CN100576768C - Mpsk移动通信系统中多普勒频移的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的MPSK移动通信系统中多普勒频移的补偿方法，它涉及MPSK移动通信系统多普勒频移的补偿方法。它克服了现有技术需要复杂的载波恢复电路的缺点。本发明包括相位估计和LMS算法两个部分，补偿方法首先从对相位偏差的估计入手，在固定接收机本地载波频率的基础上，经相干解调和时钟恢复，借助数据包报头信息接收双方共知的特性，首先对对码元之间的相位偏差进行无偏估计，然后利用简单的LMS算法，对相位估计后余下的偏差值，以及调制的初始相位进行补偿。相位估计和LMS算法相结合，可以对任意大小的多普勒频移(在接受滤波器滤波范围内)造成的解调相位偏差进行补偿。本发明具有易于实现、数据报头参考比特利用少、补偿速度快等优点。

Description

MPSK移动通信系统中多普勒频移的补偿方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，具体涉及MPSK移动通信系统多普勒频移的补偿方法。

背景技术

在移动通信系统中，由于通信双方的相对运动，使接收方发生的频率偏移，称为多普勒频移，多普勒频移同双方的相对运动速度成正比。由此可见，对于移动通信、特别是运行速度非常快的LEO卫星通信系统来说，多普勒频移通常比较大，对于使用相干解调的MPSK(多相相移键控)移动通信系统来说，如果不对多普勒频移进行补偿，则本地载波无法达到同信号载波的同步，而产生频率偏差，进而导致解调相位的偏差，使得数据的判决和再生出现错误，不能得到正确的数据。目前对频率频移的补偿，都是先将载波信号恢复出来，如在发端用插入导频法，接收端用简单的窄带滤波器把载波提取出来，这种方法由于需要为导频信号分配大量的功率而很少采用；或是对接收信号进行非线性处理，把载波分量提取出来，如Costas环等，这种方法需要复杂的载波恢复电路，且精度要求较高。

发明内容

本发明的目的是为MPSK移动通信系统提供一种MPSK移动通信系统中多普勒频移的补偿方法，以克服现有技术需要复杂的载波恢复电路的缺点。

本发明通过下述步骤实现：

a、在移动通信系统的信号接收端，利用每个数据包的报头的参考码元信息为移动通信系统信号接收端和发送端双方共知的特性，对时钟恢复后的基带信号相邻码元之间由于多普勒频移导致的相位差进行无偏估计；

b、利用得到的相位估计值，对每个基带信号码元进行相位修正；

c、选择参考码元已知信息作为算法的期望信号，将相位修正后的参考码元基带信号作为输入信号使LMS算法收敛；

d、将相位修正后的数据码元基带信号作为输入信号，利用已经收敛了的LMS算法对相位修正后留下的较小的相位偏差、以及调制的初始相位偏差或时钟恢复相位偏差进行补偿，此时，将输入信号的硬判决结果作为算法的期望信号；

e、对LMS算法输出信号的硬判决结果作为补偿方法的最终结果，来判定信号所携带的信息。

本发明的多普勒频移的补偿方法，不需要对接收信号载波进行恢复，而直接使用原调制载波频率进行相干解调，从而省去了载波恢复电路，简化了通信系统，使其能够更稳定的运行。

本发明从对相位偏差的估计入手，在固定接收机本地载波频率的基础上，首先对码元之间的相位偏差给予无偏估计，然后使用了一种非常简单并且利用很少位数据包报头码元(参考码元)作为期望信号的LMS算法。相位估计和LMS算法相结合，可以对任意大小的多普勒频移(在接收滤波器滤波范围内)造成的解调相位偏差进行补偿。

附图说明

图1是本发明所应用到移动通信系统的示意图；图2是步骤c中使LMS算法收敛的流程图；图3是步骤d中的LMS算法信号流程图；图4是不同参考码元数的仿真误码率曲线，横坐标为信噪比0≤SNR≤10(dB)，纵坐标为误码率，theory代表相干解调理论曲线，R为不同的参考码元下得到的误码率曲线；图5给出了R＝10时，不同多普勒频移下的误码率曲线，theory代表相干解调理论曲线，Δθ_dop多普勒频移造成的码元之间相位偏差，图中为不同的Δθ_dop对应的误码率曲线。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的应用进一步描述。在移动通信的发送端把传输符号经过QPSK调制上变频f_c，通过信道向接收端传送，接收端的中频单元接收信号，再经过相干解调和时钟恢复，然后应用本发明的方法进行多普勒频移的补偿，时钟恢复前的各步骤不属于本发明的内容。

本发明的主要包括两个主要部分：相位估计与LMS自适应算法；其中，LMS自适应算法是本发明的核心部分。由于数据传输速率很高，可以认为每数据包多普勒频移恒定；相位是频率的积分，对于恒定的频率偏移来说，相位偏差线性，即相邻码元之间存在相等的多普勒相位偏差。

首先需要建立整个通信系统的模型：

结合图1，设信道为复加性高斯白噪声信道(complex AWGN)，其表达形式如式(1)：

n(t)＝n_c(t)+jn_s(t)    (1)

其中，n_c(t)和n_s(t)为相互独立的高斯过程。

发送端，每数据包由R个参考码元R(k)和D个数据码元D(k)组成，数据经打包后，经过MPSK调制基带信号为s(k)，再经过适当的射频调制方法，将调制信号送入到信道中。经过载波调制后的信号可以表示为：

其中，

为MPSK调制相位；为调制初始相位，f_c为载波频率。

接收端，对于MPSK来说，log₂M为每个码元所代表的比特数，Δf为多普勒频偏，B为数字信号的比特率(bit/s)，带有多普勒频移和噪声的信号可以表示为：

经以f_c为本地载波的相干解调、时钟恢复后，其每个码元恢复为：

其中：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\π\Δf}\·{\log }_{2}M}{B}\left(\mathrm{mod}2\mathrm{\π}\right)\·k=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}\·k---\left(5\right)$

由于噪声的存在，设相邻码元之间的相位偏差为Δθ(k)，k＝1，2，...，R+D，则在复加性高斯白噪声信道中，若信号功率为1，噪声功率为σ_n ²，则码元之间的相位偏差Δθ(k)～N(Δθ_dop，2/σ_n ²)。

在建立起通信系统模型后，本发明将按照下面的步骤进行：

a、利用每个数据包的报头的参考码元信息为移动通信系统信号接收端和发送端双方共知的特性，对时钟恢复后的基带信号y(k)相邻码元之间的相位差Δθ(k)进行无偏估计；

从理论上来看，当信噪比很大时，忽略噪声项，有：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}\·(k+1)-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}\·k$ (6)

其中，

为相角。

但在实际情况中，由于噪声的存在，只能利用样本(k＝1，2，...，R)均值θ来无偏估计Δθ(k)的总体均值Δθ_dop。而无偏估计修正后的相位误差很小，利用LMS算法进行补偿。令：

Δθ_dop＝θ+Δ    (7)

θ就是要估计的多普勒频移造成的码元之间相位偏差Δθ_dop，Δ为估计后余下的相位偏差，θ对Δθ_dop的估计的准确程度将决定算法对多普勒频移相位误差的补偿情况。即：

$=\frac{1}{R}\underset{k=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}E\left[\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right)\right]=\frac{1}{R}\underset{k=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{dop}}$

b、利用得到的相位无偏估计θ，对每个基带信号码元y(k)进行相位修正，得到z(k)，即将线性的相位偏差调整的尽量小；经过θ相位修正后的基带信号z(k)可以表示为：

(10)

c、利用参考码元

(k＝1，2，...R)作为期望信号d(k)，将这些相位修正后的参考码元基带信号z(k)(k＝1，2，...，R)作为输入信号，使LMS算法收敛；

d、把每个数据包中参考码元以外的、相位修正后的信号码元z(k)(k＝R+1，...，R+D)，将其硬判决结果

(k＝R+1，...R+D)作为期望信号，利用已经收敛了的LMS算法继续对相位估计后余下的相位偏差Δ进行补偿，同时对调制的初始相位偏差进行补偿；步骤c和d中的矢量LMS算法可以描述为以下的三个公式，：

x(k)＝w^*(k)z(k)(算法输出)           (11)

e(k)＝d(k)-x(k)(误差信号)           (12)

w(k+1)＝w(k)+2ue^*(k)z(k)(权重迭代)  (13)

图2和图3给出了步骤c和d中对应于公式11至公式13的信号流程，z(k)作为算法的输入信号；d(k)为期望信号，步骤c和d的区别只是期望信号和输入信号的不同；通过期望信号d(k)和输出信号x(k)的误差信号e(k)来不断调整权重信号w(k)，使每一次的权重调整值能够跟上输入信号的变化，而使误差信号总是很小。步骤d中的权重初值需要使用步骤c中的结果。u为自适应步长，本发明中选取u＝0.15。

e、硬判决结果

(k＝R+1，...R+D)作为补偿方法的输出结果，来判定信号所携带的信息。

依据上面的描述对该方法进行仿真。设每包100个码元，参考码元R＝{10，12，20}，数据码元D＝100-R；选取QPSK调制方式，调制信号的相位为

令初始权重w(0)＝0。θ_o＝{0，随机}；信号平均功率为1。误码率的计算使用Monte-Carlo仿真方法，即利用统计平均的方法。

由于LMS算法是对规律性变化误差的一种自适应补偿，而对于高斯白噪声带来的随机相位误差，无法进行补偿，因此LMS算法补偿后的误码率只能无限的趋近于相干解调的理论误码率曲线，而无法超过这条曲线。

图4给出了不同条件下的误码率曲线，从图中可以看出，当参考码元为10个时，补偿性能最差，12个字符稍稍比20个字符的差一些。因此，对于一般的条件来说，可以选择R＝20。

图5给出了R＝10时，不同多普勒频移Δθ_dop下的误码率曲线，从图中可以看出，对于不同的多普勒频移，算法补偿性能没有差异。

Claims (2)

1.MPSK移动通信系统多普勒频移的补偿方法，其特征在于本方法通过下述步骤实现：

a、在移动通信系统的信号接收端，利用每个数据包的报头的参考码元为移动通信系统信号接收端和发送端双方共知的特性，对时钟恢复后的基带信号相邻码元之间的相位差进行无偏估计；

b、利用得到的相位估计值，对每个基带信号码元进行相位修正；

c、将参考码元已知信息作为期望信号，相位修正后的参考码元基带信号作为输入信号使LMS算法收敛；

d、把相位修正后的数据码元基带信号作为输入信号，利用已经收敛了的LMS算法对相位修正后留下的较小的相位偏差进行补偿，同时对调制的初始相位偏差进行补偿，此时，将输入信号的硬判决结果作为期望信号；

e、对LMS算法输出信号的硬判决结果作为补偿方法的最终结果，来判定信号所携带的信息。

2.根据权利要求1所述的MPSK移动通信系统多普勒频移的补偿方法，其特征在于步骤a中对相位差进行估计时，利用样本的平均值θ来无偏估计总体均值Δθ_dop。

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