CN105162746B - 基于cmmb的时延和频偏估计方法及系统 - Google Patents

基于cmmb的时延和频偏估计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于CMMB的时延和频偏估计方法和系统，该方法，包括：生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；移动终端接收所述射频信号，提取其中的同步信号；对所述同步信号进行自相关特征提取；将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；将频谱信号转换为自相关时域信号；通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值。本发明能够使高速移动的CMMB制式移动终端得到精确的时延和频偏估计值，降低系统误码率，提高通信系统室外传输速率和可靠性。

Description

基于CMMB的时延和频偏估计方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其是涉及一种基于CMMB的时延和频偏估计方法及系统。
背景技术
时隙同步和频率纠正是CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting(中国移动多媒体广播)制式终端的核心技术之一，由于CMMB系统采用OFDM调制技术，OFDM载波之间相互正交，因此符号同步和频率纠正技术是整个CMMB通信系统能否正常运行、CMMB制式移动终端是否能够接收数据的关键所在。
随着CMMB通信需求的日益增长，精确实时地估计OFDM系统的时延和频偏是亟需解决的关键技术之一。现有符号同步技术一般采用数据辅助和无数据辅助的同步和频偏估计方式，即分别采用接收到的PN码同步信号和借助于本地产生的PN码同步信号完成符号定时同步和频偏估计。
但是，现有技术中，当CMMB制式移动终端在高速移动过程中，多普勒频移会严重地影响OFDM系统的信道估计性能，因为不能准确的对时延和频偏进行估计，导致现有符号同步技术和频率纠正方式都不能很好的满足CMMB制式移动终端的需求，降低了通信系统室外传输速率和可靠性。
发明内容
为此，本发明目的在提供一种基于CMMB的时延和频偏估计方法及系统，以克服现有技术中，当CMMB制式移动终端高速移动时多普勒频移导致的不能准确的对时延和频偏进行估计的缺陷，达到提升估计的准确度，以便针对的进行符号同步和频率纠正，提高通信系统室外传输速率和可靠性，满足CMMB制式移动终端的需求。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于CMMB的时延和频偏估计方法，包括：
生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；
移动终端接收所述射频信号，提取其中的同步信号；
对所述同步信号进行自相关特征提取；
将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；
将频谱信号转换为自相关时域信号；
通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值。
较佳的，所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法中，所述移动终端接收所述射频信号，提取其中的同步信号，包括：
移动终端的接收机监听发送所述射频信号的逻辑信道；
当接收到对应时隙广播的射频信号时，通过下变频将射频信号转换为基带信号，并由移动终端的解调单元提取所述基带信号中的同步信号。
较佳的，所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法中，所述将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号，包括：
将自相关特征信号作为输入信号，采用快速傅里叶变换方法，以采样时间为转换因子，将自相关特征信号变换到频域，得到自相关特征信号的频谱信号。
较佳的，所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法中，在所述将频谱信号变换为自相关时域信号之前，还包括：
通过数据差值的方法将所述频谱信号进行尺度变换，得到插值后的频谱信号；
所述将频谱信号变换为自相关时域信号，具体为：采用逆快速傅里叶变换方法，以插值后的频谱信号采样时间作为转换因子，将插值后的频谱信号变换为自相关时域时域信号。
较佳的，所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法中，在得到模糊域时延和频偏的联合估计值之后，还包括：
搜索模糊域的谱峰值，谱峰值所在点对应的横坐标的值对应输出时延，纵坐标的值对应原始频率与实际接收信号频率之间的频偏。
相应于上述方法，本发明还提供了一种基于CMMB的时延和频偏估计系统，包括：
线性调频模块，用于生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；
同步信号提取模块，设置在移动终端中，用于接收所述射频信号，并提取其中的同步信号；
自相关特征提取模块，用于对所述同步信号进行自相关特征提取；
频谱信号获取模块，用于将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；
频谱信号转换模块，用于将频谱信号转换为自相关时域信号；
时延和频偏估计模块，用于通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值。
较佳的，所述同步信号提取模块，包括：
接收机，用于监听发送所述射频信号的逻辑信道；
基带信号转换单元，用于当接收到对应时隙广播的射频信号时，通过下变频将射频信号转换为基带信号；
解调单元，用于提取所述基带信号中的同步信号。
较佳的，所述频谱信号获取模块，包括：
傅里叶变换单元，用于将自相关特征信号作为输入信号，采用快速傅里叶变换方法，以采样时间为转换因子，将自相关特征信号变换到频域，得到自相关特征信号的频谱信号。
较佳的，所述的基于CMMB的时延和频偏估计系统中，还包括：
插值模块，用于在所述将频谱信号变换为自相关时域信号之前，通过数据差值的方法将所述频谱信号进行尺度变换，得到插值后的频谱信号；
所述频谱信号转换模块具体用于为：采用逆快速傅里叶变换方法，以插值后的频谱信号采样时间作为转换因子，将插值后的频谱信号变换为自相关时域时域信号。
较佳的。所述的基于CMMB的时延和频偏估计系统中，所述时延和频偏估计模块中，还包括：
时延估计单元，用于搜索模糊域的谱峰值所在点对应的横坐标的值以确定对应输出时延；
时延估计单元，用于搜索模糊域的谱峰值所在点对应的纵坐标的值以确定对应原始频率与实际接收信号频率之间的频偏。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明选用了对多普勒频移不敏感且抗干扰能力强的线性调频信号作为CMMB系统的同步信号，针对此同步信号通过模糊函数，实现时延和频偏的联合估计。因为有限长的线性调频信号在模糊域呈现斜刀刃形，对多普勒频移不敏感，是时延和频偏的联合冲激函数。因此能够使高速移动的CMMB制式移动终端得到精确的时延和频偏估计值，降低系统误码率，提高通信系统室外传输速率和可靠性。该方案中，同步信号根据自身在模糊域的能量聚集特性，能够完成时延和频偏的精确联合估计。
此外，本发明充分考虑线性调频信号相位时间和相位延时之间存在耦合关系的自相关信息，利用尺度变换克服了现有技术中无法充分体现时延特性的局限性，使得本发明能够有效地抑制交叉项影响，提高时延估计精度。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的估计方法流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的改造后CMMB物理层帧结构图；
图3为本发明实施例二提供的估计系统组成示意图。
具体实施方式
为克服现有技术中，当CMMB制式移动终端在高速移动过程中，多普勒频移会严重地影响OFDM系统的信道估计性能，不能准确的对时延和频偏进行估计的缺陷，本申请提供了一种基于CMMB的时延和频偏估计方法，
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
实施例一：
参照图1所示的基于CMMB的时延和频偏估计方法流程示意图，本发明具体步骤实施如下：
步骤S101，生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；
本步骤中，需要生成N点线性调频信号作为同步信号，和发射机标识信号、星座映射后的数据符号按照CMMB协议交叠方式组成发送端数据，其中，N＝4096，B＝8M，B表示CMMB带宽模式，经上变频变换后通过逻辑信道发射出去。
本实施例的方案按照CMMB协议构造CMMB上层数据流，如附图2所示为改造后的CMMB物理层帧结构。
步骤S102，移动终端接收所述射频信号，提取其中的同步信号；
上述移动终端为CMMB制式，其经接收机的天线监听并接收逻辑信道传输的射频信号。
当接收到对应时隙广播的射频信号时，通过下变频将射频信号转换为基带信号，并传送到由移动终端的解调单元，由该解调单元提取所述基带信号中的同步信号。如果没有接收到射频信号，则持续监听直至成功接收。
其中可以按照如下式(1)提取所述同步信号：
其中，x表示同步信号，n表示采样时间，A、f和r分别表示同步信号信号的幅度、中心频率和调频斜率，w表示噪声项。
步骤S103，对所述同步信号进行自相关特征提取；
其中提取同步信号的自相关特征的具体方法如下式(2)：
其中，R表示采集信号的自相关特征信号，x表示同步信号，t表示采集信号的采样时间，τ表示采集信号相位的延时时长，*表示共轭符。
步骤S104，将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；
本步骤中可以将自相关特征信号作为输入信号，采用快速傅里叶变换方法，以采样时间为转换因子，将自相关特征信号变换到频域，得到自相关特征信号的频谱信号。
步骤S105，将频谱信号转换为自相关时域信号；
本步骤中，可以采用逆离散傅里叶变换方法，将采样时间作为转换因子，将频谱序列变换为自相关时域信号。
步骤S106，通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值。
其中，自相关特征信号的模糊函数分析运算按照下式下式(3)进行：
其中，AFx(τ,f)表示模糊函数，x表示同步信号，t表示采样时间，τ表示时延，f表示频偏，A、r分别表示同步信号的幅度和调频斜率，j表示虚数单位。
有限长的线性调频信号在模糊域呈现斜刀刃形，对多普勒频移不敏感，是时延和频偏的联合冲激函数。
本实施例提供的上述方法中，选用对多普勒频移不敏感且抗干扰能力强的线性调频信号作为CMMB系统的同步信号，针对此同步信号通过模糊函数，实现时延和频偏的联合估计。因为有限长的线性调频信号在模糊域呈现斜刀刃形，对多普勒频移不敏感，是时延和频偏的联合冲激函数。因此能够使高速移动的CMMB制式移动终端得到精确的时延和频偏估计值，降低系统误码率，提高通信系统室外传输速率和可靠性。该方案中，同步信号根据自身在模糊域的能量聚集特性，能够完成时延和频偏的精确联合估计。
此外，上述方案中，引入了线性调频信号，为了避免线性调频信号相位时间和相位延时之间存在耦合关系导致的误差，本申请所述的方案还可以通过尺度变换克服现有技术中无法充分体现时延特性的局限性，具体方案如下：
在步骤S105之前，在所述将频谱信号变换为自相关时域信号之前，还包括：
通过数据差值的方法将所述频谱信号进行尺度变换，得到插值后的频谱信号。
本步骤可以采用辛格函数内插方法，将频谱信号序列中的采样时间进行插值，插值消除了频谱序列采样时间和延时时长之间的耦合关系。
上述插值按照下式(4)进行：
t＝(τ+1)T (4)
其中，t表示频谱信号中的采样时间，τ表示时延，T表示插值后的采样时间。
对应的，所述步骤S105中将频谱信号变换为自相关时域信号，具体为：采用逆快速傅里叶变换方法，以插值后的频谱信号采样时间作为转换因子，将插值后的频谱信号变换为相位时间和相位延时解耦后的自相关时域时域信号。
上述方案，充分考虑了线性调频信号相位时间和相位延时之间存在耦合关系的自相关信息，利用尺度变换克服了现有技术中无法充分体现时延特性的局限性，使得本发明能够有效地抑制交叉项影响，提高时延估计精度。
进一步的，为了获取更加精确的获得时延和频偏的精确估计，在本方案上述获取模糊域时延和频偏的联合估计的基础上，本方案还可以包括：
搜索模糊域的谱峰值，谱峰值所在点对应的横坐标的值对应输出时延，纵坐标的值对应原始频率与实际接收信号频率之间的频偏。
具体的，线性调频信号模糊函数的模值表示如下，在模糊域搜索能量最大时参数的取值或借助图像检测工具提取估计值，获得时延和频偏的精确参数估计。
|AFx(τ,f)|＝A2δ(f-rτ)
其中，AFx(τ,f)表示模糊函数，x表示同步信号，τ表示时延，f表示频偏，A、r分别表示同步信号的幅度和调频斜率，δ(·)表示冲激函数。
利用搜索到的时延估计值和同步信号时长能够精确确定时隙起始位置，能够实现精确的符号同步，利用频偏估计值进行能够实现精确的频率纠正，可以提高通信系统室外传输速率和可靠性，满足CMMB制式移动终端的需求。
实施例二：
相应于实施例一提供的方法，本实施例提供了一种基于CMMB的时延和频偏估计系统，如图3所示的系统架构图，该系统包括以下模块：
线性调频模块301，用于生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；
同步信号提取模块302，设置在移动终端中，用于接收所述射频信号，并提取其中的同步信号；
自相关特征提取模块303，用于对所述同步信号进行自相关特征提取；
频谱信号获取模块304，用于将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；
频谱信号转换模块305，用于将频谱信号转换为自相关时域信号；
时延和频偏估计模块306，用于通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值。
其中，所述同步信号提取模块302，包括：
接收机，用于监听发送所述射频信号的逻辑信道；
基带信号转换单元，用于当接收到对应时隙广播的射频信号时，通过下变频将射频信号转换为基带信号；
解调单元，用于提取所述基带信号中的同步信号。
所述的基于CMMB的时延和频偏估计系统中，所述频谱信号获取模块304，包括：
傅里叶变换单元，用于将自相关特征信号作为输入信号，采用快速傅里叶变换方法，以采样时间为转换因子，将自相关特征信号变换到频域，得到自相关特征信号的频谱信号。
此外，上述系统中，引入了线性调频信号，为了避免线性调频信号相位时间和相位延时之间存在耦合关系导致的误差，本申请所述的系统还可以通过尺度变换克服现有技术中无法充分体现时延特性的局限性，具体的，该系统还可以包括：
插值模块307，用于在所述将频谱信号变换为自相关时域信号之前，通过数据差值的方法将所述频谱信号进行尺度变换，得到插值后的频谱信号。
对应的，所述频谱信号转换模块305具体用于为：采用逆快速傅里叶变换方法，以插值后的频谱信号采样时间作为转换因子，将插值后的频谱信号变换为自相关时域时域信号。
进一步的，为了获取更加精确的获得时延和频偏的精确估计，在本方案上述获取模糊域时延和频偏的联合估计的基础上，所述时延和频偏估计模块306中，还可以包括：
时延估计单元，用于搜索模糊域的谱峰值所在点对应的横坐标的值以确定对应输出时延；
时延估计单元，用于搜索模糊域的谱峰值所在点对应的纵坐标的值以确定对应原始频率与实际接收信号频率之间的频偏。
本实施例提供的上述系统中，选用对多普勒频移不敏感且抗干扰能力强的线性调频信号作为CMMB系统的同步信号，针对此同步信号通过模糊函数，实现时延和频偏的联合估计。因为有限长的线性调频信号在模糊域呈现斜刀刃形，对多普勒频移不敏感，是时延和频偏的联合冲激函数。因此能够使高速移动的CMMB制式移动终端得到精确的时延和频偏估计值，降低系统误码率，提高通信系统室外传输速率和可靠性。该方案中，同步信号根据自身在模糊域的能量聚集特性，能够完成时延和频偏的精确联合估计。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本实施例为方法实施例一对应的系统实施例，其类同之处相互参见即可，不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于CMMB的时延和频偏估计方法，其特征在于，包括：
生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；
移动终端接收所述射频信号，提取其中的同步信号；
对所述同步信号进行自相关特征提取；
将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；
将频谱信号转换为自相关时域信号；
通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值，
其中在将所述频谱信号变换为所述自相关时域信号之前，所述方法还包括：
通过数据差值的方法将所述频谱信号进行尺度变换，得到插值后的频谱信号，
其中所述将频谱信号变换为自相关时域信号，具体为：采用逆快速傅里叶变换方法，以插值后的频谱信号采样时间作为转换因子，将插值后的频谱信号变换为自相关时域信号。
2.根据权利要求1所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法，其特征在于，所述移动终端接收所述射频信号，提取其中的同步信号，包括：
移动终端的接收机监听发送所述射频信号的逻辑信道；
当接收到对应时隙广播的射频信号时，通过下变频将射频信号转换为基带信号，并由移动终端的解调单元提取所述基带信号中的同步信号。
3.根据权利要求1所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法，其特征在于，所述将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号，包括：
将自相关特征信号作为输入信号，采用快速傅里叶变换方法，以采样时间为转换因子，将自相关特征信号变换到频域，得到自相关特征信号的频谱信号。
4.根据权利要求1所述的基于CMMB的时延和频偏估计方法，其特征在于，在得到模糊域时延和频偏的联合估计值之后，还包括：
搜索模糊域的谱峰值，谱峰值所在点对应的横坐标的值对应输出时延，纵坐标的值对应原始频率与实际接收信号频率之间的频偏。
5.一种基于CMMB的时延和频偏估计系统，其特征在于，包括：
线性调频模块，用于生成线性调频信号，将所述线性调频信号作为同步信号插入每时隙基带信号，并通过射频信号进行发送；
同步信号提取模块，设置在移动终端中，用于接收所述射频信号，并提取其中的同步信号；
自相关特征提取模块，用于对所述同步信号进行自相关特征提取；
频谱信号获取模块，用于将所述自相关特征信号变换到频域，得到频谱信号；
频谱信号转换模块，用于将频谱信号转换为自相关时域信号；
时延和频偏估计模块，用于通过模糊函数分析所述自相关时域信号，得到模糊域时延和频偏的联合估计值，
其中所述系统还包括插值模块，用于在所述将频谱信号变换为自相关时域信号之前，通过数据差值的方法将所述频谱信号进行尺度变换，得到插值后的频谱信号，
其中所述频谱信号转换模块具体用于为：采用逆快速傅里叶变换方法，以插值后的频谱信号采样时间作为转换因子，将插值后的频谱信号变换为自相关时域信号。
6.根据权利要求5所述的基于CMMB的时延和频偏估计系统，其特征在于，所述同步信号提取模块，包括：
接收机，用于监听发送所述射频信号的逻辑信道；
基带信号转换单元，用于当接收到对应时隙广播的射频信号时，通过下变频将射频信号转换为基带信号；
解调单元，用于提取所述基带信号中的同步信号。
7.根据权利要求5所述的基于CMMB的时延和频偏估计系统，其特征在于，所述频谱信号获取模块，包括：
傅里叶变换单元，用于将自相关特征信号作为输入信号，采用快速傅里叶变换方法，以采样时间为转换因子，将自相关特征信号变换到频域，得到自相关特征信号的频谱信号。
8.根据权利要求5所述的基于CMMB的时延和频偏估计系统，其特征在于，所述时延和频偏估计模块中，还包括：
时延估计单元，用于搜索模糊域的谱峰值所在点对应的横坐标的值以确定对应输出时延和用于搜索模糊域的谱峰值所在点对应的纵坐标的值以确定对应原始频率与实际接收信号频率之间的频偏。
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