波器进行相位平滑处理。

3.根据权利要求1所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法，其特征在于，所述估计和补偿方法中的补偿步骤具体为：

给出由于采样频率存在偏差导致的建模信号偏差的采样点数与m个周期内建模信号相位的变化量之间的关系，根据该变化量实时地对采样频率偏差进行补偿。

4.根据权利要求3所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法，其特征在于，变化量实时地对采样频率偏差进行补偿具体为：

相位曲线的值每次达到由采样频率不准确导致的每偏离一个采样点导致的建模信号相位偏差的值时，根据相位变化的大小和方向，来左右调整最优采样点的位置，以补偿采样频率偏差。

5.根据权利要求1所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿方法，其特征在于，考虑存在噪声的情况时的信号建模：

6.一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿系统，其特征在于，所述系统包括以下单元：

信号建模单元，对恒包络相位调制信号与周期信号e^j2πk/N的乘积进行如下信号建模，计算在m个建模周期内建模信号的相位变化；

式中，mN_r为采样频率存在误差时，接收机接收信号的实际的时间长度，N_s为不存在采样频率偏差时理论的上采样倍数，即

其中f_s为期望的理论采样频率，f_b为调制信号的符号率；

相位提取单元，根据建模信号，求取建模信号的相位

并对相位进行相应处理，提取出与采样频率偏差ΔN相关的相位分量；

相位曲线获取单元，根据提取到的相位

在下一个建模计算周期内，采用上一个建模周期结束时的相位值作为初始相位值，同时继续做相位

的计算，计算得到的

值减去初始相位值，得到下一个建模周期结束时的计算得到的相位值，得到相位曲线；

补偿单元，根据相位值的相位曲线补偿采样频率偏差。

7.根据权利要求6所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿系统，其特征在于，所述估计和补偿方法还包括低通滤波单元：

为应对低信噪比场景下噪声对相位计算的影响，在每个计算建模周期结束后，将计算得到

通过IIR低通滤波器进行相位平滑处理。

8.根据权利要求6所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿系统，其特征在于，所述补偿单元具体为：

给出由于采样频率存在偏差导致的建模信号偏差的采样点数与m个周期内建模信号相位的变化量之间的关系，根据该变化量实时地对采样频率偏差进行补偿。

9.根据权利要求8所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿系统，其特征在于，变化量实时地对采样频率偏差进行补偿具体为：

相位曲线的值每次达到由采样频率不准确导致的每偏离一个采样点导致的建模信号相位偏差的值时，根据相位变化的大小和方向，来左右调整最优采样点的位置，以补偿采样频率偏差。

10.根据权利要求6所述的一种低复杂度的恒包络相位调制信号采样偏差估计和补偿系统，其特征在于，考虑存在噪声的情况时的信号建模：

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