CN104022981A - 一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，属于移动通信技术领域。在该方法中，QAM信号解调系统接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换以及定时恢复等处理后得到含有载波频偏f₀的样值r_n，对于r_n中含有的频偏成分，不依赖其他任何的数据信息，联合FFT算法和WPH算法，通过多级估计逐步校正估计误差得到较为精确的频偏估计值。该方法结合了FFT算法和WPH算法，规避了这两种算法中存在的不足，结合了各自的优势，通过多级估计的方式计算频偏，并对信号进行补偿，为下一阶段进行的符号判决提供了必要的先决条件。该方法在一定程度上缓解了算法中存在的计算精度和计算复杂度的有效性和可靠性之间的矛盾。

Description

一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，特别是一种对数字调相信号进行非数据辅助的多普勒频偏估计的方法。

背景技术

在数字通信中，由于接收机振荡器不稳定和多普勒效应等因素，使得接收信号的载波与本地载波之间不能完全同步，存在一定的频率偏差，因此在经过相干解调和下变频后得到的基带信号中，通常含有载波频率偏移。在突发模式传输通信系统的相干检测中频偏估计具有关键作用，估计的准确性直接影响接收信号的误码率。

假设数据辅助的前导信息已知或者星座图类型和增益已知，那么在高信噪比条件下，可以较容易的估算接近理想值的频率偏移值。但是，额外的辅助数据需要占用频谱资源，降低了系统传输的有效性。

非数据辅助同步的频偏估计方面研究主要包括快似然函数估计算法、快速傅里叶变换(FFT)算法、直方图算法等。其中文献(Blind carrier frequency offsetestimation for QAM signals based on weighted 4^th power of signal samples)中的似然估计算法的均方误差接近理想值，然而此算法没有闭式解，因此计算量较大，难以进行实时处理。而文献(Non-data-aided wide-range frequency offset estimation forQAM optical coherent receivers)中的FFT算法由于需要较长数据长度才能使频谱更接近连续模型，因此当有较短长度数据时，估计精度不高。相位直方图估计法如文献(Frequency offset estimation for unknown QAM constellations)，采用了粗-细估计，估计精度不够好，而且运算复杂度较大。因此有必要找到一种既能保证频率估计有较高的估计精度，又有较好运算效率的非数据辅助估计算法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，该方法利用WPH算法和FFT算法联合估计载波频偏，利用多级迭代保证估计精度，并对估计过程进行简化，减少运算量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，在该方法中，QAM信号解调系统接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换以及定时恢复等处理后得到含有载波频偏f₀的样值r_n，对于r_n中含有的频偏成分，不依赖其他任何的数据信息，联合FFT算法和WPH算法，通过多级估计逐步校正估计误差得到较为精确的频偏估计值。

进一步，所述多级估计的第一级采用FFT算法模型，缩小频偏估计范围，以下各级利用WPH算法模型迭代运算。

进一步，所述FFT算法，包括利用对四次方后的接收信号样值进行FFT变换，经过测量最大谱线的信息得到载波频偏值。

进一步，所述WPH算法包括，样值r_n经过f_e频率补偿后y_n的相位设为f_e为一个变量，取值范围为[-1/8,1/8]，n＝(1,2,···，N)表示第n个数据样值，N表示总数据长度；通过统计在[0,2π]的K等分相位间隔ψ_k中的特性得到y_n的相位直方图，即K为常数，可由设计者根据具体情况自行设定，一般来说，高阶QAM时K值设定较大，低阶QAM时K值设定较小；k＝(0,1,···，K-1)；rect(·)表示矩形运算，ψ_k＝π(2k+1)/K；进而经过测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波频率偏移值。

进一步，所述的计算相位直方图的方法如下：直方图ξ_k的计算从逐步统计相位的位置解析为由公式直接判决确定其位置，其中arg(Y)表示求y_n的角度；表示取整，如果，，其余ξ值为0；否则ξ_k＝0。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法结合了FFT算法和WPH算法，规避了这两种算法中存在的不足，结合了各自的优势，通过多级估计的方式计算频偏，并对信号进行补偿，为下一阶段进行的符号判决提供了必要的先决条件。该方法在一定程度上缓解了算法中存在的计算精度和计算复杂度的有效性和可靠性之间的矛盾。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为接收端QAM信号解调模型；

图2为WPH算法流程图；

图3为FFT算法流程图；

图4为QAM信号盲载波频偏估计的WPH和FFT联合算法流程图。

具体实施方式

本发明提供的盲载波频偏估计方法，采用以下方式实现：

对于QAM信号解调系统，接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换以及定时恢复等处理后得到含有载波频偏f₀的r_n，WPH算法利用f_e对r_n频率进行四倍补偿，其中f_e的取值范围为[-1/8,1/8]，即

$y_n=\left|r_n\right|\·e^{j4\·\arg \left(r_n\right)}{e}^{-j8\mathrm{\π}{f}_{e}n}---\left(1\right)$

arg(·)表示求角度。我们将[0,2π]相位范围K等分，设为ψ_k，判断此时y_n的相位相对于ψ_k的矩形运算，得到式(2)所示的加权相位直方图

N为r_n的样值个数，rect(·)代表矩形运算。运算需要依赖逐步统计判断相位的位置，复杂度较高，可以进行如下简化：采用直接计算确定其位置，其中arg(Y)表示求y_n的角度；代表取整。当时，，其余ξ值为0；否则ξ_k＝0。此时测量直方图a二阶矩的峰值得到载波频偏值，如式(3)所示

${\hat{f}}_0=\arg \underset{f_e}{\max }\left\{\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}^2\left({\mathrm{\ψ}}_k\right)\right\}---\left(3\right)$

本发明的载波频偏估计采用多级迭代估计算法，然而第一级估计时估计范围为[-1/8,1/8]，当设定f_e取值时，就应为f_e＝-1/8+i·△f，其中△f为步进值，i＝(0,1,2,···,I-1)，I＝(1/8-(-1/8))/△f，由分析可知，这样的估计范围使得f_e取值较多，相应的增加了计算复杂度，因此第一步采用FFT算法，确定一个粗略的频偏值，具体方法是

${\hat{f}}_0=\frac{1}{4}\arg \underset{f}{\max }{\left|\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^4\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πfn}}\right|}^2---\left(4\right)$

利用式(4)先求得r_n ⁴的频谱，此时峰值谱线对应的频率信息，即为所求频偏，但是由于此时的FFT算法采用有限长度的样值数据进行计算，估计值偏差较大，因此，要联合WPH算法进行迭代计算以纠正误差。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

QAM信号接收端解调如图1所示，S(t)为发送信号，N(t)为噪声，接收端经过相干解调和下变频后得到基带信号，由于接收机振荡器不稳定和多普勒效应等因素，使得接收信号的载波与本地载波之间不能完全同步，存在一定的频率偏差，即载波频率偏移。因此要经过算法估计频偏值然后进行，以达到正确解调的目的。

在本发明的算法中，包含了两种估计方法，即WPH算法和FFT算法。图2为WPH算法的流程图。具体步骤包括如下：

步骤21，对接收数据进行四倍频率补偿，补偿值为f_e,因此得到补偿后的样值y_n；

步骤22，利用判断此时y_n的相位在等间隔相位槽ψ_k中对应的位置，然后对y_n求取加权相位直方图a；

步骤23，求a的二阶矩，定义为p；

步骤24，根据二阶矩p测量其峰值，得到频偏估计值；

相应的，图3为FFT计算流程，具体过程如下：

步骤31，对接收样值求四次方；

步骤32，对四次方后的样值进行FFT变换；

步骤33，测量变换后的离散谱谱峰值；

步骤34，根据峰值信息计算得到频偏估计值，但是此值误差较大，为粗估计值。

由于本发明采用多级估计，并且第一步粗估计采用FFT算法，然后根据WPH算法进行迭代计算以矫正误差。总体计算流程可以归纳为图4所示的流程图。

步骤41，根据接收样值y_n采用FFT算法，计算粗频偏估计值σ₁；

步骤42，设定此次搜索步进值△f；

步骤43，以前一步计算的频偏估计值σ为中心确定f_e的检索范围[σ_left,σ_right]

步骤44，依据步骤42、步骤43确定的参数值，得到f_e＝σ_left+i·△f，i＝(0,1,2,···,I-1),其中I＝(σ_right-σ_left)/△f，代入WPH算法中进行计算得到估计值σ＝σ_left+i_max·Δf；

步骤45，判定迭代次数是否达到预设值。否，则返回步骤42，重新设定更精细的步进值，并确定此时检索区域，进行校正估计；是，则输出估算值即为。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，其特征在于：QAM信号解调系统接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换以及定时恢复等处理后得到含有载波频偏f₀的样值r_n，对于r_n中含有的频偏成分，不依赖其他任何的数据信息，联合FFT算法和WPH算法，通过多级估计逐步校正估计误差得到较为精确的频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，其特征在于：所述多级估计的第一级采用FFT算法模型，缩小频偏估计范围，以下各级利用WPH算法模型迭代运算。

3.根据权利要求2所述的一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，其特征在于：所述FFT算法，包括利用对四次方后的接收信号样值进行FFT变换，经过测量最大谱线的信息得到载波频偏值。

4.根据权利要求2所述的一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，其特征在于：所述WPH算法包括，样值r_n经过f_e频率补偿后y_n的相位设为f_e为一个变量，取值范围为[-1/8,1/8]，n＝(1,2,···，N)表示第n个数据样值，N表示总数据长度；通过统计在[0,2π]的K等分相位间隔ψ_k中的特性得到y_n的相位直方图，即K为常数，可由设计者根据具体情况自行设定，一般来说，高阶QAM时K值设定较大，低阶QAM时K值设定较小；k＝(0,1,···，K-1)；rect(·)表示矩形运算，ψ_k＝π(2k+1)/K；进而经过测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波频率偏移值。

5.根据权利要求4所述的一种正交幅度调制信号的盲载波频偏估计方法，其特征在于：所述的计算相位直方图的方法如下：直方图ξ_k的计算从逐步统计相位的位置解析为由公式直接判决确定其位置，其中arg(Y)表示求y_n的角度；表示取整，如果，，其余ξ值为0；否则ξ_k＝0。