CN112367283B - 一种用于gfsk系统的载波频偏估计方法 - Google Patents

一种用于gfsk系统的载波频偏估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于GFSK系统的载波频偏估计方法。该方法中，先进行低通滤波，滤波的信号分段进行自动频偏补偿，补偿后的信号经差分鉴相器及高斯滤波，得到平滑后的基带码元波形；对叠加频偏的基带信号波形进行分段均值滤波，估计残留直流；再经过直流与频偏的映射关系，获得残留频偏值；残留频偏值经过频偏累加及阈值判断，反馈给自动频偏补偿，更新频偏补偿值。当累加的频偏值超过设置的阈值时，频偏值设置为预置值。本发明估计的频偏范围大，同时频偏估计收敛速度快，并且具有低功耗的特性。

Description

一种用于GFSK系统的载波频偏估计方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种用于GFSK系统的载波频偏估计方法。
背景技术
无线通信中，由于发射机、接收机晶振偏差不同，引入了载波频偏。载波频偏处理不好，就会降低解调的准确性，造成系统性能损失。GFSK(高斯频移键控)是一种适用于低速率短距离无线通信的调制方式，具有信号频谱紧凑、误码特性好、功耗低的特点。
现有的方法通常通过估计直流，通过查找表将直流转换为频偏值，进而补偿，如专利[201410686680.7],这种方法存在两个缺点，第一是通过查找表方式查找频偏值，频偏精度不高，残留频偏大，影响系统解调性能；第二不能容忍大范围的频偏值，当频偏值很大时，此时只利用前导码进行直流估计，此时估计不准确。本方法利用自动频偏补偿，不断反馈迭代补偿，使频偏值在前导码期间快速收敛，频偏估计范围可达0.5B。
发明内容
为了满足容忍大频偏的需求，本发明提供了一种用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其能在前导码期间快速收敛，估计出正确的载波频偏值，并且估计范围很大。
本发明采用的技术方案是：一种用于GFSK系统的载波频偏估计方法，包括以下步骤：
射频信号经过下变频、低通滤波，获得带有频偏的GFSK调制信号，分段经过自动频偏补偿模块，进行频偏补偿；
频偏补偿后的GFSK信号经过差分鉴相器，获得基带码元信号；
对得到的基带码元信号进行高斯滤波，用于滤除高频分量；
对高斯滤波后的基带码元分段均值滤波，估计残留直流，减小噪声；
对得到的残留直流进行频偏转换，经映射关系转换为残留频偏值；
对得到的残留频偏与已经补偿的频偏值进行累加，反馈给自动频率补偿模块作为新的频偏补偿值；累加的频偏值需要进行阈值判断，当累加的频偏值超过设置的阈值时，频偏值设置为预置值，其中预置值提前设定；
通过自动频偏补偿、残留频偏估计、码元同步、寻找前导码这些步骤的不断反馈迭代，找到前导码后，频偏补偿值锁定，PHR和PSDU均用锁定的频偏值进行补偿。
进一步地，需要产生GFSK数据帧：
前导码基带信号为一串0101…或1010…，帧分隔符(SFD)为指定码元；
对基带码元进行高斯滤波；
设置调制频点，对滤波后的基带码元进行GFSK调制，产生I/Q两路信号，fH、fL分别为GFSK的两个调制频点，h为GFSK的调制指数。
进一步地，自动频偏补偿通过频偏值不断地反馈迭代，分段补偿迭代后的频偏值fcomp，即第一次迭代1～lenSection个码元进行频偏补偿，第二次迭代，1+lenSection～2*lenSection个码元进行频偏补偿,…,依次进行补偿，迭代过程中，频偏补偿值不断更新，频偏补偿值fcomp的预置值为0，分段大小lenSection选择为16。不失一般性，频偏补偿值fcomp、分段大小lenSection可以为其他值，包含但不限于0与16。
进一步地，差分鉴相利用自动频偏补偿后的复信号延迟一个采样间隔，前后两个采样点做差分共轭乘，得到相位信息，即GFSK调制频率和频偏值的叠加信号。
进一步地，高斯滤波一方面用于对鉴相后的信号进行低通滤波，滤除高频分量，另一方面，两个高斯滤波级联会起到匹配的作用。
进一步地，自动频偏补偿已经补偿上一部分频偏，均值滤波用来估计残留直流值，对overSam*lenSection个采样点滤波计算均值，其中overSam表示每个码元内的采样点数，lenSection表示用到的前导码元数。
进一步地，残留直流与残留频偏值的映射关系通过公式转换，
Figure BDA0002751207940000021
其中，D_value为估计的残留直流值，fHz为转换得到的残留频偏值，Fs为系统采样率。
进一步地，得到残留频偏值后，进行频偏值累加，累加后的频偏值反馈给自动频率补偿模块作为新的频偏补偿值，
f′comp＝fcomp+fHz
其中，f′comp表示累加后新的频偏补偿值，fcomp表示上次迭代的频偏补偿值，fHz表示估计的残留频偏值。
新的频偏补偿值需要进行阈值判断，当累加的频偏值超过设置的阈值时，频偏值设置为预置值，其中预置值提前设定，这里设置为0.5B。不失一般性，预置值根据实际情况任意设置，包含但不限于0.5B。
进一步地，自动频偏补偿、残留频偏估计、码元同步、寻找前导码等步骤的不断迭代，找到前导码后，此时锁定频偏补偿值f′comp。此时的频偏值是一个收敛值，比较准确。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.未出现除法单元，通过简单均值滤波进行直流估计，通过简单映射关系，转换为载波频偏值。
2.本发明提出的基于自动频偏补偿的频偏估计方法，频偏估计值能够快速收敛；系统容忍的频偏范围最大能到0.5B。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图
图1为本发明的载波频偏估计方法的结构框图；
图2为本发明的差分鉴相结构图；
图3为加30kHz载波频偏时，差分鉴相后的信号波形图；
图4为加30kHz载波频偏时，频偏估计的收敛图。
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，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明的载波频偏估计方法用于GFSK系统中，该频偏估计方法结合自动频偏补偿和分段频偏估计，使得频偏估计值快速收敛，频偏估计范围可达0.5B。
图1为载波频偏估计方法的结构框图。射频信号经过下变频、低通滤波，获得带有频偏的GFSK调制信号。对GFSK调制信号分段进行自动频偏补偿(1)，完成部分频偏补偿；对频偏补偿后的信号进行差分鉴相(2)，获得基带码元信号波形，其中频率偏移量叠加在信号波形中；对得到的基带码元波形进行高斯滤波(3)，滤除高频分量，起到平滑作用；对高斯滤波后的基带码元分段均值滤波(4)，估计残留直流，减小噪声影响；对得到的残留直流通过映射关系转换为残留频偏值(5)；对得到的残留频偏与已经补偿的频偏值进行累加及阈值判断，反馈给自动频率补偿模块作为新的频偏补偿值(6)。
射频信号经过下变频、低通滤波，获得带有频偏的GFSK基带调制信号，如公式(1)所示
Figure BDA0002751207940000031
其中，△f为频偏值，
Figure BDA0002751207940000032
为基带信号经过GFSK调制后的连续相位信号，h为GFSK调制指数，θ0为初始相位。
GFSK调制信号频偏补偿后的信号如公式(2)所示
Figure BDA0002751207940000033
其中，fcom表示补偿的频偏值，补偿后残留频偏为△f-fcom，fcom的初始值为0。
补偿频偏后的GFSK信号进行差分鉴相，从GFSK调制信号中获取基带信号波形，残留频偏进而转换为残留直流偏移量。本实施例的差分鉴相后的信号，如公式(3)(4)所示
Figure BDA0002751207940000034
其中，n表示时间下标，Ts为采样间隔，h表示调制指数，x(nTs)表示经过高斯滤波器的基带信号波形。
对公式(3)求arctan，取出相角，如公式(4)所示：
Angle(n)＝2π·(△f-fcom)·Ts+πh.x(nTs) (4)
从公式(4)中可以看出，基带信号波形中，叠加着残留频偏引入的直流量。
由于前导码为1010…或0101…,在偶数个前导码的时间长度内，对鉴相结果进行积分应该为0。本实施例中，对16个前导码进行均值滤波，若积分值不为0，即残留频偏引入的残留直流量。这里码元速率为50kHz，采样率为码片速率的20倍，即1MHz。均值滤波如公式(5)所示：
Figure BDA0002751207940000041
估计得到残留直流，通过残留直流与残留频偏值的映射关系主要是通过公式(6)转换，
Figure BDA0002751207940000042
其中，D_value为估计的残留直流值，fHz为转换得到的残留频偏值，Fs为系统采样率。
得到残留频偏值后，进行频偏值累加，累加后的频偏值反馈给自动频率补偿模块作为新的频偏补偿值，如公式(7)所示：
f′comp＝fcomp+fHz (7)
其中，f′comp表示累加后新的频偏补偿值，fcomp表示上次迭代的频偏补偿值，fHz表示估计的残留频偏值。
新的频偏补偿值需要进行阈值判断，当累加的频偏值超过设置的阈值时，频偏值设置为预置值，其中预置值提前设定，这里设置为0.5B。不失一般性，预置值根据实际情况任意设置，包含但不限于0.5B。
通过自动频偏补偿、残留频偏估计、码元同步、寻找前导码等步骤的不断迭代，找到前导码后，此时锁定频偏补偿值f′comp。此时的频偏值是一个收敛值，比较准确。
图2为差分鉴相结构图。利用当前信号与延时一个采样间隔的信号共轭相乘，消除初始相位的影响。利用arctan求相角，获取基带信号波形中，叠加着残留频偏引入的直流量。这里不用sin(θ)≈θ，主要是估计的频偏范围很大，
Figure BDA0002751207940000043
该条件满足不了。
图3为加30kHz载波频偏时，差分鉴相后的信号波形图。图中可看出，整体的信号波形中心位置不在0处，整体向上搬移，也就是30kHz频偏引入的直流。
图4为加30kHz载波频偏时，频偏估计的收敛图。数据帧前面加了1600点噪声，从图中可以看出，前5个滤波周期，频偏估计是不收敛的，前导码到来时，频偏估计值开始收敛在30kHz附近。帧分隔符SFD到来时，频偏估计值开始波动，不能收敛。故找到前导码后，频偏估计值需要锁定，否则频偏估计值波动太大。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：射频信号经过下变频、低通滤波，获得带有频偏的GFSK调制信号，分段经过自动频偏补偿模块，进行频偏补偿；
步骤2：频偏补偿后的GFSK信号经过差分鉴相器，获得基带码元信号；
步骤3：步骤2得到的基带码元信号进行高斯滤波，用于滤除高频分量；
步骤4：步骤3中的基带码元分段均值滤波，估计残留直流，减小噪声；
步骤5：步骤4中得到的残留直流进行频偏转换，经映射关系转换为残留频偏值；
步骤6：步骤5中得到的残留频偏与已经补偿的频偏值进行累加，反馈给自动频率补偿模块作为新的频偏补偿值；累加的频偏值需要进行阈值判断，当累加的频偏值超过设置的阈值时，频偏值设置为预置值，其中预置值提前设定；
步骤7：通过自动频偏补偿、残留频偏估计、码元同步、寻找前导码这些步骤的不断反馈迭代，找到前导码后，频偏补偿值锁定，PHR和PSDU均用锁定的频偏值进行补偿。
2.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，需要产生GFSK数据帧：
前导码基带信号为一串0101…或1010…，帧分隔符(SFD)为指定码元；
对基带码元进行高斯滤波；
设置调制频点，对滤波后的基带码元进行GFSK调制，产生I/Q两路信号，fH、fL分别为GFSK的两个调制频点，h为GFSK的调制指数。
3.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤1的自动频偏补偿通过频偏值不断地反馈迭代，分段补偿迭代后的频偏值fcomp，即第一次迭代1～lenSection个码元进行频偏补偿，第二次迭代，1+lenSection～2*lenSection个码元进行频偏补偿,…,依次进行补偿，迭代过程中，频偏补偿值不断更新，频偏补偿值fcomp的预置值为0，分段大小lenSection选择为16。
4.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤2中的差分鉴相，利用步骤1中GFSK调制信号延迟一个采样间隔，前后两个采样点做差分共轭乘，得到相位信息，即GFSK调制频率和频偏值的叠加信号。
5.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤3中的高斯滤波，一方面用于对鉴相后的信号进行低通滤波，滤除高频分量，另一方面，两个高斯滤波级联会起到匹配的作用。
6.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，自动频偏补偿已经补偿上一部分频偏，步骤4的均值滤波用来估计残留直流值，对overSam*lenSection个采样点滤波计算均值，其中overSam表示每个码元内的采样点数，lenSection表示用到的前导码元数。
7.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤5的残留直流与残留频偏值的映射关系通过公式转换，
Figure FDA0003549552560000021
其中，D_value为估计的残留直流值，fHz为转换得到的残留频偏值，Fs为系统采样率。
8.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤6进行频偏值累加，累加后的频偏值反馈给自动频率补偿模块作为新的频偏补偿值，
fc'omp＝fcomp+fHz
其中，fc'omp表示累加后新的频偏补偿值，fcomp表示上次迭代的频偏补偿值，fHz表示估计的残留频偏值；
新的频偏补偿值需要进行阈值判断，当累加的频偏值超过设置的阈值时，频偏值设置为预置值，其中预置值提前设定。
9.根据权利要求1所述的用于GFSK系统的载波频偏估计方法，其特征在于，步骤7是自动频偏补偿、残留频偏估计、码元同步、寻找前导码步骤的不断迭代，找到前导码后，此时锁定频偏补偿值fc'omp，此时的频偏值是一个收敛值。
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