CN101394198B - 一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法，本发明利用特定的前导数据结构，通过滑动窗长和滑动窗移动距离的选择将现有技术中同时影响频偏捕获范围和估计精度的因子分解为相关间隔和相关长度两个因子，由于相关间隔决定了频偏捕获范围，相关长度决定了频偏估计精度，因此当频偏范围较大时候，通过减小滑动窗的移动距离L来减小相关间隔，以达到增大频偏捕获范围的作用，同时又通过增大滑动窗长NL来增大相关长度，以此降低噪声的影响，提高了频偏估计精度。从而解决了频偏估计精度和捕获范围之间相互制约的矛盾，同时本发明通过对不同位置得到的频偏估计加权求和，消弱了无线移动信道下的深衰弱对频偏估计精度的影响。

Description

一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法

技术领域

本发明涉及数字通信领域，尤其涉及一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法。

背景技术

数字通信技术领域中的一个核心问题就是同步问题，从技术上说同步分为载波同步与定时同步。在经过无线移动信道后接收端获取的基带采样信号中存在着载波频率偏差、相位偏差及定时偏差，这些偏差一般来源于发射机和接收机之间晶振的不匹配和无线移动信道中多普勒效应和频率选择性这几个方面，即便是在信道相对平坦的室内环境，也会存在这些偏差。

目前随着新的通信业务需求迅速增大，对无线通信系统和无线局域网的传输速率提出了更高的要求，而传输速率的提高又给常规单载波系统带来了载波频偏增大、ISI(intersymbol-interference，符号间干扰)和深度频率选择性衰弱等问题。解决这个问题目前由有两种方法，一种是采用OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术，也就是把高速数据分散到若干个子载波以上低速率进行并行传输；另一种是采用简单引入循环前缀的SC-FDE(single carrier system with frequency domain equalization，单载波频域均衡)技术。上述这两种方法都需要插入循环前缀并进行频域均衡，同时这两种方法都以符号块结构发送信号，因此对频率偏差和定时偏差都相当敏感，对接收端同步要求较高。接收端的同步主要有以下几个任务：

1)帧到达检测，用于判定是否检测到信号，这是同步的第一步，只有判定接收到的是有效信号才能进行后面的处理；

2)载波频偏捕获；

3)载波频率跟踪；

4)符号起始位置估计(块同步)，也就是信道的时延所引起的误差，需要在均衡之前准确知道起始位置，这时就要进行准确的符号定时；

5)载波相偏的估计和时钟相位偏差估计；

6)采样时钟频率的跟踪。

射频信号在解调到基带信号的过程中由于晶振的不匹配会产生非常大的频率偏差，频偏对纯粹的单载波系统造成的误差相当于造成了信号旋转和衰减；当这个频偏出现在OFDM或者SC-FDE系统时，还会造成ISI及ICI(intercarrier-interference，载波间干扰)，影响到SC-FDE系统的频域均衡算法的准确性，因此在接收端下变频后得到的采样信号的频率偏差必须先进行捕获和补偿。

一般的频偏捕获方法就是利用前后相邻的两块相同的UW(Unique Word，独特字)序列在接收端对应的采样信号的相位差来估计频偏。设UW序列A的长度为L码元长度，UW序列A一般选取为chu、frank、PN序列。令相邻的两块相同的UW序列A组成新的序列[A A]，得到其在接收端的对应的采样信号序列分别为R₁＝[r(1)，…，r(L)]，R₂＝[r(L+1)，…，r(2L)]，r(t)t＝{1，2，...}表示接收端的信号采样值。由于存在载波频率偏差的原因，理论上R1、R2序列之间是存在一个固定的相位偏差的，利用这种相位偏差就能得到所要估计的频偏。具体算法为：先求出两块接收信号序列R1、R2的相关值P， $P={R_1}^H{R}_2=\underset{t=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}r\left(t\right)r^{*}(t+L),$ 然后对求出的相关值求幅角并除以相关长度L、2π和码元持续时间T的乘积即为所要估计的频偏Δf，Δf＝angle(P)/(2πLT)。

上述现有技术的解决方案中的UW序列的长度L决定了频偏捕获范围和估计精度，当序列的长度L越小，频偏的捕获范围越大，但是估计精度越低。这两者之间形成了一种相互制约的关系，在频偏捕获范围较大时候估计精度较低，在保证估计精度的情况下又无法保证较大的捕获范围。实际的接收端中，经过下变频后得到的采样信号存在较大频偏，采用现有技术的解决方案需要降低L的大小来提高频偏捕获范围，但是这样的后果就是估计精度会大大降低，导致之后的同步算法和均衡算法失效；同时由于无线移动信道下的深衰弱的影响，即使加大序列长度也可能会出现频偏估计精度较低的情况。

发明内容

本发明提供一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法，该方法能够在增大初始频偏捕获范围的同时保证估计精度，并且降低了无线移动信道下的深衰弱情况对估计精度带来的影响。

本发明所述技术方案如下：

一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法，包括步骤：

A、确定滑动窗的起始位置，滑动窗的长度为NL码元长度，初始计数值m为0；

B、将m加1，判断m是否小于等于预设的移动次数门限值M，若是，执行步骤C，否则，执行步骤E；

C、从滑动窗的起始位置开始连续选取NL码元长度的观测数据R_m，将滑动窗向后移动L码元长度后，从滑动窗的起始位置开始连续选取NL码元长度的观测数据R_m+1；

D、确定出R_m和R_m+1的相关值P_m，然后确定出相关值P_m的幅角X_m并予以记录，返回步骤B；

E、对已记录的M个X_m值进行加权求和，将加权求和的结果除以相关长度L、2π和码元持续时间T的乘积得到频偏估计值Δf。

较佳地，所述步骤D中，确定R_m和R_m+1的相关值P_m的公式为：

$P_m=R_m{R}_{m+1}^H=\underset{t=1+(m-1)L}{\overset{(N+m-1)L}{\mathrm{\Σ}}}r\left(t\right)r^{*}(t+L),$

其中，R_m＝[r(1+(m-1)L)，…，r((N+m-1)L)]，m＝{1，2，...M}，r(t)表示接收端的信号采样值。

较佳地，所述步骤E中，对M个X_m值进行加权求和的公式为：

$X=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{X}_m,$

其中，α_m为加权系数。

较佳地，所述观测数据R_m和观测数据R_m+1的相关间隔为两段数据起始位置的间隔L。

较佳地，所述观测数据R_m和观测数据R_m+1的相关长度为其各自的数据段长度，即NL码元长度。

较佳地，所述滑动窗中包含有N个长度为L的相同的独特字序列。

本发明利用特定的前导数据结构，通过滑动窗长和滑动窗移动距离的选择将现有技术中同时影响频偏捕获范围和估计精度的因子分解为相关间隔和相关长度两个因子，由于相关间隔决定了频偏捕获范围，相关长度决定了频偏估计精度，因此当频偏范围较大时候，通过减小滑动窗的移动距离L来减小相关间隔，以达到增大频偏捕获范围的作用，同时又通过增大滑动窗长NL来增大相关长度，以此降低噪声的影响，提高了频偏估计精度。从而解决了现有频偏捕获方法中频偏估计精度和捕获范围之间相互制约的矛盾，同时本发明通过对不同位置得到的频偏估计加权求和，消弱了无线移动信道下的深衰弱对频偏估计精度的影响。

附图说明

图1为本发明所述对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法的流程图；

图2为本发明所述对存在较大频偏的块信号进行频偏捕获的示意图。

具体实施方式

高速传输系统在无线移动信道下，经接收端下变频得到的基带采样信号存在较大频偏，需要在定时信息未知的情况下进行频偏捕获，同时又需要保证频偏的估计精度。本发明利用特有的前导数据结构，基于可滑动窗解决了现有频偏捕获方法中频偏估计精度和捕获范围之间相互制约的矛盾，同时消弱了无线移动信道下的深衰弱对频偏估计精度的影响。达到了既能增大初始频偏捕获范围又能保证估计精度，并且降低了无线移动信道下的深衰弱情况对估计精度带来的影响的目的。

下面结合各个附图对本发明的具体实现过程予以进一步详细的说明。

请参阅图1及图2，其中，图1为本发明所述对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法的流程图，图2为本发明所述对存在较大频偏的块信号进行频偏捕获的示意图，由图1及图2可见，本发明中对存在较大频偏的块信号进行频偏捕获的具体步骤如下：

步骤10、利用多个相同的长度为L的UW序列A组成前导数据[AAA。。。。]。

步骤11、当接收端检测到信号之后，获取滑动窗的起始位置，获取之后的采样信号r(t)，所述滑动窗的长度为NL码元长度，其包含有N个长度为L的UW序列A，初始计数值m为0。

步骤12、将m加1。

步骤13、判断m是否小于等于预设的移动次数门限值M，若是，执行步骤14，否则，执行步骤17。

步骤14、从滑动窗的起始位置开始连续选取长度为NL码元长度的数据段为观测数据R_m，将滑动窗的起始位置向后移动L码元长度，从滑动窗的起始位置开始连续选取长度为NL码元长度的数据段为观测数据R_m+1。

所述观测数据R_m和观测数据R_m+1的相关间隔为两段数据起始位置的间隔L；所述观测数据R_m和观测数据R_m+1的相关长度为其各自的数据段长度，即NL码元长度。

步骤15、计算出R_m和R_m+1的相关值P_m， $P_m=R_m{R}_{m+1}^H=\underset{t=1+(m-1)L}{\overset{(N+m-1)L}{\mathrm{\Σ}}}r\left(t\right)r^{*}(t+L),$ 其中，R_m＝[r(1+(m-1)L)，…，r((N+m-1)L)]，m＝{1，2，...M}，r(t)表示接收端的信号采样值。

步骤16、确定出相关值P_m的幅角X_m并予以记录，返回步骤12。

步骤17、对步骤16中所有已记录的M个X_m值进行加权求和，公式为： $X=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{X}_m,$

其中，α_m为加权系数。

步骤18、将步骤17中得到的加权求和的结果除以相关长度L、2π和码元持续时间T的乘积得到频偏估计值Δf，即Δf＝X/(2πLT)。

本发明利用若干个重复的UW序列A作为前导数据，确保了在任意位置的滑动窗长内都存在若干个连续相同的UW序列。本发明利用特有的数据结构特性，依靠滑动窗将相关间隔和相关长度这两个变量分离，其中相关间隔即为滑动窗的移动距离，由UW序列A的长度L决定；相关长度即为滑动窗长，由选取的UW序列的个数N和UW序列的长度L的乘积大小决定。由于相关间隔决定了频偏捕获范围，相关长度决定了频偏估计精度，因此当频偏范围较大时候，通过减小滑动窗的移动距离L来减小相关间隔，以达到增大频偏捕获范围的作用，同时又通过增大滑动窗长NL来增大相关长度，以此降低噪声的影响，提高了频偏估计精度。

由于无线移动信道的深衰弱的影响，对于存在的深衰弱位置会出现估计精度低的现象，本发明利用了滤波和概率分布的思想，通过在不同位置得到的频偏估计值加权求和来消弱深衰弱位置带来的频偏估计精度低的影响。本发明中相关值P_m的幅角X_m的范围为[-π，π]，因此频偏估计范围为[-1/(2LT)，1/(2LT)]Hz。在码元传输速率1/T确定的情况下，为增大频偏估计范围必须减小相关间隔L，现有技术的频偏捕获方法的相关长度为相关间隔L，而本发明的相关长度为NL，在L降低的时候可以增大N来提高相关长度，以确保频偏估计精度；同时本发明利用滤波的思想对不同位置得到的频偏估计进行加权求和，消弱了深衰弱带来的频偏估计精度低的影响。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种对存在较大频偏的块信号的频偏捕获方法，其特征在于，包括步骤：

A₀、利用多个相同的长度为L的UW序列A组成前导数据[AAA …]；

A₁、确定滑动窗的起始位置，所述滑动窗的长度为NL码元长度，其包含有N个长度为L的UW序列A，初始计数值m为0；

B、将m加1，判断m是否小于等于预设的移动次数门限值M，若是，执行步骤C，否则，执行步骤E；

C、从滑动窗的起始位置开始连续选取NL码元长度的观测数据R_m，将滑动窗向后移动L码元长度后，从滑动窗的起始位置开始连续选取NL码元长度的观测数据R_m+1；

D、确定出R_m和R_m+1的相关值P_m，然后确定出相关值P_m的幅角X_m并予以记录，返回步骤B；

E、对已记录的M个X_m值进行加权求和，将加权求和的结果除以相关长度L、2π和码元持续时间T的乘积得到频偏估计值Δf。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，确定R_m和R_m+1的相关值P_m的公式为：

其中，R_m=[r(1+(m-1)L),…,r((N+m-1)L)]，m={1,2，...M}，r(t)表示接收端的信号采样值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E中，对M个X_m值进行加权求和的公式为：

其中，α_m为加权系数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述观测数据R_m和观测数据 R_m+1的相关间隔为两段数据起始位置的间隔L。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述观测数据R_m和观测数据R_m+1的相关长度为其各自的数据段长度，即NL码元长度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑动窗中包含有N个长度为L的相同的独特字序列。 

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