CN101087159A - 一种频率偏移估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字无限通讯领域，公开了一种频率偏移估计方法，包括：发射机发射通讯信号；接收机接收发射机发射的通讯信号；接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号和估值信号；接收机在频率偏移估计范围内，以探测频率偏移值、参考信号和估值信号作为输入获得代价函数值；接收机在所得代价函数值中查找最佳代价函数值，获得频率偏移估值。本发明所述方法，采用了基于相干解调获得参考信号和估值信号，不需要特定的已知信号，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，尤其是信号处理领域，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。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先用大跨度粗搜，然后小跨度精搜的顺序进行频率偏移估计。

上述方法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，这样的已知的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。

因此，现有技术依然存在缺陷，而有待于进一步改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种频率偏移估计的方法，鉴于现有频率偏移估计方法需使用已知信号进行估计的不足之处，提出一种无需特定已知信号的频率偏移估计方法，可以避免已知信号的位置估计运算，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。

为达到以上发明目的，本发明具体是这样实现的：

一种频率偏移估计的方法，包括如下步骤：

步骤1、发射机发射通讯信号；

步骤2、接收机接收发射机发射的通讯信号；

步骤3、接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号和估值信号；

步骤4、接收机在频率偏移估计范围内，以探测频率偏移值、参考信号和估值信号作为输入获得代价函数值；

步骤5、接收机在所得代价函数值中查找最佳代价函数值，其对应的探测频率偏移值即为频率偏移估值。

所述步骤3中，

所述参考信号为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；

所述估值信号等于每个接收符号解调判决、再调制的结果；

所述参考信号和估值信号均为接收信号的一个近似拷贝。

所述步骤3中参考信号和估值信号的获得步骤如下：

步骤(1)令参考信号的第一个符号和估值信号的第一个符号均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和估值信号进行调制，得到当前时刻的参考信号和估值信号；

c、将当前时刻参考信号与接收信号的误差与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，令参考信号向接收信号收敛，并用乘积结果更新参考信号；

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

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。

所述步骤4中，

所述代价函数可为‖ref·*tab-est‖²，其中ref为参考信号，est为估值信号，符号“·*”表示“点乘”，tab为频率偏移补偿表，表示由[e^-j0θ，e^-j1θ，e^-j2θ，...，e^-j(n-1)θ]组成的矢量，θ为探测频率偏移值。

所述代价函数还可为‖ref·*tab-est‖，其中ref为参考信号，est为估值信号，符号“·*”表示“点乘”，tab为频率偏移补偿表，表示由[e^-j0θ，e^-j1θ，e^-j2θ，...，e^-j(n-1)θ]组成的矢量，θ为探测频率偏移值。

所述步骤4中，

频率偏移值取值范围为(-，+)，期望的频率偏移精度为Δ，则θ分别等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}。

所述步骤5中，

接收机在所得代价函数值中查找代价函数值的最小值，并确定其对应的探测频率偏移值，作为频率偏移值的估值。

本发明所提供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，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。

与传统的频率偏移估计方法相比具有以下特点：

第一，本发明所公开的频率偏移估计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接收信号的参考信号和估值信号，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。

附图说明

图1为本发明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，将对本发明的较佳实施例进行较为详细的说明。

本发明的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和估值信号；

第四步，接收机在频率偏移估计范围内，以探测频率偏移值、参考信号和估值信号作为输入获得代价函数值；

第五步，接收机在所得代价函数值中查找最佳代价函数值，其对应的探测频率偏移值即为频率偏移估值。

所述第一步中，设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，设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。

所述第三步中，获得的参考信号为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。

所述第三步中，获得的估值信号为est，且est＝{est₁，est₂，...，est_n}，其每一元素的下标表示估值符号的时间顺序。

参考信号ref和估值信号est均为接收信号的一个近似拷贝，但参考信号ref含有频率偏移信息和噪声，且比接收信号r具有更高的信噪比，而估值信号est是对接收信号r理想化的估计结果，不含频率偏移和噪声成分。

参考信号ref和估值信号est的获得方法为：而参考信号ref则为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；估值信号est等于每个接收符号解调判决、再调制的结果。

所述第四步中，令tab表示由[e^-j0θ，e^-j1θ，e^-j2θ，...，e^-j(n-1)θ]组成的矢量，称为频率偏移补偿表，其中θ为探测频率偏移值。

所述第四步中，令‖ref·*tab-est‖²或‖ref·*tab-est‖作为代价函数，其中符号“·*”表示“点乘”，即参与运算的两个矢量按元素依次相乘，这对于从事相关领域的技术人员很容易理解。

所述第四步中，频率偏移值取值范围为(-，+)，期望的频率偏移精度为Δ，则令θ分别等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}，连同参考信号ref和估值信号est代入代价函数，获得相应的代价函数值。

该代价函数值表征了参考信号ref在消除了探测频率偏移值θ之后与估值信号est的相似程度，如果探测频率偏移值θ越接近参考信号ref中实际包含的频率偏移值，则代价函数值越小。

所述第五步中，查找代价函数值的最小值，并确定其对应的探测频率偏移值θ，以此作为频率偏移值的估值。

本发明的较佳实施例采用TDD双工模式，调制方式为π/4DQPSK，具体实现如下：

在上述第一步中，发射机发射已调信号，设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。

在上述第二步中，接收机接收发射机发射的通讯信号，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，本发明方法用相干解调的方法获得接收信号的参考信号ref和估值信号est。

参考信号ref和估值信号est的具体获得方法为：

令参考信号ref的第一个符号ref₁和估值信号的第一个符号est₁均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；

从第二个符号开始进行如下(1)～(5)循环操作，直至所有接收符号处理完毕：

(1)首先进行解调，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，具体是这样进行的：可令当前时刻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和估值信号est_k-1进行调制，得到当前时刻k的参考信号ref_k和估值信号est_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，ρ取0.8；

(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。

经过上述操作，参考信号ref和估值信号est均为接收信号的一个近似拷贝，但参考信号ref含有频率偏移信息和噪声，且比接收信号r具有更高的信噪比，而估值信号est是对接收信号r理想化的估计结果，不含频率偏移和噪声成分。

以上操作过程可以用如下伪指令表示：

ref₁＝r₁/|r₁|

est₁＝r₁/|r₁|

Err₁＝1

for k＝2:n

   dif＝r_k·ref_k-1′

   est_k＝est_k-1·e^jδ

   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，ρ取0.8。

在上述第四步中，本发明的较佳实施例的频率偏移值取值范围为(-4096Hz，+4096Hz)，期望的频率偏移估计精度为64Hz，且每1Hz频率偏移引起的的接收信号星座图旋转1.875e-3(rad)。

令θ分别等于{-4096×1.875e-3，-4032×1.875e-3，...，+4096×1.875e-3}(rad)，并且依次用θ的每个取值更新频率偏移补偿表tab，即矢量[e^-j0θ，e^-j1θ，e^-j2θ，...，e^-j(n-1)θ]，然后将tab连同参考信号ref和估值信号est分别代入代价函数‖ref·*tab-est‖²，最终获得129个代价函数值，这些代价函数值表征了不同的探测频率偏移θ取值与真实的频率偏移之间的相似程度。

在上述第五步中，接收机查找所有代价函数值中的最小值，即查找与真实的频率偏移最相似的探测频率偏移取值，这个探测频率偏移取值即为频率偏移估值。

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 (8)

1、一种频率偏移估计的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、发射机发射通讯信号；

步骤2、接收机接收发射机发射的通讯信号；

步骤3、接收机用相干解调的方法获得接收信号的参考信号和估值信号；

步骤4、接收机在频率偏移估计范围内，以探测频率偏移值、参考信号和估值信号作为输入获得代价函数值；

步骤5、接收机在所得代价函数值中查找最佳代价函数值，其对应的探测频率偏移值即为频率偏移估值。

2、如权利要求1所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述步骤3中，

所述参考信号为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；

所述估值信号等于每个接收符号解调判决、再调制的结果；

所述参考信号和估值信号均为接收信号的一个近似拷贝。

3、如权利要求1或4所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述步骤3中的获得接收信号的参考信号和估值信号的步骤如下：

步骤(1)令参考信号的第一个符号和估值信号的第一个符号均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和估值信号进行调制，得到当前时刻的参考信号和估值信号；

c、将当前时刻参考信号与接收信号的误差与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，令参考信号向接收信号收敛，并用乘积结果更新参考信号；

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

4、如权利要求3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：

所述步骤4中，

所述代价函数可为||ref.*tab-est||²，其中ref为参考信号，est为估值信号，符号“·*”表示“点乘”，tab为频率偏移补偿表，表示由[e^-j0θ，e^-j1θ，e^-j2θ，...，e^-j(n-1)θ]组成的矢量，θ为探测频率偏移值。

6、如权利要求5所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述代价函数还可为||ref·*tab-est||，其中ref为参考信号，est为估值信号，符号“·*”表示“点乘”，tab为频率偏移补偿表，表示由[e^-j0θ，e^-j1θ，e^-j2θ，...，e^-j(n-1)θ]组成的矢量，θ为探测频率偏移值。

7、如权利要求5或6所述的频率偏移估计的方法，其特征在于：

所述步骤4中，

频率偏移值取值范围为(-，+)，期望的频率偏移精度为Δ，则探测频率偏移值分别等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}。

8、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5中，

接收机在所得代价函数值中查找代价函数值的最小值，并确定其对应的探测频率偏移值，作为频率偏移值的估值。

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