CN114337982B - 一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法，其中，发送方使用上线性啁啾信号和下线性啁啾信号依次串行排列的信号当作导频信号；接收方在收到所述导频信号时，采用基于双符号频域相关的时频估计方法。使用这种依次排列的上下啁啾信号作为导频信号，不但可以同时估计出时延和频偏还因为所述导频信号保持了恒包络特征，降低了系统功耗。

Description

一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法。

背景技术

啁啾信号广泛应用在雷达与通讯领域，比如说，物联网的Lora技术就是使用啁啾信号循环移位调制技术（CSS），其中导频部分采用上啁啾前导、同步字、下啁啾组成，分别用于进行符号同步、帧同步及频偏估计。

专利EP0952713A2提出一种可以同时估计出时延和频偏的一种线性啁啾信号，并提出了使用该啁啾信号估计时延和频偏的方法，但是为了同时估计出时延与频偏，该啁啾信号为上线性啁啾信号与下线性啁啾信号的叠加，是一种实信号，因此峰均比不为零，功耗将有所提高，不适合低功耗领域。另外，专利EP0952713A2的计算公式在特定情况下会出现歧义。

发明内容

本发明提供了一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法，不但可以同时估计出时延和频偏，而且该导频信号保持了上下线性啁啾信号恒包络的特征，使发送方功放效率接近100%，降低了系统功耗。另外，本发明对计算频偏及时延的实现公式进行了优化。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案，包括：

第一方面，本发明提供了一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法，所述方法包括：

发送方使用上线性啁啾信号和下线性啁啾信号依次串行排列的信号作为导频信号，且所述导频信号包含的上线性啁啾信号与下线性啁啾信号的总数量大于或等于3；

接收方在接收到所述导频信号时，采用基于双符号频域相关的时频估计，所述采用基于双符号频域相关的时频估计包括：

将接收到的连续两个符号的接收信号做正向频域相关与反向频域相关，其中，正向频域相关的本地参考信号为下线性啁啾信号，反向频域相关的本地参考信号为上线性啁啾信号；

寻找正向频域相关峰值与反向频域相关峰值并得到正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置；

基于正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置估计出接收信号时延与频偏；

其中，符号指的是时间长度为一个啁啾周期的信号；

所述双符号频域相关，包括：对接收到的连续两个符号的接收信号先滑窗相加再进行频域相关，或对接收到的连续两个符号的接收信号先进行频域相关再滑窗相加；

所述频域相关包括：将接收信号与本地参考信号点乘得到时域相关值，将时域相关值傅里叶变换得到频域相关值。

进一步地，基于正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置估计出接收信号时延与频偏，包括：

使用所述反向频域相关峰值位置与所述正向频域相关峰值位置之差除以2再模1/2个符号长度，得到时延估计值；

频偏估计值为反向频域相关峰值位置减时延估计值，或正向频域相关峰值位置加时延估计值。

进一步地，寻找正向频域相关峰值与反向频域相关峰值并得到正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置，包括：

若反向频域相关值的峰值大小与反向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，且正向频域相关值的峰值大小与正向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，则判定所述反向频域相关峰值位置以及所述正向频域相关峰值位置为有效。

进一步地，所述时频估计的时延估计范围是0到1/2个符号长度，频偏估计范围是负1/2基带带宽到正1/2基带带宽。

本发明通过使用上线性啁啾信号和下线性啁啾信号依次串行排列组成的导频信号，保持了啁啾信号恒包络的特性，因此功放效率接近100%，降低了系统功耗，另外为了配合这种结构的导频信号，本发明采用了基于双符号频域相关的时频估计方法，能够同时估计出时延与频偏，另外，本发明还对时频估计公式进行了优化，消除了歧义。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例使用上线性啁啾信号与下线性啁啾信号构成的导频信号；

图2为本发明实施例中先滑窗相加再频域相关的时频估计方法流程；

图3为本发明实施例中先频域相关再滑窗相加的时频估计方法流程；

图4为一个不完整的上啁啾信号与下啁啾信号频域相关峰值的例子；

图5为一个不完整的上啁啾信号与上啁啾信号频域相关峰值的例子；

图6为叠加后得到完整的上啁啾信号与下啁啾信号频域相关峰值的例子。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

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区间。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

第一方面，本发明提供了一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法。

发送方使用上线性啁啾信号和下线性啁啾信号依次串行排列的信号作为导频信号，由于上下啁啾信号本身是恒包络信号，因此这种串行连接不改变信号恒包络特征，使发送方放大器功率接近100%，降低了系统功耗，另外，为了使接收方总能接收到一个上啁啾及一个下啁啾信号的循环移位的完整样本，所述导频信号包含的上线性啁啾信号与下线性啁啾信号的总数量大于等于3。

接收方接收到所述导频信号时，采用基于双符号频域相关的时频估计方法，由于导频信号是上线性啁啾信号与下线性啁啾信号依次串行排列，因此一个符号的接收信号中并不包含一个完整的上啁啾信号或下啁啾信号的循环移位样本，因此必须使用连续两个符号的接收信号进行频域相关，其中，所述符号指的是时间长度为一个啁啾周期的信号，所述双符号频域相关，既可以对接收到的连续两个符号的接收信号先滑窗相加再进行频域相关，也可以对接收到的连续两个符号的接收信号先进行频域相关再滑窗相加，所述频域相关包括：将接收到信号与本地参考信号点乘得到时域相关值，将时域相关值傅里叶变换得到频域相关值。

由于连续两个符号的接收信号中一定存在一个完整的上啁啾及下啁啾信号，因此可以相关出上啁啾及下啁啾信号，这里采用频域相关，且称上啁啾频域相关为正向频域相关，称下啁啾频域相关为反向频域相关，其中，正向频域相关的本地参考信号为下线性啁啾信号，反向频域相关的本地参考信号为上线性啁啾信号。在得到正向频域相关与反向频域相关结果后，查找绝对值最大的正向频域相关值与绝对值最大的反向频域相关值并记下正向频域相关峰值的位置与反向频域相关峰值的位置。使用正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置估计时延与频偏。

其中，频偏对正向频域相关峰值位置的与反向频域相关峰值位置的影响是同向的，时延对正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置的影响是反向的，因此理论上可以通过正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置相加除以2得到频偏估计值，相减除以2得到时延估计值，但是频偏是有正负的，而且时延值始终为正，且不可能大于1/2个符号长度，因此为了消除歧义，这里采取反向频域相关峰值位置与正向频域相关峰值位置之差除以2再模1/2个符号长度，得到时延估计值，频偏估计值为反向频域相关峰值位置减时延估计值，或正向频域相关峰值位置加时延估计值的方法得到。

在真实应用中，由于受到噪声干扰等影响，因此会存在假频域相关峰值，为了系统的鲁棒性，这里采取如下限制条件，若所述反向频域相关值的峰值大小与所述反向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，且所述正向频域相关值的峰值大小与所述正向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，则判定所述反向频域相关峰值位置以及所述正向频域相关峰值位置为有效。

使用这种方法估计的时延有效范围是0到1/2个符号的延时，频偏估计范围是负1/2基带带宽到正1/2基带带宽。

本发明实施例中使用的上线性啁啾信号和下线性啁啾信号依次串行排列组成的导频信号，保持了啁啾信号恒包络的特性，因此功放效率接近100%，降低了系统功耗，另外为了配合这种结构的导频信号，本发明采用了基于双符号频域相关的时频估计方法，能够同时估计出时延与频偏，另外，本发明还对时频估计公式进行了优化，消除了歧义。

以下为具体操作：首先，发送方使用上线性啁啾信号和下线性啁啾信号依次串行排列的信号作为导频信号，且所述导频信号包含的上线性啁啾信号与下线性啁啾信号的总数量大于等于3。定义一个啁啾周期长度的啁啾信号为一个符号，那么导频信号包含至少3个符号，如图1，这样接收方总能收到连续的两个上下（或下上）啁啾信号的一个循环移位。

如图2和图3，接收方在接收到所述导频信号时，采用基于双符号频域相关的时频估计。

时频估计采用频域相关法，对应为时域点乘，再变换到频域。

用于时域点乘的本地参考信号为上线性啁啾信号及下线性啁啾信号，

假设离散的上线性啁啾信号为，

Chirp = exp(1i*pi*t^2/M) (1)

其中，exp为指数函数，1i为虚数单位，t为时间序列，取值为-M/2到M/2-1，M为一个符号的采样点个数,pi为圆周率。

那么用于到导频的啁啾信号至少为，

xChirp = [Chirp,conj(Chirp),Chirp] (2)

或，

xChirp = [conj(Chirp),Chirp,conj(Chirp)] (3)

其中，[,]为拼接运算，完成级联。conj为共轭函数，上啁啾信号的共轭为下啁啾信号。

接收到的导频信号受频偏及时延影响，为xChirp的循环移位加频偏，一个符号的接收信号为，

rxChirp = xChirp(To:To+M-1).*exp(2i*pi*Fo*(0:M-1)/M) (4)

其中，exp(2i*pi*Fo*(0:M-1)/M)为频偏，To为延时量，Fo为频偏量。

本地参考信号为上线性啁啾信号Chirp，本地参考信号为下线性啁啾信号conj(Chirp)，分别与一个符号的接收信号rxChirp进行点乘，得到反向时域相关信号nCorr与正向时域相关信号pCorr，即第i个接收符号，得到第i个时域相关结果，i为大于0的自然数，

pCorr(i) = rxChirp(i,0:M-1).*conj(Chirp); (5)

nCorr(i) = rxChirp(i,0:M-1).*Chirp; (6)

进一步变换到频域，得到反向频域相关值FnCorr及正向频域相关值FpCorr，

FpCorr(i) = fft(pCorr(i)); (7)

FnCorr(i) = fft(nCorr(i)); (8)

由于上啁啾信号与下啁啾信号频域相关有峰值，如图4所示；而上啁啾信号与上啁啾信号或下啁啾信号与下啁啾信号频域相关并没有峰值，如图5所示；那么，例如当前一个符号的接收信号包含上啁啾信号成分较多时，与本地参考信号上线性啁啾信号怎么相关出峰值，或者说如何完整的频域相关一个啁啾符号，这里本发明采用的是通过滑窗相加法将连续两个频域相关值相加，如图6所示，这样最终的结果等效于本地参考信号与一个上啁啾及下啁啾信号相关，得到的结果和专利EP0952713A2采用的导频信号为上啁啾加下啁啾信号是一样的。概括来说，区别就是一个在发送方进行上下啁啾信号相加，一个是接收方相加两个接收符号或相加两个频域相关值。

因此，可以采用滑窗法，将上述两种频域相关值保存入滑窗，在得到接收信号的下一个符号的两种频域相关值后，与滑窗内的上一次结果相加，并进一步检索出正向频域相关峰值位置Fp与反向频域相关峰值位置Fn，

[Peakp,Fp(i)] = max(abs(FpCorr(i-1)+FpCorr(i))); (9)

[Peakn,Fn(i)] = max(abs(FnCorr(i-1)+FnCorr(i))); (10)

其中，max为最大值函数，第一输出为最大峰值，用于门限判断，第二输出为最大值索引值，abs为绝对值函数，fft为傅里叶变换函数。

若反向频域相关值的峰值大小与反向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，且正向频域相关值的峰值大小与正向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，则认为所述反向频域相关峰值位置以及所述正向频域相关峰值位置有效，进一步使用正向频域相关峰值位置Fp与反向频域相关峰值位置Fn，估计出时延与频偏。

其中时延估计值eTo为,

eTo = mod((Fn-Fp)/2,M/2); (11)

频偏估计值eFo为，

eFo = Fn - eTo; (12)

或,

eFo = Fp + eTo; (13)

因为频偏有正负，对上式校正，

if(eFo>=M/2)

eFo = eFo - M;

End

上述算法对时延的估计值范围是0:M/2-1个采样点，频偏估计范围是-M/2:M/2-1个采样点，对应真实频偏约为负1/2基带带宽到正1/2基带带宽。

另外，对比专利EP0952713A2可以看出，这里的时延估计（11）式对M/2取模，这是因为Fp与Fn都不可能大于M，(Fn-Fp)/2不可能大于M/2，不取模可能会出现负值，产生歧义，同时，频偏估计(12或13式)是在时延估计值的基础上进行计算，是因为如果频偏恰巧等于时延或与时延相加等于0，那么Fp或Fn至少有一个是0，采用专利EP0952713A2的公式(Fp+Fn)/2进行频偏估计可能出现符号错误。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

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。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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发明的精神或区间的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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发明的原理和新颖特点相一致的最宽的区间。

Claims (1)

1.一种啁啾导频信号的产生及时频估计方法，其特征在于，所述方法包括：

发送方使用上线性啁啾信号和下线性啁啾信号间隔排列且串行排列的信号作为导频信号，且所述导频信号包含的上线性啁啾信号与下线性啁啾信号的总数量大于或等于3；

接收方在接收到所述导频信号时，采用基于双符号频域相关的时频估计，所述采用基于双符号频域相关的时频估计包括：

将接收到的连续两个符号的接收信号做正向频域相关与反向频域相关，其中，正向频域相关的本地参考信号为下线性啁啾信号，反向频域相关的本地参考信号为上线性啁啾信号；

寻找正向频域相关峰值与反向频域相关峰值并得到正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置；

所述寻找正向频域相关峰值与反向频域相关峰值并得到正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置，包括：

若反向频域相关值的峰值大小与反向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，且正向频域相关值的峰值大小与正向频域相关值的平均值大小之比大于预先设定的阈值，则判定所述反向频域相关峰值位置以及所述正向频域相关峰值位置为有效；

若所述反向频域相关峰值位置以及所述正向频域相关峰值位置为有效，则基于正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置估计出接收信号时延与频偏；

其中，符号指的是时间长度为一个啁啾周期的信号；

所述双符号频域相关，包括：对接收到的一个符号的当前接收信号和接收到的一个符号的下一个接收信号先滑窗相加得到一个相加后的信号，再对相加后的信号进行频域相关；或对接收到的一个符号的当前接收信号进行频域相关得到当前接收信号的两种频域相关值，将当前接收信号的两种频域相关值保存在滑窗，对接收到的一个符号的下一个接收信号进行频域相关得到下一个接收信号的两种频域相关值，再通过滑窗将下一个接收信号的两种频域相关值与当前接收信号的两种频域相关值相加；

所述频域相关包括：将接收信号与本地参考信号点乘得到时域相关值，将时域相关值傅里叶变换得到频域相关值；

基于正向频域相关峰值位置与反向频域相关峰值位置估计出接收信号时延与频偏，包括：

使用所述反向频域相关峰值位置与所述正向频域相关峰值位置之差除以2再模1/2个符号长度，得到时延估计值；

频偏估计值为反向频域相关峰值位置减时延估计值，或正向频域相关峰值位置加时延估计值；

所述时频估计的时延估计范围是0到1/2个符号长度，频偏估计范围是负1/2基带带宽到正1/2基带带宽。

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