CN104852875A - 高动态大频偏突发信号的频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，包括突发帧捕获、多普勒变化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计，突发信号帧由导频段和数据段组成，接收机利用导频段实现频偏估计。首先通过门限比较法实现突发帧捕获；之后对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒变化率估计值用于导频段的动态补偿；然后，对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；最后，结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的频偏。使用频偏估计结果对数据段进行补偿，使数据段具有较小的频率变化率和剩余频偏，便于实现位同步、帧同步和载波同步。

Description

高动态大频偏突发信号的频偏估计方法

技术领域

本发明涉及涉及接收机同步技术，尤其涉及高动态大频偏条件下突发信号的频偏估计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

突发通信是一类常见的通信应用模式，如飞机等飞行载体的位置报告、传感器采集数据的上报等。当通信双方存在相对运动，且有较大的径向速度和加速度时，对于较高的载波频率，信号会产生较大的多普勒频偏和频率变化率。例如，在低轨卫星通信系统中，卫星绕地球高速运动，具有较大的速度和加速度，加上载波频率高(GHz量级)，产生的多普勒频偏能达到百kHz量级，多普勒变化率能达到kHz/s量级。

多普勒频偏和频率变化率相对于符号速率过大，会给接收机的同步造成恶劣影响。载波频偏估计是接收机同步技术的重要一环。当频偏较大时，接收机为了实现载波同步，必须增大频率搜索范围，复杂度相应增加。高动态(加速度大)带来大的频偏变化率，接收信号的载频快速变化，接收机对载波频率的搜索变得更为复杂和困难。此外，突发信号还要求同步建立时间短。高动态大频偏条件下实现频偏的快速精确估计，是值得研究的难点问题。

载波频偏估计存在多种方法，有基于反馈环路的估计算法，如锁频环、锁相环等；有基于前馈的估计方法，如离散傅立叶变换(DFT)辅助估计等，也有前反馈相结合的方法，如韩秀峰等人提出的DFT与锁相环结合法。锁频环要求符号信噪比高，信噪比较低时无法正常工作。锁相环跟踪的频偏范围与环路带宽正相关。大频偏需要设置大的环路带宽，在信噪比较低时，增大环路带宽会增加跳周概率。因此，环路带宽不能设得很大，但环路带宽小会使跟踪的频偏范围较窄，不适用于大频偏。DFT与锁相环相结合，能够很好地估计频偏。在大频偏条件下，采用DFT进行频率粗同步，通过增加采样倍数，可以增大频偏搜索范围，将剩余频差压缩到较窄的范围。加长累积时间能够提高频率分辨率，从而提高估计精度。对于剩余频偏，采用二阶锁相环可以跟踪；即使存在一定的动态，采用三阶锁相环也能实现动态跟踪。

对于一般的通信场景，由于动态(多普勒变化率)较小或者不存在动态，DFT与锁相环相结合的方法十分有效。但在高动态条件下，载波频率变化率大，当DFT累积时间较长时，载波频率会跨越DFT的多个频率栅栏，能量分散在多个频点上，频率粗同步性能很差，使得后续的锁相环无法正常工作。因此，对于高动态通信应用，仅进行频率估计尚不够，还需要估计多普勒变化率。在此基础上，才能估计出各信号点的频偏值。因此，多普勒变化率估计是高动态大频偏突发信号频偏估计的关键。但是，目前关于多普勒变化率估计的研究较少，对高动态通信的频偏估计缺乏行之有效的手段。

发明内容

本发明的目的是针对高动态大频偏突发信号，提供一种DFT辅助的多普勒变化率快速估计方法，在此基础上，提供一种基于DFT的频偏估计方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，突发帧捕获、多普勒变化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计；

通过门限比较法实现突发帧捕获，突发信号帧由导频段和数据段组成，利用导频段实现频偏估计；

对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒变化率估计值用于导频段的动态补偿；

对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；

结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的频偏。

进一步地，具体由以下步骤进行：

S1、对接收到的数据进行DFT变换，将变换后的最大幅值与预先设定的门限C_th进行比较，当其超过设定门限时，标示着突发信号到达，记录突发信号起始位置P_i，启动多普勒变化率估计；

S2、截取突发信号起始位置P_i后长度为N_p的一段导频数据，对其进行分段，然后采用DFT辅助的多段分层迭代方法估计多普勒变化率，经过多次迭代，得到多普勒变化率估计值R_fd；

S3、利用多普勒变化率估计值R_fd对长度为N_p的导频数据动态补偿，将剩余动态压缩至较小范围；

S4、对动态补偿后的长度为N_p的导频数据进行DFT变换，搜索峰值对应的频率值，计算基础频偏Δf_b；

S5、利用基础频偏估计值Δf_b和多普勒变化率估计值R_fd，估计突发信号帧每个符号的频偏值Δf(k)，将剩余频偏压缩至较小范围，便于后续的载波相位跟踪。

进一步地，突发帧捕获的具体步骤如下：

S11、接收数据，在信号到来之前系统接收的是随机噪声，接收数据是由纯噪声数据过渡到噪声+信号混合数据再到纯信号数据；

S12、过采样，根据频偏搜索范围确定信号的过采样率，对接收信号进行过采样；

S13、DFT变换，按照设定的捕获DFT点数N_{DFT_C}设置滑动窗尺寸，过采样数据送入滑动窗，对窗内数据进行DFT变换，并搜索变换后的幅度峰值；

S14、将每次搜索的峰值与捕获门限C_th进行比较，当其超过C_th时，记录突发信号起始位置P_i，完成突发帧捕获，并启动后续的多普勒变化率估计与补偿。

进一步地，多普勒变化率的估计与补偿的具体步骤如下：

S21、从突发信号的起始位置P_i起，截取长度为N_p的样点数据，并将其等分成m段，每段的样点数目为N_p/m；

S22、多普勒变化率粗估计，对m段数据中的第1段数据和最后1段数据分别进行DFT变换，根据幅度峰值对应的频率值确定各自的频偏Δf_c1和Δf_cm，然后计算多普勒变化率粗估值其中，T_sample为相邻样点间的采样间隔；

S23、利用多普勒变化率粗估值R_{fd_c}对前面截取的N_p点数据进行动态预校正；

S24、多普勒变化率精估计，将预校正后的N_p点数据分为n段，且n＜m，分别对第1段和第n段数据进行FFT变换，确定各自的频偏估计值Δf_f1和Δf_fn，然后计算多普勒变化率精估值

S25、多普勒变化率精补偿，从突发信号的起始位置P_i起算，令起始位置的样点索引k＝0，计算多普勒变化率精估值引起的第k个样点的频偏变化值，Δf_{comp_f}(k)＝R_{fd_f}×(k-1)×T_sample，并用该频偏变化值反向补偿前面经过动态预校正的N_p个样点；

S26、多普勒变化率计算，R_fd＝R_{fd_f}+R_{fd_c}。

为了提高估计精度，可以增加迭代次数，并不仅限于粗估计和精估计2次迭代。

进一步地，基础频偏估计的具体步骤如下：

S41、从起始位置P_i起截取的N_p个样点数据经过动态补偿后，进行N_p点DFT变换，寻找幅度的最大值A_max和邻近的次大值A_submax；

S42、确定最大值和次大值分别对应的频率偏移值Δf_max和Δf_submax；

S43、采用线性内插方法计算基础频偏估计值： $\mathrm{\Δ}{f}_b=\mathrm{\Δ}{f}_{\max }+\frac{A_{\mathrm{sub}\max }}{A_{\max }+A_{\mathrm{sub}\max }}(\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{sub}\max }-\mathrm{\Δ}{f}_{\max }).$

进一步地，频偏联合估计的具体步骤如下：

从突发信号的起始位置P_i起算，令起始位置的样点索引k＝0，计算每个样点的频偏，Δf(k)＝Δf_b+R_fd×(k-1)×T_sample。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明具有如下优点及显著效果：

一、频偏搜索范围大。本发明采用DFT辅助频偏估计，通过提高过采样率，可以增大频偏搜索范围，比传统环路具有更大的多普勒频偏适应能力。

二、动态适应性强。本发明提出对动态引起的多普勒变化率进行估计，利用估计值对变化率进行反向补偿，在此基础上再采用DFT辅助基础频偏估计，能够有效解决传统的DFT+锁相环方法无法适应高动态的问题。

三、频偏估计精度高。本发明中多普勒变化率估计采用多段分层迭代方法，频偏估计采用线性内插方法，估计精度高。

四、实现复杂度低。本发明采用DFT辅助的频偏估计方法，DFT存在复杂度低的快速傅里叶变换FFT；多普勒变化率估计采用多段分层迭代方法，每层仅需对首尾两段进行DFT变换，通常2层迭代就能达到较高精度，复杂度低。

附图说明

图1是本发明方法的突发信息帧的结构示意图；

图2是本发明方法的频偏估计的流程示意图；

图3是本发明方法的多普勒变化率估计分段示意图；

图4是本发明方法的剩余多普勒变化率随基础频偏和仿真次数的变化曲线图；

图5是本发明方法的频偏估计误差随基础频偏和仿真次数的变化曲线图；

图6是本发明方法的频偏估计误差均值随基础频偏的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例中，突发信号帧的结构包含两个部分：导频段和数据段，结构参见图1。导频段主要用于突发信号的捕获和频率粗同步，可以是单音导频，也可以是其它形式的导频。导频段的长度为N_p，N_p的大小与工作信噪比门限、频率粗同步估计精度要求有关。工作信噪比门限越低，频偏估计精度越高，则N_p的值越大。

高动态大频偏突发信号的频偏估计流程参见图2。首先进行突发帧捕获，捕获完成后实施多普勒变化率估计与动态校正，然后对动态校正后的信号进行基础频偏估计，最后结合动态估计值和基础频偏估计值联合估计每个符号的频偏。

第一步：突发帧捕获

接收数据。在信号到来之前系统接收的是随机噪声，接收数据是由纯噪声数据过渡到噪声+信号混合数据再到纯信号数据。

过采样。根据频偏搜索范围确定信号的过采样率。假设码元速率为F_d，需要估计的频偏范围为±e·F_d，则过采样率O_F＞2e，采样速率F_s＝O_F·F_d。按F_s对接收信号进行采样。

DFT变换。按照捕获DFT的变换点数N_{DFT_C}设置滑动窗尺寸。N_{DFT_C}的设置与信噪比和多普勒变化率有关，信噪比越低，要求N_{DFT_C}越大，多普勒变化率越大，则要求N_{DFT_C}越小，需要综合考虑这两个参数确定N_{DFT_C}。在实现中，可以根据N_p的值确定N_{DFT_C}，如N_{DFT_C}＝N_p/m。过采样数据样点送入滑动窗，对窗内数据进行FFT(快速DFT)变换，并搜索变换后的幅度峰值。

每次搜索的峰值与捕获门限C_th进行比较。门限值C_th可根据工作信噪比条件下数据与纯噪声的频谱幅度值对比确定，需综合考虑虚警概率和误捕概率。若频谱峰值小于C_th，移动滑动窗输入新的数据。当其超过C_th时，记录突发信号起始位置P_i，完成突发帧捕获，并启动后续的多普勒变化率估计与补偿。

第二步：多普勒变化率估计与动态校正

从突发信号的起始位置P_i起，截取长度为N_p的样点数据，并将其等分成m段，如图3所示。第1段标记为CS(1)，第i段标记为CS(i)，第m段标记为CS(m)，每段的样点数目为N_p/m。

多普勒变化率粗估计。对m段数据中的第1段数据CS(1)和最后1段数据CS(m)分别进行FFT变换，根据幅度峰值对应的频率值确定各自的频偏Δf_c1和Δf_cm，然后计算多普勒变化率粗估值，其中，T_sample为相邻样点间的采样时间间隔。

多普勒变化率粗补偿。利用多普勒变化率粗估值R_{fd_c}对前面截取的N_p点数据进行动态预校正。令起始位置P_i对应的样点索引k＝0，计算多普勒变化率粗估值引起的第k个样点的频偏变化值，Δf_{comp_f}(k)＝R_{fd_f}×(k-1)×T_sample，并用该频偏变化值反向补偿N_p个样点。

多普勒变化率精估计。将预校正后的N_p点数据分为n(n＜m)段，参见图3。第1段数据用FS(1)表示，第n段数据用FS(n)表示，分别对FS(1)和FS(n)进行FFT变换，确定各自的频偏估计值Δf_f1和Δf_fn，然后计算多普勒变化率精估值 $R_{\mathrm{fd}\_f}=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{fn}}-\mathrm{\Δ}{f}_{f1}}{(n-1)N_p{T}_{\mathrm{sample}}/n}.$

多普勒变化率精补偿。令起始位置P_i对应的样点索引k＝0，计算多普勒变化率精估值引起的第k个样点的频偏变化值，Δf_{comp_f}(k)＝R_{fd_f}×(k-1)×T_sample，并用该频偏变化值反向补偿前面经过粗补偿的N_p个样点。

多普勒变化率计算。将多普勒变化率粗估值和多普勒变化率精估值相加，即得到多普勒变化率的估计值：R_fd＝R_{fd_f}+R_{fd_c}。

第三步：基础频偏估计

通过搜索FFT变换后的峰值对应的频率值可以计算频偏，但由于FFT变换存在栅栏效应，使得估计精度受分辨率影响较大。本发明采用线性内插来提高频偏估计精度，具体步骤如下：

对经过多普勒变化率粗补偿和精补偿后的N_p点数据进行FFT变换，寻找幅度的最大值A_max和邻近的次大值A_submax；

确定最大值和次大值分别对应的频率偏移值Δf_max和Δf_submax；

采用线性内插方法计算基础频偏估计值：

$\mathrm{\Δ}{f}_b=\mathrm{\Δ}{f}_{\max }+\frac{A_{\mathrm{sub}\max }}{A_{\max }+A_{\mathrm{sub}\max }}(\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{sub}\max }-\mathrm{\Δ}{f}_{\max }).$

第四步：多普勒频偏估计

从突发信号的起始位置P_i起算，令起始位置的样点索引k＝0。利用多普勒变化率和基础频偏联合估计突发信号帧中每个样点的多普勒频偏。

Δf(k)＝Δf_b+R_fd×(k-1)×T_sample。

通过以上四步完成高动态大频偏突发信号的多普勒变化率估计和频偏估计。利用多普勒变化率估计值R_fd对整个突发信号帧进行动态补偿，使信号的剩余动态很小。利用频偏估计值Δf对信号进行频偏校正，可以将剩余频偏压缩至很小的范围。通过多普勒变化率补偿和频偏校正，剩余动态和频偏可以由后续的二阶或三阶锁相环完成捕获跟踪，从而共同完成高动态大频偏突发信号的载波同步。

图4、图5、图6分别给出了实施例中多普勒变化率估计和频偏估计的性能曲线。突发通信的符号速率F_d＝4096符号/秒，符号信噪比E_s/N₀＝4.5dB，多普勒基础频偏范围为-10F_d—10F_d，仿真参数变化步进为0.1F_d，动态引起的多普勒变化率设为10kHz/s，每组参数仿真100次。

图4为动态估计和补偿后剩余多普勒频率变化率随基础频偏和仿真次数的变化曲线。由图4可知，剩余多普勒变化率的范围在-406Hz/s—451Hz/s之间，与原始多普勒变化率相比大大减小。

图5为频偏估计误差随基础频偏和仿真次数的变化曲线。由图5可知，剩余频差范围在-20.244Hz—19.153Hz，相对于符号速率F_d的归一化偏差为-0.494％—0.468％。

图6为频率估计误差均值随基础频偏的变化曲线。从图5中可以看出，对于不同的基础频偏，频偏估计误差的均值范围在-0.6753Hz—0.7277Hz之间，集中在0Hz附近。

Claims (6)

1.一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于：突发帧捕获、多普勒变化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计；

通过门限比较法实现突发帧捕获，突发信号帧由导频段和数据段组成，利用导频段实现频偏估计；

对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒变化率估计值用于导频段的动态补偿；

对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；

结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的频偏。

2.如权利要求1所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，具体由以下步骤进行：

S1、对接收到的数据进行DFT变换，将变换后的最大幅值与预先设定的门限C_th进行比较，当其超过设定门限时，标示着突发信号到达，记录突发信号起始位置P_i，启动多普勒变化率估计；

S2、截取突发信号起始位置P_i后长度为N_p的一段导频数据，对其进行分段，然后采用DFT辅助的多段分层迭代方法估计多普勒变化率，经过多次迭代，得到多普勒变化率估计值R_fd；

S3、利用多普勒变化率估计值R_fd对长度为N_p的导频数据动态补偿，将剩余动态压缩至较小范围；

S4、对动态补偿后的长度为N_p的导频数据进行DFT变换，搜索峰值对应的频率值，计算基础频偏Δf_b；

S5、利用基础频偏估计值Δf_b和多普勒变化率估计值R_fd，估计突发信号帧每个符号的频偏值Δf(k)，将剩余频偏压缩至较小范围，便于后续的载波相位跟踪。

3.如权利要求2所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，突发帧捕获的具体步骤如下：

S11、接收数据，在信号到来之前系统接收的是随机噪声，接收数据是由纯噪声数据过渡到噪声+信号混合数据再到纯信号数据；

S12、过采样，根据频偏搜索范围确定信号的过采样率，对接收信号进行过采样；

S13、DFT变换，按照设定的捕获DFT点数N_{DFT_C}设置滑动窗尺寸，过采样数据送入滑动窗，对窗内数据进行DFT变换，并搜索变换后的幅度峰值；

S14、将每次搜索的峰值与捕获门限C_th进行比较，当其超过C_th时，记录突发信号起始位置P_i，完成突发帧捕获，并启动后续的多普勒变化率估计与补偿。

4.如权利要求2所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，多普勒变化率的估计与补偿的具体步骤如下：

S21、从突发信号的起始位置P_i起，截取长度为N_p的样点数据，并将其等分成m段，每段的样点数目为N_p/m；

S22、多普勒变化率粗估计，对m段数据中的第1段数据和最后1段数据分别进行DFT变换，根据幅度峰值对应的频率值确定各自的频偏Δf_c1和Δf_cm，然后计算多普勒变化率粗估值其中，T_sample为相邻样点间的采样间隔；

S23、利用多普勒变化率粗估值R_{fd_c}对前面截取的N_p点数据进行动态预校正；

S24、多普勒变化率精估计，将预校正后的N_p点数据分为n段，且n＜m，分别对第1段和第n段数据进行FFT变换，确定各自的频偏估计值Δf_f1和Δf_fn，然后计算多普勒变化率精估值

S25、多普勒变化率精补偿，从突发信号的起始位置P_i起算，令起始位置的样点索引k＝0，计算多普勒变化率精估值引起的第k个样点的频偏变化值，Δf_{comp_f}(k)＝R_{fd_f}×(k-1)×T_sample，并用该频偏变化值反向补偿前面经过动态预校正的N_p个样点；

S26、多普勒变化率计算，R_fd＝R_{fd_f}+R_{fd_c}。

5.如权利要求2-4任一项所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，基础频偏估计的具体步骤如下：

S41、从起始位置P_i起截取的N_p个样点数据经过动态补偿后，进行N_p点DFT变换，寻找幅度的最大值A_max和邻近的次大值A_submax；

S42、确定最大值和次大值分别对应的频率偏移值Δf_max和Δf_submax；

S43、采用线性内插方法计算基础频偏估计值： ${\mathrm{\Δf}}_b={\mathrm{\Δf}}_{\max }+\frac{A_{\mathrm{sub}\max }}{A_{\max }+A_{\mathrm{sub}\max }}({\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{sub}\max }-{\mathrm{\Δf}}_{\max }).$

6.如权利要求2-4任一项所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，频偏联合估计的具体步骤如下：

从突发信号的起始位置P_i起算，令起始位置的样点索引k＝0，计算每个样点的频偏，Δf(k)＝Δf_b+R_fd×(k-1)×T_sample。