CN116016049B - 一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体提供一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法，用以解决传统时域频偏估计方法估计范围与估计精度无法统一的问题，实现低信噪比、高动态和高估计精度的频偏估计。本发明针对传统时域频偏估计方法出现的相位翻转情况进行补偿，使得时域频偏估计方法不再局限于估计范围，且在高信噪比下的估计精度逼近CRLB；并且，利用系统中的速度参数，对相位补偿进行判决，能够解决补偿过多的问题；同时，通过相位累加模块能够将多点能量累加在一起，在低信噪比条件下具有良好的估计性能，符合预期效果；综上所述，本发明提出的适合高动态低信噪比的频偏估计方法能够实现低信噪比、高动态和高估计精度的频偏估计。

Description

一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体提供一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法。
背景技术
在通信中，收发端之间的相对运动会使得载波频率发生变化，产生预期之外的频偏差；因此，接收端为了能够正常工作，通常需要进行频偏估计；但由于通信的数据容量有限，在频偏估计中的估计精度、估计范围和计算复杂度等无法全部满足。现有的频偏估计技术分为频域估计和时域估计，频域估计方法的估计范围大，但存在着估计精度受FFT点数影响的问题，要想得到精确的估计，则需要不断增加导频长度；时域估计方法的估计精度可以达到很高，但会存在估计范围偏小的问题，如Fitz算法，该算法估计精度高，但估计范围很窄，无法适应高动态情况。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法；本发明能够解决传统时域频偏估计方法估计范围与估计精度无法统一的问题，实现低信噪比、高动态和高估计精度的频偏估计。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采样得到接收信号r(k)：
其中，c(k)为调制符号，fd为载波频偏值，T为符号间隔，θ为初始相位，N(k)为离散化后的加性高斯白噪声，L为导频序列长度，j为虚数单位；
S2：对接收信号r(k)进行星座逆映射，得到消除导频调制信息后接收信号z(k)：
S3：计算接收信号z(k)的自相关函数R(m)，并对自相关函数R(m)求相位，得到自相关函数中每一点的相位A(m)；
S4：将自相关函数中每n点相位进行累加，得到合并后相位A′(p)：
其中，n为累加点数；
S5：对合并后相位进行补偿，具体过程为：
S5.1：给定初始矫正相位Q(1)＝A′(1)；
S5.2：计算相位不会发生翻转的最大相位点数cntmax，进而设置判决点cnt＝cntmax-2；
S5.3：对合并后相位中判决点cnt及其前的每个点(即1≤p≤cnt)进行2πM的相位补偿，M为：
Q(p)＝A′(p)+2πM
其中，Q(p)为矫正相位；
S5.4：计算判决点cnt及其前的所有点的频偏fbk：
若频偏fbk未超过系统最大多普勒频偏fdmax，则Q(1:p)不变；否则，矫正模块执行：Q(1:p)＝A′(1:p)；
S5.5：对合并后相位中判决点cnt后每个点(即cnt＜p≤P)进行2πM的相位补偿；
S6：计算多普勒频偏估计值f：
进一步的，步骤S3中，自相关函数R(m)为：
其中，N′(m)为自相关后加性高斯白噪声，N为自相关函数长度。
进一步的，步骤S5.2中，最大相位点数cntmax具体为：
其中，fs为采样频率；fdmax为系统最大多普勒频偏。
进一步的，所述频偏估计方法应用于无线通信的接发收系统中，所述接发收系统包括：发射端、接收端与信道；发射端包括：星座映射模块与加载波发送模块，信道为高斯白噪声信道，接收端包括：去载波模块、星座逆映射模块、求相关模块、相位累加模块、相位补偿模块、判决模块与矫正模块；所述去载波模块执行步骤S1，所述星座逆映射模块执行步骤S2，所述求相关模块执行步骤S3，所述相位累加模块执行步骤S4，所述相位补偿模块执行步骤S5.1、S5.2、S5.3、S5.5，所述判决模块与矫正模块执行步骤S5.4。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法，能够解决传统时域频偏估计方法估计范围与估计精度无法统一的问题；本发明针对传统时域频偏估计方法出现的相位翻转情况进行补偿，使得时域频偏估计方法不再局限于估计范围，且在高信噪比下的估计精度逼近CRLB。然而，由于在信噪比较低时会出现补偿过多的情况，使得计算出的频率极大或极小，导致在低信噪比情况下估计精度会出现门限的情况，门限以下性能会急速恶化；针对此问题，本发明利用系统中的速度参数，对相位补偿进行判决，能够解决补偿过多的问题；同时，通过相位累加模块能够将多点能量累加在一起，在低信噪比条件下具有良好的估计性能，符合预期效果；综上所述，本发明能够实现低信噪比、高动态和高估计精度的频偏估计。
附图说明
图1为本发明中适合高动态低信噪比的频偏估计方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中相位过补偿与正确补偿的测试结果图。
图3为本发明实施例中时域算法自相关函数长度与估计误差的测试结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法，所述频偏估计方法应用于无线通信的接发收系统中，如图1所示；所述接发收系统包括：发射端、接收端与信道；发射端包括：星座映射模块与加载波发送模块，信道为高斯白噪声信道，接收端包括：去载波模块、星座逆映射模块、相位累加模块、求相关模块、相位补偿模块、判决模块与矫正模块。
发射端上电时，执行以下步骤：
产生系统载波频率fc＝60GHz，最大运动速度Vmax＝20马赫；
接收端开始工作时，去载波模块执行以下步骤：
S1：采样后接收信号表示为：
其中，r(k)为接收信号，c(k)为调制符号，fd为载波频偏值，T为符号间隔(T＝1/(10MHz))，θ为初始相位，N(k)为离散化后的加性高斯白噪声，L为导频序列长度，j为虚数单位；
针对接收信号，星座逆映射模块执行以下步骤：
S2：PSK调制系统中满足表示c(k)的共轭)，对接收信号进行星座逆映射消除导频调制信息后信号为：
其中，z(k)为消除导频调制信息后的接收信号；
去调制信息后的信号输入求相关模块后，求相关模块执行以下步骤：
S3.1：计算消除导频调制信息后的接收信号的自相关函数为：
其中，R(m)为自相关函数，N为自相关函数长度；
上式可带入z(k)表达式求得自相关函数R(m)(包含频偏信息)的另一种表达式：
其中，N′(m)为相关后的加性高斯白噪声；
S3.2：对自相关函数求相位，得到自相关函数中每一点的相位：
A(m)＝arg(R(m))
其中，arg为求相位符号；
求得相位信息后，相位累加模块执行以下步骤：
S4：将自相关函数中每n点相位进行累加，得到合并后的相位：
其中，n为累加点数，在高信噪比系统下令n＝1；
对合并后的相位进行补偿，相位补偿模块执行以下步骤：
S5.1：给定初始矫正相位Q(1)＝A′(1)；
S5.2：计算相位不会发生翻转的最大相位点数cntmax，进而设置判决点cnt＝cntmax-2；最大相位点数cntmax具体为：
其中，fs为采样频率；fdmax为系统最大多普勒频偏：fdmax＝(Vmax×fc)/c，c为光速；
S5.3：对合并后的相位中判决点cnt及其前的每个点(即1≤p≤cnt)进行2πM的相位补偿，M的计算如下：
Q(p)＝A′(p)+2πM
再对补偿进行判决，判决模块执行以下步骤：
S5.4：计算判决点cnt及其前的所有点的频偏fbk：
若频偏fbk未超过系统最大多普勒频偏fdmax，则Q(1:p)不变；否则，矫正模块执行：Q(1:p)＝A′(1:p)；Q(1:p)表示第1至第p点的矫正相位，A′(1:p)表示第1至第p点的合并后相位；
经判决后，相位补偿模块继续执行以下步骤：
S5.5：对合并后的相位中判决点cnt后每个点(即cnt＜p≤P)进行2πM的相位补偿，M的计算过程与步骤S5.3相同；
完成所有点的相位补偿后，相位补偿模块执行以下步骤：
S6：计算系统的多普勒频偏估计f：
基于本实施例中频偏估计方法，能够解决时域频偏估计方法估计范围与估计精度无法统一的问题；本实施例针对其出现的相位翻转情况进行补偿，使得时域频偏估计方法不再局限于估计范围，且在高信噪比下的估计精度逼近CRLB；但在低信噪比情况下估计精度会出现门限的情况，门限以下性能会急速恶化，这是由于在信噪比较低时会出现补偿过多的情况，使得计算出的频率极大或极小；在此基础上，本实施例利用系统中的速度参数，对相位补偿进行判决，能够解决补偿过多的问题；同时，通过相位累加模块能够将多点能量累加在一起，在低信噪比条件下具有良好的估计性能，符合预期效果；本实施例中相位过补偿与正确补偿的测试结果图如图2所示，时域算法自相关函数长度与估计误差的测试结果图如图3所示；由图可见，本实施例能够实现低信噪比、高动态和高估计精度的频偏估计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采样得到接收信号r(k)：
其中，c(k)为调制符号，fd为载波频偏值，T为符号间隔，θ为初始相位，N(k)为离散化后的加性高斯白噪声，L为导频序列长度，j为虚数单位；
S2：对接收信号r(k)进行星座逆映射，得到消除导频调制信息后接收信号z(k)：
S3：计算接收信号z(k)的自相关函数R(m)，并对自相关函数R(m)求相位，得到自相关函数中每一点的相位A(m)；自相关函数R(m)为：
其中，N′(m)为自相关后加性高斯白噪声，N为自相关函数长度；
S4：将自相关函数中每n点相位进行累加，得到合并后相位A′(p)：
其中，n为累加点数；
S5：对合并后相位进行补偿，具体过程为：
S5.1：给定初始矫正相位Q(1)＝A′(1)；
S5.2：计算相位不会发生翻转的最大相位点数cntmax，进而设置判决点cnt＝cntmax-2；最大相位点数cntmax具体为：
其中，fs为采样频率；fdmax为系统最大多普勒频偏；
S5.3：对合并后相位中判决点cnt及其前的每个点(即1≤p≤cnt)进行2πM的相位补偿，M为：
Q(p)＝A′(p)+2πM
其中，Q(p)为矫正相位；
S5.4：计算判决点cnt及其前的所有点的频偏fbk：
若频偏fbk未超过系统最大多普勒频偏fdmax，则Q(1:p)不变；否则，执行：Q(1:p)＝A′(1:p)；
S5.5：对合并后相位中判决点cnt后每个点(即cnt＜p≤P)进行2πM的相位补偿；
S6：计算多普勒频偏估计值f：
2.按权利要求1所述适合高动态低信噪比的频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计方法应用于无线通信的接发收系统中，所述接发收系统包括：发射端、接收端与信道；发射端包括：星座映射模块与加载波发送模块，信道为高斯白噪声信道，接收端包括：去载波模块、星座逆映射模块、求相关模块、相位累加模块、相位补偿模块、判决模块与矫正模块；所述去载波模块执行步骤S1，所述星座逆映射模块执行步骤S2，所述求相关模块执行步骤S3，所述相位累加模块执行步骤S4，所述相位补偿模块执行步骤S5.1、S5.2、S5.3、S5.5，所述判决模块与矫正模块执行步骤S5.4。
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