CN102571033A - 一种成形滤波器滚降系数估计方法 - Google Patents

一种成形滤波器滚降系数估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及单载波数字调制信号的一种成形滤波器滚降系数估计方法，对于接收端接收到的被噪声污染过的信号，估计步骤如下：在相同的采样率、符号速率及成形滤波器下，改变滚降系数，构成不同的调制信号序列，并计算每个滚降系数取值下调制序列的值，构造得查找表；估计滚降系数时，分别取实际得到的与,,…,差的绝对值，并取最小绝对值所对应所述查找表中的滚降系数值作为真实滚降系数的估计值，则滚降系数的估计值为：，；本发明适用于估计任意类型成形滤波器滚降系数，可在较低信噪比下利用较少符号获得满足工程需要的估计精度，并且复杂度低，易于硬件实现，抗噪性能好，复杂度低；本发明适用于合作通信、非合作信号分析、电磁环境监测等领域。

Description

一种成形滤波器滚降系数估计方法
技术领域
本发明涉及一种成形滤波器滚降系数估计方法，具体是一种单载波数字调制信号成形滤波器滚降系数估计方法。
背景技术
在单载波数字通信系统中，为了限制信号带宽，抑制码间干扰，往往需要对待发送的信号进行成形滤波，所用的滤波器称为成形滤波器。最常用的成形滤波器是方根升余弦滚降成形滤波器，其优点是：接收端可以采用相同的滤波器实现匹配滤波，而无需专门设计匹配滤波器；而且发送方可以根据信道特性采用不同的滚降系数，以兼顾信道利用率和信号质量。
在某些情况下，如非协作通信中，对于接收方来说，发送方成形滤波器的滚降系数是未知的，而为了进行匹配滤波，又必须选取某一滚降系数。目前通用的方法是，根据工程经验选择固定的滚降系数，如0.35在工程中应用最多，那么就可以选择0.35作为接收匹配滤波器的滚降系数，当然也可以选取其他值如0.5等；这样，如果发送方采用了不同的滤波器滚降系数，就会造成接收滤波器与发送滤波器之间的失配，影响匹配滤波的效果，进而影响解调器的性能。但是，根据分析可知，滚降系数失配对于接收机性能影响是有限的，也就是说只要接收方所采用的滚降系数与实际滚降系数差得不是太远，就可以实现有效匹配滤波，因此在工程中，只要能够实现滚降系数的粗略估计就足够了。
目前，公开的成形滤波器滚降系数估计方法比较少，主要有两种：一种方法是根据带宽与滚降系数和符号速率的关系间接估计成形滤波器的滚降系数，由于信号带宽的估计精度很难保证，因此这种方法的估计误差太大，已经影响了匹配滤波的效果；另一种方法是根据基带信号波形与方根升余弦成形滤波器冲击响应函数的关系，提取关键点参数，利用查表的方法进行估计，虽然这种方法的精度可以满足工程要求，但是需要大量的符号，计算复杂度高，实时性差。
发明内容
本发明旨在提出一种成形滤波器滚降系数估计方法，特别适用于单载波数字调制信号，根据单载波数字调制信号自相关函数与成形滤波器滚降系数的关系，在采样率、符号速率及成形滤波器类型已知的前提下，采用查表的方法估计滚降系数，可以在较低的信噪比下利用较少的符号获得满足工程需要的估计精度，并且复杂度低，易于硬件实现。
为实现上述目的，本发明的实施方案如下：
一种成形滤波器滚降系数估计方法，对于接收端接收到的被噪声污染过的信号                                                
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE001
，其特征在于估计滚降系数的步骤如下：
（1）
Figure 493847DEST_PATH_IMAGE001
的采样率、符号周期及成形滤波器类型已知，在相同的采样率、符号速率及成形滤波器下，改变滚降系数
Figure 410987DEST_PATH_IMAGE002
，构成不同的调制信号序列，并计算每个滚降系数取值下调制序列的
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE003
值，构造查找表；
（2）估计滚降系数时，分别取实际得到的与
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE005
,,…, 
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE007
差的绝对值，并取最小绝对值所对应的查找表中的滚降系数值作为真实滚降系数的估计值，则滚降系数的估计值为：
Figure 347402DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE009
。
所述信号
Figure 178217DEST_PATH_IMAGE001
表示为：
Figure 377118DEST_PATH_IMAGE010
                               （1）
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE011
是调制信号，
Figure 108313DEST_PATH_IMAGE012
是零均值离散复高斯白噪声，
Figure 101677DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 918323DEST_PATH_IMAGE011
相互独立；
所述调制信号
Figure 655335DEST_PATH_IMAGE011
表示为：
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE013
                （2）
其中：
Figure 241037DEST_PATH_IMAGE014
为调制幅度；
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE015
为调制相位；
Figure 670882DEST_PATH_IMAGE016
为载波频率；
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE017
为载波相位；
Figure 476289DEST_PATH_IMAGE018
为采样周期，，
Figure 813729DEST_PATH_IMAGE020
为采样频率；
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE021
为传输延时；
Figure 457200DEST_PATH_IMAGE022
为成形滤波器的冲击响应函数，这里假设成形滤波器的类型是已知的；
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE023
为符号周期，它是符号速率的倒数，即
Figure 854684DEST_PATH_IMAGE024
，为符号速率；
Figure 645922DEST_PATH_IMAGE026
为接收到的符号数；
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE027
，N为数据长度。 
假设估计期间，载波相位
Figure 724736DEST_PATH_IMAGE028
为常数，调制信号
Figure 786496DEST_PATH_IMAGE011
均值为0，那么当
Figure 558143DEST_PATH_IMAGE001
延时为
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE029
时，可以得到调制信号
Figure 571098DEST_PATH_IMAGE011
的自相关函数
Figure 453603DEST_PATH_IMAGE030
为：
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE031
         （3）
其中“*”表示取共轭运算。
然后，由于噪声与信号
Figure 868404DEST_PATH_IMAGE001
不相关，
Figure 810952DEST_PATH_IMAGE032
中的交叉项为0，可得
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE033
                       （4）
其中：
Figure 311204DEST_PATH_IMAGE034
        （5）
而 
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 731821DEST_PATH_IMAGE036
为复基带符号。计算
Figure 768172DEST_PATH_IMAGE030
的数学期望
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE037
，得
Figure 881622DEST_PATH_IMAGE038
                      （6）
其中，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE039
         （7）
。可见，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE041
为实数，因此虽然
Figure 155794DEST_PATH_IMAGE042
不一定是实数，但当符号数
Figure 217291DEST_PATH_IMAGE026
足够大时，
Figure 501642DEST_PATH_IMAGE042
将趋近于
Figure 976486DEST_PATH_IMAGE041
，此时可认为
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE043
。
     令，
Figure 4484DEST_PATH_IMAGE044
         （8）
则，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE045
                       （9）
取
Figure 749849DEST_PATH_IMAGE030
的绝对值，则
Figure 939522DEST_PATH_IMAGE046
                    （10）
    观察
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE047
的表达式可知，
Figure 901661DEST_PATH_IMAGE047
只与采样周期
Figure 467772DEST_PATH_IMAGE018
（或采样率）、符号周期（或符号速率）、成形滤波器类型、滚降系数
Figure 641767DEST_PATH_IMAGE002
及信号功率有关，而与调制样式、载波频率无关。为了进一步消除信号功率的影响，分别取
Figure 11569DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE051
，得到
Figure 465946DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE053
，并计算二者的比值，并记作
Figure 263001DEST_PATH_IMAGE003
，即
Figure 934154DEST_PATH_IMAGE054
                         （11）
显然，
Figure 107646DEST_PATH_IMAGE003
与信号功率无关，如果采样率、符号速率及成形滤波器类型已知，即采样周期和符号周期已知，那么
Figure 118327DEST_PATH_IMAGE003
就只与滚降系数有关。
由于在采样率和符号速率已知的前提下，只与滚降系数
Figure 956336DEST_PATH_IMAGE002
有关，而与调制模式、载波频率和信号功率无关，因此可以选择一种较为简单的单载波调制模式（例如二进制相移键控），在相同的采样率和符号速率下，改变滚降系数
Figure 883841DEST_PATH_IMAGE002
，构成不同的调制信号序列，并计算每个滚降系数
Figure 22698DEST_PATH_IMAGE002
取值下调制序列的
Figure 606126DEST_PATH_IMAGE003
值，构造一个查找表。设
Figure 407905DEST_PATH_IMAGE002
有
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE055
种取值，则对应可计算出
Figure 393179DEST_PATH_IMAGE055
个值，记为
Figure 898295DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 951702DEST_PATH_IMAGE006
,…, 
Figure 791482DEST_PATH_IMAGE007
。估计滚降系数时，分别计算实际计算的
Figure 334459DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 626900DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 47779DEST_PATH_IMAGE006
,…, 
Figure 742066DEST_PATH_IMAGE007
差的绝对值，并取最小绝对值所对应的表中的滚降系数值作为真实滚降系数的估计值，则估计式可写为
，                  （12）
本发明的有益效果如下：
本发明适用于估计任意类型成形滤波器滚降系数，可以在较低的信噪比下利用较少的符号获得满足工程需要的估计精度，并且复杂度低，易于硬件实现，抗噪性能好，复杂度低；本发明适用于合作通信、非合作信号分析、电磁环境监测等技术领域。
附图说明
图1为本发明的估计流程图。
具体实施方式
根据上述滚降系数估计方法，如图1所示，现以8PSK信号为例进行下述说明。
信号参数为：符号速率4kB；载波频率4kHz；采样率 16ksps；滚降系数分别取 0.35、0.52及0.9；符号数 4000；信噪比10dB。估计步骤如下：
（1）       采样频率和符号速率已知，分别为16ksps和4kB，成形滤波器为方根升余弦滚降滤波器；
（2）       利用相同的采样频率和符号速率构造BPSK基带调制序列，符号数取40000，由于在工程应用中，滚降系数精确到十分位就足够了，因此
Figure 958786DEST_PATH_IMAGE002
范围取0.1~1，步长取0.1，得到查找表
Figure 507579DEST_PATH_IMAGE056
如下：
z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE057
 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Figure 657938DEST_PATH_IMAGE056
 1.34 1.42 1.43 1.45 1.48 1.51 1.54 1.59 1.64 1.70
（3）       根据（3）式计算得：
Figure 924971DEST_PATH_IMAGE058
，；
Figure 687653DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE061
 ；
Figure 153269DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE063
；
（4）       根据（11）式计算得，
Figure 474529DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 2012100223994100002DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 291176DEST_PATH_IMAGE066
；
（5）       根据（12）式及表1可以得到滚降系数估计值分别为0.4，0.5和0.9。
本发明提出一种基于自相关的方根升余弦成形滤波器滚降系数估计方法，在采样率、符号速率及成形滤波器类型已知的情况下，可以利用较少的符号，在较低的信噪比下获得满足工程要求的估计进度；而且，复杂度低，易于硬件实现。

Claims (4)

1.一种成形滤波器滚降系数估计方法，对于接收端接收到的被噪声污染过的信号                                                
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE002
，其特征在于估计滚降系数的步骤如下：（1）在相同的采样率、符号速率及成形滤波器下，改变滚降系数
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE004
，构成不同的调制信号序列，并计算每个滚降系数
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE005
取值下调制序列的值，构造得查找表；（2）估计滚降系数时，分别取实际得到的
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE013
,…, 差的绝对值，并取最小绝对值所对应所述查找表中的滚降系数值作为真实滚降系数的估计值，则滚降系数的估计值为：
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE019
。
2.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于：所述信号
Figure 947109DEST_PATH_IMAGE002
表示为：
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE021
 ，其中是调制信号，
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE025
是零均值离散复高斯白噪声，与相互独立。
3.根据权利要求2所述的估计方法，其特征在于：所述调制信号
Figure 350781DEST_PATH_IMAGE023
表示为：
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE027
 ，其中：为调制幅度；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE031
为调制相位；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE033
为载波频率；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE035
为载波相位；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE037
为采样周期，
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE041
为采样频率；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE043
为传输延时；为成形滤波器的冲击响应函数；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE047
为符号周期，
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE048
是符号速率的倒数，即
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE052
为符号速率；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE054
为接收到的符号数；
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE056
，N为数据长度。
4. 根据权利要求2或3所述的估计方法，其特征在于：进行载波估计期间，所述载波相位为常数，所述调制信号
Figure 791252DEST_PATH_IMAGE023
均值为0，当
Figure 613714DEST_PATH_IMAGE002
延时为时，调制信号
Figure 818430DEST_PATH_IMAGE023
的自相关函数为：
Figure 2012100223994100001DEST_PATH_IMAGE064
，其中“*”表示取共轭运算。
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