CN105406956A - 基于对称帧的载波同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对称帧的载波同步方法，本发明的步骤包括：1、产生导频块和数据块；2、设置数据帧结构；3、发送端发送信号；4、接收端进行联合频相偏估计；5、解调频相偏校正信号；6、Turbo码译码。本发明克服了现有技术无法将频偏估计和相偏估计解耦合，不能有效地解决较大剩余频偏对误码性能影响的缺点，通过设置对称的数据帧结构，解决了联合频相估计中频偏和相偏估计的耦合的问题，减小较大频偏对估计性能的影响；同时也克服了频偏估计时相偏的影响不能抵消掉，从而影响译码的误比特率的缺点，通过将对称帧解调后的信号进行Turbo码译码，得到输出的码字，降低了译码的误比特率。

Description

基于对称帧的载波同步方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更进一步涉及数字通信技术领域中的一种基于对称帧的载波同步方法。本发明可在军事通信、卫星通信、遥测通信等领域，借助对称的帧结构对接收的无线通信信号进行频相偏估计，实现无线通信信号的恢复，保证无线通信的可靠性。
背景技术
传统的频相偏估计技术中的数据辅助DA主要依靠导频序列对频相偏进行估计。这些导频序列可以分插至数据帧的不同位置而形成不同的帧结构。
电子科技大学申请的专利“极低信噪比级联Hadamard码辅助载波同步方法”(申请号：CN201010606437.1，公开号：CN102111239A)中提出了一种在极低信噪比环境下级联Hadamard码辅助的迭代载波同步的方法。该发明包括发送端和接收端两部分，发送端包括LDPC-Hadamard级联码编码和添加导频。在接收端，与以往的单纯的导频联合码辅助载波不同，该发明首先利用Hadamard码的正交性先进行Hadamard码相关搜索，预估计出大范围的频偏，并进行补偿，这一过程能极大地补偿频偏。接下来对补偿后的信息提取导频做粗同步，然后利用译码迭代和最大似然的思想进一步精同步，最后进行译码判决。该方法的不足之处是，该方法无法将频偏估计和相偏估计解耦合；同时在数据解调和译码中，它也不能有效地解决较大剩余频偏对误码性能的影响。
J.Palmer，M.Rice在其发表的论文“Low-ComplexityFrequencyEstimationUsingMultipleDisjointPilotBlocksinBurst-ModeCommunications”(IEEETransactionCommunication，PP.3135-3145，2011)中提出了一种基于导频符号辅助调制PSAM：Pilot-Symbol-Assisted-Modulation的数据帧结构。该方法将导频分成两部分，一部分含有若干个连续的导频符号，放置在帧头；另一部分需细分成离散的导频符号，插至帧中和帧尾，其采样时刻的零点都被设定在帧头。由此组成的这种帧结构可以解决传统单一导频的帧结构无法解决低信噪比下噪声的干扰问题。但是，该方法存在的不足之处在于，由于采用非对称的帧结构，频偏估计时相偏的影响不能抵消掉，从而影响译码的误比特率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于对称帧的载波同步方法，利用关于零点对称的数据帧结构，解除频偏和相偏估计的相互影响，有效地实现了载波同步，提高估计精度和误码性能。
为了实现上述目的，本发明方法的思路是：首先将数据帧结构设置成为对称的帧结构，然后对对称帧结构进行联合频相偏估计和解调译码操作，实现有效地载波同步。
本发明方法的实现步骤如下：
(1)产生导频块和数据块：
(1a)将导频P等分成n小块，每一个导频块的长度为LP/n，其中，n表示导频块的个数，n≥2，LP表示导频P的长度；
(1b)产生数据块的数据长度为N＝(n-1)×t的二进制比特序列Y，其中，N表示数据块的数据长度，n表示导频块的个数，n≥2，t表示Turbo编码前发送端发送的一个数据块的长度；
(2)设置数据帧结构：
(2a)将二进制比特序列Y经过Turbo码编码，得到n-1个数据块，将导频P中的第一个导频块放置在数据帧的帧头，最后一个导频块放置在数据帧的帧尾，其余导频块均匀插入数据帧中，得到基于导频符号辅助调制的数据帧，其中，n表示导频块的个数，n≥2；
(2b)将基于导频符号辅助调制的数据帧的中部设为采样的零时刻，得到对称的数据帧结构；
(3)发送端发送信号
将具有对称数据帧结构的基带信号经过信道发送到接收端；
(4)接收端进行联合频相偏估计：
(4a)从接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号中取出导频；
(4b)采用频偏估计算法，对接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号的导频进行频偏估计，得到对称帧的频偏估计值；
(4c)利用复共轭相乘的方法，对接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号进行校正，得到对称帧的频偏校正信号；
(4d)将对称帧的频偏校正信号的导频进行去调制操作，得到去调制信号；
(4e)采用最大似然估计方法，对去调制信号进行估计，得到对称帧的对数估计子；
(4f)将对称帧的对数估计子表示成复指数坐标形式，得到对称帧的等效对数估计子；
(4g)将对称帧的等效对数估计子取幅角，得到对称帧的相偏估计值；
(5)解调频相偏校正信号：
(5a)将对称帧的相偏估计值以复共轭的形式乘以对称帧的频偏校正信号，得到对称帧的补偿信号；
(5b)将对称帧的补偿信号进行解调，得到解调后的信号；
(6)Turbo码译码：
将对称帧解调后的信号进行Turbo码译码，得到输出的码字。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明将采样的零时刻设于数据帧的中部，得到对称的数据帧结构，克服了现有技术无法将频偏估计和相偏估计解耦合，不能有效地解决较大剩余频偏对误码性能影响的缺点，使得本发明解决联合频相估计中频偏和相偏估计的耦合的问题，减小较大频偏对估计性能的影响。
第二，由于本发明将对称帧解调后的信号进行Turbo码译码，得到输出的码字，克服了频偏估计时相偏的影响不能抵消掉，从而影响译码的误比特率的缺点，使得本发明译码的误比特率得到降低。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的数据帧结构示意图；
图3为本发明仿真实验中联合频相估计的相偏性能图；
图4为本发明仿真实验中数据解调译码的误码性能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1，对本发明的方法做进一步描述。
步骤1，产生导频块和数据块。
将导频P等分成n小块，每一个导频块的长度为LP/n，其中，n表示导频块的个数，n≥2，LP表示导频P的长度。
产生数据块的数据长度为N＝(n-1)×t的二进制比特序列Y，其中，N表示数据块的数据长度，n表示导频块的个数，n≥2，t表示Turbo编码前发送端发送的一个数据块的长度。
步骤2，设置数据帧结构。
将二进制比特序列Y经过Turbo码编码，得到n-1个数据块，将导频P中的第一个导频块放置在数据帧的帧头，最后一个导频块放置在数据帧的帧尾，其余导频块均匀插入数据帧中，得到基于导频符号辅助调制的数据帧，其中，n表示导频块的个数，n≥2。
将基于导频符号辅助调制的数据帧的中部设为采样的零时刻，得到对称的数据帧结构。
参照附图2，对本发明的数据帧结构做进一步描述。
本发明的数据帧结构设置成为帧头和帧尾均为导频，中间为导频均匀插入数据的结构，时刻k的零时刻设置在帧的中间，帧尾的时刻k＝(L-1)/2，L为数据帧的长度。图2(a)表示当导频块个数n为奇数时的数据帧结构，图2(b)表示当导频块个数n为偶数时的数据帧结构。当导频块个数n为奇数时，采样的零时刻k位于第(n+1)/2个导频块的中部，当导频块个数n为偶数时，采样的零时刻k位于第n/2个数据块的中部。
步骤3，发送端发送信号。
将具有对称数据帧结构的基带信号经过信道发送到接收端。
步骤4，接收端进行联合频相偏估计。
从接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号Z中取出导频P1。
采用频偏估计算法，对接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号的导频P1进行频偏估计，得到对称帧的频偏估计值频偏估计算法可以采用快速傅立叶变换FFT算法、旋转平均周期图RPA算法、Kay算法和Fitz算法中的任意一种算法。
利用复共轭相乘的方法，对接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号Z进行校正，得到频偏校正信号Z′，复共轭相乘方法是指，将对称帧的频偏估计值以复共轭的形式乘以对称帧的基带信号。
将对称帧的频偏校正信号Z′的导频P2进行去调制操作，得到去调制信号P2′。
采用最大似然估计方法，对去调制信号进行估计，得到对称帧的对数估计子其表达式为
其中，θ表示接收对称帧基带信号的相偏，表示相对于相偏θ的附加复相位，P2′表示去调制信号，Re{·}表示对·取实部操作，exp(·)表示指数函数，ln(·)表示对·取对数，∑表示求和符号，κ表示数据帧结构中所有导频符号集，N0表示信道的噪声方差。
将对称帧的对数估计子表示成复指数坐标形式，得到对称帧的等效对数估计子
其中，θ表示接收对称帧基带信号的相偏，表示相对于相偏θ的附加复相位，P2′表示去调制信号，exp(·)表示指数函数，表示k时刻的复相位，ak和bk分别表示复相位的实轴分量和虚轴分量，L为数据帧的长度，j表示虚数单位。
将对称帧的等效对数估计子取幅角，得到对称帧的相偏估计值
其中，θ表示接收对称帧基带信号的相偏，表示相对于相偏θ的附加复相位，P2′为去调制信号，angle表示求幅角函数。
步骤5，解调频相偏校正信号。
将对称帧的相偏估计值以复共轭的形式乘以频偏校正信号Z′，得到对称帧的补偿信号Z″。
将对称帧的补偿信号Z″进行解调，得到解调后的信号。
步骤6，Turbo码译码。
将对称帧解调后的信号进行Turbo码译码，得到输出的码字。
本发明的仿真使用Matlab7.10仿真软件，仿真参数设置与实施例中所用参数一致，即信道模型采用附加载波频偏和相偏的高斯白噪声信道，导频块个数n＝2，每个数据块长度t＝500，导频长度LP＝50。解调和译码均采用LOG-MAP算法。
下面结合附图3、附图4对本发明的效果作进一步的说明。
图3(a)是对称帧基带信号相偏θ＝π/6时的相偏性能图，其中，横坐标表示信噪比，纵坐标表示归一化相偏估计方差值，以正方形标示的实线代表剩余频偏ΔfTS＝0.01时，采用非对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线。以正方形标示的未用线连接的图代表剩余频偏ΔfTS＝0.01时，采用非对称帧利用V&V估计得到的归一化剩余相偏曲线，以正方形标示的虚线代表剩余频偏ΔfTS＝0.01时，采用对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线，以三角形标示的实线代表剩余频偏ΔfTS＝0.00001时，采用非对称帧利用V&V估计得到的归一化剩余相偏曲线，以三角形标示的未用线连接的图代表剩余频偏ΔfTS＝0.00001时，采用非对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线，以三角形虚线标示的虚线代表剩余频偏ΔfTS＝0.00001时，采用对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线。
图3(b)是对称帧基带信号相偏θ＝π/3时的相偏性能图，其中，横坐标表示信噪比，纵坐标表示归一化相偏估计方差值，以正方形标示的虚线代表剩余频偏ΔfTS＝0.01时，采用非对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线，以正方形标示的实线代表剩余频偏ΔfTS＝0.01时，采用对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线，以三角形标示的虚线代表剩余频偏ΔfTS＝0.00001时，采用非对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线，以三角形标示的实线代表剩余频偏ΔfTS＝0.00001时，采用对称帧利用最大似然ML估计得到的归一化剩余相偏曲线
当待估相偏较小(如θ＝π/6)且剩余频偏ΔfTs较大(如ΔfTS＝0.01)时，基于对称帧的最大似然ML相偏估计仍能获得较低的均方误差，且远远低于基于非对称帧的V&V和最大似然ML的均方误差；当剩余频偏ΔfTs较小(如ΔfTS＝0.00001)时，基于非对称帧的V&V和最大似然ML算法才能获得较低的均方误差。换句话说，就不同的数据辅助DA相偏算法，基于对称帧的相偏估计算法的抗频偏能力要远远比基于非对称帧的强。而对于相同的数据辅助DA相偏算法来说，即使相偏较大(如θ＝π/3)时，也有类似的结论。
图4(a)是信噪比Eb/N0＝8dB时误码率曲线，其中，横坐标表示剩余频偏，纵坐标表示误比特率。图4(a)中以正方形标示的虚线代表数据长度为150时采用非对称帧得到的误码率曲线，以正方形标示的实线代表数据长度为150时采用对称帧得到的误码率曲线，以圆形标示的虚线代表数据长度为250时采用非对称帧得到的误码率曲线，以圆形标示的实线代表数据长度为250时采用对称帧得到的误码率曲线，以星形标示的虚线代表数据长度为500时采用非对称帧得到的误码率曲线，以星形标示的实线代表数据长度为500时采用对称帧得到的误码率曲线。
图4(b)是信噪比Eb/N0＝2dB时误码率曲线，其中，横坐标表示剩余频偏，纵坐标表示误比特率，以正方形标示的虚线代表数据长度为150时采用非对称帧得到的误码率曲线，以正方形标示的实线代表数据长度为150时采用对称帧得到的误码率曲线，以圆形标示的虚线代表数据长度为250时采用非对称帧得到的误码率曲线，以圆形标示的实线代表数据长度为250时采用对称帧得到的误码率曲线，以星形标示的虚线代表数据长度为500时采用非对称帧得到的误码率曲线，以星形标示的实线代表数据长度为500时采用对称帧得到的误码率曲线。
如图4(a)所示，给定信噪比Eb/N0＝8dB。当数据长度N＝150,250,500和BER为10-4～10-2时，基于对称帧的解调算法的频偏范围分别为非对称帧的2.5、2和1倍。仿真还发现，当数据长度N增至2000时，两者整体的解调性能非常接近，由此可见数据长度N要适中。另外，比较数据长度N＝500时对称帧的误码率曲线和数据长度N＝250时非对称帧的误码率曲线，两者的解调性能几乎相同。这一点则说明基于对称帧的解调算法所容忍的数据长度较非对称帧的大。如图4(b)所示，给定信噪比Eb/N0＝2dB。当数据长度N＝150,250,500时，基于对称帧的译码算法的频偏范围分别为非对称帧的2、1和0.5倍。类似地，当数据长度N增至1000时，两者的译码性能非常接近。

Claims (3)

1.一种基于对称帧的载波同步方法，包括如下的步骤：
(1)产生导频块和数据块：
(1a)将导频P等分成n小块，每一个导频块的长度为LP/n，其中，n表示导频块的个数，n≥2，LP表示导频P的长度；
(1b)产生数据块的数据长度为N＝(n-1)×t的二进制比特序列Y，其中，N表示数据块的数据长度，n表示导频块的个数，n≥2，t表示Turbo编码前发送端发送的一个数据块的长度；
(2)设置数据帧结构：
(2a)将二进制比特序列Y经过Turbo码编码，得到n-1个数据块，将导频P中的第一个导频块放置在数据帧的帧头，最后一个导频块放置在数据帧的帧尾，其余导频块均匀插入数据帧中，得到基于导频符号辅助调制的数据帧，其中，n表示导频块的个数，n≥2；
(2b)将基于导频符号辅助调制的数据帧的中部设为采样的零时刻，得到对称的数据帧结构；
(3)发送端发送信号：
将具有对称数据帧结构的基带信号经过信道发送到接收端；
(4)接收端进行联合频相偏估计：
(4a)从接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号中取出导频；
(4b)采用频偏估计算法，对接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号的导频进行频偏估计，得到对称帧的频偏估计值；
(4c)利用复共轭相乘的方法，对接收端接收的具有对称数据帧结构的基带信号进行校正，得到对称帧的频偏校正信号；
(4d)将对称帧的频偏校正信号的导频进行去调制操作，得到去调制信号；
(4e)采用最大似然估计方法，对去调制信号进行估计，得到对称帧的对数估计子；
(4f)将对称帧的对数估计子表示成复指数坐标形式，得到对称帧的等效对数估计子；
(4g)将对称帧的等效对数估计子取幅角，得到对称帧的相偏估计值；
(5)解调频相偏校正信号：
(5a)将对称帧的相偏估计值以复共轭的形式乘以对称帧的频偏校正信号，得到对称帧的补偿信号；
(5b)将对称帧的补偿信号进行解调，得到解调后的信号；
(6)Turbo码译码：
将对称帧解调后的信号进行Turbo码译码，得到输出的码字。
2.根据权利要求1所述的基于对称帧的载波同步方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的频偏估计算法是指，可以采用快速傅立叶变换FFT算法、旋转平均周期图RPA算法、Kay算法和Fitz算法中的任意一种算法。
3.根据权利要求1所述的基于对称帧的载波同步方法，其特征在于，步骤(4c)中所述的复共轭相乘方法是指，将对称帧的频偏估计值以复共轭的形式乘以对称帧的基带信号。
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