專利名稱：一種頻率偏移估計的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，尤其涉及信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種頻率偏移估計的方法。
背景技術(shù)：
在數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，頻率偏移估計是常用的信號處理方法之一。
由于基站與移動臺，或移動臺與移動臺之間的載波頻率不可能絕對相等，因此接收機(jī)實際接收信號與期望的接收信號間存在一個較為固定的頻率偏移。這種頻率偏移在數(shù)字無線通訊領(lǐng)域是有害的，它可以降低信道估計的準(zhǔn)確性、造成誤碼率上升等現(xiàn)象。因此數(shù)字無線通訊系統(tǒng)中，接收機(jī)通常需要依據(jù)上行接收信號進(jìn)行頻率偏移估計，繼而進(jìn)行頻率偏移補(bǔ)償，以消除頻率偏移所帶來的種種有害影響。
ArrayComm公司的專利“Method and apparatus for decision directed demodulation usingantenna arrays and spatial processing”，發(fā)明人Barratt；Craig H.(Redwood City，CA)；Farzaneh；Farhad(San Francisco，CA)；Parish；(David M.Los Altos，CA)，
公開日1998年04月23日，公開號WO 98/17037，描述了一種頻率偏移估計的方法，該方法在可能的頻率偏移范圍內(nèi)按照先大跨度粗搜，然后小跨度精搜的順序進(jìn)行頻率偏移估計。它使用一段已知信號進(jìn)行頻率偏移估計，其代價函數(shù)為實際接收信號與添加探測頻率偏移后理想信號間的誤差功率。當(dāng)誤差功率最小時，則使用的探測頻率偏移值即為本次頻率偏移估計的估值。
但該方法的缺點在于該方法要使用一段已知的信號，而在移動通信系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)通信效率，這樣的已知信號通常很短或不存在，例如在PCS系統(tǒng)中，TCH幀結(jié)構(gòu)中可用的已知信號長度僅為12個符號，使用該專利方法獲得的估計結(jié)果精度較差；如果不存在已知信號，則該方法失效。
同時該方法實際工程應(yīng)用時，需首先在接收信號中估計這段已知信號的位置，增加了該方法實現(xiàn)的復(fù)雜度，也增加了異常情況的幾率，即已知信號位置估計錯誤時，該方法的頻率偏移估計結(jié)果是錯誤的。
另外，該方法采用搜索進(jìn)行頻率偏移估計，運算量很大，例如在該方法的較佳實施例中，要在-4096Hz～+4096Hz頻率偏移估計范圍內(nèi)，間隔16Hz實施搜索過程，按常規(guī)的搜索方法需要進(jìn)行513次搜索運算，即使通過一些實現(xiàn)技巧減少搜索次數(shù)，但運算量仍然很大，給該方法的實際應(yīng)用帶來很多不便。
基于上述原因，現(xiàn)有技術(shù)依然存在缺陷，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種頻率偏移估計的方法，鑒于現(xiàn)有頻率偏移估計的方法需使用已知信號，并用很大的開銷進(jìn)行搜索估計的不足之處，提供一種無需特定已知信號、無需進(jìn)行搜索的頻率偏移估計的方法，可以避免已知信號的位置估計運算，大幅降低實現(xiàn)復(fù)雜性；同時，本發(fā)明提供的頻率偏移估計的方法可以部分抑止接收信號中的加性噪聲，具有較高的頻率偏移估計性能。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種頻率偏移估計的方法，包括如下步驟一種頻率偏移估計的方法，包括如下步驟第一步，發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；第二步，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機(jī)獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角，旋轉(zhuǎn)夾角包含頻偏信息；第五步，接收機(jī)依照旋轉(zhuǎn)夾角與頻率偏移存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。
所述第一步中，發(fā)射機(jī)按時間順序依次發(fā)射符號。
所述第二步中，接收機(jī)按時間順序依次接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的符號。
所述第三步中，所述接收機(jī)獲得的參考信號是接收信號的近似拷貝；接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號，即對每個接收信號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收信號收斂后的結(jié)果。
所述第三步中相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號進(jìn)一步包括如下步驟步驟(1)令參考信號的第一個符號等于歸一化后的第一個接收符號，歸一化操作為第一個接收符號除以其自身的模值，同時令初始誤差變量為1；步驟(2)從參考信號的第二個符號開始進(jìn)行如下循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢a、進(jìn)行解調(diào)即根據(jù)系統(tǒng)的不同，采用相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)；b、將解調(diào)結(jié)果依據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式重新對上一時刻的參考信號進(jìn)行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻的參考信號；c、將當(dāng)前時刻參考信號與接收信號的誤差與上一時刻的誤差進(jìn)行低通濾波，得到當(dāng)前時刻的經(jīng)過低通降噪后的誤差；d、給當(dāng)前時刻參考信號乘以經(jīng)過低通降噪后的誤差的共軛，令當(dāng)前參考信號向當(dāng)前接收信號收斂，并用乘積結(jié)果更新當(dāng)前參考信號；
e、對當(dāng)前時刻的參考信號進(jìn)行歸一化操作，即令當(dāng)前參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新當(dāng)前參考信號。
6、如權(quán)利要求5所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟c中的低通濾波可以這樣實現(xiàn)(a)上一時刻的誤差乘以1與低通濾波器系數(shù)的差；(b)低通濾波器系數(shù)乘以當(dāng)前接收信號的誤差，再除以當(dāng)前接收信號的模；(c)將上述步驟(a)與步驟(b)得到的值相加；所述低通濾波器的系數(shù)取值范圍為0到1。
所述第四步中，所述接收機(jī)獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角。
所述第五步中頻率偏移估值通過如下轉(zhuǎn)換關(guān)系得到頻率偏移估計值等于旋轉(zhuǎn)夾角除以360與接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔的乘積，其中頻率偏移估值的單位為赫茲，旋轉(zhuǎn)夾角的單位為度，接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔的單位為秒。
本發(fā)明所提出的一種頻率偏移估計的方法，由于采用了基于相干解調(diào)獲得參考信號和估值信號的方法，因此同已有的頻率偏移估計的方法相比，不需要特定的已知信號，無需在頻率范圍內(nèi)進(jìn)行搜索操作，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實現(xiàn)簡單可靠，估計精度高的明顯優(yōu)點。
具體而言，本發(fā)明所公開的一種頻率偏移估計的方法，與傳統(tǒng)的頻率偏移估計的方法相比具有如下特點第一，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計的方法引入了相干解調(diào)技術(shù)，可以部分抑止加性噪聲，提高接收信號信噪比，因此具有較高的頻率偏移估計精度。
第二，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計的方法引入了相干解調(diào)技術(shù)，可以自行產(chǎn)生估計頻率偏移所需的參考信號，無需特定的已知信號，省略了在接收信號中查找已知信號位置的過程，避免了因已知信號位置估計錯誤引起的頻率偏移估計異常的情況，極大的降低了實現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了實現(xiàn)的穩(wěn)定、可靠性。
第三，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計的方法無需進(jìn)行搜索估計，大大降低了運算量。


圖1為本發(fā)明所述的頻率偏移估計的方法的流程示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，將對本發(fā)明進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。
本發(fā)明提出一種頻率偏移估計的方法，所述方法包括第一步，發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；第二步，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機(jī)獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角；第五步，接收機(jī)將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。
所述第一步中，發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號矢量為s，且s＝{s1，s2，...，sn}，其中s每一元素的下標(biāo)表示發(fā)射符號的時間順序。
所述第二步中，接收機(jī)接收的信號矢量為r，且r＝{r1，r2，...，rn}，其中r每一元素的下標(biāo)表示接收符號的時間順序。
在上述第三步中，本發(fā)明中接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號ref，且ref＝{ref1，ref2，...，refn}，其每一元素的下標(biāo)表示參考符號的時間順序。參考信號ref是接收機(jī)接收信號r的一個近似拷貝，但比接收機(jī)接收信號r具有更高的信噪比，其獲得方法為參考信號ref是對每個接收符號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結(jié)果。
在本明的較佳實例中采用π/4DQPSK調(diào)制方式，參考信號re的具體獲得方法為令參考信號ref的第一個符號ref1等于歸一化后的第一個接收符號r1，歸一化操作為r1/|r1|，同時令初始誤差變量Err1＝1；在本明的較佳實例從第二個符號開始進(jìn)行如下(1)～(5)所述的循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢(1)進(jìn)行解調(diào)，即根據(jù)系統(tǒng)的不同，采用相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)，可以采用QPSK、BPSK、π/4DQPSK等調(diào)制方式；若采用QPSK、BPSK調(diào)制方式僅需要使用當(dāng)前時刻的接收信號作為參數(shù)就可進(jìn)行解調(diào)；若采用π/4DQPSK調(diào)制方式，需使用當(dāng)前時刻的接收信號和上一時刻的參考信號作為參數(shù)進(jìn)行解調(diào)，即令當(dāng)前時刻k的接收符號rk乘以上一時刻k-1的參考信號refk-1的共軛，其中k＝2，3，...，得到乘積dif；根據(jù)dif所在象限依據(jù)π/4DQPSK調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)；(2)將解調(diào)結(jié)果依據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式重新對上一時刻k-1的參考信號refk-1進(jìn)行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻k的參考信號refk；(3)將當(dāng)前時刻參考信號與接收信號的誤差refk·rk′/|rk|與上一時刻的誤差Errk-1進(jìn)行低通濾波，得到當(dāng)前時刻的經(jīng)過低通降噪后的誤差Errk，濾波方法為Errk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|，其中ρ為低通濾波器系數(shù)，取值范圍為0到1；(4)給當(dāng)前時刻參考信號refk乘以經(jīng)過低通降噪后的誤差Errk的共軛，令refk向rk收斂，并用乘積結(jié)果更新refk；(5)對當(dāng)前時刻的參考符號refk進(jìn)行歸一化操作，即令refk除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新refk。
以上操作過程可以用如下偽指令表示ref1＝r1/|r1|Err1＝1for k＝2∶ndif＝rk·refk-1′refk＝refk-1·ejδErrk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|refk＝refk·Errkrefk＝refk/|refk|end其中“s’”表示符號“s”的共軛；依據(jù)π/4DQPSK調(diào)制方式，dif的復(fù)角分別位于1、2、3、4象限時，Ejδ分別等于ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4；ρ為低通濾波器系數(shù)，取值范圍為0到1，在本發(fā)明的較佳實施例中，ρ取0.8。
所述第四步中，本發(fā)明較佳實例中的接收機(jī)采用π/4DQPSK調(diào)制符號的差分星座作為期望星座圖，并獲得參考信號ref的差分星座圖與期望星座圖之間的旋轉(zhuǎn)夾角，這個旋轉(zhuǎn)夾角包含了頻率偏移信息；所述旋轉(zhuǎn)夾角的獲得方法為將參考信號ref的差分星座圖所有位于第2、3、4象限的星座點分別旋轉(zhuǎn)-π/2、π、+π/2弧度，轉(zhuǎn)換到第1象限后累加求平均，均值為一個復(fù)數(shù)，其復(fù)角與π/4的差即為旋轉(zhuǎn)夾角θ，具體過程可以用以下偽指令表示
for k＝1∶nzk＝refk+1·refk′if zk∈Quadrant(2)zk＝zk·e-jπ/2elseif zk∈Quadrant(3)zk＝zk·ejπelseif zk∈Quadrant(4)zk＝zk·e+jπ/2endendejθ＝Mean(z)·e-jπ/4其中，Quadrant(n)表示象限n；Mean(z)表示矢量z的平均值；θ即表示參考信號ref的差分星座圖與期望星座圖之間的旋轉(zhuǎn)夾角。
所述第五步中，本發(fā)明較佳實例中的接收機(jī)將θ轉(zhuǎn)換為頻率偏移估值。針對既定的通信系統(tǒng)，θ與頻率偏移估值間存在固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得旋轉(zhuǎn)夾角θ信息后，即可通過這個固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲得頻率偏移的估值。這個轉(zhuǎn)換關(guān)系為頻率偏移估值等于旋轉(zhuǎn)夾角除以360與接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔的乘積，其中頻率偏移估值的單位為“Hz”，旋轉(zhuǎn)夾角的單位為“度”，接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔的單位為“秒”，例如θ＝3(度)，接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔＝5.208e-6秒時，頻率偏移估值等于1600Hz。
應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明保護(hù)范圍闡明于所附權(quán)利要求書中，而不能以說明書的上述描述做為限制，凡是在本發(fā)明的宗旨之內(nèi)的顯而易見的修改亦應(yīng)歸于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種頻率偏移估計的方法，其特征在于，包括如下步驟第一步，發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；第二步，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機(jī)獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角，旋轉(zhuǎn)夾角包含頻偏信息；第五步，接收機(jī)依照旋轉(zhuǎn)夾角與頻率偏移存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。
2.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第一步中，發(fā)射機(jī)按時間順序依次發(fā)射符號。
3.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第二步中，接收機(jī)按時間順序依次接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的符號。
4.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第三步中，所述接收機(jī)獲得的參考信號是接收信號的近似拷貝；接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號，即對每個接收信號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收信號收斂后的結(jié)果。
5.如權(quán)利要求1或4所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于，所述第三步中相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號進(jìn)一步包括如下步驟步驟(1)令參考信號的第一個符號等于歸一化后的第一個接收符號，歸一化操作為第一個接收符號除以其自身的模值，同時令初始誤差變量為1；步驟(2)從參考信號的第二個符號開始進(jìn)行如下循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢a、進(jìn)行解調(diào)即根據(jù)系統(tǒng)的不同，采用相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)；b、將解調(diào)結(jié)果依據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式重新對上一時刻的參考信號進(jìn)行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻的參考信號；c、將當(dāng)前時刻參考信號與接收信號的誤差與上一時刻的誤差進(jìn)行低通濾波，得到當(dāng)前時刻的經(jīng)過低通降噪后的誤差；d、給當(dāng)前時刻參考信號乘以經(jīng)過低通降噪后的誤差的共軛，令當(dāng)前參考信號向當(dāng)前接收信號收斂，并用乘積結(jié)果更新當(dāng)前參考信號；e、對當(dāng)前時刻的參考信號進(jìn)行歸一化操作，即令當(dāng)前參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新當(dāng)前參考信號。
6.如權(quán)利要求5所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟c中的低通濾波可以這樣實現(xiàn)(a)上一時刻的誤差乘以1與低通濾波器系數(shù)的差；(b)低通濾波器系數(shù)乘以當(dāng)前接收信號的誤差，再除以當(dāng)前接收信號的模；(c)將上述步驟(a)與步驟(b)得到的值相加；所述低通濾波器的系數(shù)取值范圍為0到1。
7.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第四步中，所述接收機(jī)獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角。
8.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第五步中頻率偏移估值通過如下轉(zhuǎn)換關(guān)系得到頻率偏移估計值等于旋轉(zhuǎn)夾角除以360與接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔的乘積，其中頻率偏移估值的單位為赫茲，旋轉(zhuǎn)夾角的單位為度，接收機(jī)相繼兩個接收符號間的時間間隔的單位為秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，尤其涉及信號處理領(lǐng)域，公開了一種頻率偏移的估計方法，包括第一步，發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；第二步，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機(jī)獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角，旋轉(zhuǎn)夾角包含頻偏信息；第五步，接收機(jī)依照旋轉(zhuǎn)夾角與頻率偏移存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。采用本發(fā)明所述方法，同已有的頻率偏移估計的方法相比，不需要特定的已知信號，無需在頻率范圍內(nèi)進(jìn)行搜索操作，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實現(xiàn)簡單可靠，估計精度高的明顯優(yōu)點。
文檔編號H04L25/03GK101087158SQ200610083119
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月5日
發(fā)明者王劍 申請人:中興通訊股份有限公司