CN113542164B - 一种盲信号检测中的通信参数估计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盲信号检测中的通信参数估计方法及系统，所述方法包括以下步骤：S1.发射机对升余弦滤波器成型的传输信号s(t)进行发送；S2.通过接收机的接收天线进行信号接收，得到信号rs(t)；S3.将接收机接收天线处的信号经过带通滤波器和下变频处理后，得到基带信号y(t)；S4.将基带信号y(t)经过傅里叶变换和求模处理后，得到频域信号|Y(f)|；S5.将频域信号|Y(f)|经过频谱平均和傅里叶反变换处理后的时域信号
Figure DDA0003160538200000011
S6.根据
Figure DDA0003160538200000012
的最小值与最大值的比值，得到滚降因子估计值。本发明实现了对升余弦成型信号进行滚降因子盲估计，并有效解决了在信噪比条件较差时估计性能不理想的问题。

Description

一种盲信号检测中的通信参数估计方法及系统
技术领域
本发明涉及单输入单输出系统，特别是涉及一种盲信号检测中的通信参数估计方法及系统。
背景技术
盲解调技术能使接收机在缺乏先验信息的情况下提取出接收信号的部分参数，例如：滚降因子，载波频率，符号速率等，从而使接收机能进行信号重建。而所有参数的估计中，滚降因子的盲估计是根基，因为滚降因子盲估计的精确率决定了其他参数盲估计的精确率。
在当前的通信背景下，尚未有一个能在信噪比条件差的情况下，进行精准滚降因子盲估计的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种盲信号检测中的通信参数估计方法及系统，实现了在信噪比条件差的情况下，进行滚降因子的盲估计，有效解决了在信噪比条件差的情况下的滚降因子估计不准确的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种盲信号检测中的通信参数估计方法，包括以下步骤：
S1.发射机对升余弦滤波器成型的传输信号s(t)进行发送；
S2.通过接收机的接收天线进行信号接收，得到信号rs(t)；
S3.将接收机接收天线处的信号经过带通滤波器和下变频处理后，得到基带信号y(t)；
S4.将基带信号y(t)经过傅里叶变换和求模处理后，得到频域信号|Y(f)|；
S5.将频域信号|Y(f)|经过频谱平均和傅里叶反变换处理后的时域信号
Figure GDA0003811809480000011
S6.根据
Figure GDA0003811809480000012
的最小值与最大值的比值，得到滚降因子估计值。
所述步骤S1中，考虑一个发送端为升余弦成型系统的发射机，将发射的传输信号s(t)，表示为：
Figure GDA0003811809480000013
其中，fc为发射信号的载波频率，ai是具有单位平均能量的独立同分布M元信号，
Figure GDA0003811809480000014
表示升余弦滤波器的单位冲激响应，其中α表示滚降因子，T是符号周期。
所述步骤S2中，设经过信道后，接收机中接收天线接收到的信号rs(t)为：
Figure GDA0003811809480000021
/>
其中，A表示接收信号的幅度，θc表示相位偏移，τ表示在复信道传播延迟且小于或等于符号周期T的一半，此外，n(t)为在接收天线处的0均值加性高斯白噪声。
所述步骤S3中，在接收天线处进行带通滤波器和下变频处理后得到基带信号，基带信号结果为：
Figure GDA0003811809480000022
其中，fr表示接收机的角频率，θr表示接收机的初始相位，Δf＝fc-fr表示发射机与接收机之间的频率偏移，Δθ＝θc-θr表示发射机和接收机之间的相位偏移；
Figure GDA0003811809480000023
表示n(t)经带通滤波器和下变频处理后的噪声。
本专利假设频率偏移Δf被完美估计，则基带信号y(t)的结果为：
Figure GDA0003811809480000024
所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.由于基带信号y(t)在时域上存在升余弦滤波器单位冲激响应的混叠现象，因此，对信号y(t)进行傅里叶变换，得到频域信号：
Figure GDA0003811809480000025
其中，
Figure GDA0003811809480000026
是/>
Figure GDA0003811809480000027
的傅里叶变换，H(f)是h(t)的傅里叶变换：
Figure GDA0003811809480000028
S402.值得注意的是H(f)≥0，ai是具有单位平均能量的独立同分布M元信号且经过带通滤波器后，噪声只存在于
Figure GDA0003811809480000029
的频带中，因此得到了Y(f)的模：
Figure GDA0003811809480000031
所述步骤S5包括以下子步骤：
S501.信号|Y(f)|经过频谱平均后，得到信号：
Figure GDA0003811809480000032
其中，Yk(f)表示y(t)的不同帧的傅里叶变换，N表示对信号进行周期图处理的数量，Hk(f)表示H(f)的不同帧的傅里叶变换，
Figure GDA0003811809480000033
表示/>
Figure GDA0003811809480000034
的不同帧的傅里叶变换，/>
Figure GDA0003811809480000035
表示经过频谱平均过后的噪声信号的傅里叶变换；/>
S502.
Figure GDA0003811809480000036
经傅里叶反变换后，时域信号为：
Figure GDA0003811809480000037
其中，
Figure GDA0003811809480000038
是被平均处理后的噪声，是/>
Figure GDA0003811809480000039
的傅里叶反变换。
所述步骤S6中，由于升余弦滤波器冲激响应h(t)的最小值与最大值的比值的绝对值与滚降因子α一一对应，因此，对信号
Figure GDA00038118094800000310
的最小值与最大值进行比值处理，得到比值的绝对值：
Figure GDA00038118094800000311
通过映射
Figure GDA00038118094800000312
到理论比值曲线上，即可得到滚降因子的估计值。
一种盲信号检测中的通信参数估计系统，包括：
单天线发射机，用于生成并发射传输信号；
单天线接收机，用于在天线处进行信号接收；
带通滤波器模块，用于对信号进行滤波，得到需要的频带内的信号且滤除频带外的噪声信号；
射频模块，用于对信号进行下变频操作，将频带信号变成基带信号；
傅里叶变换求模模块，用于对信号进行傅里叶变换并进行求模操作；
频谱平均模块，用于对信号进行频谱平均，消除噪声的影响；
傅里叶反变换模块，用于将频域信号转换为时域信号；
比值对比模块，用于将时域信号进行比值与绝对值处理，并于理论值进行比较，得到滚降因子的估计值。
本发明的有益效果是：本发明实现了在信噪比条件差的情况下，进行滚降因子的盲估计，有效解决了在信噪比条件差的情况下的滚降因子估计不准确的问题。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的架构原理示意图；
图3为实施例中理论比值与滚降因子的关系示意图；
图4为实施例中平均输出信噪比与平均输入信噪比之间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种盲信号检测中的通信参数估计方法，包括以下步骤：
S1.发射机对升余弦滤波器成型的传输信号s(t)进行发送；
S2.通过接收机的接收天线进行信号接收，得到信号rs(t)；
S3.将接收机接收天线处的信号经过带通滤波器和下变频处理后，得到基带信号y(t)；
S4.将基带信号y(t)经过傅里叶变换和求模处理后，得到频域信号|Y(f)|；
S5.将频域信号|Y(f)|经过频谱平均和傅里叶反变换处理后的时域信号
Figure GDA0003811809480000043
S6.根据
Figure GDA0003811809480000044
的最小值与最大值的比值，得到滚降因子估计值。
所述步骤S1中，考虑一个发送端为升余弦成型系统的发射机，将发射的传输信号s(t)，表示为：
Figure GDA0003811809480000041
其中，fc为发射信号的载波频率，ai是具有单位平均能量的独立同分布M元信号，
Figure GDA0003811809480000042
表示升余弦滤波器的单位冲激响应，其中α表示滚降因子，T是符号周期。
所述步骤S2中，设经过信道后，接收机中接收天线接收到的信号rs(t)为：
Figure GDA0003811809480000051
其中，A表示接收信号的幅度，θc表示相位偏移，τ表示在复信道传播延迟且小于或等于符号周期T的一半，此外，n(t)为在接收天线处的0均值加性高斯白噪声。
所述步骤S3中，在接收天线处进行带通滤波器和下变频处理后得到基带信号，基带信号结果为：
Figure GDA0003811809480000052
其中，fr表示接收机的角频率，θr表示接收机的初始相位，Δf＝fc-fr表示发射机与接收机之间的频率偏移，Δθ＝θc-θr表示发射机和接收机之间的相位偏移；
Figure GDA0003811809480000053
表示n(t)经带通滤波器和下变频处理后的噪声。
本专利假设频率偏移Δf被完美估计，则基带信号y(t)的结果为：
Figure GDA0003811809480000054
所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.由于基带信号y(t)在时域上存在升余弦滤波器单位冲激响应的混叠现象，因此，对信号y(t)进行傅里叶变换，得到频域信号：
Figure GDA0003811809480000055
其中，
Figure GDA0003811809480000056
是/>
Figure GDA0003811809480000057
的傅里叶变换，H(f)是h(t)的傅里叶变换：/>
Figure GDA0003811809480000058
S402.值得注意的是H(f)≥0，ai是具有单位平均能量的独立同分布M元信号且经过带通滤波器后，噪声只存在于
Figure GDA0003811809480000059
的频带中，因此得到了Y(f)的模：
Figure GDA00038118094800000510
所述步骤S5包括以下子步骤：
S501.信号|Y(f)|经过频谱平均后，得到信号：
Figure GDA0003811809480000061
其中，Yk(f)表示y(t)的不同帧的傅里叶变换，N表示对信号进行周期图处理的数量，Hk(f)表示H(f)的不同帧的傅里叶变换，
Figure GDA0003811809480000062
表示/>
Figure GDA0003811809480000063
的不同帧的傅里叶变换，/>
Figure GDA0003811809480000064
表示经过频谱平均过后的噪声信号的傅里叶变换；
S502.
Figure GDA0003811809480000065
经傅里叶反变换后，时域信号为：
Figure GDA0003811809480000066
其中，
Figure GDA00038118094800000612
是被平均处理后的噪声，是/>
Figure GDA0003811809480000068
的傅里叶反变换。
所述步骤S6中，由于升余弦滤波器冲激响应h(t)的最小值与最大值的比值的绝对值与滚降因子α一一对应，因此，对信号
Figure GDA0003811809480000069
的最小值与最大值进行比值处理，得到比值的绝对值：
Figure GDA00038118094800000610
通过映射
Figure GDA00038118094800000611
到理论比值曲线上，即可得到滚降因子的估计值。
如图2所示，一种盲信号检测中的通信参数估计系统，包括：
单天线发射机，用于生成并发射传输信号；
单天线接收机，用于在天线处进行信号接收；
带通滤波器模块，用于对信号进行滤波，得到需要的频带内的信号且滤除频带外的噪声信号；
射频模块，用于对信号进行下变频操作，将频带信号变成基带信号；
傅里叶变换求模模块，用于对信号进行傅里叶变换并进行求模操作；
频谱平均模块，用于对信号进行频谱平均，消除噪声的影响；
傅里叶反变换模块，用于将频域信号转换为时域信号；
比值对比模块，用于将时域信号进行比值与绝对值处理，并于理论值进行比较，得到滚降因子的估计值。
在本申请的实施例中，以正交相移键控(QPSK)信号为通信发射机、在加性高斯白噪声(AWGN)信道上传输为例，通信发射机通过天线辐射出去，接收机的天线接收信号，并利用傅里叶变换、求模、频谱平均、求比值的方法对其进行滚降因子盲估计。
参数设置如下：
Figure GDA0003811809480000071
图3给出了在理想的无噪声干扰的情况下，理论比值R与不同的滚降因子之间的关系。唯一的比值对应于唯一的滚降因子，且比值随着滚降因子的增大而减小。
图4给出了在不同的信噪比和周期图处理数下，本专利提出的方法与已有的方法的关系。其中，滚降因子为通信系统中广泛使用的0.4。在信噪比以及周期图处理数相等的条件下，本专利提出的方法的均方根误差均小于已有的方法的均方根误差，尤其是当信噪比小于0dB时，滚降因子盲估计的精准度显著提升。利用本专利的方法，即使是当信噪比为-10dB时，若采用的周期图处理数为2000，均方根误差仍小于0.2，满足实际通信中滚降因子盲估计的精度要求。当信噪比为15dB时，若采用的周期图处理数为2000，均方根误差几乎接近0，估计的滚降因子与实际通信的滚降因子基本一致。
这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本发明的范围通过附加的权利要求进行详细说明。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种盲信号检测中的通信参数估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.发射机对升余弦滤波器成型的传输信号s(t)进行发送；
所述步骤S1中，考虑一个发送端为升余弦成型系统的发射机，将发射的传输信号s(t)，表示为：
Figure FDA0004042186290000011
其中，fc为发射信号的载波频率，ai是具有单位平均能量的独立同分布M元信号，
Figure FDA0004042186290000012
表示升余弦滤波器的单位冲激响应，其中α表示滚降因子，T是符号周期；
S2.通过接收机的接收天线进行信号接收，得到信号rs(t)；
经过信道后，接收机中接收天线接收到的信号rs(t)为：
Figure FDA0004042186290000013
其中，A表示接收信号的幅度，θc表示相位偏移，τ表示复信道传播延迟且小于或等于符号周期T的一半，此外，n(t)为在接收天线处的0均值加性高斯白噪声；
S3.将接收机接收天线处的信号经过带通滤波器和下变频处理后，得到基带信号y(t)；
所述步骤S3中，在接收天线处进行带通滤波器和下变频处理后得到基带信号，基带信号结果为：
Figure FDA0004042186290000014
其中，fr表示接收机的角频率，θr表示接收机的初始相位，Δf＝fc-fr表示发射机与接收机之间的频率偏移，Δθ＝θc-θr表示发射机和接收机之间的相位偏移；
Figure FDA0004042186290000015
表示n(t)经带通滤波器和下变频处理后的噪声；
设频率偏移Δf被完美估计，则基带信号y(t)的结果为：
Figure FDA0004042186290000016
S4.将基带信号y(t)经过傅里叶变换和求模处理后，得到频域信号|Y(f)|；
S5.将频域信号|Y(f)|经过频谱平均和傅里叶反变换处理后得到时域信号
Figure FDA0004042186290000017
所述步骤S5包括以下子步骤：
S501.对信号|Y(f)|经过频谱平均，得到信号：
Figure FDA0004042186290000021
其中，Yk(f)表示y(t)的不同帧的傅里叶变换，N表示对信号进行周期处理的数量，Hk(f)表示H(f)的不同帧的傅里叶变换，
Figure FDA0004042186290000022
表示/>
Figure FDA0004042186290000023
的不同帧的傅里叶变换，/>
Figure FDA0004042186290000024
表示经过频谱平均过后的噪声信号的傅里叶变换；/>
Figure FDA0004042186290000025
是/>
Figure FDA0004042186290000026
的傅里叶变换，H(f)是h(t)的傅里叶变换；
S502.
Figure FDA0004042186290000027
经傅里叶反变换后，时域信号为：
Figure FDA0004042186290000028
其中，
Figure FDA00040421862900000217
是被平均处理后的噪声，也是/>
Figure FDA00040421862900000210
的傅里叶反变换；
S6.根据
Figure FDA00040421862900000211
的最小值与最大值的比值，得到滚降因子估计值。
2.根据权利要求1所述的一种盲信号检测中的通信参数估计方法，其特征在于：所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.由于基带信号y(t)在时域上存在升余弦滤波器单位冲激响应的混叠现象，因此，对信号y(t)进行傅里叶变换，得到频域信号：
Figure FDA00040421862900000212
其中，
Figure FDA00040421862900000213
是/>
Figure FDA00040421862900000214
的傅里叶变换，H(f)是h(t)的傅里叶变换：
Figure FDA00040421862900000215
其中，H(f)≥0，ai是具有单位平均能量的独立同分布M元信号，且经过带通滤波器后，噪声只存在于
Figure FDA00040421862900000216
的频带中；
S402.计算得到Y(f)的模：
Figure FDA0004042186290000031
3.根据权利要求1所述的一种盲信号检测中的通信参数估计方法，其特征在于：所述步骤S6中，信号
Figure FDA0004042186290000032
的最小值与最大值进行比值处理，得到比值的绝对值：
Figure FDA0004042186290000033
映射
Figure FDA0004042186290000034
到理论比值曲线上，得到滚降因子的估计值。
4.一种盲信号检测中的通信参数估计系统，采用权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于：包括：
单天线发射机，用于生成并发射传输信号；
单天线接收机，用于在天线处进行信号接收；
带通滤波器模块，用于对信号进行滤波，得到需要的频带内的信号且滤除频带外的噪声信号；
射频模块，用于对信号进行下变频操作，将频带信号变成基带信号；
傅里叶变换求模模块，用于对信号进行傅里叶变换并进行求模操作；
频谱平均模块，用于对信号进行频谱平均，消除噪声的影响；
傅里叶反变换模块，用于将频域信号转换为时域信号；
比值对比模块，用于根据时域信号的最小值与最大值的比值，得到滚降因子估计值。
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