CN108965180B - 一种无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统 - Google Patents

一种无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统，频偏估计方法及系统，采用改进的kay算法，在保证大的频偏捕获范围的基础上，算法复杂度更低，更易于硬件实现；前馈估计结合反馈跟踪的通信载波恢复方法的及系统，前馈输出Pout与反馈部分第一级Cordic输出相位θ相减，作为反馈部分的输入；符号率处理能力高、频偏捕获范围大、剩余误差小，算法复杂度适低，易于在现有器件水平下实现超高的数据吞吐率。

Description

一种无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统，特别是涉及超高速无线通信系统的无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统。
背景技术
对于中频数字接收机来说，频偏将带来恶劣的影响，它将使得正交数字下变频之后的信号频谱发生搬移，继而造成位同步点偏移，严重影响接收机的系统性能，最终导致接收误码率提高，甚至不能正确接收信息。所以频偏的估计与校正是重要的研究内容。严格的讲，多普勒效应和本地载波频差对接收机性能的影响是不一样的，前者不仅对信号进行频谱搬移而且会产生码间干扰，影响数据传输速率；后者则仅对信号频谱进行搬移，不影响码速率。在中频数字接收机中，载波同步的一个重要内容就是正确估计载波频偏，并补偿频偏以尽量减少频差对接收机系统性能的影响。
现有器件水平下的符号率处理能力、捕获范围、剩余误差以及算法复杂度是衡量载波恢复算法性能的关键指标。对于超高速无线通信系统，现有技术难以同时满足上述4个方面的指标要求。
发明内容
本发明提供了一种无线通信载波频偏估计及恢复的方法和系统，具有易于在现有器件水平下实现超高的数据吞吐率的特点。
一种无线通信载波频偏估计方法，具体方法包括，
数据复基带信号第一极坐标求解，将原始数字复基带信号I和Q经Cordic算法求解得到第一极坐标r1和θ1；其中，r1为第一幅值，θ1为第一相角；
第一复基带信号求解，将第一相角θ1与调制阶数M相乘，经过查找表rom实现求指数运算，再经过k路平均，得到去调制信息后的第一复基带信号I1和Q1；
第二极坐标求解，将第一复基带信号I1和Q1进行Cordic运算求解得到第二极坐标r2和θ2；其中，r2为第二幅值，θ2为第二相角；
前馈估计值求解，对第二相角θ2求微分，再除以调制指数M，得到残余频偏的前馈估计值W；
相偏估计值求解，将前馈估计值W由NCO(数控震荡器)求解得到相偏估计值Pout。
一种无线通信载波恢复方法，在上述无线通信载波频偏估计方法的基础上，基于得到的相偏估计值Pout进行数据复基带信号频偏校正，具体方法包括，
数据复基带信号第三极坐标求解，将原始数字复基带信号I和Q经Cordic算法求解得到第三极坐标r3和θ3；其中，r3为第三幅值，θ3为第三相角；
相偏校正值求解，将得到的相偏估计值Pout与反馈值PNCO求和得到相偏校正值P1；
校正相位求解，将第三相角θ3与得到的相偏校正值P1的负数求和得到频偏校正后的信号相位P2；
分路求解得到频偏校正后的信号和用于相偏校正求解的反馈值PNCO，将得到的信号相位P2分为三路，第一路与第三幅值r3经Cordic算法得到频偏校正后的信号Iout和Qout；第三路经过判决器的负数与第二路求和后再依次经过环路滤波器和NCO后得到用于相偏校正求解的反馈值PNCO。
一种无线通信载波频偏估计电路，包括，
数据复基带信号第一极坐标求解电路，包括第一Cordic运算单元，接收原始数字复基带信号I和Q，并进行求解得到第一极坐标r1和θ1；其中，r1为第一幅值，θ1为第一相角；
第一复基带信号求解电路，包括第一乘法器，接收第一相角θ1与调制阶数M进行相乘后，输出到查找表rom单元实现求指数运算，将求指数运算结果输出到k路平均单元，得到去调制信息后的第一复基带信号I1和Q1；
第二极坐标求解电路，包括第二Cordic运算单元，接收第一复基带信号I1和Q1进行求解得到第二极坐标r2和θ2；其中，r2为第二幅值，θ2为第二相角；
前馈估计值求解电路，包括微分计算单元，接收第二相角θ2得到求微分结果并输出到第二乘法器，乘以调制指数M的倒数，得到残余频偏的前馈估计值W；
相偏估计值求解电路，包括NCO单元，将前馈估计值W由NCO(数控震荡器)求解得到相偏估计值Pout。
一种无线通信载波恢复电路，在上述无线通信载波频偏估计电路的基础上，还包括频偏校正电路，包括，
数据复基带信号第三极坐标求解电路，包括第三Cordic运算单元，接收原始数字复基带信号I和Q，求解得到第三极坐标r3和θ3；其中，r3为第三幅值，θ3为第三相角；
相偏校正值求解电路，包括第一加法器，将得到的相偏估计值Pout与反馈值PNCO求和得到相偏校正值P1；
校正相位求解电路，包括第二加法器，将第三相角θ3与得到的相偏校正值P1的负数求和得到频偏校正后的信号相位P2；
分路求解电路，包括分路器，将得到的信号相位P2分为三路；第四Cordic运算模块，将第一路P2信号与第三幅值r3经Cordic运算得到频偏校正后的信号Iout和Qout；第三路P2信号经过判决器的负数与第二路求和后再依次经过环路滤波器和NCO后得到用于相偏校正求解的反馈值PNCO。
与现有技术相比，相偏估计方法及系统，在保证大的频偏捕获范围的基础上，算法复杂度更低，更易于硬件实现；前馈估计结合反馈跟踪的通信载波恢复方法的及系统，符号率处理能力高、频偏捕获范围大、剩余误差小，算法复杂度适低，易于在现有器件水平下实现超高的数据吞吐率。
附图说明
图1为本发明无线通信载波相偏评估的其中一实施例的原理示意图。
图2为基于图1所示实施例的无线通信载波恢复的频偏校正的其中一实施例原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明提供了一种无线通信载波频偏估计方法，如图1所示，具体方法包括，
数据复基带信号第一极坐标求解，将原始数字复基带信号I和Q经Cordic算法求解得到第一极坐标r1和θ1；其中，r1为第一幅值，θ1为第一相角；
第一复基带信号求解，将第一相角θ1与调制阶数M相乘，经过查找表rom实现求指数运算，再经过k(并行度k)路平均，得到去调制信息后的第一复基带信号I1和Q1；
第二极坐标求解，将第一复基带信号I1和Q1进行Cordic运算求解得到第二极坐标r2和θ2；其中，r2为第二幅值，θ2为第二相角；
前馈估计值求解，对第二相角θ2求微分，再除以调制指数M，得到残余频偏的前馈估计值W(即频偏结果)；
相偏估计值求解，将前馈估计值W由NCO(数控震荡器)求解得到相偏估计值Pout。
其中，k的值由系统新能指标来确定。
本发明方案采用改进的kay算法进行无线通信载波频偏估计，在保证大的频偏捕获范围的基础上，算法复杂度更低，更易于硬件实现。
载波同步的方法可以分为两大类，一种是插入导频法，另一种是直接法。前者占用了系统部分功率，后者直接通过对接收到的已调信号进行相位旋转以补偿频偏和相偏。由于直接法采用开环结构避免了反馈环的设计，适合模块化，全数字化，能实现快速同步及跟踪，实际系统一般采用后者。
基于上述的无线通信载波频偏估计方法，本发明进一步提出了一种无线通信载波恢复方法，采用上述估计方法的前馈估计，加上判决反馈跟踪，不同于现有技术的本地载波发生器的跟踪方法。
如图2所示，本发明提供的一种无线通信载波恢复方法，在上述无线通信载波频偏估计方法的基础上，基于得到的相偏估计值Pout进行数据复基带信号频偏校正，具体方法包括，
数据复基带信号第三极坐标求解，将原始数字复基带信号I和Q经Cordic算法求解得到第三极坐标r3和θ3；其中，r3为第三幅值，θ3为第三相角；
相偏校正值求解，将得到的相偏估计值Pout与反馈值PNCO求和得到相偏校正值P1；
校正相位求解，将第三相角θ3与得到的相偏校正值P1的负数求和得到频偏校正后的信号相位P2；
分路求解得到频偏校正后的信号和用于相偏校正求解的反馈值PNCO，将得到的信号相位P2分为三路，第一路与第三幅值r3经Cordic算法得到频偏校正后的信号Iout和Qout；第三路经过判决器的负数与第二路求和后再依次经过环路滤波器和NCO后得到用于相偏校正求解的反馈值PNCO。
其中，环路滤波器的参数设置根据实际情况进行调节。
不同于现有技术的本地载波发生器的跟踪方法，本发明所采用的跟踪校正方法更易于模块化实现。
如图1所示，一种无线通信载波频偏估计电路，包括，
数据复基带信号第一极坐标求解电路，包括第一Cordic运算单元，接收原始数字复基带信号I和Q，并进行求解得到第一极坐标r1和θ1；其中，r1为第一幅值，θ1为第一相角；
第一复基带信号求解电路，包括第一乘法器，接收第一相角θ1与调制阶数M进行相乘后，输出到查找表rom单元实现求指数运算，将求指数运算结果输出到k(并行度k)路平均单元，得到去调制信息后的第一复基带信号I1和Q1；
第二极坐标求解电路，包括第二Cordic运算单元，接收第一复基带信号I1和Q1进行求解得到第二极坐标r2和θ2；其中，r2为第二幅值，θ2为第二相角；
前馈估计值求解电路，包括微分计算单元，接收第二相角θ2得到求微分结果并输出到第二乘法器，乘以调制指数M的倒数，得到残余频偏的前馈估计值W；
相偏估计值求解电路，包括NCO单元，将前馈估计值W由NCO(数控震荡器)求解得到相偏估计值Pout。
如图2所示，一种无线通信载波恢复电路，在上述无线通信载波频偏估计电路的基础上，还包括频偏校正电路，包括，
数据复基带信号第三极坐标求解电路，包括第三Cordic运算单元，接收原始数字复基带信号I和Q，求解得到第三极坐标r3和θ3；其中，r3为第三幅值，θ3为第三相角；
相偏校正值求解电路，包括第一加法器，将得到的相偏估计值Pout与反馈值PNCO求和得到相偏校正值P1；
校正相位求解电路，包括第二加法器，将第三相角θ3与得到的相偏校正值P1的负数求和得到频偏校正后的信号相位P2；
分路求解电路，包括分路器，将得到的信号相位P2分为三路；第四Cordic运算模块，将第一路P2信号与第三幅值r3经Cordic运算得到频偏校正后的信号Iout和Qout；第三路P2信号经过判决器的负数与第二路求和后再依次经过环路滤波器和NCO后得到用于相偏校正求解的反馈值PNCO。
如图1和图2所示，本方案采用前馈估计加判决反馈跟踪的载波同步结构，不同于调节本地载波发生器的跟踪结构，该结构前后模块独立，频偏补偿在数字域实现。易于模块化实现。更适用于MPSK调制信号的载波恢复，同时完成载波频率估计、相位估计及补偿；采用并行计算结构，处理速度相对于现有算法大大提高，可以用于超高速无线通信；频偏捕获范围大、剩余误差小、算法复杂度低，易于硬件实现。

Claims (4)

1.一种无线通信载波频偏估计方法，具体方法包括，
数据复基带信号第一极坐标求解，将原始数字复基带信号I和Q经Cordic算法求解得到第一极坐标r1和θ1；其中，r1为第一幅值，θ1为第一相角；
第一复基带信号求解，将第一相角θ1与调制阶数M相乘，经过查找表rom实现求指数运算，再经过k路平均，得到去调制信息后的第一复基带信号I1和Q1；
第二极坐标求解，将第一复基带信号I1和Q1进行Cordic运算求解得到第二极坐标r2和θ2；其中，r2为第二幅值，θ2为第二相角；
前馈估计值求解，对第二相角θ2求微分，再除以调制指数M，得到残余频偏的前馈估计值W；
相偏估计值求解，将前馈估计值W由NCO求解得到相偏估计值Pout。
2.一种无线通信载波恢复方法，在权利要求1所述的无线通信载波频偏估计方法的基础上，基于得到的相偏估计值Pout进行数据复基带信号频偏校正，具体方法包括，
数据复基带信号第三极坐标求解，将原始数字复基带信号I和Q经Cordic算法求解得到第三极坐标r3和θ3；其中，r3为第三幅值，θ3为第三相角；
相偏校正值求解，将得到的相偏估计值Pout与反馈值PNCO求和得到相偏校正值P1；
校正相位求解，将第三相角θ3与得到的相偏校正值P1的负数求和得到频偏校正后的信号相位P2；分路求解得到频偏校正后的信号和用于相偏校正求解的反馈值PNCO，将得到的信号相位P2分为三路，第一路与第三幅值r3经Cordic算法得到频偏校正后的信号Iout和Qout；第三路经过判决器的负数与第二路求和后再依次经过环路滤波器和NCO后得到用于相偏校正求解的反馈值PNCO。
3.一种无线通信载波频偏估计电路，其特征在于，包括，
数据复基带信号第一极坐标求解电路，包括第一Cordic运算单元，接收原始数字复基带信号I和Q，并进行求解得到第一极坐标r1和θ1；其中，r1为第一幅值，θ1为第一相角；
第一复基带信号求解电路，包括第一乘法器，接收第一相角θ1与调制阶数M进行相乘后，输出到查找表rom单元实现求指数运算，将求指数运算结果输出到k路平均单元，得到去调制信息后的第一复基带信号I1和Q1；
第二极坐标求解电路，包括第二Cordic运算单元，接收第一复基带信号I1和Q1进行求解得到第二极坐标r2和θ2；其中，r2为第二幅值，θ2为第二相角；
前馈估计值求解电路，包括微分计算单元，接收第二相角θ2得到求微分结果并输出到第二乘法器，乘以调制指数M的倒数，得到残余频偏的前馈估计值W；
相偏估计值求解电路，包括NCO单元，将前馈估计值W由NCO（数控震荡器）求解得到相偏估计值Pout。
4.一种无线通信载波恢复电路，在权利要求3所述的无线通信载波频偏估计电路的基础上，还包括频偏校正电路，其特征在于，包括，
数据复基带信号第三极坐标求解电路，包括第三Cordic运算单元，接收原始数字复基带信号I和Q，求解得到第三极坐标r3和θ3；其中，r3为第三幅值，θ3为第三相角；
相偏校正值求解电路，包括第一加法器，将得到的相偏估计值Pout与反馈值PNCO求和得到相偏校正值P1；
校正相位求解电路，包括第二加法器，将第三相角θ3与得到的相偏校正值P1的负数求和得到频偏校正后的信号相位P2；分路求解电路，包括分路器，将得到的信号相位P2分为三路；第四Cordic运算模块，将第一路P2信号与第三幅值r3经Cordic运算得到频偏校正后的信号Iout和Qout；第三路P2信号经过判决器的负数与第二路求和后再依次经过环路滤波器和NCO后得到用于相偏校正求解的反馈值PNCO。
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