導(dǎo)頻間距可變的載波頻偏估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種導(dǎo)頻間距可變的載波頻偏估計(jì)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)頻偏估計(jì)范圍較小，且估計(jì)范圍隨數(shù)據(jù)長(zhǎng)度增長(zhǎng)而減小的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)步驟是：(1)根據(jù)不同頻偏對(duì)長(zhǎng)度為N符號(hào)的數(shù)據(jù)的影響，確定滿足0.5dB信噪比損失條件下的歸一化的頻率偏移值R；(2)根據(jù)歸一化頻率偏移值R確定最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L；(3)根據(jù)系統(tǒng)所需的最小歸一化估計(jì)范圍J確定初始間距D；(4)根據(jù)初始間距確定初始幀結(jié)構(gòu)；(5)利用初始幀結(jié)構(gòu)仿真估計(jì)精度并判斷,最終確定導(dǎo)頻間距；(6)利用最終確定的導(dǎo)頻間距，確定最終的幀結(jié)構(gòu)；(7)利用確定的最終幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行載波頻偏估計(jì)。本發(fā)明在估計(jì)精度為5×10-5的條件下，歸一化的估計(jì)范圍可達(dá)到-2.25×10-3～2.25×10-3，可用于無(wú)線通信系統(tǒng)的載波同步和無(wú)線信道估計(jì)。
【專利說(shuō)明】導(dǎo)頻間距可變的載波頻偏估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，進(jìn)一步涉及信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】中一種可變導(dǎo)頻間距的載波頻偏估計(jì)方法，本發(fā)明可用在無(wú)線通信系統(tǒng)的載波頻偏估計(jì)中，通過(guò)靈活設(shè)置導(dǎo)頻間距保證載波頻偏估計(jì)的有效性，進(jìn)而保證通信能夠在較大的頻偏范圍內(nèi)有效地進(jìn)行。
【背景技術(shù)】
[0002]載波頻率偏移對(duì)調(diào)制、編碼以及擴(kuò)頻等通信系統(tǒng)都有嚴(yán)重的影響，尤其對(duì)于星座點(diǎn)很多的情況，即使是很小的頻偏都可能造成星座點(diǎn)偏移進(jìn)而導(dǎo)致信息誤判，因此，進(jìn)行檢測(cè)、譯碼以及解擴(kuò)之前需要進(jìn)行精確地載波頻率估計(jì)并補(bǔ)償。在低信噪比和一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)輔助DA估計(jì)器比非數(shù)據(jù)輔助NDA估計(jì)器可以獲得更高的估計(jì)精度，在無(wú)線通信系統(tǒng)中，導(dǎo)頻符號(hào)輔助傳輸是最實(shí)用的技術(shù)之一，通常導(dǎo)頻符號(hào)以時(shí)分復(fù)用的方式插入到數(shù)據(jù)信息中，用于載波參數(shù)恢復(fù)和信道估計(jì)，但導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)對(duì)突發(fā)通信系統(tǒng)的性能有很大影響，尤其會(huì)影響載波參數(shù)的估計(jì)范圍和估計(jì)精度。因此，通過(guò)合理的設(shè)置導(dǎo)頻在數(shù)據(jù)中的位置獲得較大的頻率估計(jì)范圍和較高的估計(jì)精度是目前短突發(fā)通信系統(tǒng)研究的主要趨勢(shì)。
[0003]唐發(fā)建在“極低信噪比下編碼輔助迭代同步算法”(成都電子科技大學(xué)，碩士論文，2011)第五章中，對(duì)數(shù)據(jù)的首尾各放一半導(dǎo)頻的PP結(jié)構(gòu)，在對(duì)最優(yōu)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，即當(dāng)數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻長(zhǎng)度一定時(shí)，使待估參數(shù)的克拉美羅界最小進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)OdB左右的低信噪比環(huán)境，提出一種PMP (Pre/mid/post-ample, PMP)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，即將導(dǎo)頻分成相等的三份，放在數(shù)據(jù)的前中后；針對(duì)-1OdB的極低信噪比環(huán)境下，提出了一種PMMP (Pre/Mid/Mid/Post-amble)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，即將導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分成相等的四份，均勻地放在數(shù)據(jù)兩端和中間。作者通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)以擴(kuò)大同步范圍，克服了 PP結(jié)構(gòu)存在估計(jì)范圍受限的問(wèn)題。但是碼長(zhǎng)越長(zhǎng)，同步范圍越小，同樣PMP結(jié)構(gòu)和PMMP結(jié)構(gòu)的頻率估計(jì)范圍也很小。
[0004]Godtmann S 等人在“Coarse and Turbo Synchronization:A Case-Study forDVB-RCS，，(NEffCOM-ACORN Workshop, Vienna, Austria, Sep20_22, 2006:1-5)中提到 PP 結(jié)構(gòu)的缺陷，即估計(jì)精度在低信噪比下很難達(dá)到理論曲線，因此在PP結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又提出了 L-PP結(jié)構(gòu)以及P-M-P結(jié)構(gòu)。L-PP結(jié)構(gòu)將PP結(jié)構(gòu)中前段導(dǎo)頻和后段導(dǎo)頻再分成小段，相鄰小段的導(dǎo)頻間距是L ；P-M-P結(jié)構(gòu)在PP結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又引入附加的中間導(dǎo)頻符號(hào)與數(shù)據(jù)分插放置。雖然這兩種導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)在一定程度上擴(kuò)大了頻率估計(jì)范圍，但是當(dāng)數(shù)據(jù)很長(zhǎng)或者頻偏很大的情況下，即使這兩種導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)也滿足不了要求的估計(jì)范圍，只能舍棄不用或者增大導(dǎo)頻數(shù)目。另一方面，由于這兩種導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)需要將導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)分成很多段進(jìn)行分插，在組幀上比較復(fù)雜。
[0005]綜上所述，PP結(jié)構(gòu)是將導(dǎo)頻平均分成兩段放在數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)尾，而其他已有的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)如PMP結(jié)構(gòu)、PMMP結(jié)構(gòu)、L-PP結(jié)構(gòu)等均是在PP結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻平均分成幾段進(jìn)行分插；這幾種已有導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)特性都與PP結(jié)構(gòu)的特性相似，存在頻偏估計(jì)范圍較小的不足，且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，估計(jì)范圍越小。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種導(dǎo)頻間距可變的載波頻偏估計(jì)方法，以在保證估計(jì)精度的情況下擴(kuò)大估計(jì)范圍。
[0007]實(shí)現(xiàn)上述目的思路是:通過(guò)對(duì)時(shí)域相關(guān)函數(shù)和的頻率估計(jì)算法估計(jì)均方根誤差的分析，確定在保證算法估計(jì)精度滿足要求時(shí)所需要的最短導(dǎo)頻長(zhǎng)度；根據(jù)頻偏范圍設(shè)置最大的導(dǎo)頻間距，通過(guò)逐漸減小導(dǎo)頻間距保證達(dá)到系統(tǒng)所需的最低估計(jì)精度，進(jìn)而確定導(dǎo)頻間距即為滿足系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用這種幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行載波頻偏估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)估計(jì)范圍的擴(kuò)大。
[0008]根據(jù)上述思路，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟包括如下:
[0009](I)根據(jù)不同頻偏對(duì)長(zhǎng)度為N符號(hào)的數(shù)據(jù)的影響，確定滿足0.5dB信噪比損失條件下的歸一化頻率偏移值R=A fTs，其中，Λ f指頻率偏移值，Ts指符號(hào)周期；
[0010](2)根據(jù)歸一化頻率偏移值R確定最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L ；
[0011](3)根據(jù)系統(tǒng)所需的最小歸一化估計(jì)范圍J=FTs，其中，F(xiàn)為估計(jì)范圍，Ts指符號(hào)周期，J〈0.01 ;確定最大導(dǎo)頻間距Dmax = 1/2J，并令導(dǎo)頻間距D=Dmax;
[0012](4)根據(jù)最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L，導(dǎo)頻間距D以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N確定初始幀結(jié)構(gòu):
[0013](4a)該幀有兩段導(dǎo)頻，即前段導(dǎo)頻和后段導(dǎo)頻，兩段導(dǎo)頻長(zhǎng)度均為L(zhǎng)/2符號(hào)；
[0014](4b)該幀有兩段數(shù)據(jù)，即第一段數(shù)據(jù)和第二段數(shù)據(jù)，第一段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度NI為:
[0015]NI = D-L/2符號(hào)，第一段數(shù)據(jù)位于兩段導(dǎo)頻之間；第二段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N2為:
[0016]N2 = N-Nl符號(hào)，第二段數(shù)據(jù)位于后段導(dǎo)頻后。
[0017](5)對(duì)使用初始幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)函數(shù)和頻率估計(jì)算法進(jìn)行頻率估計(jì)，得到頻率估計(jì)均方根誤差E ；
[0018](6)將頻率估計(jì)均方根誤差E與歸一化頻率偏移值R進(jìn)行比較，若E小于R，則減小導(dǎo)頻間距D，重復(fù)步驟(4)-(6)，直至E等于R ;
[0019](7)利用最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L，最終確定的導(dǎo)頻間距D以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N，利用步驟(4)的方法確定最終的巾貞結(jié)構(gòu)；
[0020](8)利用最終確定的巾貞結(jié)構(gòu)進(jìn)行載波頻偏估計(jì):
[0021](Sa)發(fā)送端產(chǎn)生原始信號(hào)S，該原始信號(hào)S的數(shù)據(jù)幀格式為步驟(7)最終確定的幀格式；
[0022](Sb)原始信號(hào)S經(jīng)QPSK調(diào)制后得到調(diào)制后信號(hào)SI ;取調(diào)制后信號(hào)SI的前L/2個(gè)數(shù)據(jù)作為SI的前段導(dǎo)頻SPl，取調(diào)制后信號(hào)SI的第D+1到第D+L/2的數(shù)據(jù)作為SI的后段導(dǎo)頻SP2 ；
[0023](Sc)調(diào)制后信號(hào)SI經(jīng)發(fā)送端發(fā)送，經(jīng)信道傳輸，到達(dá)接收端；接收端接收到接收信號(hào)S2 ;取出接收信號(hào)S2的前L/2個(gè)數(shù)據(jù)，作為S2的前段導(dǎo)頻SQ1，取出接收信號(hào)S2的第D+1個(gè)到第D+L/2個(gè)數(shù)據(jù)，作為S2的后段導(dǎo)頻SQ2 ；
[0024](Sd)分別計(jì)算所述信號(hào)S2的前段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Zl和后段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Z2:
[0025]Zl=SQl X SP1*，
[0026]Z2=SQ2XSP2*，
[0027]其中SPl*為SI的前段導(dǎo)頻SPl的共軛，SP2*為SI的后段導(dǎo)頻SP2的共軛；[0028](Se)利用下式計(jì)算得到頻偏估計(jì)值f:
【權(quán)利要求】
1.一種導(dǎo)頻間距可變的載波頻偏估計(jì)方法，包括: (1)根據(jù)不同頻偏對(duì)長(zhǎng)度為N符號(hào)的數(shù)據(jù)的影響，確定滿足0.5dB信噪比損失條件下的歸一化頻率偏移值R = Λ fTs，其中，Λ f指頻率偏移值，Ts指載波周期； (2)根據(jù)歸一化頻率偏移值R確定最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L； (3)根據(jù)系統(tǒng)所需的最小歸一化估計(jì)范圍J=FTs，其中，F(xiàn)為估計(jì)范圍，Ts指載波周期，J〈0.0l ;確定最大導(dǎo)頻間距Dmax = 1/2J，并令導(dǎo)頻間距D=Dmax; (4)根據(jù)最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L，導(dǎo)頻間距D以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N確定初始幀結(jié)構(gòu): (4a)該幀有兩段導(dǎo)頻，即前段導(dǎo)頻和后段導(dǎo)頻，兩段導(dǎo)頻長(zhǎng)度均為L(zhǎng)/2符號(hào)； (4b)該幀有兩段數(shù)據(jù)，即第一段數(shù)據(jù)和第二段數(shù)據(jù)，第一段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度NI為:N1 =D-L/2符號(hào)，第一段數(shù)據(jù)位于兩段導(dǎo)頻之間；第二段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N2為:N2 = N-Nl符號(hào)，第二段數(shù)據(jù)位于后段導(dǎo)頻后。 (5)對(duì)使用初始幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)函數(shù)和頻率估計(jì)算法進(jìn)行頻率估計(jì)，得到頻率估計(jì)均方根誤差E2 ； (6)將頻率估計(jì)均方根誤差E2與歸一化頻率偏移值R進(jìn)行比較，若E2小于R，則減小導(dǎo)頻間距D，重復(fù)步驟(4) - (6)，直至E2等于R ; (7)利用最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L，最終確定的導(dǎo)頻間距D以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N，利用步驟(4)的方法確定最終的巾貞結(jié)構(gòu)； (8)利用最終確定的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行載波頻偏估計(jì): (Sa)發(fā)送端產(chǎn)生原始信號(hào)S，該原始信號(hào)S的數(shù)據(jù)幀格式為步驟(7)最終確定的幀格式； (Sb)原始信號(hào)S經(jīng)QPSK調(diào)制后得到調(diào)制后信號(hào)SI ;取調(diào)制后信號(hào)SI的前L/2個(gè)數(shù)據(jù)作為SI的前段導(dǎo)頻SP1，取調(diào)制后信號(hào)SI的第D+1到第D+L/2的數(shù)據(jù)作為SI的后段導(dǎo)頻SP2 ； (Sc)調(diào)制后信號(hào)SI經(jīng)發(fā)送端發(fā)送，經(jīng)信道傳輸，到達(dá)接收端；接收端接收到接收信號(hào)S2 ;取出接收信號(hào)S2的前L/2個(gè)數(shù)據(jù)，作為S2的前段導(dǎo)頻SQ1，取出接收信號(hào)S2的第D+1個(gè)到第D+L/2個(gè)數(shù)據(jù)，作為S2的后段導(dǎo)頻SQ2 ； (Sd)分別計(jì)算所述信號(hào)S2的前段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Zl和后段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Z2:
Zl=SQlXSP1*，
Z2=SQ2XSP2*， 其中SPl*為SI的前段導(dǎo)頻SPl的共軛，SP2*為SI的后段導(dǎo)頻SP2的共軛； (Se)利用下式計(jì)算得到頻偏估計(jì)值f:
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的方法，其中步驟(I)所述的根據(jù)不同頻偏對(duì)長(zhǎng)度為N符號(hào)的數(shù)據(jù)的影響，確定滿足0.5dB信噪比損失條件下的歸一化頻率偏移值R=A fTs,按如下步驟進(jìn)行:(Ia)對(duì)長(zhǎng)度為N符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)Y進(jìn)行QPSK調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)H ； (Ib)給調(diào)制后的信號(hào)H加上大小不同的頻率偏移值，并加上噪聲，得到加頻偏加噪聲后的信號(hào)Hl ； (Ic)對(duì)加頻偏加噪聲后的信號(hào)Hl進(jìn)行QPSK解調(diào)，得到解調(diào)后的信號(hào)H2 ； (Id)將解調(diào)后的信號(hào)H2與二進(jìn)制數(shù)據(jù)Y進(jìn)行對(duì)比，得出誤碼率圖，從該誤碼率圖中選擇誤碼率在10_2-10_6之間的曲線與理論曲線比較，得出與理論曲線在同一誤碼率下橫坐標(biāo)相差小于等于0.5dB的歸一化頻率偏移值，記為R。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(2)所述的根據(jù)歸一化頻率 定最小導(dǎo)頻長(zhǎng)度L，按如下步驟進(jìn)行: (2a)產(chǎn)生長(zhǎng)度為N符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)T ； (2b)設(shè)置前段導(dǎo)頻長(zhǎng)度G的取值范圍為1-0.05N符號(hào)； (2c)產(chǎn)生長(zhǎng)度均為G的前段導(dǎo)頻Ql和后段導(dǎo)頻Q2，在兩段導(dǎo)頻之間插入數(shù)據(jù)T中的前N/2符號(hào)個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)T中其他的數(shù)據(jù)按順序置于第二段導(dǎo)頻后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀W ；(2d)對(duì)數(shù)據(jù)W進(jìn)行QPSK調(diào)制，得到已調(diào)信號(hào)Wl ；(2e)給已調(diào)信號(hào)Wl加上大小為IOR的歸一化頻偏和9dB的噪聲，得到接收信號(hào)W2 ；(2f)取出已調(diào)信號(hào)Wl的前G個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)，作為Wl的前段導(dǎo)頻Cl，取出Wl的第G+N/2+1符號(hào)到第2G+N/2符號(hào)的數(shù)據(jù)作為Wl的后段導(dǎo)頻C2 ;取出接收信號(hào)W2的前G個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)，作為W2的前段導(dǎo)頻Yl ;取出W2的第G+N/2+1符號(hào)到第2G+N/2符號(hào)的數(shù)據(jù)作為W2的后段導(dǎo)頻Y2 ； (2g)分別計(jì)算所述信號(hào)W2的前段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Ql和后段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Q2: Ql=YlXCl*,
Q2=Y2XC2*， 其中Cl*為Wl的前段導(dǎo)頻Cl的共軛，C2*為Wl的后段導(dǎo)頻C2的共軛； (2h)利用下式計(jì)算第η次的頻偏估計(jì)值Mn:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(5)所述的對(duì)使用初始幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)函數(shù)和頻率估計(jì)算法進(jìn)行頻率估計(jì)，得到頻率估計(jì)均方根誤差E，按如下步驟進(jìn)行: (5a)發(fā)送端產(chǎn)生初始信號(hào)U，U的數(shù)據(jù)幀格式為步驟(4)所確定的幀格式；(5b)初始信號(hào)U經(jīng)QPSK調(diào)制后得到調(diào)制后信號(hào)Ul ;取調(diào)制后信號(hào)Ul的前L/2個(gè)數(shù)據(jù)作為Ul的前段導(dǎo)頻UPl，取調(diào)制后信號(hào)Ul的第D+1到第D+L/2的數(shù)據(jù)作為Ul的后段導(dǎo)頻UP2 ； (5c)給調(diào)制后信號(hào)Ul加上大小為IOR的歸一化頻偏和9dB的噪聲，得到加頻偏加噪聲的信號(hào)U2 ； (5d)取加頻偏加噪聲的信號(hào)U2的前L/2個(gè)數(shù)據(jù)作為U2的前段導(dǎo)頻G1，取調(diào)制后信號(hào)Ul的第D+1到第D+L/2的數(shù)據(jù)作為U2的后段導(dǎo)頻G2 ； (5e)分別計(jì)算所述信號(hào)U2的前段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)Xl和后段導(dǎo)頻去調(diào)制信號(hào)X2:
X1=G1XUP1*，
X2=G2XUP2*, 其中UPl*為Ul的前段導(dǎo)頻UPl的共軛，UP2*為Ul的后段導(dǎo)頻UP2的共軛； (5f)利用下式計(jì)算第η次的頻偏估計(jì)值Fn:
【文檔編號(hào)】H04L25/02GK103441969SQ201310416503
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】孫錦華, 丁玉杰, 王雪梅, 韓會(huì)梅, 劉鵬 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)