CN111277524B - 一种应用于ism频段的自适应频偏补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法及装置，该方法包括：针对ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

Description

一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及通信射频技术领域，尤其涉及一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法及装置。

背景技术

目前，针对射频信号的频偏估计的方案，通常将关注点聚焦到低功率无线接入节点small cell的频偏估计与补偿的方面，但是对于工业、科学、医学(ISM，IndustrialScientific Medical)频段来说，将针对small cell的频偏估计与补偿方案应用于ISM频段，会容易出现干扰，进而对补偿精度以及补偿的实时性造成影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法及装置；能够在针对ISM频段的频偏补偿过程中，提高抗干扰能力、实时性以及频偏补偿的准确性。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法，所述方法应用于无线通信射频系统中的射频接收机，所述方法包括

针对ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；

根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；

将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；

按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

第二方面，本发明实施例提供了一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置，所述装置应用于无线通信射频系统中的射频接收机，所述装置包括：估计部分、提取部分、滤波部分和补偿部分；其中，

所述估计部分，经配置为针对ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；

所述提取部分，经配置为根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；

所述滤波部分，经配置为将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；

所述补偿部分，经配置为按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

第三方面，本发明实施例提供了一种射频接收机，所述射频接收机包括第二方面所述的应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置。

本发明实施例提供了一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法及装置；在获得接收信号的频偏估计值之后，通过自适应滑动滤波器进行滤波，从而在将滤波后的频偏估计值进行补偿，避免了直接利用接收信号的频偏估计值进行补偿所引起的系统震荡，提高了提高抗干扰能力、实时性以及频偏补偿的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的接收数据包长度与接收数据包数目之间的关系示意图；

图3为本发明实施例提供的自适应频偏补偿的实现流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种射频接收机结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置组成示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置组成示意图；

图7位本发明实施例提供的一种射频接收机的组成示意图。

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。

在当前的无线通信射频系统中，由于射频接收机和射频发送机两端的晶体振荡器的漂移现象，导致射频接收机的采样时钟无法毫无误差地跟踪射频接收机的晶体振荡器的变化，射频接收机在接收过程中的采样点总会出现稍快或稍慢于射频发送机的时钟，从而产生频率偏移。而上述频率偏移的主要影响则包括采样频偏、载波频偏以及采样频偏与载波频偏的共同作用。

当前针对以上频率偏移，常规方案均仅针对频偏估计的方法进行设计，而这些频偏估计方法在应用于ISM频段的过程中，容易受到干扰，进而在针对频偏估计进行补偿时降低无线通信射频系统的补偿精度，对补偿的实时性也造成了不良影响。至少基于以上描述，本发明实施例期望能够提供一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿技术，在针对频率偏移完成估计之后，根据接收到的数据包长度通过滑动滤波的方式进行调整后再进行补偿，从而提高频偏补偿过程中自动频率控制(AFC，Automatic Frequency Control)系统的鲁棒性，具有实时性好以及准确的优势。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法，该方法可以应用于无线通信射频系统中的射频接收机，该方法可以包括：

S101：针对ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；

S102：根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；

S103：将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；

S104：按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

通过图1所示的技术方案，在获得接收信号的频偏估计值之后，通过自适应滑动滤波器进行滤波，从而在将滤波后的频偏估计值进行补偿，避免了直接利用接收信号的频偏估计值进行补偿所引起的系统震荡，提高了提高抗干扰能力、实时性以及频偏补偿的准确性。

对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方式中，所述按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值，包括：

设定发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号表示为：

其中，正交频分复用OFDM信号的第m个符号在第k个子载波上发送的数据位为X_m(k)，T_g为保护间隔时间，T_s为包括循环前缀的OFDM符号的时间，T为采样间隔，

为子载波下标范围，N为FFT点数；

确定射频接收机的载波频偏ε和采样频偏η分别为：

ε＝ΔfNT＝(Δf/f)(NTf)

其中，射频接收机的载波频率为f′,采样间隔为T′，Δf＝f-f′，ΔT＝T-T′；

根据所述发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号，确定所述接收信号变换至频域后的频域信号为：

其中，ICI+W_m(k)为接近零均值的高斯噪声信号，δ_kk表示冲击信号，H(k)表示无线通信系统函数；ε_k表示相对载波频偏；

基于两个相同的长训练序列LTF对所述接收信号变换至频域后的频域信号的频偏估计表达式为：

按照最大似然估计算法根据所述频偏估计表达式进行求解，获得频偏估计最优解CFO_EST。

需要说明的是，为了补偿系统的载波频率偏移(CFO，Carrier FrequencyOffset)，晶体振荡器(XO，crystal Oscillator)可以通过AFC进行负反馈补偿，根据CFO的反馈至，即可针对频偏进行补偿。但是由于CFO_EST在每次接收信号的过程中都会产生，如果直接按照CFO_EST进行补偿，会引起整个射频接收机的系统震荡，因此，本发明实施例的技术方案增加了自适应滑动滤波器对CFO_EST进行处理，随后再通过AFC系统进行补偿，期望能够提高系统的鲁棒性。

对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

接收完整的ISM基带数据后，对所述ISM基带数据进行自相关；

基于短训练序列，利用所述ISM基带数据的自相关数据对所述ISM基带数据进行载波监听和帧同步。

对于图1所示的技术方案，在一种可能的实现方式中，所述根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值，包括：

基于ISM频段所采用的带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA，CarrierSense Multiple Access with Collision Avoid)机制，对所述接收信号中的目标信号进行跟踪，并结合所述接收信号中提取的信号域数据，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值。

在上述实现方式中，所述将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值，包括：

根据接收到的数据包数目确定适配的迟滞因子alpha；

根据所述目标信号的频偏估计值CFO_EST、接收到的数据包数目D以及所述迟滞因子alpha，按照下式进行滤波，获取所述目标信号滤波后的频偏估计值cfo_est_ppm：

需要说明的是，参见图2，D为接收到的数据包packet的个数，alpha为根据packet的个数而适配的迟滞因子，优选来说，0.5≤alpha≤1。由于接收到的packet的长度有长有段，为了使系统的鲁棒性更强，需要根据接收到packet的长度length进一步优化D的数值，举例来说，当packet length较长时，D对应增大；当packet length较短时，D对应减小。基于上述即可获得进行补偿所需的滤波后的频偏估计值cfo_est_ppm。

此外，为了尽可能的提高射频接收机的抗干扰能力，在应用的开始，需要采用低阶调制模式对目标进行跟踪。低阶调制模式的特点是解调门限低，信噪比(SNR，Signal NoiseRatio)要求低；因此对频偏的要求比较低。在低阶调制模式下获取到CFO_EST后，再通过滑动滤波器进行补偿，从而提高SNR，待SNR达到高阶调制模式的要求后，再使用高阶调制模式进行解调。自适应滑动滤波器的D以及alpha也应根据所处的调制模式进行适当的调整，其中，调制模式越高，D所表征的长度越长，alpha的值越小；调制模式越低，D所表征的长度越短，alpha的值越大。

基于以上技术方案，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种自适应频偏补偿的实现流程，该流程可以应用于图4所示的射频接收机示例架构中，该流程可以包括：

步骤1：开启射频接收机，完成空口信号至模数转换器的接口，以完成整个ISM基带数据的接收。

可以理解地，以图4所示的射频接收机结构为例，射频接收机开启后，射频信号经天线Ant接收和低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)放大后，通过混频器Mixer将射频信号先下变频到中频；随后通过基带滤波器(BBF，BaseBand Filter)和跨阻放大器(TIA，Trans-Impedance Amplifier)获取射频信号的基带信号；接着将基带信号通过模/数转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)转变为基带数字信号后，通过数字前端(DFE，Digital Front-End)传输至载波处理单元。

步骤2：对接收到的基带数据进行自相关，再采用短训练序列(STF，ShortTraining Field)完成载波监听以及帧同步。

可以理解地，载波处理单元可以实现载波监听、符号同步、频率同步以及频偏估计。完成之后，将信号传输至后端进行信道估计或信道编码处理。

步骤3：对完成载波监听以及帧同步的数据进行频偏估计；

可以理解地，具体进行频偏估计的过程可以由载波处理单元按照前述技术方案中所描述的长训练序列的最大似然估计策略以实现。

步骤4：对数据的信号域进行提取，将目标信号的频偏估计上报至通信上层进行补偿；

可以理解地，由于ISM频段干扰比较多，其通讯机制一般采用CSMA/CA来完成，因此为了对目标信号进行跟踪，还需要对信号的SIG域进行提取，并上报DBE和介质访问控制层(MAC，Media Access Control)，也就是说，只有针对接收信号中目标信号的频偏估计，才会上报通信上层进行补偿。

步骤5：根据MAC层上报的CFO_EST值进行自适应滑动滤波器平均，XO通过AFC的码字进行补偿，进而完成CFO的校正。

可以理解地，如图4所示，XO接收通过自适应滑动滤波器滤波之后的cfo_est_ppm，并通过锁相环(PLL，PhaseLockedLoop)反馈至混频器Mixer，从而对接收到的模拟信号进行补偿；也可以利用PLL通过分频器Divider反馈至ADC以实现数字信号的补偿。

通过以上技术方案及具体实现流程示例，本发明实施例在针对频率偏移完成估计之后，根据接收到的数据包长度通过滑动滤波的方式进行调整后再进行补偿，从而提高频偏补偿过程中自动频率控制(AFC，Automatic Frequency Control)系统的鲁棒性，具有实时性好以及准确的优势。

基于前述技术方案相同的技术构思，参见图5，其示出了本发明实施例提供的一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置50，所述装置应用于无线通信射频系统中的射频接收机，所述装置50包括：估计部分501、提取部分502、滤波部分503和补偿部分504；其中，

所述估计部分501，经配置为针对ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；

所述提取部分502，经配置为根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；

所述滤波部分503，经配置为将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；

所述补偿部分504，经配置为按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

在一些示例中，所述估计部分501，经配置以执行：

设定发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号表示为：

其中，正交频分复用OFDM信号的第m个符号在第k个子载波上发送的数据位为X_m(k)，T_g为保护间隔时间，T_s为包括循环前缀的OFDM符号的时间，T为采样间隔，

为子载波下标范围，N为FFT点数；

确定所述射频接收机的载波频偏ε和采样频偏η为：

ε＝ΔfNT＝(Δf/f)(NTf)

其中，射频接收机的载波频率为f′,采样间隔为T′，Δf＝f-f′，ΔT＝T-T′；

根据所述发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号，确定所述接收信号变换至频域后的频域信号为：

其中，ICI+W_m(k)为接近零均值的高斯噪声信号，δ_kk表示冲击信号，H(k)表示无线通信系统函数；ε_k表示相对载波频偏；

基于两个相同的长训练序列LTF对所述接收信号变换至频域后的频域信号的频偏估计表达式为：

按照最大似然估计算法根据所述频偏估计表达式进行求解，获得频偏估计最优解CFO_EST。

在一些示例中，参见图6，所述装置50还包括：接收部分505和基带数据处理部分506，其中，

所述接收部分505，经配置为接收完整的ISM基带数据；

所述基带数据处理部分506，经配置为：

对所述ISM基带数据进行自相关；以及

基于短训练序列，利用所述ISM基带数据的自相关数据对所述ISM基带数据进行载波监听和帧同步。

在一些示例中，所述提取部分502，经配置为：

基于ISM频段所采用的带有冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA机制，对所述接收信号中的目标信号进行跟踪，并结合所述接收信号中提取的信号域数据，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值。

在一些示例中，所述滤波部分503，经配置为：

根据接收到的数据包数目确定适配的迟滞因子alpha；

根据所述目标信号的频偏估计值CFO_EST、接收到的数据包数目D以及所述迟滞因子alpha，按照下式进行滤波，获取所述目标信号滤波后的频偏估计值cfo_est_ppm：

基于上述示例，相应于调制模式的调整：当调制模式越高，D所表征的长度越长，alpha的值越小；当调制模式越低，D所表征的长度越短，alpha的值越大。

需要说明的是，装置中的各“部分”相应于实现前述应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法中的对应步骤，其具体实现参见前述应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法的相应描述，本发明实施例在此不做赘述。

可以理解地，在本实施例中，“部分”可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等，当然也可以是单元，还可以是模块也可以是非模块化的。

另外，在本实施例中的各组成部分可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有应用于ISM频段的自适应频偏补偿程序，所述应用于ISM频段的自适应频偏补偿程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中所述应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法步骤。

此外，参见图7，本发明实施例还提供了一种射频接收机70，该射频接收机70可以包括前述技术方案中所描述的应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置50。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿方法，其特征在于，所述方法应用于无线通信射频系统中的射频接收机，所述方法包括：

针对工业、科学、医学ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；其中，所述按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值，包括：

设定发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号表示为：

其中，正交频分复用OFDM信号的第m个符号在第k个子载波上发送的数据位为X_m(k)，T_g为保护间隔时间，T_s为包括循环前缀的OFDM符号的时间，T为采样间隔，

为子载波下标范围，N为FFT点数；

确定射频接收机的载波频偏ε和采样频偏η为：

ε＝ΔfNT＝(Δf/f)(NTf)

其中，射频接收机的载波频率为f′,采样间隔为T′，Δf＝f-f′，ΔT＝T-T′；

根据所述发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号，确定所述接收信号变换至频域后的频域信号为：

其中，ICI+W_m(k)为零均值的高斯噪声信号，δ_kk表示冲击信号，H(k)表示无线通信系统函数；ε_k表示相对载波频偏；

基于两个相同的长训练序列LTF对所述接收信号变换至频域后的频域信号的频偏估计表达式为：

按照最大似然估计算法根据所述频偏估计表达式进行求解，获得频偏估计最优解CFO_EST；

根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；

将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；

按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收完整的ISM基带数据后，对所述ISM基带数据进行自相关；

基于短训练序列，利用所述ISM基带数据的自相关数据对所述ISM基带数据进行载波监听和帧同步。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值，包括：

基于ISM频段所采用的带有冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA机制，对所述接收信号中的目标信号进行跟踪，并结合所述接收信号中提取的信号域数据，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值，包括：

根据接收到的数据包数目确定适配的迟滞因子alpha；

根据所述目标信号的频偏估计值CFO_EST、接收到的数据包数目D以及所述迟滞因子alpha，按照下式进行滤波，获取所述目标信号滤波后的频偏估计值cfo_est_ppm：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相应于调制模式的调整：

当调制模式越高，D所表征的长度越长，alpha的值越小；当调制模式越低，D所表征的长度越短，alpha的值越大。

6.一种应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置，其特征在于，所述装置应用于无线通信射频系统中的射频接收机，所述装置包括：估计部分、提取部分、滤波部分和补偿部分；其中，

所述估计部分，经配置为针对工业、科学、医学ISM频段，按照设定的长训练序列的最大似然估计策略对接收信号的频率偏移进行估计，获得接收信号的频偏估计值；其中，所述估计部分还经配置为：

设定发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号表示为：

其中，正交频分复用OFDM信号的第m个符号在第k个子载波上发送的数据位为X_m(k)，T_g为保护间隔时间，T_s为包括循环前缀的OFDM符号的时间，T为采样间隔，

为子载波下标范围，N为FFT点数；

确定射频接收机的载波频偏ε和采样频偏η为：

ε＝ΔfNT＝(Δf/f)(NTf)

其中，射频接收机的载波频率为f′,采样间隔为T′，Δf＝f-f′，ΔT＝T-T′；

根据所述发射信号的第m个正交频分复用OFDM复数基带信号，确定所述接收信号变换至频域后的频域信号为：

其中，ICI+W_m(k)为零均值的高斯噪声信号，δ_kk表示冲击信号，H(k)表示无线通信系统函数；ε_k表示相对载波频偏；

基于两个相同的长训练序列LTF对所述接收信号变换至频域后的频域信号的频偏估计表达式为：

按照最大似然估计算法根据所述频偏估计表达式进行求解，获得频偏估计最优解CFO_EST；

所述提取部分，经配置为根据所述ISM频段的干扰，从所述接收信号中提取目标信号的频偏估计值；

所述滤波部分，经配置为将目标信号的频偏估计值通过自适应滑动滤波器进行滤波，获得所述目标信号滤波后的频偏估计值；

所述补偿部分，经配置为按照所述目标信号滤波后的频偏估计值进行补偿，以完成频率偏移校正。

7.根据权利要求6所述的装置，所述滤波部分，经配置为：

根据接收到的数据包数目确定适配的迟滞因子alpha；

根据所述目标信号的频偏估计值CFO_EST、接收到的数据包数目D以及所述迟滞因子alpha，按照下式进行滤波，获取所述目标信号滤波后的频偏估计值cfo_est_ppm：

8.一种射频接收机，其特征在于，所述射频接收机包括权利要求6或7任一项所述的应用于ISM频段的自适应频偏补偿装置。

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