CN116827743A - 一种高精度抗干扰频偏估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度抗干扰频偏估计方法及系统，属于无线通信技术领域，解决了现有技术中突发式传输自组织网络通信系统无法使用一段时间内的平滑处理来解决窄带干扰信号引起的频偏测量误差问题。一种高精度抗干扰频偏估计方法及系统，包括：获取传输帧的控制符号，对其数据部分解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息；子载波信息包括参考子载波信息和数据子载波信息；对各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理；对归一化后的子载波相位信息做数据期望，得到各OFDM符号间的相位差；根据相位差计算得到所述传输帧的频偏值。实现了突发式传输自组织网络在受到窄带干扰时仍然可以正确的进行频偏估计且性能良好的效果。

Description

一种高精度抗干扰频偏估计方法及系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种高精度抗干扰频偏估计方法及系统。

背景技术

在复杂电磁环境下进行无线通信时，会经常遇到干扰问题，尤其是窄带突发干扰信号，例如对讲机、遥控器、扫频干扰机等对于自组织网络都是窄带突发干扰信号。

对于自组织网络来说一个重要的功能特点就是在移动过程中灵活组网，无线信号在移动过程中发产生多普勒频偏，多普勒频偏过大，会导致无线信号无法正常通信。

传统的移动通信网都是同步通信网络，对于窄带突发干扰信号引起的频偏测量误差，通常是通过在一段时间内做平滑处理，以保证频偏的测量误差在系统的允许范围之内。而自组织网络通信系统是一种突发式传输系统，无法使用一段时间内的平滑处理来解决窄带干扰信号引起的频偏测量误差问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种高精度抗干扰频偏估计方法及系统，用以解决现有自组织网络在受到窄带干扰时，无法正确计算频偏值的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种高精度抗干扰频偏估计方法，包括如下步骤：

获取传输帧的控制符号，对其数据部分解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息；所述子载波信息包括参考子载波信息和数据子载波信息；

对所述每一OFDM符号的各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理；

对所述归一化后的每一OFDM符号的子载波相位信息做数据期望运算，得到各OFDM符号间的相位差；

根据所述相位差计算得到所述传输帧的频偏值。

进一步的，所述控制符号的数据部分为OFDM符号；所述控制符号中包括2-4个OFDM符号。

进一步的，对所有OFDM符号进行快速傅立叶变换解调得到每一OFDM符号的所述参考子载波信息和数据子载波信息。

进一步的，所述参考子载波信息和数据子载波信息均为使用正交相移键控调制后的信息；对所述子载波信息分别进行相位旋转，包括：对所有所述子载波信息进行45度的相位旋转，其公式为；

y(k,i)＝x(k,i)*exp(j*A)

其中，y(k,i)为相位旋转后子载波信息；x(k,i)为相位旋转前子载波信息；j为虚数；A为相位旋转角度；k表示控制符号中第k个OFDM符号，1≤k≤K；K为控制符号中OFDM符号个数，2≤K≤4；i表示OFDM符号中第i个子载波，1≤i≤n；n为每个OFDM符号中子载波的数量。

进一步的，所述将每一子载波的相位信息做归一化处理，包括：对相位旋转后的各子载波信息，分别进行两次自相乘运算，使各子载波的相位信息均归为1。

进一步的，所述对所述归一化后的每一OFDM符号的子载波相位信息做数据期望运算，包括：

对两次自相乘运算后的每一OFDM符号的各子载波相位信息进行低通滤波；

对所述低通滤波后的每一OFDM符号的所有子载波相位信息做数据期望运算，得到各OFDM符号的子载波相位信息的数据期望。

进一步的，所述得到各OFDM符号间的相位差，包括，根据所述各OFDM符号的子载波相位信息的数据期望，使用如下公式得到两个相邻OFDM符号间的相位差：

△θ＝(Eθ1-Eθk)/(k-1)

其中，Eθ1为第一个OFDM符号的子载波相位信息的数据期望；Eθk为第k个OFDM符号的子载波相位信息的数据期望。

进一步的，所述根据所述相位差计算频偏值，其公式为：

cfo＝△θ*Fs/(4*2π*N)

其中，cfo为频偏值，△θ为两个相邻OFDM符号的相位差，Fs为采样率，N为采样点数。

第二方面，本发明实施例提供了一种高精度抗干扰频偏估计系统，包括：

信号接收模块，用于接收网络传输信号；

符号相位运算模块，用于对接收的传输帧控制信号的数据部分进行解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息，以及用于对所述每一OFDM符号的的各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理；

低通滤波模块，用于对各OFDM符号的所有子载波的相位信息进行低通滤波；

频偏估计模块，用于计算各OFDM符号之间的相位差，并根据所述相位差计算频偏值。

进一步的，在符号相位运算模块中，对各OFDM符号的参考子载波和数据子载波分别进行两次自相乘运算，以对每一子载波的相位信息做归一化处理。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、使用参考子载波与数据子载波同时参与运算，相对于仅使用参考子载波计算频偏值，子载波数量多了3倍(每个OFDM符号的数据子载波数量是参考子载波数量的3倍)，使得频偏计算精度更高，提高频偏估计的计算精度。

2、由于载波数量决定滤波器阶数，滤波器阶数越高滤波效果越好，抗干扰能力越强。本发明同时使用参考子载波与数据子载波，相对于仅使用参考子载波滤波效果差，无法消除或减弱窄带干扰信号，本发明的子载波数量多，使用低通滤波器滤波效果好，抗干扰能力强。在加入窄带干扰信号的情况下，仍然可以正确的进行频偏计算。

3、使用45度相位旋转以及对子载波信号进行自相乘运算，以实现对参考子载波以及数据子载波均能进行相位差计算，解决了共轭乘运算仅能对参考子载波进行相位差计算的问题。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为突发式传输自组织网络通信系统使用的帧格式；

图2为OFDM符号定义图；

图3为参考子载波和数据子载波在OFDM符号上的映射；

图4为QPSK调制的星座图；

图5为一种高精度抗干扰频偏估计计算方法的流程图；

图6为一种高精度抗干扰频偏估计计算系统模块图；

图7为输入信号在无窄带干扰信号情况下相位信息；

图8为对图7信号进行低通滤波后相位信息；

图9为输入信号加入窄带干扰信号情况下相位信息；

图10为对图9信号进行低通滤波后相位信息。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

突发式传输自组织网络通信系统，使用的帧格式如图1所示。其中，同步头主要用于每一个突发帧传输的同步过程，控制符号用于传输每一个突发帧的控制信息，数据符号用于传输每一个突发帧的业务数据信息。

控制符号通常为2～4个OFDM符号，具体OFDM符号个数由同步头指示；数据符号个数范围较大，与具体的业务数据量有关，具体OFDM符号个数由控制符号详细指示。

每个OFDM符号具体定义如图2所示，OFDM符号用于输出调制信号，分为128码片的CP部分和1024码片的数据部分。其中CP部分的128码片与数据部分最后128码片相同，为循环前缀。OFDM即正交频分复用技术，是多载波传输方案的实现方式之一，其调制和解调分别是基于快速傅立叶逆变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)技术来实现的。

具体的参考子载波和数据子载波在OFDM符号上的映射如图3所示。OFDM符号的参考子载波和数据子载波都是使用的QPSK调制方式，其调制方式的星座图如图4所示。因此，具体映射为：00→(1+i)，01→(1-i)，10→(-1+i)，11→(-1-i)。

OFDM符号在进行解调运算是使用快速傅立叶变换(FFT)运算，OFDM符号中的子载波信息经过快速傅立叶变换(FFT)运算后，每个OFDM符号会产生一个相位上偏移量θ。每两个相邻的OFDM符号产生的相位差为Δθ＝2π*cfo*N/Fs，其中，cfo表示频偏值，Fs表示采样率，N为一个符号采样点数。

参考子载波的原始调制信息是已知的，一种计算频偏的方法是通过把接收参考子载波与参考子载波的原始调制信息进行共轭乘运算，这样就可以得到每个参考子载波相对原始调制信息的相位差。分别对各OFDM符号内所有参考子载波求数据期望，进而计算出相邻OFDM符号的相位差，根据相位差公式，计算频偏值cfo。

运用上述技术方案对信噪比为20、频偏为1kHz的信号，进行频偏计算，最大频偏计算误差大概在50Hz左右，频偏值的测量结果可以说非常理想。但如果在信号中加入带宽为800kHz、干信比为2的窄带干扰信号后，运用上述技术方案进行频偏计算，最大频偏计算误差大概在500Hz左右，由于参考子载波数量少，无法使用低通滤波去除干扰，既无法消除频偏计算的误差，其计算结果偏差完全不可以使用，同时抗干扰能力差。

因此，为了解决上述频偏计算误差大以及抗干扰能力差的问题，本发明的一个具体实施例，提供了一种高精度抗干扰频偏估计方法，其流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、获取传输帧的控制符号，对其数据部分解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息；

具体的，所述控制符号的数据部分为OFDM符号；所述控制符号中包括2-4个OFDM符号。

可选的，对所有OFDM符号进行快速傅立叶变换解调得到所述子载波信息。

进一步的，所述子载波信息包括参考子载波信息和数据子载波信息。示例性的，OFDM符号包括1个参考子载波和3个数据子载波。

示例性的，所述参考子载波信息和数据子载波信息均为使用正交相移键控(QPSK)调制后的信息，具体映射关系为00→(1+i)，01→(1-i)，10→(-1+i)，11→(-1-i)。

步骤2、对所述每一OFDM符号的各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理。

具体的，对所有所述子载波信息进行45度的相位旋转，其公式为；

y(k,i)＝x(k,i)*exp(j*A)

其中，y(k,i)为相位旋转后子载波信息；x(k,i)为相位旋转前子载波信息；j为虚数；A为相位旋转角度，为45度；k表示OFDM符号中第k个OFDM符号，1≤k≤K；K为控制符号中OFDM符号个数，2≤K≤4；i表示OFDM符号中第i个子载波，1≤i≤n；n为每个OFDM符号中子载波信息(包括参考子载波和数据子载波)的数量。

示例性的，45度相位旋转后的子载波信息具体映射为：00→(1)，01→(-i)，10→(+i)，11→(-1)。

进一步的，对相位旋转后的各子载波信息，分别进行两次自相乘运算，使各子载波的相位信息均归为1。

示例性的，对相位旋转后的各子载波信息进行第一次自相乘运算，运算后，信息00→(1)经过运算结果仍为1，信息01→(-i)经过运算结果变为-1，信息10→(+i)经过运算结果变为-1，信息11→(-1)经过运算结果变为1。

进一步的，对上述结果进行第二次自相乘运算后，信息00→(1)经过运算结果仍为1，信息01→(-1)经过运算结果变为1，信息10→(-1)经过运算结果变为1，信息11→(1)经过运算结果仍为1。

步骤3、对所述归一化后的每一OFDM符号的子载波相位信息做数据期望运算，得到各OFDM符号间的相位差。

具体的，经过归一化处理后的QPSK调制信息全部都转化为1，因此接收到的所有子载波(包括参考子载波和数据子载波)剩余的相位信息即为每个子载波相对原始信息发生的相位偏移，记为θ(k,i)；其中k为控制符号中第k个OFDM符号，1≤k≤K；K为控制符号中OFDM符号个数，2≤K≤4；i为OFDM符号中第i个子载波，1≤i≤n；n为OFDM符号中子载波的数量。

进一步的，对归一化后的每一OFDM符号的子载波相位信息θ(k,i)做低通滤波，即分别对θ(1,1)、θ(1,2)…θ(1,i)、θ(2,1)、θ(2,2)…θ(2,i)…θ(k,n)进行低通滤波运算，这一步骤可以去除干扰，提高频偏估计的计算精度。

具体的，低通滤波器的阶数对于滤波效果有明显的影响，阶数越高，滤波效果越好，抗干扰能力越强。低通滤波器的阶数是由使用的载波数量决定的，载波数量越多，滤波器阶数越高。仅使用参考子载波，滤波器阶数低，滤波效果差，无法消除或减轻窄带干扰信号。同时使用参考子载波与数据子载波，载波数量多，使用低通滤波器滤波效果好，可以消除或减轻窄带干扰信号，在保证频偏估计精度的基础还，增加了其抗干扰的能力。进一步的，对低通滤波后的每一OFDM符号的子载波相位信息进行数据期望运算得到各OFDM符号的子载波相位信息的数据期望Eθ1,Eθ2…Eθk；

进一步的，根据计算得到的各OFDM符号的子载波相位信息的数据期望，可以使用下述公式计算出两个相邻的OFDM符号产生的相位差：

△θ＝(Eθ1-Eθk)/(k-1)

其中，Eθ1为第一个OFDM符号的子载波相位信息的数据期望；Eθk为第k个OFDM符号的子载波相位信息的数据期望。

步骤4、根据所述相位差计算得到所述传输帧的频偏值，其公式为：

cfo＝△θ*Fs/(4*2π*N)

其中，cfo为频偏值，△θ为两个相邻OFDM符号的相位差，Fs为采样率，N为采样点数。

在上述计算过程中，因为同时使用了参考子载波和数据子载波对相位信息进行计算，相比较现有计算方法只使用参考子载波进行相位信息进行计算，使用的子载波数量多了3倍(每个OFDM符号的数据子载波数量是参考子载波数量的3倍)。参与运算的子载波数量越多，频偏计算的精度越高。

使用45度相位旋转以及对子载波信号进行自相乘运算，以实现对参考子载波以及数据子载波均能进行相位差计算，解决了现有计算方法中使用共轭乘运算仅能对参考子载波进行相位差计算的问题。

本实施例还提供一种高精度抗干扰频偏估计系统，如图6所示，该系统具体包括：

信号接收模块601，用于接收网络传输信号。

符号相位运算模块602，用于对接收的传输帧控制信号的数据部分进行解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息，以及用于对所述每一OFDM符号的的各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理。

低通滤波模块603，用于对各OFDM符号的所有子载波信号的相位信息进行低通滤波。

频偏估计模块604，用于计算各OFDM符号之间的相位差，并根据所述相位差计算频偏值。

具体的，在符号相位运算模块中，对各OFDM符号的参考子载波和数据子载波分别进行两次自相乘运算，以对每一子载波的相位信息做归一化处理。

本发明的另一个具体实施例，输入信号为信噪比为1、频偏为1kHz的信号，无窄带干扰信号的情况下，对输入信号进行上述相位旋转到归一化处理运算后，得到OFDM符号的所有相位信息θ(k,n)，对OFDM符号1、2的相位信息进行画图，其中下面的曲线为OFDM符号1，上面的曲线为OFDM符号2，如图7所示。

再对所有OFDM符号的子载波相位信息θ(k,n)进行低通滤波处理后的OFDM符号1、2相位信息进行画图，其中下面的曲线为OFDM符号1，上面的曲线为OFDM符号2，如图8所示。

从图7以及图8中可以看出，在低通滤波处理之前，相位差信息受噪声影响，波动非常剧烈，取其中少量的参考子载波进行相位差计算的话可能产生较大误差。在对所有子载波相位信息(包括参考子载波和数据子载波)进行低通滤波处理之后，可以看相对比较明显的、稳定的相位差信息，由此可见本发明中的技术方案在低信噪比的情况下，性能明显优于仅使用参考子载波进行频偏计算的方法。本发明的另一个具体实施例，输入信号为信噪比为20、频偏为1kHz的信号，在信号中加入带宽为800kHz、干信比为2的窄带干扰信号，对加入窄带干扰的输入信号进行相位旋转到归一化处理运算后，得到OFDM符号的所有相位信息θ(k,n)，对OFDM符号1、2的相位信息进行画图，其中下面的曲线为OFDM符号1，上面的曲线为OFDM符号2，如图8所示。

由图9可以看出在1-20子载波位置，相位信息受到了窄带干扰的强烈干扰，已经无法进行正确的相位差信息计算了。

再对所有OFDM符号的子载波相位信息θ(k,n)进行低通滤波处理后的OFDM符号1、2相位信息进行画图，其中下面的曲线为OFDM符号1，上面的曲线为OFDM符号2，如图10所示。

可以看出，在对所有子载波相位信息进行低通滤波处理之后，也可以看相对比较明显的、稳定的相位差信息，由此可见本发明中的技术方案在受到窄带干扰的情况下，仍然可以进行正确的频偏计算，性能明显优于仅使用参考子载波进行频偏计算的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度抗干扰频偏估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取传输帧的控制符号，对其数据部分解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息；所述子载波信息包括参考子载波信息和数据子载波信息；

对所述每一OFDM符号的各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理；

对所述归一化后的每一OFDM符号的子载波相位信息做数据期望运算，得到各OFDM符号间的相位差；

根据所述相位差计算得到所述传输帧的频偏值。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述控制符号的数据部分为OFDM符号；所述控制符号中包括2-4个OFDM符号。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，对所有OFDM符号进行快速傅立叶变换解调得到每一OFDM符号的所述参考子载波信息和数据子载波信息。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述参考子载波信息和数据子载波信息均为使用正交相移键控调制后的信息；对所述子载波信息分别进行相位旋转，包括：对所有所述子载波信息进行45度的相位旋转，其公式为；

y(k,i)＝x(k,i)*exp(j*A)

其中，y(k,i)为相位旋转后子载波信息；x(k,i)为相位旋转前子载波信息；j为虚数；A为相位旋转角度；k表示控制符号中第k个OFDM符号，1≤k≤K；K为控制符号中OFDM符号个数，2≤K≤4；i表示OFDM符号中第i个子载波，1≤i≤n；n为每个OFDM符号中子载波的数量。

5.根据权利要求1或4所述方法，其特征在于，所述将每一子载波的相位信息做归一化处理，包括：对相位旋转后的各子载波信息，分别进行两次自相乘运算，使各子载波的相位信息均归为1。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述对所述归一化后的每一OFDM符号的子载波相位信息做数据期望运算，包括：

对两次自相乘运算后的每一OFDM符号的各子载波相位信息进行低通滤波；

对所述低通滤波后的每一OFDM符号的所有子载波相位信息做数据期望运算，得到各OFDM符号的子载波相位信息的数据期望。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述得到各OFDM符号间的相位差，包括，根据所述各OFDM符号的子载波相位信息的数据期望，使用如下公式得到两个相邻OFDM符号间的相位差：

△θ＝(Eθ1-Eθk)/(k-1)

其中，Eθ1为第一个OFDM符号的子载波相位信息的数据期望；Eθk为第k个OFDM符号的子载波相位信息的数据期望。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述相位差计算频偏值，其公式为：

cfo＝△θ*Fs/(4*2π*N)

其中，cfo为频偏值，△θ为两个相邻OFDM符号的相位差，Fs为采样率，N为采样点数。

9.一种高精度抗干扰频偏估计系统，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收网络传输信号；

符号相位运算模块，用于对接收的传输帧控制信号的数据部分进行解调得到每一OFDM符号对应的子载波信息，以及用于对所述每一OFDM符号的的各子载波信息分别进行相位旋转后，对每一子载波的相位信息做归一化处理；

低通滤波模块，用于对各OFDM符号的所有子载波的相位信息进行低通滤波；

频偏估计模块，用于计算各OFDM符号之间的相位差，并根据所述相位差计算频偏值。

10.根据权利要求9所述的高精度抗干扰频偏估计计算系统，其特征在于，在符号相位运算模块中，对各OFDM符号的参考子载波和数据子载波分别进行两次自相乘运算，以对每一子载波的相位信息做归一化处理。