CN110086738B - 一种载波频偏估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种载波频偏估计方法及系统，该方法包括：对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；利用数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；利用初始载波频偏估计值和载波频偏补偿量得到载波频偏估计值。该方法利用数据包的同步地址序列进行载波频偏补偿，只需检测数据包的同步地址，无需增设额外电路就可以准确估计出载波频偏，极大地提高了电路的执行效率，节约了电路成本。此外，该方案并不依赖于检测序列是否‘0’‘1’均匀分布，因此，使用该载波频偏的估计方案设计的接收机，不会降低通信效率，能够极大地提高系统的稳定性以及在低信噪比条件下系统的灵敏度。

Description

一种载波频偏估计方法及系统

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种载波频偏估计方法及系统。

背景技术

FSK(Frequency Shift Keying，频移键控)作为一种常见的数字调制方式，和其他频率调制方式(如FM，LFM)一样，数据包的解调以及信息比特的检测，在很大程度上依赖于接收机能够正确估计出调制频偏。

目前，对FSK调制解调系统进行载波频偏的估计和恢复一般通过对整个数据包在频域滤除直流分量来估计和纠正，如图1所示，带载波频偏的FSK信号经过去直流模块，然后得到滤除载波频偏的FSK信号。该方法通过一个去直流模块作用于整个FSK信号数据包，该模块一般由IIR或者FIR高通滤波器来完成。

然而，目前该种通过去直流模块进行载波频偏估计和纠正的方法，由于滤波器有延迟或者收敛时间，可能会使得部分前面的有效数据未能正确去除载波频偏，造成同步错误和数据信息检测错误；其次，该方法需要有效数据尽可能地达到‘0’‘1’均衡和分散的要求(即‘0’‘1’数目相差不大并且均匀分布)，这样，一般系统需要对数据进行加扰，以尽量满足这个要求，如对数据信息进行曼彻斯特编码，即将‘0’和‘1’分别映射为‘01’和‘10’，以此达到‘0’‘1’均衡和分散的要求，然而，由需要通过编码，这样就会造成实际数据速率减半，通信效率大打折扣；此外，由于需要额外设置去直流模块，因此，会增加电路的成本。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种全新的载波频偏估计方法及系统，以克服现有技术中通过去直流滤除载波频偏时，不仅会增加电路成本，而且容易造成同步错误、数据信息检测错误，以及降低通信效率的问题。

为实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

一种波频偏估计方法，该方法包括：

对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；

利用所述数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；

利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；

利用所述初始载波频偏估计值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏估计值。

优选的，所述利用所述数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值包括：

利用所述数据包中的同步地址序列的采样点进行平均值计算，得到所述初始载波频偏估计值。

优选的，所述初始载波频偏估计值利用如下公式计算：

其中，

表示所述初始载波频偏估计值，m表示所述数据包的同步地址序列的比特数，n表示接收机的过采样倍数，s_i表示第i个采样点值。

优选的，所述利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量包括：

利用所述本地地址序列进行平均值计算，得到所述载波频偏补偿量。

优选的，所述载波频偏补偿量利用如下公式计算：

其中，d_c表示所述载波频偏补偿量，q表示所述本地地址序列的比特数，与所述同步地址序列的比特数相同，k_i表示所述本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值。

优选的，所述利用所述同步地址序列采样点平均值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏的估计值包括：

将所述同步地址序列采样点平均值减去所述载波频偏补偿量得到的差值作为在频域中载波频偏对应的直流分量。

优选的，还包括：利用所述频域中载波频偏对应的直流分量计算在时域中的载波频偏。

一种载波频偏估计系统，该系统包括：

同步单元，用于对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；

第一计算单元，用于利用所述数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；

第二计算单元，用于利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；

第三计算单元，用于利用所述初始载波频偏估计值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏估计值。

优选的，所述第一计算单元具体用于利用所述数据包中的同步地址序列的采样点进行平均值计算，得到所述初始载波频偏估计值；

所述初始载波频偏估计值利用如下公式计算：

其中，

表示所述初始载波频偏估计值，m表示所述数据包的同步地址序列的比特数，n表示接收机的过采样倍数，s_i表示第i个采样点值；

所述第二计算单元具体用于利用所述本地地址序列进行平均值计算，得到所述载波频偏补偿量；

所述载波频偏补偿量利用如下公式计算：

其中，d_c表示所述载波频偏补偿量，q表示所述本地地址序列的比特数，与所述同步地址序列的比特数相同，k_i表示所述本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值。

优选的，所述第三计算单元具体用于将所述同步地址序列采样点平均值减去所述载波频偏补偿量得到的差值作为在频域中载波频偏对应的直流分量；

所述第三计算单元还用于，利用所述频域中载波频偏对应的直流分量计算在时域中的载波频偏。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种载波频偏估计方法及系统，该方法利用数据包的同步地址序列进行载波频偏补偿，只需检测数据包的同步地址，而数据包的同步地址检测电路又是整个接收机同步电路所必不可少的一个电路，因此，无需增设额外电路就可以准确估计出载波频偏，极大地提高了电路的执行效率，节约了电路成本。此外，该方案并不依赖于检测序列是否‘0’‘1’均匀分布，因此，使用该载波频偏的估计方案设计的接收机，不会降低通信效率，能够极大地提高系统的稳定性以及在低信噪比条件下系统的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中通过去直流滤除载波频偏的示意图；

图2为FSK的数据包的结构图；

图3为本申请实施例一提供的一种载波频偏估计方法的流程图；

图4为本申请实施例二提供的一种载波频偏估计系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为克服现有技术中通过去直流滤除载波频偏时，不仅会增加电路成本，而且容易造成同步错误、数据信息检测错误，以及降低通信效率的问题，本申请提供了一种全新的载波频偏估计方法及系统，该方案应用于接收机中。

本申请提供的该方案具体是利用数据包的地址序列进行载波频偏估计，具体的，如图2所示，图2为FSK的数据包的结构图，包括：前导码、同步地址和有效载荷三部分。需要说明的是，也可以采用前导码估算载波频偏，但是，由于前导码期间，前端射频单元一般会在此阶段做自动增益控制(Auto-Gain-Control，简称AGC)，在前端增益产生变化的时候，会引起载波信号产生相位突变，进而造成FSK信号波形出现毛刺，影响前导码采样点的均值，也就影响了对载波频偏的正确估计；此外，前导码一般较短，不易识别，容易造成误识别，从而造成了在错误的(‘0’‘1’非均匀)信号段进行了错误的载波频偏估计；而且，即使能够正确识别前导码，但是由于前导码不够长，难以在有限的长度内平均掉信号固有的电噪声，因此估计出的载波频偏准确度欠佳，所以，本申请中仅以最优的实例，即采用同步地址进行载波频偏估计的方案进行论述。具体方案如下所述：

实施例一

本申请实施例一提供了一种载波频偏估计方法，如图3所示，图3为本申请实施例一提供的一种载波频偏估计方法的流程图，该方法包括：

S101:对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；

发射机和接收机有一个固定或者事先约定好的同步地址序列，发射机发射的数据包中包含该地址序列(经过BPSK映射和FSK调制)，该地址序列相当于是发射机的身份证ID，接收机事先是知道这个ID的，接收机会只接收地址序列和它本地从上面协议层传过来的地址(即本地地址序列)，这个对比接收数据和本地地址序列的过程就是同步过程。通俗举例，两个陌生人头一次见面，只知道对方的名字(ID)，会询问对方名字(接收对方ID数据)，和自己知道的名字对比(本地序列对比)，对上了，就说明找对人了。

S102:利用数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；

在本申请中，利用数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值可包括：利用数据包中的同步地址序列的采样点进行平均值计算，得到初始载波频偏估计值。

具体的，初始载波频偏估计值利用如下公式计算：

其中，

表示初始载波频偏估计值，m表示数据包的同步地址序列的比特数，n表示接收机的过采样倍数，s_i表示第i个采样点值。

S103:利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；

在本申请中，利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量包括：利用本地地址序列进行平均值计算，得到载波频偏补偿量。

具体的，载波频偏补偿量利用如下公式计算：

其中，d_c表示载波频偏补偿量，q表示本地地址序列的比特数，与同步地址序列的比特数相同，即q＝m，k_i表示本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值。

还需要说明的是，步骤S102与步骤S103执行顺序不做限定，而且，可以先后执行，也可以同步执行。

S104:利用初始载波频偏估计值和载波频偏补偿量得到载波频偏估计值。

在本申请中，利用同步地址序列采样点平均值和载波频偏补偿量得到载波频偏的估计值包括：将同步地址序列采样点平均值减去载波频偏补偿量得到的差值作为在频域中载波频偏对应的直流分量，该直流分量可以在频域对信号进行载波频偏的补偿；还可以包括：利用频域中载波频偏对应的直流分量计算在时域中的载波频偏，该载波频偏可以在时域对信号进行载波频偏的补偿。

具体的，一般FSK数据包的同步地址序列紧跟前导码，以32比特为多见，我们就以32比特的地址为例。假定这32比特序列经BPSK映射[即：将0(代表负的频偏调制)映射为-1，将1(代表正的频偏调制)映射为+1]后的序列为：k₀，k₁，k₂，k₃，…，k₃₁，假定接收机采用4倍过采样，即每个符号(代表每个比特)的采样点为4个，归一化的采样点序列为：s₀，s₁，s₂，s₃，…，s₁₂₇，则这整个地址序列采样点的平均值可以表示为：

如果32个比特的地址序列中‘0’的个数和‘1’的个数均等，那么，上式中

就表示该FSK接收端的载波频偏。实际上，大多数情况下，我们的地址序列的‘0’和‘1’个数并不相等，因此，如果仅仅使用上式就会带来载波频偏的估计误差，并且这个误差随着‘0’‘1’个数差异的增大而增大。因此，我们引入一个跟地址序列相关的载波频偏的补偿量，该补偿量可以表示为：

k_i表示本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值。

这样，修正后的载波频偏可以用下面的公式表示：

f表示在频域中载波频偏对应的直流分量。

如果将f对应到时域中的载波频偏，即用Hz单位来表示，那么，载波频偏可以表示为：

其中，h为FSK系统的调制指数，R为FSK系统的数据速率。

实际应用证明，利用上面两个公式，不论是在频域对信号进行载波频偏的补偿，还是在时域对信号进行载波频偏的补偿，都可以对载波频偏进行较大范围的补偿，并且补偿的准确度也是非常高的。

该方案相比于利用前导码进行载波频偏的估计，利用数据包的地址进行载波频偏补偿，一方面无需再检测前导码，只需检测数据包的地址，而数据包的地址检测又是整个接收机同步电路所必不可少的一个电路，因此无需过多的额外电路，就可以准确估计出载波频偏，这极大地提高了电路的执行效率，节约了电路成本。同时，自动增益控制AGC主要运行在前导码时间段，而在地址段前端增益已经处于稳定状态，因此前端增益的变化不会影响到载波频偏的估计；而且地址序列的长度也足以平滑掉较多的FSK信号的噪声，并且该方案并不依赖于检测序列是否‘0’‘1’均匀分布，因此，使用该载波频偏的估计方案设计的接收机，不会影响通信效率，能够极大地提高系统的稳定性，以及在低信噪比条件下系统的灵敏度。

由以上技术方案可知，本申请实施例一提供的该载波频偏估计方法，利用数据包的同步地址序列进行载波频偏补偿，只需检测数据包的同步地址，而数据包的同步地址检测电路又是整个接收机同步电路所必不可少的一个电路，因此，无需增设额外电路就可以准确估计出载波频偏，极大地提高了电路的执行效率，节约了电路成本。此外，该方案并不依赖于检测序列是否‘0’‘1’均匀分布，因此，使用该载波频偏的估计方案设计的接收机，不会影响通信效率，能够极大地提高系统的稳定性以及在低信噪比条件下系统的灵敏度。

实施例二

在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了一种载波频偏估计系统，如图4所示，该系统包括：

同步单元201，用于对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；

第一计算单元202，用于利用数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；

在本申请中，第一计算单元具体用于利用数据包中的同步地址序列的采样点进行平均值计算，得到初始载波频偏估计值；

初始载波频偏估计值利用如下公式计算：

其中，

表示初始载波频偏估计值，m表示数据包的同步地址序列的比特数，n表示接收机的过采样倍数，s_i表示第i个采样点值；

第二计算单元203，用于利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；

第二计算单元具体用于利用本地地址序列进行平均值计算，得到载波频偏补偿量；

载波频偏补偿量利用如下公式计算：

其中，d_c表示载波频偏补偿量，q表示本地地址序列的比特数，与同步地址序列的比特数相同，k_i表示本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值；

第三计算单元204，用于利用初始载波频偏估计值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏估计值。

在本申请中，第三计算单元具体用于将同步地址序列采样点平均值减去载波频偏补偿量得到的差值作为在频域中载波频偏对应的直流分量，该直流分量可以在频域对信号进行载波频偏的补偿；

第三计算单元还用于，利用频域中载波频偏对应的直流分量计算在时域中的载波频偏，该载波频偏可以在时域对信号进行载波频偏的补偿。

具体的，本实施例与实施例一相同或相似的部分可相互参考，在本申请中不再赘述。

本申请实施例二提供的该载波频偏估计系统，通过利用数据包的同步地址序列进行载波频偏补偿，只需检测数据包的同步地址，而数据包的同步地址检测电路又是整个接收机同步电路所必不可少的一个电路，因此，无需增设额外电路就可以准确估计出载波频偏，极大地提高了电路的执行效率，节约了电路成本。此外，该方案并不依赖于检测序列是否‘0’‘1’均匀分布，因此，使用该载波频偏的估计方案设计的接收机，不会降低通信效率，能够极大地提高系统的稳定性以及在低信噪比条件下系统的灵敏度。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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)

1.一种载波频偏估计方法，其特征在于，该方法包括：

对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；

利用所述数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；

利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；

利用所述初始载波频偏估计值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏估计值；

所述利用所述数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值包括：

利用所述数据包中的同步地址序列的采样点进行平均值计算，得到所述初始载波频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始载波频偏估计值利用如下公式计算：

其中，

表示所述初始载波频偏估计值，m表示所述数据包的同步地址序列的比特数，n表示接收机的过采样倍数，s_i表示第i个采样点值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量包括：

利用所述本地地址序列进行平均值计算，得到所述载波频偏补偿量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述载波频偏补偿量利用如下公式计算：

其中，d_c表示所述载波频偏补偿量，q表示所述本地地址序列的比特数，与所述同步地址序列的比特数相同，k_i表示所述本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述利用所述同步地址序列采样点平均值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏的估计值包括：

将所述同步地址序列采样点平均值减去所述载波频偏补偿量得到的差值作为在频域中载波频偏对应的直流分量。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：利用所述频域中载波频偏对应的直流分量计算在时域中的载波频偏。

7.一种载波频偏估计系统，其特征在于，该系统包括：

同步单元，用于对接收到的数据包进行同步操作，完成同步序列的检测和确定；

第一计算单元，用于利用所述数据包中的同步地址序列的采样点计算得到初始载波频偏估计值；

第二计算单元，用于利用本地地址序列计算得到载波频偏补偿量；

第三计算单元，用于利用所述初始载波频偏估计值和所述载波频偏补偿量得到载波频偏估计值；

所述第一计算单元具体用于：利用所述数据包中的同步地址序列的采样点进行平均值计算，得到所述初始载波频偏估计值。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述初始载波频偏估计值利用如下公式计算：

其中，

表示所述初始载波频偏估计值，m表示所述数据包的同步地址序列的比特数，n表示接收机的过采样倍数，s_i表示第i个采样点值；

所述第二计算单元具体用于利用所述本地地址序列进行平均值计算，得到所述载波频偏补偿量；

所述载波频偏补偿量利用如下公式计算：

其中，d_c表示所述载波频偏补偿量，q表示所述本地地址序列的比特数，与所述同步地址序列的比特数相同，k_i表示所述本地地址序列经BPSK映射后的第i个序列点值。

9.根据权利要求7-8任意一项所述的系统，其特征在于，所述第三计算单元具体用于将所述同步地址序列采样点平均值减去所述载波频偏补偿量得到的差值作为在频域中载波频偏对应的直流分量；

所述第三计算单元还用于，利用所述频域中载波频偏对应的直流分量计算在时域中的载波频偏。

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