CN102833204B - 一种频偏估计实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频偏估计实现方法，对输入的两路调制信号分别进行过采样获得两路过采样后的调制信号；其中过采样的频率f_s满足如下公式：f_s≥4f_max，其中f_max为最大频偏值；将两路过采样后的调制信号组成复数序列，对该复数序列进平方运算或四次方运算；进行复数FFT运算获得复数FFT运算结果；对复数FFT运算结果进行实、虚部平方和运算；在实、虚部平方和运算的结果中搜索最大值，并确定最大值所在的位置；根据最大值所在的位置进行频率映射，输出所估计的频偏值。本发明实现了调制信号频偏大于码速率情况下的准确频偏估计。

Description

一种频偏估计实现方法

技术领域

本发明涉及一种频偏估计实现方法。

背景技术

在深空通信系统中，由于通信距离远，无线电波传输延时长，信号能量衰减严重，一般采用较低的码速率通信，比如1kbps，此时，接收信号中的频偏若与码速率相当或者大于码速率，则会使接收机中的解调器无法正常工作；有时甚至采用极低码速率通信，比如7.8125bps，此时，接收信号中的极小频偏(几Hz或者几十Hz)，都会使接收机中的解调器无法正常工作，因此需要先估计频偏，对频偏进行实时补偿，然后才能进行解调接收。

现有的频偏估计方法按照实现帧结构分类，主要有数据辅助(DA：Data-Aided)法和非数据辅助(NDA：Non Data-Aided)法两种；按照实现结构分类主要有开环估计法和闭环估计法两种。方法不同，所采用的实现结构也不同。在现有频偏估计的实现中，由于不需要在信息帧中插入额外的辅助信息而使非数据辅助法广泛应用于无线通信领域的接收机中；同时，开环估计法也因实现简单而成为最普通的频偏估计方法。

在非数据辅助法中，利用FFT估计频偏是一种应用最广泛方法，但是存在下述问题：当所估计的频偏与码速率相当或者大于码速率时，不能正确地进行频偏估计。本发明正是在上述背景下，对基于FFT的非数据辅助法进行改进，使其在频偏大于码速率情况下仍能准确地估计已调信号的频偏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种算法简单、估计准确的频偏估计实现方法，实现了已调信号频偏大于码速率情况下的准确频偏估计。

本发明包括如下技术方案：

一种频偏估计实现方法，包括以下步骤：

(1)对输入的两路调制信号分别进行过采样获得两路过采样后的调制信号；其中过采样的频率f_s满足如下公式：f_s≥4f_max，其中f_max为最大频偏值；

(2)将两路过采样后的调制信号组成复数序列，对该复数序列进平方运算或四次方运算；

(3)进行复数FFT运算获得复数FFT运算结果；

(4)对复数FFT运算结果进行实、虚部平方和运算；

(5)在实、虚部平方和运算的结果中搜索最大值，并确定最大值所在的位置；

(6)根据最大值所在的位置进行频率映射，输出所估计的频偏值。

步骤(3)中的复数FFT运算的点数N_fft，满足如下公式：

其中Δf为频偏估计精度。

步骤(5)中搜索最大值的方法如下：假定第一个值为最大值，从第二个值开始与上一个值进行比较，若该值大于最大值，则最大值进行更新，更新为当前值；否则最大值进行保持，保持上一次的最大值，如此往复，直至第N_fft个值比较完毕；得到最大值及其所在的位置。

对于BPSK调制信号，在所述步骤(2)进行平方运算，所述步骤(6)中频偏值的计算公式如下： $f_e=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{N_{\mathrm{fft}}\×2}\×f_s,0\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}/2-1\\ \frac{k-N_{\mathrm{fft}}}{N_{\mathrm{fft}}\×2}\×f_s,N_{\mathrm{fft}}/2\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}-1\end{array}\right..$

对于QPSK调制信号，在所述步骤(2)进行四次方运算，所述步骤(6)中频偏值的计算公式如下：

$f_e=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{N_{\mathrm{fft}}\×4}\×f_s,0\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}/2-1\\ \frac{k-N_{\mathrm{fft}}}{N_{\mathrm{fft}}\×4}\×f_s,N_{\mathrm{fft}}/2\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}-1\end{array}\right..$

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明为了满足深空通信大频偏接收要求，对接收到的已调信号频偏进行估计，特别是当频偏大于符号速率时，突破了现有技术的限制，采用过采样法和平方谱估计法，使得利用本发明进行频偏估计后的通信更加可靠。

2)本发明利用平方谱估计法(已调信号的平方运算+FFT)估计频偏，既利用平方运算去BPSK调制，又利用平方谱提高了频偏估计的准确性和可靠性。

3)本发明算法简单，实现容易，频率估计准确。

4)本发明将平方运算改为四次方运算可实现对QPSK调制信号载波频偏的估计。

附图说明

图1为本发明用于BPSK调制信号的载波频偏估计实现方法流程图；

图2为本发明用于QPSK调制信号的载波频偏估计实现方法流程图；

图3最大值搜索及控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

图1所示为频偏估计实现方法的流程图，可以用于BPSK(二进制移相键控)调制信号的载波频偏估计，主要包括以下步骤：

a.过采样

对经A/D采样后的信号或者下变频后的I、Q两路信号进行过采样，采样频率为f_s，f_s的选择要确保能够表示调制信号的频偏。f_s满足如下公式：f_s≥4f_max，其中f_max为最大频偏值。本发明采用过采样法能够提高频偏表示能力。

b.平方运算

将过采样后的I、Q已调信号组成复数序列I+jQ，对其进行平方运算。平方运算有两个目的：一是去BPSK调制，去除调制相位对载波估计的影响；二是通过平方谱估计频偏，提高频偏估计的准确性和可靠性。

c.复数FFT

对平方运算后的信号进行复数FFT运算获得N_fft个FFT运算结果，主要完成平方谱的估计。根据所要求的频偏估计精度(Δf)和实现复杂度选择相应的FFT点数N_fft，其关系如公式(1)所示。

$\mathrm{\Δf}=\frac{f_s}{N_{\mathrm{fft}}\×2}---\left(1\right)$

其中f_s为采样频率。FFT所能估计的最大频偏为f_s/4，频偏估计范围为[-f_s/4，f_s/4]。

d.实虚部平方和运算

对复数FFT运算结果的实部和虚部分别做平方运算并将两者相加，获得N_fft个平方和运算的结果，为最大值搜索做准备。

e.最大值搜索

在N_fft个平方和运算的结果中寻找最大值，该最大值所在位置代表了频偏信息，最大值搜索流程如图3所示。

f.频率映射

最大值所在位置k与所估计的频率f_e之间的关系为式(2)，根据式(2)进行频率映射，产生所估计的频率值。

$f_e=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{N_{\mathrm{fft}}\×2}\×f_s,0\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}/2-1\\ \frac{k-N_{\mathrm{fft}}}{N_{\mathrm{fft}}\×2}\×f_s,N_{\mathrm{fft}}/2\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}-1\end{array}\right.---\left(2\right)$

上述方法可全部采用VHDL、基于xilinx FPGA实现。

QPSK(四相移相键控)调制信号载波频偏的估计实现过程见图2，其与BPSK调制信号载波频偏的估计方法的区别如下：将步骤b的平方运算改成四次方运算；将步骤f中的公式(2)修改成公式(3)，

$f_e=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{N_{\mathrm{fft}}\×4}\×f_s,0\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}/2-1\\ \frac{k-N_{\mathrm{fft}}}{N_{\mathrm{fft}}\×4}\×f_s,N_{\mathrm{fft}}/2\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}-1\end{array}\right.---\left(3\right)$

其它步骤完全相同，通过四次方运算既去QPSK调制，又能够提高QPSK调制信号频偏估计的准确性和可靠性。

实施例

已调BPSK信号符号速率为1024bps，载波频偏Δf要求为-20kHz≤Δf≤20kHz，输入信号为A/D采样后的基带信号或者是正交下变频后的基带信号，包括I、Q两路输入信号；最终形成如下的处理过程：

(1)根据f_s≥4f_max，f_max为最大频偏值的要求，选择采样率f_s为102.4kHz，利用102.4kHz时钟对已调BPSK信号进行采样，记为I(n)、Q(n)；

(2)将过采样信号I(n)、Q(n)组成复数序列I(n)+j×Q(n)，利用1个复数乘法器完成平方运算，即[I(n)+jQ(n)]²；

(3)根据频偏估计精度要求，比如20Hz以内，按照公式(1)选择相应的FFT点数，计算得到N_fft＝4096；然后将复数乘法器的输出送入FFT核内，进行4096点复数FFT运算，得到4096个X(k)+j×Y(k)；

(4)对4096个X(k)+j×Y(k)的实部和虚部利用两个乘法器和一个加法器进行平方和运算，得到4096个X(k)²+Y(k)²；

(5)在4096个X(k)²+Y(k)²值中搜索最大值，搜索流程参照附图3进行，首先假定第一个值为最大值，从第二个值开始与上一个值进行比较，若该值大于最大值，则最大值进行更新，更新为当前值，否则最大值进行保持，保持上一次的最大值，如此往复，直至第4096个值比较完毕；此时，得到最大值及其位置；

(6)根据公式(2)进行频率映射，输出所估计的频偏值f_e

$f_e=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{8182}\×\mathrm{102.4,0}\≤k\≤2047\\ \frac{k-4096}{8192}\×\mathrm{102.4,2048}\≤k\≤4095\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据公式(4)进行频率映射，得到I、Q两路输出信号，如公式(5)所示，完成频偏估计。

完成频偏估计后，利用所估计出的I、Q两路信号进行后续的频偏校正运算。

总之，本发明特别适合于已调信号频偏大于符号速率的情况，可以应用到数字解调器、无线电接收机等领域中。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种频偏估计实现方法，用于对BPSK调制信号进行载波频偏估计，BPSK调制信号的符号速率为1024bps，载波频偏f_d要求为-20kHz≤f_d≤20kHz，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对输入的两路BPSK调制信号分别进行过采样获得两路过采样后的调制信号；过采样的频率f_s为102.4kHz；

(2)将两路过采样后的调制信号组成复数序列，对该复数序列进行平方运算；

(3)进行复数FFT运算获得复数FFT运算结果；

(4)对复数FFT运算结果进行实、虚部平方和运算；

(5)在实、虚部平方和运算的结果中搜索最大值，并确定最大值所在的位置k；

(6)根据最大值所在的位置k进行频率映射获得所估计的频偏值f_e；

步骤(3)中的复数FFT运算的点数N_fft满足如下公式：

其中Δf为频偏估计精度；

步骤(5)中搜索最大值的方法如下：假定第一个值为最大值，从第二个值开始与上一个值进行比较，若该值大于最大值，则最大值进行更新，更新为当前值；否则最大值进行保持，保持上一次的最大值，如此往复，直至第N_fft个值比较完毕；得到最大值及其所在的位置k；

频偏值f_e的计算公式如下： $f_e=\left\{\begin{array}{c}\frac{k}{N_{\mathrm{fft}}\×2}\×f_s,0\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}/2-1\\ \frac{k-N_{\mathrm{fft}}}{N_{\mathrm{fft}}\×2}\×f_s,N_{\mathrm{fft}}/2\≤k\≤N_{\mathrm{fft}}-1\end{array}\right..$