CN101087158B - 一种频率偏移估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字无线通讯领域，尤其涉及信号处理领域，公开了一种频率偏移的估计方法，包括：第一步，发射机发射通讯信号；第二步，接收机接收发射机发射的通讯信号；第三步，接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号；第四步，接收机获得参考信号和期望信号星座图的旋转夹角，旋转夹角包含频偏信息；第五步，接收机依照旋转夹角与频率偏移存在的固定转换关系，将旋转夹角转换为频率偏移估计值。采用本发明所述方法，同已有的频率偏移估计的方法相比，不需要特定的已知信号，无需在频率范围内进行搜索操作，同时在信号处理过程中可以部分抑止加性噪声的影响，具有实现简单可靠，估计精度高的明显优点。

Description

一种频率偏移估计的方法 

技术领域

本发明涉及数字无线通讯领域，尤其涉及信号处理领域，具体涉及一种频率偏移估计的方法。 

背景技术

在数字无线通讯领域，频率偏移估计是常用的信号处理方法之一。 

由于基站与移动台，或移动台与移动台之间的载波频率不可能绝对相等，因此接收机实际接收信号与期望的接收信号间存在一个较为固定的频率偏移。这种频率偏移在数字无线通讯领域是有害的，它可以降低信道估计的准确性、造成误码率上升等现象。因此数字无线通讯系统中，接收机通常需要依据上行接收信号进行频率偏移估计，继而进行频率偏移补偿，以消除频率偏移所带来的种种有害影响。 

ArrayComm公司的专利：“Method and apparatus for decision directed demodulation usingantenna arrays and spatial processing”，发明人：Barratt；Craig H.(Redwood City，CA)；Farzaneh；Farhad(San Francisco，CA)；Parish；(David M.Los Altos，CA)，公开日：1998年04月23日，公开号：WO 98/17037，描述了一种频率偏移估计的方法，该方法在可能的频率偏移范围内按照先大跨度粗搜，然后小跨度精搜的顺序进行频率偏移估计。它使用一段已知信号进行频率偏移估计，其代价函数为实际接收信号与添加探测频率偏移后理想信号间的误差功率。当误差功率最小时，则使用的探测频率偏移值即为本次频率偏移估计的估值。 

但该方法的缺点在于：该方法要使用一段已知的信号，而在移动通信系统中，为提高系统通信效率，这样的已知信号通常很短或不存在，例如在PCS系统中，TCH帧结构中可用的已知信号长度仅为12个符号，使用该专利方法获得的估计结果精度较差；如果不存在已知信号，则该方法失效。 

同时该方法实际工程应用时，需首先在接收信号中估计这段已知信号的位置，增加了该方法实现的复杂度，也增加了异常情况的几率，即：已知信号位置估计错误时，该方法的频率偏移估计结果是错误的。 

另外，该方法采用搜索进行频率偏移估计，运算量很大，例如在该方法的较佳实施例中，要在-4096Hz～+4096Hz频率偏移估计范围内，间隔16Hz实施搜索过程，按常规的搜索方法需要进行513次搜索运算，即使通过一些实现技巧减少搜索次数，但运算量仍然很大，给该方法的实际应用带来很多不便。 

基于上述原因，现有技术依然存在缺陷，有待于进一步改进和发展。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率偏移估计的方法，鉴于现有频率偏移估计的方法需使用已知信号，并用很大的开销进行搜索估计的不足之处，提供一种无需特定已知信号、无需进行搜索的频率偏移估计的方法，可以避免已知信号的位置估计运算，大幅降低实现复杂性；同时，本发明提供的频率偏移估计的方法可以部分抑止接收信号中的加性噪声，具有较高的频率偏移估计性能。 

为达到上述发明目的，本发明提出一种频率偏移估计的方法，包括如下步骤： 

一种频率偏移估计的方法，包括如下步骤： 

第一步，发射机发射通讯信号； 

第二步，接收机接收发射机发射的通讯信号； 

第三步，接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号； 

第四步，接收机获得参考信号和期望信号星座图的旋转夹角，旋转夹角包含频偏信息； 

第五步，接收机依照旋转夹角与频率偏移存在的固定转换关系，将旋转夹角转换为频率偏移估计值； 

所述第三步中相干解调的方法获得接收信号的参考信号进一步包括如下步骤： 

步骤(1)令参考信号的第一个符号等于归一化后的第一个接收符号，归一化操作为第一个接收符号除以其自身的模值，同时令初始误差变量为1； 

步骤(2)从参考信号的第二个符号开始进行如下循环操作，直至所有接收符号处理完毕： 

a、进行解调：即根据系统的不同，采用相应的调制方式进行解调； 

b、将解调结果依据系统采用的调制方式重新对上一时刻的参考信号进行调制，得到当前时刻的参考信号； 

c、将当前时刻参考信号与接收信号的误差，以及上一时刻的误差进行低通滤波，得到当前时刻的经过低通降噪后的误差； 

d、给当前时刻参考信号乘以经过低通降噪后的误差的共轭，令当前参考信号向当前接收信号收敛，并用乘积结果更新当前参考信号； 

e、对当前时刻的参考信号进行归一化操作，即令当前参考信号除以其自身的模值，并用归一化结果更新当前参考信号。 

所述第一步中，发射机按时间顺序依次发射符号。 

所述第二步中，接收机按时间顺序依次接收发射机发射的符号。 

所述步骤c中的低通滤波可以这样实现： 

(a)上一时刻的误差乘以1与低通滤波器系数的差； 

(b)低通滤波器系数乘以当前接收信号的误差，再除以当前接收信号的模； 

(c)将上述步骤(a)与步骤(b)得到的值相加； 

所述低通滤波器的系数取值范围为0到1。 

所述第五步中频率偏移估值通过如下转换关系得到： 

频率偏移估计值等于旋转夹角除以360与接收机相继两个接收符号间的时间间隔的乘积，其中频率偏移估值的单位为赫兹，旋转夹角的单位为度，接收机相继两个接收符号间的时间间隔的单位为秒。 

本发明所提出的一种频率偏移估计的方法，由于采用了基于相干解调获得参考信号和估值信号的方法，因此同已有的频率偏移估计的方法相比，不需要特定的已知信号，无需在频率范围内进行搜索操作，同时在信号处理过程中可以部分抑止加性噪声的影响，具有实现简单可靠，估计精度高的明显优点。 

具体而言，本发明所公开的一种频率偏移估计的方法，与传统的频率偏移估计的方法相比具有如下特点： 

第一，本发明所公开的频率偏移估计的方法引入了相干解调技术，可以部分抑止加性噪声，提高接收信号信噪比，因此具有较高的频率偏移估计精度。 

第二，本发明所公开的频率偏移估计的方法引入了相干解调技术，可以自行产生估计频率偏移所需的参考信号，无需特定的已知信号，省略了在接收信号中查找已知信号位置的过程，避免了因已知信号位置估计错误引起的频率偏移估计异常的情况，极大的降低了实现的复杂性，提高了实现的稳定、可靠性。 

第三，本发明所公开的频率偏移估计的方法无需进行搜索估计，大大降低了运算量。 

附图说明

图1为本发明所述的频率偏移估计的方法的流程示意图。 

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明进行较为详细的说明。 

本发明提出一种频率偏移估计的方法，所述方法包括： 

第一步，发射机发射通讯信号； 

第二步，接收机接收发射机发射的通讯信号； 

第三步，接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号； 

第四步，接收机获得参考信号和期望信号星座图的旋转夹角； 

第五步，接收机将旋转夹角转换为频率偏移估计值。 

所述第一步中，发射机发射的信号矢量为s，且s＝{s₁，s₂，...，s_n}，其中s每一元素的下标表示发射符号的时间顺序。 

所述第二步中，接收机接收的信号矢量为r，且r＝{r₁，r₂，...，r_n}，其中r每一元素的下标表示接收符号的时间顺序。 

在上述第三步中，本发明中接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号ref，且ref＝{ref₁，ref₂，...，ref_n}，其每一元素的下标表示参考符号的时间顺序。参考信号ref是接收机接收信号r的一个近似拷贝，但比接收机接收信号r具有更高的信噪比，其获得方法为：参考信号ref是对每个接收符号解调、再调制，然后通过低通滤波器向接收符号收敛后的结果。 

在本明的较佳实例中采用π/4DQPSK调制方式，参考信号ref的具体获得方法为： 

令参考信号ref的第一个符号ref₁等于归一化后的第一个接收符号r₁，归一化操作为r₁/|r₁|，同时令初始误差变量Err₁＝1； 

在本明的较佳实例从第二个符号开始进行如下(1)～(5)所述的循环操作，直至所有接收符号处理完毕： 

(1)进行解调，即根据系统的不同，采用相应的调制方式进行解调，可以采用QPSK、BPSK、π/4DQPSK等调制方式； 

若采用QPSK、BPSK调制方式仅需要使用当前时刻的接收信号作为参数就可进行解调； 

若采用π/4DQPSK调制方式，需使用当前时刻的接收信号和上一时刻的参考信号作为参数进行解调，即令当前时刻k的接收符号r_k乘以上一时刻k-1的参考信号ref_k-1的共轭，其中k＝2，3，...，得到乘积dif；根据dif所在象限依据π/4DQPSK调制方式进行解调； 

(2)将解调结果依据系统采用的调制方式重新对上一时刻k-1的参考信号ref_k-1进行调制，得到当前时刻k的参考信号ref_k； 

(3)将当前时刻参考信号与接收信号的误差ref_k·r′_k/|r_k|与上一时刻的误差Err_k-1进行低 通滤波，得到当前时刻的经过低通降噪后的误差Err_k，滤波方法为Err_k＝(1-ρ)·Err_k-1+ρ·ref_k·r′_k/|r_k|，其中ρ为低通滤波器系数，取值范围为0到1； 

(4)给当前时刻参考信号ref_k乘以经过低通降噪后的误差Err_k的共轭，令ref_k向r_k收敛，并用乘积结果更新ref_k； 

(5)对当前时刻的参考符号ref_k进行归一化操作，即令ref_k除以其自身的模值，并用归一化结果更新ref_k。 

以上操作过程可以用如下伪指令表示： 

ref₁＝r₁/|r₁| 

Err₁＝1 

for  k＝2:n 

     dif＝r_k·ref′_k-1

     ref_k＝ref_k-1·e^jδ

     Err_k＝(1-ρ)·Err_k-1+ρ·ref_k·r′_k/|r_k| 

     ref_k＝ref_k·Err′_k

     ref_k＝ref_k/|ref_k| 

end 

其中“s’”表示符号“s”的共轭；依据π/4DQPSK调制方式，dif的复角分别位于1、2、3、4象限时，e^jδ分别等于e^jπ/4、e^j3π/4、e^-j3π/4、e^-jπ/4；ρ为低通滤波器系数，取值范围为0到1，在本发明的较佳实施例中，ρ取0.8。 

所述第四步中，本发明较佳实例中的接收机采用π/4DQPSK调制符号的差分星座作为期望星座图，并获得参考信号ref的差分星座图与期望星座图之间的旋转夹角，这个旋转夹角包含了频率偏移信息；所述旋转夹角的获得方法为：将参考信号ref的差分星座图所有位于第2、3、4象限的星座点分别旋转-π/2、π、+π/2弧度，转换到第1象限后累加求平均，均值为一个复数，其复角与π/4的差即为旋转夹角θ，具体过程可以用以下伪指令表示： 

for  k＝1:n 

    z_k＝ref_k+1·ref′_k

    if z_k∈Quadrant(2) 

      z_k＝z_k·e^-jπ/2

  elseif  z_k∈Quadrant(3) 

      z_k＝z_k·e^jπ

  elseif  z_k∈Quadrant(4) 

      z_k＝z_k·e^+jπ/2

  end 

end 

e^jθ＝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即表示参考信号ref的差分星座图与期望星座图之间的旋转夹角。 

所述第五步中，本发明较佳实例中的接收机将θ转换为频率偏移估值。针对既定的通信系统，θ与频率偏移估值间存在固定的转换关系，获得旋转夹角θ信息后，即可通过这个固定的转换关系获得频率偏移的估值。这个转换关系为：频率偏移估值等于旋转夹角除以360与接收机相继两个接收符号间的时间间隔的乘积，其中频率偏移估值的单位为“Hz”，旋转夹角的单位为“度”，接收机相继两个接收符号间的时间间隔的单位为“秒”，例如θ＝3(度)，接收机相继两个接收符号间的时间间隔＝5.208e-6秒时，频率偏移估值等于1600Hz。 

应当理解的是，本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，而不能以说明书的上述描述做为限制，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种频率偏移估计的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，发射机发射通讯信号；

第二步，接收机接收发射机发射的通讯信号；

第三步，接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号；

第四步，接收机获得参考信号和期望信号星座图的旋转夹角，旋转夹角包含频偏信息；

第五步，接收机依照旋转夹角与频率偏移存在的固定转换关系，将旋转夹角转换为频率偏移估计值；

所述第三步中相干解调的方法获得接收信号的参考信号进一步包括如下步骤：

步骤(1)令参考信号的第一个符号等于归一化后的第一个接收符号，归一化操作为第一个接收符号除以其自身的模值，同时令初始误差变量为1；

步骤(2)从参考信号的第二个符号开始进行如下循环操作，直至所有接收符号处理完毕：

a、进行解调：即根据系统的不同，采用相应的调制方式进行解调；

b、将解调结果依据系统采用的调制方式重新对上一时刻的参考信号进行调制，得到当前时刻的参考信号；

c、将当前时刻参考信号与接收信号的误差，以及上一时刻的误差进行低通滤波，得到当前时刻的经过低通降噪后的误差；

d、给当前时刻参考信号乘以经过低通降噪后的误差的共轭，令当前参考信号向当前接收信号收敛，并用乘积结果更新当前参考信号；

e、对当前时刻的参考信号进行归一化操作，即令当前参考信号除以其自身的模值，并用归一化结果更新当前参考信号。

2.如权利要求1所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述第一步中，发射机按时间顺序依次发射符号。

3.如权利要求1所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述第二步中，接收机按时间顺序依次接收发射机发射的符号。

4.如权利要求1所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述步骤c中的低通滤波可以这样实现：

(a)上一时刻的误差乘以1与低通滤波器系数的差；

(b)低通滤波器系数乘以当前接收信号的误差，再除以当前接收信号的模；

(c)将上述步骤(a)与步骤(b)得到的值相加；

所述低通滤波器的系数取值范围为0到1。

5.如权利要求1所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述第五步中频率偏移估值通过如下转换关系得到：

频率偏移估计值等于旋转夹角除以360与接收机相继两个接收符号间的时间间隔的乘积，其中频率偏移估值的单位为赫兹，旋转夹角的单位为度，接收机相继两个接收符号间的时间间隔的单位为秒。

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