CN105610755B - 一种突发信号的频偏估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种突发信号的频偏估方法及系统，该方法包括：提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列；将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值。本申请提供的突发信号的频偏估的方案中，在短突发通信中突发序列中各段导频序列相对较短的情况下，通过对各段导频序列进行处理，能够利用多段导频信息进行频偏估计，不要求各段导频序列具有相等的长度，因此能够精确估计短突发帧的频偏值，可以提高低信噪比情况下频偏估计精度。

Description

一种突发信号的频偏估计方法及装置

技术领域

本发明属于数字通信领域，尤其是涉及一种用于低信噪比突发信号的频偏估计方法和装置。

背景技术

在数字通信系统中，对接收信号进行准确的载波频率估计是载波同步技术中一个十分经典的课题。载波频偏的存在直接影响接收系统的性能，准确的估计载波频偏进而进行频偏补偿，对信号的解调来说十分关键。因此，对频偏估计算法进行细致的研究具有重要作用。

载波同步技术按照采用的辅助手段可以分为数据辅助(DataAided，DA)和非数据辅助(NoDataAided，NDA)两大类。数据辅助方案采用导频作为辅助手段，利用参数估计理论按照不同的准则估计出同步参数；非数据辅助方案利用信道传输的未知数据符号进行频偏估计。在低信噪比和一定观测时间内数据辅助载波频偏估计方案比非数据辅助载波频偏估计方案具有更高的估计精度。特别是在低信噪比情况下，非数据辅助的频偏估计方案的估计精度很低。

随着通信技术的发展，先进编码技术以及扩频技术的广泛应用，使得通信系统可以工作在非常低的信噪比情况下。在高速移动通信和卫星通信中，由于通信双方相对移动产生的多普勒效应使接收信号产生较大的频偏。如何在低信噪比和大多普勒频移环境下有效的获得突发数据帧的载波频率信息对于调整解调器的设计是一个挑战。尤其是在以短突发方式工作的通信系统中，由于相继突发帧不能保证相位一致，因此在每个突发帧中需要对同步参数进行重新估计。同时，为了提高传输效率，要求每个突发帧中用于载波同步的导频序列尽量短。

在低信噪比、大频偏条件下，利用开销小的短导频序列实现短突发通信条件下可靠有效的载波同步，对于改善突发通信系统的性能有很重要的意义。但是，在短突发通信中，突发序列中各段导频序列相对较短，如果直接应用某一段导频序列进行频偏估计，在信噪比较低的情况下，会产生较大的估计误差，很难精确估计出短突发帧的频偏值。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种突发信号的频偏估计方法及装置，以解决现有技术中，在信噪比较低的情况下频偏估计误差较大，难以精确估计短突发帧的频偏值的缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种突发信号的频偏估方法，包括：

提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；

根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；

对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列；

将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；

根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值。

较佳的，在计算得到系列频偏估计值之后，还包括：

预先计算最大频偏范围；

删除所述系列频偏估计值中不在所述最大频偏范围中的频偏估计值；

计算删除后的多个频偏估计值的平均值，得到目标频偏估计值。

较佳的，所述突发信号的频偏估方法中：

所述最大频偏范围为R，R＝[-1/T_S/(2*M),1/T_S/(2*M]；

其中M为相邻两段初始导频序列数据间的最大距离，T_s为突发帧中每个符号的符号周期。

较佳的，所述根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列，包括：

把各段初始导频序列的导频信息与标准导频信息相应位的共轭相乘，得到目标导频序列，其中所述标准导频信息不含频偏和相偏。

较佳的，所述得到相角序列之后，还包括：

计算相角序列中的两个相邻的相角值之间的相角差值；

如果所述相角差值小于第一设定值，则将该相角序列中设定范围的相角加上2π；如果所述相角差值大于第二设定值，则将该相角序列中设定范围的相角减去2π。

较佳的，所述将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距，包括：

将所述相角序列按照所述初始导频序列分段的方式进行分段；

把相邻相角序列间的间距设置为对应的相邻初始导频序列间的间距。

较佳的，根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，得到系列频偏估计值，包括：

将所述差值除以两相角个值间的距离、除以2π、并除以突发帧的符号周期，得到系列频偏估计值。

较佳的，所述突发信号的频偏估方法中，还包括：

将所述突发帧中相邻的两段导频信息分成一组；

分别计算各组对应的频偏估计值，并计算其平均值，得到目标频偏估计值。

相应于上述方法，本发明还提供了一种突发信号的频偏估装置，包括：

初始导频序列提取模块，用于提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；

目标导频序列生成模块，用于根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；

相角处理模块，用于对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列；

分段设置模块，用于将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；

频偏估计模块，用于根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值。

较佳的，所述突发信号的频偏估装置，还包括：

噪声去除模块，用于预先计算最大频偏范围，并删除所述系列频偏估计值中不在所述最大频偏范围中的频偏估计值；

所述频偏估计模块，还用于计算删除后的多个频偏估计值的平均值，得到目标频偏估计值。

本申请提供的突发信号的频偏估的方案中，在短突发通信中突发序列中各段导频序列相对较短的情况下，通过对各段导频序列进行处理，能够利用多段导频信息进行频偏估计，不要求各段导频序列具有相等的长度，因此能够精确估计短突发帧的频偏值，可以提高低信噪比情况下频偏估计精度，并且可以抑制噪声对频偏估计精度的影响，同时，还解决了相角临界反转问题。

附图说明

图1为实施例一提供的突发信号的频偏估方法的流程示意图；

图2为实施例二提供的含有两段导频信息的突发帧的结构示意图；

图3为实施例三提供的突发信号的频偏估装置的结构示意图。

图4为另一实施例提供的突发信号的频偏估方法的流程示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中，在信噪比较低的情况下频偏估计误差较大，难以精确估计短突发帧的频偏值的缺陷，本申请实施例提供了一种突发信号的频偏估方法及装置。

实施例一：

如图1所示，为本实施例提供的突发信号的频偏估方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤S101，提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；

本实施例适用于包含两段及两段以上不连续导频序列的突发帧的频偏估计。一个突发帧通常包含数据段和导频段，由于数据接收端已知导频段内包含的符号信息。利用接收到的导频信息和已知的标准导频信息，可以估计接收突发帧的频率偏差。

本方案的频偏估计方法充分利用突发帧结构中的各段导频信息，通过对导频信息的处理，同时利用多段导频信息的序列进行频偏估计。为了介绍本方案的具体实现流程，本实施例以如何对含有两段不连续导频信息的突发帧进行频偏估计为例进行说明。由于本方案可以对含有多段不连续导频序列的突发帧进行频偏估计，且针对含有两段及多段导频序列的频偏估计原理相同，所以接下来介绍含有两段不连续导频序列的突发帧的频偏估计方法作为示例。

步骤S102，根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；

其中，标准导频信息即理想状态下的导频信息(未受到噪声影响的导频信息，即所述标准导频信息不含频偏和相偏)。把各段初始导频序列的导频信息与标准导频信息相应位的共轭相乘，可以得到一系列去除调制信息后的复数，本实施例将去除调制信息后的导频序列称为目标导频序列。

步骤S103，对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列；

所述得到的相角序列和所述目标导频序列相对应。

步骤S104，将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；

由于步骤S103中求得的相角序列与突发帧中的初始导频序列一一对应，本步骤中，具体的可以包括：

将所述相角序列按照所述初始导频序列分段的方式进行分段；

把相邻相角序列间的间距设置为对应的相邻初始导频序列间的间距。

此外，本实施例提供的方案还可以进一步包括解决相角临界反转问题的方法，具体的，所述得到相角序列之后，还包括：

计算相角序列中的两个相邻的相角值之间的相角差值；具体的示例：用相角序列中的后一个相角值ang(i+1)减去前一个相角值ang(i)，获得相角差值d(i)。

如果所述相角差值小于第一设定值，则将该相角序列中设定范围的相角加上2π；如果所述相角差值大于第二设定值，则将该相角序列中设定范围的相角减去2π。

具体的示例：如果某一个相角差值d(i)小于负π,则把相角序列中第i+1个相角值(包含第i+1个相角)之后的所有相角加上2π。如果某一个相角差值d(i)大于π,则把相角序列中第i+1个相角值(包含第i+1个相角)之后的所有相角减去2π。

步骤S105，根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值。

具体的计算方法示例如下：用每一段相角序列中的每一个相角值与上一段相角序列的每一个相角值做差，并用求得的差值除以两相角间的距离、除以2π、除以突发帧的符号周期，得到一系列频偏估计值。

此外，为了进一步的提高频偏估计值的准确度，本实施例提供的方法还可以删除不在频偏估计范围之内的频偏估计值，具体的，在步骤S105之后，还可以包括：

步骤A：预先计算最大频偏范围；

由于本实施例提供的方案中，频偏估计的范围受到相邻各段导频信息间距的影响。相邻导频序列间的距离等于某段导频序列的最后一个值的位置减去前一段导频序列第一个值的位置，如果M为相邻两段导频序列间距离的最大值(例如某突发帧包含三段导频序列，第一段和第二段导频序列的间距为M1，第二段和第三段导频序列间的距离为M2，则M等于M1和M2中的最大值)，突发帧中每个符号的符合周期为T_s，则所述最大频偏范围为R，R＝[-1/T_S/(2*M),1/T_S/(2*M]。

步骤B：删除所述系列频偏估计值中不在所述最大频偏范围中的频偏估计值；

步骤C：计算删除后的多个频偏估计值的平均值，得到目标频偏估计值。

通过上述修正，可以提高频偏估计值的准确度。

此外，当突发帧结构中含有多段不连续的导频信息时，可以先把两两相邻的导频信息分成一组，然后利用各组导频信息，分别对各组突发帧的频偏大小进行估计，最后对各组求得的频偏估计信息求平均值，就可以求得突发帧的频偏值的大小，即得到目标频偏估计值。

本实施例提供的技术方案，在短突发通信中突发序列中各段导频序列相对较短的情况下，通过对各段导频序列进行处理，能够利用多段导频信息进行频偏估计，不要求各段导频序列具有相等的长度，因此能够精确估计短突发帧的频偏值。

实施例二：

本实施例结合突发帧的结构，提供了一种具体的突发信号的频偏估方法，如下：

其中含有两段导频信息的突发帧的结构如图2所示。

其中导频序列pilot码分为两段，一段为pilot1，其长度为L1；另外一段为pilot2，其长度为L2。数据段也分为两段，第一段为Data1，其数据长度为D1；第二段为Data2，其长度为D2。所以突发帧结构中的pilot码的长度为L＝L1+L2；突发帧结构中的数据长度为D＝D1+D2；突发帧长度为N＝L+D；其中导频序列pilot1和导频序列pilot2的各个数据的位置坐标为P1＝[1,2,…,L1]和P2＝[L1+D1+1,…,L1+D1+L2]；导频序列的位置P＝[P1，P2]。

假定到达接收机的信号为经过高斯白噪声信道传输的单载波突发信号，理想的时间同步信息可以通过导频和数据获得，通过匹配滤波器和采样后的等效基带信号可以表示为公式(1)：

r_k＝s_kexp(j(2πΔfkT_s+θ))+W_k,k＝1,2,...,N(1)；

其中s_k表示理想的基带复信号，Δf表示频偏，T_S表示符号周期，θ表示相位偏移，W_k是均值为0的高斯白噪声，N是数据帧的长度。

把接收到的初始导频序列与标准导频序列的共轭相乘，去除调制信号，得到复数序列Z，如下式(2)所示：

可以求得Z的相角如下式(3)所示：

angleZ(k)＝angle(Z(k))＝2πfkT_s+θ+w,k∈P(3)；

其中Δw为噪声引起的相角偏差，θ为相角偏差，Δf为频偏值，T_s为符号周期。

为了处理相角临界反转问题，用相角序列中的一个相角值angleZ(P(i+1))减去前一个相角值angleZ(P(i))，获得相角差值d(i)。如果某一个相角差值d(i)小于负π,则把相角序列中第i+1个相角值(包含第i+1个相角)之后的所有相角加上2π。如果某一个相角差值d(i)大于π,则把相角序列中第i+1个相角值(包含第i+1个相角)之后的所有相角减去2π。通过对相角序列angleZ进行处理获得一个新的相角序列angle。

对求得的相角序列angle按照与之对应的导频序列分段的方式进行分段。分别求出某一段相角序列中每一位相角与前一段相角序列中每一位相角的差值，并用求得的相角差值除以与两相角对应的两个导频信息在突发帧上的间离，再除以2π、再除以突发帧的符合周期T_S，得到一个频偏估计序列。

为了去除受噪声影响而严重失真的频偏估计值，去除频偏估计序列中大于R的值(R为本算法最大的频偏估计范围)，获得一个新的频偏估计序列。则突发帧的频偏估计值Δf，可以通过对频偏估计序列求平均值获得。

需要注意的是这种算法能估计的频偏最大范围为:R＝[-1/T_S/(2*(L1+D1+L2)),1/T_S/(2*(L1+D1+L2))]。

当突发结构中含有多段不连续的导频信息时，可以先把两两相邻的导频信息分成一组，然后利用各组导频信息，分别对突发帧的频偏大小进行估计，最后对各组求得的频偏估计信息求平均值，就可以求得突发帧频偏值的大小。

本实施例提供的技术方案，在短突发通信中突发序列中各段导频序列相对较短的情况下，通过对各段导频序列进行处理，能够利用多段导频信息进行频偏估计，不要求各段导频序列具有相等的长度，因此能够精确估计短突发帧的频偏值。

实施例三：

相应于上述方法，本实施提供了一种突发信号的频偏估装置，如图3所示的装置组成示意图，其包括：

初始导频序列提取模块301，用于提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；

目标导频序列生成模块302，用于根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；

相角处理模块303，用于对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列；

分段设置模块304，用于将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；

频偏估计模块305，用于根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值。

此外，为了进一步的提高频偏估计值的准确度，本实施例提供的装置中，还可以包括：

噪声去除模块306，用于预先计算最大频偏范围，并删除所述系列频偏估计值中不在所述最大频偏范围中的频偏估计值；

其中，所述频偏估计模块305还用于计算删除后的多个频偏估计值的平均值，得到目标频偏估计值。

本实施例为方法实施例一和二对应的装置实施例，其中各个模块功能的实现方式可以参见上述方法实施例，在此不再赘述。

本实施例提供的技术方案(如图4所示)，在短突发通信中突发序列中各段导频序列相对较短的情况下，通过对各段导频序列进行处理，能够利用多段导频信息进行频偏估计，不要求各段导频序列具有相等的长度，因此能够精确估计短突发帧的频偏值。

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 (9)

1.一种突发信号的频偏估计方法，其特征在于，包括：

提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；

根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；

对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列；

将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；

根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值；其中，

所述得到相角序列之后，还包括：

计算相角序列中的两个相邻的相角值之间的相角差值；

如果所述相角差值小于第一设定值，则将该相角序列中设定范围的相角加上2π；如果所述相角差值大于第二设定值，则将该相角序列中设定范围的相角减去2π。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算得到系列频偏估计值之后，还包括：

预先计算最大频偏范围；

删除所述系列频偏估计值中不在所述最大频偏范围中的频偏估计值；

计算删除后的多个频偏估计值的平均值，得到目标频偏估计值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述最大频偏范围为R，R＝[-1/TS/(2*M),1/TS/(2*M)]；

其中M为相邻两段初始导频序列数据间的最大距离，Ts为突发帧中每个符号的符号周期。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列，包括：

把各段初始导频序列的导频信息与标准导频信息相应位的共轭相乘，得到目标导频序列，其中所述标准导频信息不含频偏和相偏。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距，包括：

将所述相角序列按照所述初始导频序列分段的方式进行分段；

把相邻相角序列间的间距设置为对应的相邻初始导频序列间的间距。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，得到系列频偏估计值，包括：

将所述差值除以两相角间的距离、除以2π、并除以突发帧的符号周期，得到系列频偏估计值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述突发帧中相邻的两段导频信息分成一组；

分别计算各组对应的频偏估计值，并计算其平均值，得到目标频偏估计值。

8.一种突发信号的频偏估计装置，其特征在于，包括：

初始导频序列提取模块，用于提取接收到的突发帧中各段的导频信息，得到至少两段初始导频序列；

目标导频序列生成模块，用于根据各段初始导频序列的导频信息和标准导频信息生成目标导频序列；

相角处理模块，用于对目标导频序列进行求相角处理，得到相角序列，所述得到相角序列之后，还包括：计算相角序列中的两个相邻的相角值之间的相角差值；

如果所述相角差值小于第一设定值，则将该相角序列中设定范围的相角加上2π；如果所述相角差值大于第二设定值，则将该相角序列中设定范围的相角减去2π；

分段设置模块，用于将所述相角序列进行分段并设置相邻相角序列之间的间距；

频偏估计模块，用于根据所述相角序列中相邻两个相角值的差值，计算系列频偏估计值。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：

噪声去除模块，用于预先计算最大频偏范围，并删除所述系列频偏估计值中不在所述最大频偏范围中的频偏估计值；

所述频偏估计模块，还用于计算删除后的多个频偏估计值的平均值，得到目标频偏估计值。

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