CN1937607A

CN1937607A - 一种快速、高精度的多普勒频偏估计方法

Info

Publication number: CN1937607A
Application number: CN 200610113795
Authority: CN
Inventors: 王海婴; 李欣; 蔡刚
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: CN1937607B

Abstract

一种用于移动通信系统的快速、高精度的多普勒频偏估计方法，是利用未经调制的导频f_dop与其他副载波频率相比较，前者能量高的区别，先后采用两次CZT变换：先进行频偏粗估计，再进行频偏精估计，并通过粗、细两次频偏估计的有机结合：在求得的粗估计导频值f_dop1的基础上，缩小频偏精估计的搜索范围，提高频率分辨率，以便在不增加运算量的前提下，获得更高的估计精度，实现精度高、效率高、估计范围大的频偏估计。通过CZT变换的快速算法，可大大缩短频偏估计时间，进一步提高频域检测范围和频率分辨率，获得更高的频偏估计精度。本发明是一种实用性很强的频偏估计方法，可结合应用于相应的移动通信系统中，对任意大小的多普勒频偏实现高效、高精度的估计。

Description

一种快速、高精度的多普勒频偏估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于导频信号的多普勒频偏估计方法，特别是指一种估计范围大、精度高、计算速度快、且估计精度可根据需要进行任意调整的频偏估计方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

移动通信系统所涉及的信道通常为多径时变衰落信道，其接收信号的幅度和相位都会随时间发生随机变化。通常，采用衰落信道的多普勒频偏来反映移动通信传输信道的参数变化的快慢，移动终端的移动速度越快，多普勒频偏越大，信道参数变化越快。在此情况下，为实现移动通信系统中信号的相干接收，需要插入带有确知信息的导频(pilot)信号，通过对导频信号的接收，有效地估计出多普勒频偏，并根据多普勒频偏来动态地调整系统参数，实现频率同步，从而获得最优的接收性能。

在对系统进行频率同步时，多普勒频偏估计精度的高低和估计时间的长短将直接影响到系统的同步性能。现有技术的基于导频的频率同步方法一般是将频率粗估计和频率精估计分开进行处理。由于基于导频的频率粗估计同步算法，其处理后的残留频偏不能满足频偏估计精度的要求，需要进一步的精同步处理；基于导频的频率精估计同步算法，虽然能够满足频偏估计精度的要求，但无法满足频偏估计范围的要求；若要实现估计范围的扩大，则随之而来的运算量的增加，将无法满足实际系统的应用。若将现有技术的频率粗估计和频率精估计两种方法直接联合使用，则同样会大大增加同步时间，无法获得实用价值。因此，如何尽快研究和实现一种既满足频偏估计范围要求、又满足频率精度和同步时间两个方面实用要求的频偏估计方法，已经成为业内技术人员急需解决的一项重要和热门课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于移动通信系统的快速、高精度的多普勒频偏估计方法，该基于导频f_dop(多普勒频率)的频偏估计方法能够灵活、方便、有效地扩大频偏搜索范围，同时提高频偏估计的精度、减小频偏估计所需时间，从而保证系统的实时接收性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于移动通信系统的快速、高精度的多普勒频偏估计方法，其特征在于：利用未经调制的导频f_dop与其他副载波频率相比较，前者能量高的区别，先后采用两次线性调频Z变换(即CZT变换)：先进行频偏粗估计，再进行频偏精估计，并通过粗、细两次频偏估计的有机结合：在求得的粗估计导频值f_dop1基础上，缩小频偏精估计的搜索范围，提高频率分辨率，以便在不增加运算量的前提下，获得更高的估计精度，实现精度高、效率高、估计范围大的频偏估计。

所述方法包括下列操作步骤：

(1)设置初始参数：先根据导频f_dop值和系统最大可能发生的频偏值f_dopm，设置频偏估计范围，即确定频偏估计范围的起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1；还分别设置第一次频偏估计、即粗估计的频率分辨率f_d1和第二次频偏估计、即精估计的频率分辨率f_d2，后者即为系统最终实现的频偏估计精度；再设置第二次CZT变换的输出序列点数M₂；

(2)导频粗估计：根据粗估计的频率分辨率f_d1、起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1的数值，确定第一次CZT变换的输出序列点数M₁；再对输入信号x(n)进行M₁点输出的CZT变换频谱分析，确定输出序列最大功率所对应的频率点f_dop1，即导频粗估计的频率值；

(3)导频精估计：根据导频粗估计所得到的导频频率f_dop1、精估计的频率分辨率f_d2和第二次CZT变换的输出序列点数M₂，确定导频精估计的频偏估计范围的起始频率点f_start2和结束频率点f_stop2；再对输入信号x(n)进行M₂点输出的CZT变换谱分析，确定输出序列最大功率值点所对应的频率值f_dop2，即导频精估计的频率值；

(4)多普勒频偏估计：由导频精估计的频率值f_dop2与导频频率f_dop相减所得到的差，即为多普勒频偏值Δf；该系统频偏估计的最终精度取决于第二次频偏估计，即精估计的频率分辨率f_d2。

所述步骤(1)初始参数可以设置为：两次CZT变换输出的点数M₁和M₂、粗估计的频率分辨率f_d1和精估计的频率分辨率f_d2，再计算M₁×f_d1的乘积，并结合导频f_dop确定频偏估计范围的起始频率f_start1和结束频率f_stop1，导频f_dop应处于f_start1和f_stop1的中点；如果在设置初始参数时直接给定M₁和M₂的数值，能够预先确定频偏估计运算量的大小。

所述步骤(1)中初始参数的设置是根据系统能够承载的运算量、系统最大可能发生的频偏值f_dopm以及欲达到的估计精度进行综合考虑而确定的，且必须满足下述要求：(f_stop1-f_start1)/2＞系统最大可能的频偏值f_dopm。

所述步骤(1)中频偏估计范围的起始频率点f_stop1和结束频率点f_start1的数值决定了系统频偏估计范围的大小，可分别设置不同的f_stop1、f_start1和f_d1的数值，在频偏估计范围和第一次CZT变换的运算量之间进行调整。

当频偏估计范围、即f_stop1和f_start1已经设定时，提高或降低粗估计的精度f_d1，即减小或增大f_d1的值，将增大或减小第一次CZT变换的运算点数M₁，从而增加或减小系统的运算量；即M₁、M₂的取值变化将直接影响到系统的运算量，进而影响频偏估计的时间长短；因此通过设置相对大的f_d1值，使得在保证大的频偏估计范围的前提下不增加M₁的值，以不增加运算量；通过设置相对小的M₂和小的频偏精估计范围，在不增加运算量的前提下，保证有高的系统频偏估计精度。

所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)根据频率分辨率f_d1、起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1的值，计算(f_stop1-f_start1)/f_d1的值并上取正，用作第一次CZT变换的输出序列点数M₁；

(22)对输入信号x(n)按起始频率f_start1和结束频率f_stop1进行M₁点输出的CZT变换频谱分析；

(23)求解M₁点输出频谱对应的功率谱，求出功率最大值点对应的频率，即为粗估计导频频率值f_dop1。

所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)以步骤(2)所得到的导频粗估计值f_dop1为中心，计算M₂×f_d2的乘积，用于确定导频精估计的频率估计范围：起始频率f_start2和结束频率f_stop2；

(32)对输入信号x(n)按起始频率f_start2和结束频率f_stop2进行M₂点输出的CZT变换频谱分析；

(33)求解M₂点输出频谱对应的功率谱，求出功率最大值点对应的频率，即为精估计导频频率值f_dop2。

本发明是一种灵活、高效、范围大、精度高的多普勒频偏估计方法，其优点是：充分利用CZT变换所具有的可针对特定频率区间进行频率细化分析的特性，将频偏粗估计和精估计两种处理方法有机地结合在一起，其中先求得的粗估计导频值f_dop1为下一步精估计频偏的搜索指明了目标，可以缩小频率精估计的搜索范围，提高频率分辨率，从而在不增加运算量的前提下，同时兼顾了频偏估计精度和频偏估计范围；也就是在不增加运算量的前提下，获得更高的频偏估计精度，还扩大了频偏估计范围。另外，通过结合采用CZT变换的快速算法来实现相应的运算，可大大缩短频偏估计时间，进而可以进一步提高频域检测范围和频率分辨率，获得更高的频偏估计精度。所以，本发明是一种实用性很强的频偏估计方法，可用于相应的移动通信系统中，对多普勒频偏实现高效、高精度的估计。

附图说明

图1是本发明频偏估计方法流程图。

图2是本发明频偏粗估计和频偏精估计的频率分辨率示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种主要应用于移动系统中的进行快速、高精度的多普勒频偏估计的方法，它是根据导频信号的确定性特征，利用未经调制的导频f_dop与其他副载波频率相比较，前者能量高的区别，先后采用两次CZT变换：先进行频偏粗估计，再进行频偏精估计，并将该两次频偏估计有机地结合在一起：在求得的粗估计导频值f_dop1的基础上，缩小频偏精估计的搜索范围，提高频率分辨率，以便在不增加运算量的前提下，获得更高的估计精度，实现精度高、效率高、估计范围大的多普勒频偏估计。

参见图1和图2，具体介绍本发明的主要操作步骤：

(1)设置系统初始参数：根据应用系统的具体物理特性和实际参数来设定初始参数。例如：先根据系统最大可能发生的频偏值f_dopm和导频f_dop值，设置频偏估计范围的起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1，其中f_start1≤f_dop-f_dopm，f_stop1≥f_dop+f_dopm；且起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1两个频率之间的范围[f_dop-f_dopm，f_dop+f_dopm]将作为粗估计的频偏搜索范围，它也是整个系统的频偏估计范围。然后根据系统整体运算量的承受能力来设置第一次频偏估计(即粗估计)的频率分辨率f_d1，这样粗估计时，CZT变换输出的序列点数M₁＝(f_stop1-f_start1)/f_d1，M₁的取值决定了粗估计的运算量。再根据系统所需要的频偏估计精度，设置第二次频偏估计(即精估计)的频率分辨率f_d2，它将决定系统最终实现的频偏估计精度；最后，根据系统运算量的要求，设置精估计时CZT变换输出序列点数M₂。

(2)导频粗估计：根据对输入信号能量谱的分析来估计导频频率。对输入信号x(n)进行M₁点输出的CZT变换频谱进行分析，由于是求信号频谱，因此这里是在单位园上计算信号的CZT变换，CZT变换的起始角频率值由频偏估计范围的起始频率点f_start1确定。

其中CZT变换的Matlab语言的实现步骤如下：

输入信号x(i)经过CZT变换后的频谱计算公式为：

式中，序号i＝0，1，...，N-1；j＝0，1，...，M-1；，

其中(j，i)和θ(1，i)为CZT变换矩阵，并且：

(j，i)＝exp(-j×2π×f_diff×i×j/f_s)，式中，序号i＝0，1，...，N-1；j＝0，1，...，M-1；

θ(1，i)＝exp(-j×2π×f_start×i/f_s)，式中，序号i＝0，1，...，N-1；

上述式中N为输入序列x(i)的点数，M为CZT变换输出的序列点数，f_diff为频率分辨率，f_start为进行频谱分析的起始频率，f_s为信号采样频率。

对所得频谱pwr(1，j)中的各项取模，得到各个点的功率值，确定输出序列最大功率所对应的频率点f_dop1，即为导频粗估计频率值。

(3)导频精估计：根据粗估计所得到的导频频率f_dop1、频率分辨率f_d2及第二次CZT变换输出序列点数M₂，确定导频精估计的频偏估计范围。如图2所示，导频精估计的起始频率f_start2＝f_dop1-(M₂/2)×f_d2，结束频率f_stop2＝f_dop1+(M₂/2)×f_d2。

对输入信号x(n)进行M₂点输出的CZT变换谱分析；确定输出序列最大功率值点所对应的频率值f_dop2，即为导频精估计频率值。

(4)多普勒频偏计算：由导频精估计频率值f_dop2与导频频率f_dop相减所得到的差，即为所求解的多普勒频偏值Δf；该系统频偏估计的最终精度取决于第二次频偏估计，即精估计的频率分辨率f_d2。

需要说明的是：本发明实现方法中，频率f_stop1和f_start1的值决定了系统可实现的频偏估计的范围，可以通过设置不同的f_stop1、f_start1和f_d1在频偏估计范围和第一次CZT变换的运算量之间进行调整。例如：设定频偏估计范围时，即设定f_stop1和f_start1时，提高(降低)粗估计的精度f_d1，即减小(增大)f_d1的值，将增大(减小)第一次CZT变换的运算点数M₁，从而增加(减小)系统的运算量。另外，M₁、M₂的取值变化将直接关系到系统的运算量，进而影响频偏估计的时间，因此可通过设置相对大的fd₁值，使得在保证大的频偏估计范围的前提下不增加M₁的值，从而不增加运算量；通过设置相对小的M₂值和频偏精估计范围，以便在不增加运算量的前提下，保证有高的系统频偏估计精度；频率

分辨率f_d2将决定最终系统频偏估计的精度。

本发明的方法已经在工程实践中进行了实施试验，试验的结果是成功的，实现了发明目的。

Claims

l、一种用于移动通信系统的快速、高精度的多普勒频偏估计方法，其特征在于：利用未经调制的导频f_dop与其他副载波频率相比较，前者能量高的区别，先后采用两次线性调频Z变换(即CZT变换)：先进行频偏粗估计，再进行频偏精估计，并通过粗、细两次频偏估计的有机结合：在求得的粗估计导频值f_dop1基础上，缩小频偏精估计的搜索范围，提高频率分辨率，以便在不增加运算量的前提下，获得更高的估计精度，实现精度高、效率高、估计范围大的频偏估计。
2、根据权利要求1所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)设置初始参数：先根据导频f_dop值和系统最大可能发生的频偏值f_dopm，设置频偏估计范围，即确定频偏估计范围的起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1；还分别设置第一次频偏估计、即粗估计的频率分辨率f_d1和第二次频偏估计、即精估计的频率分辨率f_d2，后者即为系统最终实现的频偏估计精度；再设置第二次CZT变换的输出序列点数M₂；

(2)导频粗估计：根据粗估计的频率分辨率f_d1、起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1的数值，确定第一次CZT变换的输出序列点数M₁；再对输入信号x(n)进行M₁点输出的CZT变换频谱分析，确定输出序列最大功率所对应的频率点f_dop1，即导频粗估计的频率值；

(3)导频精估计：根据导频粗估计所得到的导频频率f_dop1、精估计的频率分辨率f_d2和第二次CZT变换的输出序列点数M₂，确定导频精估计的频偏估计范围的起始频率点f_start2和结束频率点f_stop2；再对输入信号x(n)进行M₂点输出的CZT变换谱分析，确定输出序列最大功率值点所对应的频率值f_dop2，即导频精估计的频率值；

(4)多普勒频偏估计：由导频精估计的频率值f_dop2与导频频率f_dop相减所得到的差，即为多普勒频偏值Δf；该系统频偏估计的最终精度取决于第二次频偏估计，即精估计的频率分辨率f_d2。
3、根据权利要求2所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(1)中初始参数可以设置为：两次CZT变换输出的点数M₁和M₂、粗估计的频率分辨率f_d1和精估计的频率分辨率f_d2，再计算M₁×f_d1的乘积，并结合导频f_dop确定频偏估计范围的起始频率f_start1和结束频率f_stop1，导频f_dop应处于f_start1和f_stop1的中点；如果在设置初始参数时直接给定M₁和M₂的数值，能够预先确定频偏估计运算量的大小。
4、根据权利要求2所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(1)中初始参数的设置是根据系统能够承载的运算量、系统最大可能发生的频偏值f_dopm以及欲达到的估计精度进行综合考虑而确定的，且必须满足下述要求：(f_stop1-f_start1)/2＞系统最大可能的频偏值f_dopm。
5、根据权利要求2所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(1)中频偏估计范围的起始频率点f_stop1和结束频率点f_start1的数值决定了系统频偏估计范围的大小，可分别设置不同的f_stop1、f_start1和f_d1的数值，在频偏估计范围和第一次CZT变换的运算量之间进行调整。
6、根据权利要求5所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：当频偏估计范围、即f_stop1和f_start1已经设定时，提高或降低粗估计的精度f_d1，即减小或增大f_d1的值，将增大或减小第一次CZT变换的运算点数M₁，从而增加或减小系统的运算量；即M₁、M₂的取值变化将直接影响到系统的运算量，进而影响频偏估计的时间长短；因此通过设置相对大的f_d1值，使得在保证大的频偏估计范围的前提下不增加M₁的值，以不增加运算量；通过设置相对小的M₂和小的频偏精估计范围，在不增加运算量的前提下，保证有高的系统频偏估计精度。
7、根据权利要求2所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)根据频率分辨率f_d1、起始频率点f_start1和结束频率点f_stop1的值，计算(f_stop1-f_start1)/f_d1的值并上取正，用作第一次CZT变换的输出序列点数M₁；

(22)对输入信号x(n)按起始频率f_start1和结束频率f_stop1进行M₁点输出的CZT变换频谱分析；

(23)求解M₁点输出频谱对应的功率谱，求出功率最大值点对应的频率，即为粗估计导频频率值f_dop1。
8、根据权利要求2所述的多普勒频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)以步骤(2)所得到的导频粗估计值f_dop1为中心，计算M₂×f_d2的乘积，用于确定导频精估计的频率估计范围：起始频率f_start2和结束频率f_stop2；

(32)对输入信号x(n)按起始频率f_start2和结束频率f_stop2进行M₂点输出的CZT变换频谱分析；

(33)求解M₂点输出频谱对应的功率谱，求出功率最大值点对应的频率，即为精估计导频频率值f_dop2。