CN115883303A - 一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置 - Google Patents

一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置 Download PDF

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梁洪广
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Abstract

本发明提供了一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置，可在移动跳频散射通信系统各频点频偏不一致且频偏数值大的场景下，进行频偏的准确估计。该方法包括：对于每个接收频点信号，计算信噪比变化周期，在一个周期内以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值。在初始频偏值的基础上，利用周期性频偏补偿得到解调星座点，根据星座点的误差矢量幅度获得最终频偏估计值。本发明对各个频点进行独立频偏估计，频偏估计精度可控，估计精度高，且估计范围不受限制。

Description

一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置
技术领域
本发明涉及散射通信技术领域，尤其涉及一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置。
背景技术
对流层散射通信是利用大气媒介中不均匀体对电波的前向散射传输效应而实现的超视距无线通信。对流层散射通信具有单跳跨距远、可用频段宽、通信容量大、投资维护费用低、信道可靠性强、抗干扰和抗截获等优势，已成为一种应用于军事和民用通信的有效手段。
散射通信中的一种常用通信方法为宽带跳频方法，该方法将发送信号在不同时刻调制至不同载频上，利用频率隐分集技术抵抗散射信道衰落。采用跳频的散射通信设备仅需要单天线发射端和单天线接收端，在不增加系统复杂度的基础上改善了散射通信性能。
在散射通信系统的接收端，需要对频偏准确估计和补偿之后，才能将数据顺利解调。频偏的准确估计对获得良好的解调性能至关重要。在固定散射通信场景下，收发两端位置固定，频偏主要由散射体运动及收发两端的载波频偏造成，散射体运动带来的多普勒频偏一般为数赫兹或数十赫兹量级。随着散射通信场景由固定式向移动式发展，在舰载散射或机载散射等移动散射通信场景下，移动性带来的多普勒频偏可达数百赫兹甚至数千赫兹量级，给频偏估计带来更大的挑战。
对于传统的固定式跳频散射通信系统，通常利用每跳的导频进行频偏估计，对多跳频偏估计值平均后，利用平均值进行频偏补偿。对于移动跳频散射通信系统，上述频偏估计方法有两个问题：其一为当移动速度增大时，各个频点信号的频偏值相差明显增大，各跳不再适宜补偿相同的平均频偏估计值；其二为利用导频进行频偏估计的估计范围有限，随着移动速度增大，频偏值会超过估计范围，无法获得正确的频偏估计值。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足，而提供了一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置，能够对各跳信号独立估计频偏值，频偏估计精度高，且估计范围不受限制。
本发明采用的技术方案为：
一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，包括：
根据相邻两段导频的符号间隔计算信噪比变化周期N，导频信号插在跳结构的固定位置，相邻两段导频间隔固定；
对于每个频点的信号，在周期N内，以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值；
对于每个频点的信号，将所估计的初始频偏值累加，获得平均初始频偏值；
对于每个频点的信号，在平均初始频偏值的基础上，递增周期N的倍数；
采用递增的频偏值进行频偏补偿后，计算解调星座点的误差矢量幅度，当误差矢量幅度最小时得到最终的频偏估计值。
在一种可能的实现方式中，所述根据相邻两段导频的符号间隔计算信噪比变化周期N，包括：
根据N＝Rs/M/2计算信噪比变化周期；
其中，Rs表示数据传输的符号速率，M表示相邻两段导频的符号间隔数。
在一种可能的实现方式中，所述以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值，包括：
对每个接收频点信号在一个信噪比变化周期N内进行扫频补偿，频偏补偿值n的取值范围为0≤n≤N-1；
扫频至正确的初始频偏值时获得峰值信噪比，此时初始频偏值确定。
在一种可能的实现方式中，所述将所估计的初始频偏值累加，获得平均初始频偏值，包括：
以频点为单位，对相同频点的频偏值分别累加；
计算各个频点的平均初始频偏值。
累加的跳数越多，获得的平均初始频偏值越准确。
在一种可能的实现方式中，所述的在平均初始频偏值的基础上，递增周期N的倍数，包括：
每跳从各自的初始频偏值开始递增；其中，散射终端设备移动速度越大，各跳的初始值之间相差越大；
递增的最大倍数可以根据最大多普勒频偏进行预先计算，对递增不同倍数的各路数据进行并行处理。
在一种可能的实现方式中，所述的计算解调星座点的误差矢量幅度，包括：
对频偏补偿后的信号进行均衡，去除符号间串扰，获得解调星座点；
对解调星座点的误差矢量幅度进行计算。
一种移动跳频散射通信系统频偏估计装置，包括：
初始估计模块，用于对接收信号进行频偏初始估计，获得每跳的初始频偏估计值；
周期扫频模块，用于对各跳信号进行周期性频偏补偿，周期性频偏补偿值为初始频偏估计值与递增周期的倍数之和；
频偏确定模块，用于对频偏补偿后的信号进行解调，计算星座点的误差矢量幅度，得到最终频偏估计值。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过计算信噪比变化周期，依据信噪比变化周期获得各跳独立的初始频偏值，避免了背景技术中仅获得一个平均频偏值的问题，并且该频偏估计值是以固定间隔扫频得到，估计精度可控，且相比背景技术精度更高。
2、本发明在初始频偏值的基础上，利用周期性频偏补偿得到解调星座点，根据星座点的误差矢量幅度获得最终频偏估计值。通过周期性频偏补偿可以估计任意大小频偏，且各路数据可以并行处理，在不提升处理延时的基础上获得任意频偏估计范围。
3、与现有技术相比，本发明频偏估计精度更高，估计范围更大，可以对任意频偏值进行估计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的移动跳频散射通信系统接收跳信号频偏估计的相关示意图；
图2是本发明一实施例提供的移动跳频散射通信系统频偏估计方法的实现流程图；
图3是本发明一实施例提供的移动跳频散射通信系统频偏估计装置的结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的移动跳频散射通信系统频偏估计装置的结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的终端的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的一种移动跳频散射通信系统接收跳信号频偏估计的相关示意图。本发明实施例中，每个时隙有X跳接收信号，分别对应F1、F2、F3…FX共X个跳频频点，X跳接收信号随时间依次到来，对跳数X不做限制。当移动速度增大时，各个频点信号的频偏值相差明显增大，所以进行频偏估计时对各频点的频偏值分别计算和累加，而不是在一个时隙内做计算和累加。
图2为本发明实施例提供的一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法的实现流程图，详细如下：
步骤S201，根据导频符号间隔计算信噪比变化周期N。在本发明实施例中，导频信号插在跳结构的固定位置。若相邻两段导频的符号间隔数为M个符号，数据传输的符号速率为Rs，那么信噪比变化周期N＝Rs/M/2。信噪比通过相邻两段导频估计得到，其变化周期为N。例如，当信号未受到频偏影响，其频偏值为0Hz时，所估计的信噪比为峰值信噪比，直到信号受到的频偏影响由0Hz增大至N Hz，信噪比出现下一个峰值，之后以N为周期呈现周期性变化。
步骤S202，对于每个频点的信号，在一个周期内以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值。在本发明实施例中，接收信号受到频偏影响，对接收信号在一个信噪比变化周期N内进行扫频补偿，频偏补偿值n的取值范围为0≤n≤N-1。
在一种可能的实现方式中，扫频间隔为1Hz，即n以1Hz步进，那么频偏估计精度为1Hz。扫频至正确的初始频偏值时获得峰值信噪比，将位于跳号i的初始频偏值记为n(i)。
步骤S203，对于每个频点的信号，将所估计的初始频偏值累加，获得平均值。在本发明实施例中，各个频点信号的频偏值相差会随着移动速度的增大而增大，如图1所示，进行频偏估计时需要对各频点的频偏值分别计算和累加。
在一种可能的实现方式中，可以对10个位于相同频点的信号估计出的初始频偏值进行平均值计算。
步骤S204，对于每个频点的信号，在平均初始频偏值的基础上递增周期N的倍数。在本发明实施例中，每跳从各自的平均初始频偏值开始递增，递增后的频偏值为f(i)＝n(i)+k*N，k表示递增倍数，其取值范围为0≤k≤K。递增的最大倍数K可以根据最大多普勒频偏进行预先计算。最大多普勒频偏fd＝fc*v/c，fc表示载波频率，v为散射终端相对移动速度，c表示光速。获得最大多普勒频偏值后，令f(i)的取值大于fd，即可确定K的取值。
在一种可能的实现方式中，对递增不同频偏值的各路数据进行并行处理，并行处理路数为K+1路。
步骤S205，采用递增的频偏值进行频偏补偿后，计算解调星座点的误差矢量幅度，当误差矢量幅度最小时得到最终的频偏估计值。在本发明实施例中，位于频点i的信号频偏补偿值为f(i)，对频偏补偿后的信号进行均衡，从而去除符号间串扰，获得解调星座点。对解调星座点进行误差矢量幅度的计算，其计算公式为
Figure BDA0004007712230000071
其中，It和Qt分别表示解调星座点的实部和虚部，I0,t和Q0,t分别表示理想星座点的实部和虚部；t表示时刻，t的取值范围是1～T，T表示接收到的解调星座点总数。随着f(i)的增大，误差矢量幅度先减小后增大，当误差矢量幅度最小时获得最终的频偏估计值。
上述移动跳频散射通信系统频偏估计方法，在获得信噪比变化周期的基础上，在一个周期内以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值，该频偏估计值具有精度高的优势。在初始频偏的基础上，利用周期性频偏补偿得到解调星座点，根据星座点的误差矢量幅度获得最终频偏估计值。通过周期性频偏补偿可以估计任意大小频偏，且各路数据可以并行处理，在不提升处理延时的基础上获得任意频偏估计范围，使得该方法具有频偏估计精度高，范围大的优势。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。
图3示出了本发明实施例提供的移动跳频散射通信系统频偏估计装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图3所示，移动跳频散射通信系统频偏估计装置包括：初始估计模块301、周期扫频模块302和频偏确定模块303。
初始估计模块301，用于获得位于每个跳频频点信号的初始频偏估计值。
其中，初始估计模块301包括：周期计算单元、固定步进扫频单元和初始值计算单元。周期计算单元用于根据导频符号间隔计算信噪比变化周期。固定步进扫频单元用于在一个周期内以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值。初始值计算单元用于将每个频点所估计的初始频偏值累加，获得平均初始频偏估计值。
周期扫频模块302，用于在平均初始频偏估计值的基础上，以周期N的倍数递增频偏补偿值，通过周期扫频操作获得不同的频偏补偿支路。
频偏确定模块303，用于根据解调星座点的误差矢量幅度获得最终的频偏估计值。
其中，频偏确定模块303包括星座解调单元、误差矢量幅度计算单元和比较单元。星座解调单元用于对频偏补偿后的信号进行均衡，去除符号间串扰，获得解调星座点。误差矢量幅度计算单元用于对解调星座点的误差矢量幅度进行计算。比较单元用于对不同频偏补偿支路的误差矢量幅度进行比较，当误差矢量幅度最小时获得最终的频偏估计值。
上述移动跳频散射通信系统频偏估计装置，通过周期计算单元获得信噪比变化周期，在一个周期内以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值，该频偏估计值具有精度高的优势。在初始频偏的基础上，利用周期扫频模块进行频偏补偿，得到解调后的星座点，根据星座点的误差矢量幅度获得最终频偏估计值。通过周期性频偏补偿可以估计任意大小频偏，且各路数据可以并行处理，在不提升处理延时的基础上获得任意频偏估计范围。因此本发明既具有频偏估计精度高，又具有频偏估计范围大的优势。
如图4示出了一种移动跳频散射通信系统频偏估计装置，其中，示出了初始估计模块301和频偏确定模块303的组成单元。
图5是本发明实施例提供的终端的示意图。如图5所示，该实施例的终端5包括：处理器50、存储器51以及存储在所述存储器51中并可在所述处理器50上运行的计算机程序52。所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述各个移动跳频散射通信系统频偏估计方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤S101至步骤S105。或者，所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图3所示模块/单元301至303的功能。
示例性的，所述计算机程序52可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器51中，并由所述处理器50执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序52在所述终端5中的执行过程。例如，所述计算机程序52可以被分割成图3所示模块/单元301至303。
所述终端5可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端5可包括，但不仅限于，处理器50、存储器51。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是终端5的示例，并不构成对终端5的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器50可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器51可以是所述终端5的内部存储单元，例如终端5的硬盘或内存。所述存储器51也可以是所述终端5的外部存储设备，例如所述终端5上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器51还可以既包括所述终端5的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器51用于存储所述计算机程序以及所述终端所需的其他程序和数据。所述存储器51还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
总之，本发明提供了一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法及装置，可在移动跳频散射通信系统各频点频偏不一致且频偏数值大的场景下，进行频偏的准确估计。本发明对各个频点进行独立频偏估计，频偏估计精度可控，估计精度高，且估计范围不受限制。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块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单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元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单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，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，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个移动跳频散射通信系统频偏估计方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，其特征在于，包括：
根据相邻两段导频的符号间隔计算信噪比变化周期N；
对于每个频点的信号，在周期N内，以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值；
对于每个频点的信号，将所估计的初始频偏值累加，获得平均初始频偏值；
对于每个频点的信号，在平均初始频偏值的基础上，递增周期N的倍数；
采用递增的频偏值进行频偏补偿后，计算解调星座点的误差矢量幅度，当误差矢量幅度最小时得到最终的频偏估计值。
2.根据权利要求1所述的一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，其特征在于，所述根据相邻两段导频的符号间隔计算信噪比变化周期N，包括：
根据N＝Rs/M/2计算信噪比变化周期；
其中，Rs表示数据传输的符号速率，M表示相邻两段导频的符号间隔数。
3.根据权利要求1所述的一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，其特征在于，所述以固定间隔扫频估计出信噪比最大时对应的初始频偏值，包括：
对每个接收频点信号在一个信噪比变化周期N内进行扫频补偿，频偏补偿值n的取值范围为0≤n≤N-1；
扫频至正确的初始频偏值时获得峰值信噪比，此时初始频偏值确定。
4.根据权利要求1所述的一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，其特征在于，所述将所估计的初始频偏值累加，获得平均初始频偏值，包括：
以频点为单位，对相同频点的频偏值分别累加；
计算各个频点的平均初始频偏值。
5.根据权利要求1所述的一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，其特征在于，所述在平均初始频偏值的基础上，递增周期N的倍数，包括：
每跳从各自的平均初始频偏值开始递增，递增后的频偏值为f(i)＝n(i)+k*N，其中，i表示跳号，n(i)表示第i跳的平均初始频偏值，k表示递增倍数，其取值范围为0≤k≤K，K为递增的最大倍数，根据最大多普勒频偏进行预先计算。
6.根据权利要求1所述的一种移动跳频散射通信系统频偏估计方法，其特征在于，所述计算解调星座点的误差矢量幅度，包括：
对频偏补偿后的信号进行均衡，去除符号间串扰；
对解调星座点进行误差矢量幅度的计算；
对各支路误差矢量幅度进行比较，当误差矢量幅度最小时确定最终频偏估计值。
7.一种移动跳频散射通信系统频偏估计装置，其特征在于，包括：
初始估计模块，用于获得位于每个跳频频点信号的初始频偏估计值；
周期扫频模块，用于在平均初始频偏估计值的基础上，以周期N的倍数递增频偏补偿值，通过周期扫频操作获得不同的频偏补偿支路；
频偏确定模块，用于根据解调星座点的误差矢量幅度获得最终的频偏估计值。
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