DE10309262B4 - Method for estimating the frequency and / or the phase of a digital signal sequence - Google Patents

Method for estimating the frequency and / or the phase of a digital signal sequence Download PDF

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DE10309262B4 DE2003109262 DE10309262A DE10309262B4 DE 10309262 B4 DE10309262 B4 DE 10309262B4 DE 2003109262 DE2003109262 DE 2003109262 DE 10309262 A DE10309262 A DE 10309262A DE 10309262 B4 DE10309262 B4 DE 10309262B4
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Abstract

Verfahren zum Schätzen der Frequenz (Δf) und/oder der Phase (Φ) einer digitalen Eingangs-Signalfolge (xν) mit folgenden Verfahrensschritten:
– Durchführen einer Frequenz-Grobschätzung (22) unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation und
– anschließendes Durchführen einer Frequenz-Feinschätzung (23) mittels Interpolation,
wobei bei der Frequenz-Grobschätzung (22) zur Erzeugung eines Grobschätzwerts (Δf ^coarse) der Frequenz eine diskrete Fourier-Transformation (25) der Eingangs-Signalfolge (xν) zur Erzeugung einer Fourierfolge (Xμ), eine Betragsbildung (26) der Fourierfolge (Xμ) und eine Bestimmung des Maximums des Betrags (|Xμ|) oder einer Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge erfolgt, wobei die Fourierfolge (Xμ), der Betrag (|Xμ|) oder eine Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge entsprechend dem Index (μmax), bei welchem das Maximum des Betrags (|Xμ|) oder der Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge (Xμ) vorliegt, verschoben wird, und dann zur Erzeugung einer rücktransformierten Signalfolge (yν) eine inverse diskrete Fourier-Transformation (29) durchgeführt wird und die rücktransformierte Signalfolge (yν) mit dem Grobschätzwert (Δf ^coarse) zur Erzeugung...
Method for estimating the frequency (Δf) and / or the phase (Φ) of a digital input signal sequence (x ν ) with the following procedural steps:
- Carrying out a coarse frequency estimate (22) using a discrete Fourier transform and
- subsequent implementation of a fine frequency estimation (23) by means of interpolation,
in the case of the coarse frequency estimate (22) for generating a coarse estimate (Δf ^ coarse) of the frequency, a discrete Fourier transformation (25) of the input signal sequence (x ν ) for generating a Fourier sequence (X μ ), an amount formation (26) of the Fourier sequence (X μ ) and a determination of the maximum of the amount (| X μ |) or a function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence, where the Fourier sequence (X μ ), the amount (| X μ | ) or a function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence according to the index (μ max ), at which the maximum of the amount (| X μ |) or the function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence ( X μ ) is present, is shifted, and then an inverse discrete Fourier transformation (29) is carried out to generate a back-transformed signal sequence (y ν ) and the back-transformed signal sequence (y ν ) with the rough estimate (Δf ^ coarse ) for generation. .

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen der Frequenz und/oder der Phase einer digitalen Signalfolge.the The invention relates to a method for estimating the frequency and / or the phase of a digital signal sequence.

Verfahren zum Erfassen der Frequenz und/oder der Phase eines digitalen Signals werden in der digitalen Signalverarbeitung, beispielsweise für die Mobilfunktechnik benötigt. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem universell einsetzbaren robusten Verfahren, das mit geringem numerischen Aufwand auskommt.procedure for detecting the frequency and / or the phase of a digital signal are used in digital signal processing, for example for mobile radio technology needed. There is therefore a need for a robust process that can be used universally and that can be used with little numerical effort.

Aus der DE 101 38 963 A1 geht ein Verfahren zum Schätzen von Parametern eines CDMA-Signals hervor. Unter anderem wird dort der Frequenzversatz und der Phasenversatz eines digitalen Signals gegenüber einem Referenz- bzw. Synchronisationssignal geschätzt. Dieses Verfahren ist speziell auf die orthogonalen Codekanäle eines CDMA-Signals abgestimmt und daher nicht universell einsetzbar.From the DE 101 38 963 A1 discloses a method for estimating parameters of a CDMA signal. Among other things, the frequency offset and the phase offset of a digital signal with respect to a reference or synchronization signal are estimated there. This method is specially tailored to the orthogonal code channels of a CDMA signal and can therefore not be used universally.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schätzen der Frequenz und/oder der Phase einer digitalen Eingangs-Signalfolge zu schaffen, welches einen geringen numerischen Aufwand erfordert, auch bei niedrigem Signal-Rausch-Abstand funktioniert, schnell konvergiert und universell einsetzbar ist.Of the The invention is based on the object of a method for estimating the Frequency and / or the phase of a digital input signal sequence to create, which requires little numerical effort, even with a low signal-to-noise ratio works, converges quickly and is universally applicable.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.the The object is achieved by the features of claim 1.

Der Erfindung liegt das Konzept zugrunde, zunächst eine Frequenz-Großbschätzung unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation durchzuführen und anschließend mittels Interpolation eine Frequenz-Feinschätzung vorzunehmen. Die Grobschätzung der Frequenz durch Maximumsuche im Frequenzraum ermöglicht eine grobe Bestimmung der Frequenz im Rahmen der Frequenzauflösung der Fourier-Transformation. Das nachfolgende Interpolationsverfahren setzt auf diese Information der Frequenz-Grobschätzung auf. Obwohl vorzugsweise nur eine lineare Interpolation vorgenommen wird, konvergiert das Interpolationsverfahren rasch.Of the The invention is based on the concept, initially under a large frequency estimate Use a discrete Fourier transform to perform and afterward make a fine frequency estimate by means of interpolation. The rough estimate of the Frequency by searching for the maximum in the frequency domain enables a rough determination the frequency in the context of the frequency resolution of the Fourier transform. The following interpolation method relies on this information the frequency rough estimate. Although only linear interpolation is preferred, the interpolation method converges quickly.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.the Subclaims contain advantageous developments of the invention.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird eine spezielle Interpolationsformel hergeleitet, die bei der Interpolation vorteilhaft verwendet wird. Die Berechnung des Feinschätzwerts der Frequenz wird vorzugsweise iterativ wiederholt, wobei in der nächsten Iterationsstufe eine kompensierte Signalfolge verwendet wird.in the A special interpolation formula is used within the scope of the present application derived, which is advantageously used in the interpolation. The calculation of the fine estimate the frequency is preferably repeated iteratively, in which next Iteration stage a compensated signal sequence is used.

Ein Schätzwert für die Phase kann durch Auswertung aller Abtastwerte der Eingangs-Signalfolge durch arithmetische Mittelwertbildung berechnet werden.A Estimate for the Phase can be carried out by evaluating all sampled values of the input signal sequence arithmetic averaging can be calculated.

Anspruch 9 betrifft ein digitales Speichermedium, Anspruch 10 betrifft ein Computerprogramm-Produkt und Ansprüche 11 und 12 betreffen ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.claim 9 relates to a digital storage medium, claim 10 relates to a Computer program product and claims 11 and 12 relate to one Computer program for implementation of the method according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:the The invention is described in more detail below with reference to the drawing. In the drawing show:

1 ein Blockschaltbild eines der Erfindung zugrundeliegenden digitalen Übertragungssystems; 1 a block diagram of a digital transmission system on which the invention is based;

2 das Übertragungsmodell in äquivalenten Tiefpaßbereich; 2 the transmission model in the equivalent low-pass range;

3 ein systemtheoretisches Modell in zeitdiskreter Basisbanddarstellung; 3 a system-theoretical model in discrete-time baseband representation;

4 eine schematische Darstellung einer Matrix; 4th a schematic representation of a matrix;

5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und 5 a block diagram to explain the method according to the invention and

6 ein Blockschaltbild einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 6th a block diagram of an advantageous development of the method according to the invention.

Nachfolgend wird zunächst zum besseren Verständnis der Erfindung ein der Erfindung zugrundeliegendes Modell eines digitalen Übertragungssystems erläutert.Below will initially for better understanding According to the invention, a model of a digital transmission system on which the invention is based explained.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden folgende Formelzeichen verwendet:

α
Allgemeiner Summationsindex
a
Komplexe zu sendende Symbolfolge
ν-tes Symbol der Folge a
aν,I
Imaginärteil des ν-ten Symbols der Folge a
aν,R
Realteil des ν-ten Symbols der Folge a
arg{∙}
Argumentbildung
β
Allgemeiner Summationsindex
δ(t)
Diracimpuls (Delta-Funktional)
δνμ
Kronecker-Operator
ε
Normierter Zeitversatz
E{∙}
Erwartungswert
f(∙)
Allgemeine Funktion
Δf
Zu schätzender Frequenzversatz zwischen Sender und Empfänger
Δferr
Verbleibender Schätzfehler am Ausgang der Feinschätzstufe des uML
Δferr,limit
Definierte Schranke für den maximal zulässigen Schätzfehler am Ausgang der Feinschätzstufe
Δfrest
Durch die Feinschätzung des uML-Schätzers zu schätzender Frequenzversatz, der nach erfolgter Kompensation mit dem Grobschätzwert Δf ^coarse verbleibt
Δf{it}rest
Vom Feinschätzalgorithmus in der it-ten Iteration zu schätzende Frequenz
Δfrest,conv
Maximales Δfrest, für welches der Feinschätzalgorithmus noch konvergiert
Δfrest,max
Maximaler Frequenzversatz Δfrest am Ausgang der Grobschätzstufe
Δf~
Probierwert für Δf
Δf^
Schätzwert für Δf
Δf^coarse
Frequenzschätzwert der Grobschätzung des universellen ML-Schätzers
Δf^fine
Frequenzschätzwert der Feinschätzung des universellen ML-Schätzers
Δf^{it}fine
Bei der it-ten Iteration des Feinschätzalgorithmus ermittelter Schätzwert
Δf^fine_total
Summe aller bis zur aktuellen Iteration des Feinschätzalgorithmus ermittelten Schätzwerte Δf ^{it}fine
Δf^int
Schätzwert für Δfrest am Ausgang der Grobschätzstufe beim Verfahren zur nachträglichen Erhöhung der Frequenzauflösung des uML-Schätzers
f+½·Q,
Versuchswerte für die Schätzung von Δfrest beim
f-½·Q
Verfahren zur nachträglichen Erhöhung der Frequenzauflösung des uML-Schätzers
fQ
Quantisierung der FFT im Frequenzbereich (Frequenzauflösung)
fS
Symbolrate (= 1/TS)
fT Sender
Trägerfrequenz des Modulators im Sender
fT Empfänger
Trägerfrequenz des Modulators im Empfänger
F(∙)
Stammfunktion der allgemeinen Funktion f(∙)
FnN
Verteilungsfunktion der normierten Normalverteilung
FFT{∙}
Fouriertransformation
Γ(ν·Ta/Tbeob)
Zeitdiskrete Gewichtsfunktion, die durch Faltung zweier reeller Rechteck-folgen der Länge NSym mit einer konstanten Amplitude von 1 entsteht
g
Zu schätzende Verstärkung
g~
Probierwert für g
ĝ
Schätzwert für g
he(t)
Impulsantwort des Empfangsfilters
hges(t)
Impulsantwort der Gesamtübertragungsstrecke
hS(t)
Impulsantwort des Sendefilters
it
Aktuelle Iterationszahl des Feinschätzalgorithmus des uML-Schätzers
IFFT{∙}
Inverse Fouriertransformation
Im{∙}
Imaginärteilbildung
κ
Allgemeiner Summationsindex
k
Zählvariable
K1, K2
Eingeführte Substitutionen für spezielle Zahlenreihen
L(∙)
Log-Likelihood-Funktion
μ
Index für bestimmte Frequenz innerhalb des diskreten Frequenzspektrums
μmax
Index der diskreten Frequenz, bei der das Maximum von Yμ vorliegt
Maximumbildung der Funktion f(x) bezüglich des Parameters x
Mα,β
Matrixelement in Zeile α, Spalte β
n
Komplexe Rauschfolge (AWGN)
ν-tes Symbol der Rauschfolge n
nν,I
Imaginärteil des ν-ten Symbols der Rauschfolge n
nν,R
Realteil des ν-ten Symbols der Rauschfolge n
nof_it
Gesamtzahl der vom Feinschätzalgorithmus durchzuführenden Iterationen
N
Menge der natürlichen Zahlen
½·N0
Zweiseitiges Leistungsdichtespektrum des Rauschsignals
NFFT
FFT-Länge bei der Frequenz-Grobschätzung des universellen ML-Schätzers
NSym
Länge der gesendeten Symbolfolge (= Schätzlänge)
ν
Index für ein bestimmtes Symbol innerhalb der Symbolanzahl NSym
Δω
Zu schätzender Frequenzversatz als Kreisfrequenz
Δῶ
Probierwert für Δω
Δω^
Schätzwert für Δω
Δϖ
Zu schätzender Frequenzversatz als Kreisfrequenz, normiert auf Ta
Δϖ~
Probierwert für Δϖ
Δϖ^
Schätzwert für Δϖ
Phase des ν-ten Gliedes der Folge ycomp
ϕ
Zu schätzender Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger
ϕ~
Probierwert für ϕ
ϕ^
Schätzwert für ϕ
ϕ^err,max
Maximaler Phasenschätzfehler
P(∙)
Auftrittswahrscheinlichkeit
P(a ≤ x ≤ b)
Wahrscheinlichkeit, daß der Parameter x zwischen den Grenzen a und b liegt
r
Komplexe Empfangsfolge am Ausgang des zeitdiskreten Ersatzkanals
ν-tes Symbol der Empfangsfolge r
Re{∙}
Realteilbildung
s
Komplexe Sendefolge (Symbolfolge a moduliert mit Δf, ϕ und g)
ν-tes Symbol der Sendefolge s
σ2CR,f
Untere Grenze der Varianz von Δ⨍ ^ (≙ Cramér-Rao-Grenze)
σCR,ϖ
Untere Grenze der Standardabweichung von Δϖ ^ (≙ Cramér-Rao-Grenze)
σ2CR,ϖ
Untere Grenze der Varianz von Δϖ ^ (≙ Cramér-Rao-Grenze)
σCR,ϕ
Untere Grenze der Standardabweichung von ϕ ^ (≙ Cramér-Rao-Grenze)
σ2CR,ϕ
Untere Grenze der Varianz von ϕ ^ (≙ Cramér-Rao-Grenze)
σϖ
Standardabweichung des Frequenzschätzfehlers
σϕ
Standardabweichung des Phasenschätzfehlers
σϕ,krit
Standardabweichung des Phasenschätzfehlers für SNRkrit
SNR
Linearer Signal-Rausch-Abstand
SNRkrit
Kritischer Signal-Rausch-Abstand, bei dem die Frequenz- bzw. Phasenschätzung des uML-Schätzers gerade noch effizient arbeitet
Ta
Abtastzeit
Tbeob
Beobachtungsdauer
TS
Symboldauer
window(ν)
Fensterfunktion zur Beschneidung einer Folge auf eine festgelegte Länge
x
Modulationsbereinigte komplexe Empfangsfolge
ν-tes Symbol der modulationsbereinigten Empfangsfolge x
μ-tes Folgenglied der Fouriertransformierten der Folge x
y
Komplexe Folgen, entspricht der inversen FFT des betragsquadrierten Spektrums der Folge x
ν-tes Symbol der Folge y
ycomp
Mit Δf ^coarse kompensierte Folge am Ausgang der Grobschätzstufe des uML
yν,comp
ν-tes Symbol der Folge ycomp
y{it}ν,com
ν-tes Symbol einer frequenzkompensierten Folge innerhalb der it-ten Iteration des Feinschätzalgorithmus des universellen ML-Schätzers
μ-tes Folgenglied der Fouriertransformierten der Folge y
z*
Konjugiert komplexer Wert der Variable z
Z
Komplexer Gesamtzeiger einer Summe
In the context of the present application, the following symbols are used:
α
General summation index
a
Complex symbol sequence to be sent
ν-th symbol of the sequence a
aν, I
Imaginary part of the ν-th symbol of the sequence a
aν, R
Real part of the ν th symbol of the sequence a
arg {∙}
Argument formation
β
General summation index
δ (t)
Dirac pulse (delta functional)
δνμ
Kronecker operator
ε
Normalized time offset
E {∙}
Expected value
f (∙)
General function
Δf
Frequency offset to be estimated between transmitter and receiver
Δferr
Remaining estimation error at the output of the fine estimation stage of the uML
Δferr, limit
Defined limit for the maximum allowable estimation error at the output of the fine estimation stage
Δfrest
Frequency offset to be estimated by the fine estimation of the uML estimator, which remains after the compensation with the rough estimated value Δf ^ coarse
Δf {it} rest
Frequency to be estimated by the fine estimation algorithm in the it-th iteration
Δfrest, conv
Maximum Δf rest for which the fine estimation algorithm is still converging
Δfrest, max
Maximum frequency offset Δf rest at the output of the rough estimation stage
Δf ~
Trial value for Δf
Δf ^
Estimated value for Δf
Δf ^ coarse
Frequency estimate of the rough estimate of the universal ML estimator
Δf ^ fine
Frequency estimate of the fine estimate of the universal ML estimator
Δf ^ {it} fine
Estimated value determined in the it-th iteration of the fine estimation algorithm
Δf ^ fine_total
Sum of all estimated values determined up to the current iteration of the fine estimation algorithm Δf ^ {it} fine
Δf ^ int
Estimated value for Δf rest at the output of the rough estimation stage in the method for subsequently increasing the frequency resolution of the uML estimator
f + ½ · Q,
Test values for the estimation of Δf rest at
f-½ · Q
Procedure for subsequently increasing the frequency resolution of the uML estimator
fQ
Quantization of the FFT in the frequency domain (frequency resolution)
fS
Symbol rate (= 1 / T S )
fT transmitter
Carrier frequency of the modulator in the transmitter
fT recipient
Carrier frequency of the modulator in the receiver
F (∙)
Antiderivative of the general function f (∙)
FnN
Distribution function of the normalized normal distribution
FFT {∙}
Fourier transform
Γ (ν Ta / Tbeob)
Discrete-time weighting function that is created by convolution of two real rectangular sequences of length N Sym with a constant amplitude of 1
G
Reinforcement to be estimated
g ~
Trial value for g
G
Estimate for g
he (t)
Impulse response of the receiving filter
hges (t)
Impulse response of the entire transmission path
hS (t)
Impulse response of the transmission filter
it
Current iteration number of the fine estimation algorithm of the uML estimator
IFFT {∙}
Inverse Fourier transform
In the {∙}
Imaginary part formation
κ
General summation index
k
Counting variable
K1, K2
Introduced substitutions for special series of numbers
L (∙)
Log likelihood function
μ
Index for a specific frequency within the discrete frequency spectrum
μmax
Index of the discrete frequency at which the maximum of Y μ is present
Maximum formation of the function f (x) with respect to the parameter x
Mα, β
Matrix element in row α, column β
n
Complex Noise Sequence (AWGN)
ν-th symbol of the noise sequence n
nν, I
Imaginary part of the ν th symbol of the noise sequence n
nν, R
Real part of the ν th symbol of the noise sequence n
nof_it
Total number of iterations to be performed by the fine estimation algorithm
N
Set of natural numbers
½ · N0
Two-sided power density spectrum of the noise signal
NFFT
FFT length in the rough frequency estimation of the universal ML estimator
NSym
Length of the transmitted symbol sequence (= estimated length)
ν
Index for a specific symbol within the number of symbols N Sym
Δω
Frequency offset to be estimated as circular frequency
Δῶ
Trial value for Δω
Δω ^
Estimated value for Δω
Δϖ
Frequency offset to be estimated as angular frequency, normalized to T a
Δϖ ~
Trial value for Δϖ
Δϖ ^
Estimated value for Δϖ
Phase of the ν-th member of the sequence y comp
ϕ
Phase offset to be estimated between transmitter and receiver
ϕ ~
Trial value for ϕ
ϕ ^
Estimated value for ϕ
ϕ ^ err, max
Maximum phase estimation error
P (∙)
Probability of occurrence
P (a ≤ x ≤ b)
Probability that the parameter x lies between the limits a and b
r
Complex reception sequence at the output of the discrete-time backup channel
ν-th symbol of the reception sequence r
Re {∙}
Real part formation
s
Complex transmission sequence (symbol sequence a modulated with Δf, ϕ and g)
ν-th symbol of the transmission sequence s
σ2CR, f
Lower limit of the variance of Δ⨍ ^ (≙ Cramér-Rao limit)
σCR, ϖ
Lower limit of the standard deviation of Δϖ ^ (≙ Cramér-Rao limit)
σ2CR, ϖ
Lower limit of the variance of Δϖ ^ (≙ Cramér-Rao limit)
σCR, ϕ
Lower limit of the standard deviation of ϕ ^ (≙ Cramér-Rao limit)
σ2CR, ϕ
Lower limit of the variance of ϕ ^ (≙ Cramér-Rao limit)
σϖ
Standard deviation of the frequency estimation error
σϕ
Standard deviation of the phase estimation error
σϕ, crit
Standard deviation of the phase estimation error for SNR crit
SNR
Linear signal-to-noise ratio
SNRkrit
Critical signal-to-noise ratio at which the frequency or phase estimation of the uML estimator still works efficiently
Ta
Sampling time
Tbeob
Observation period
TS
Symbol duration
window (ν)
Window function for cutting a sequence to a specified length
x
Modulation-adjusted complex reception sequence
ν-th symbol of the modulation-adjusted receive sequence x
μ-th term of the Fourier transform of the sequence x
y
Complex sequences, corresponds to the inverse FFT of the spectrum squared by the magnitude of the sequence x
ν th symbol of the sequence y
ycomp
Sequence compensated with Δf ^ coarse at the output of the coarse estimation stage of the uML
yν, comp
ν th symbol of the sequence y comp
y {it} ν, com
ν-th symbol of a frequency-compensated sequence within the it-th iteration of the fine estimation algorithm of the universal ML estimator
μ-th term of the Fourier transform of the sequence y
z *
Conjugate the complex value of the variable e.g.
Z
Complex total pointer of a sum

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden folgende Abkürzungen verwendet:

AWGN
Additive White Gaussian Noise
const
konstant
CRB
Cramér-Rao-Grenze
DA
Data Aided
dB
Dezibel
FFT
Fast Fourier Transformation
ISI
Intersymbolinterferenz
LDS
Leistungsdichtespektrum
LLF
Log-Likelihood-Funktion
ML
Maximum Likelihood
NDA
Non Data Aided
QRM
Quadratur-Amplituden-Modulation
SNR
Signal-Rausch-Abstand (signal to noise ratio)
uML
Universeller Maximum-Likelihood-Schätzer für Frequenz und Phase
The following abbreviations are used in the context of the present application:
AWGN
Additive White Gaussian Noise
const
constant
CRB
Cramer-Rao border
THERE
Data aided
dB
decibel
FFT
Fast Fourier Transformation
ISI
Intersymbol interference
LDS
Power density spectrum
LLF
Log likelihood function
ML
Maximum likelihood
NDA
Non data aided
QRM
Quadrature amplitude modulation
SNR
Signal-to-noise ratio
uML
Universal maximum likelihood estimator for frequency and phase

Die Notwendigkeit der Frequenz- und Phasenschätzung zur Trägersynchronisation ergibt sich aus dem Aufbau von digitalen Übertragungssystemen. In 1 sind die Grundelemente eines solchen Übertragungssystems dargestellt.The necessity of frequency and phase estimation for carrier synchronization arises from the structure of digital transmission systems. In 1 the basic elements of such a transmission system are shown.

Nachdem durch ein Sendefilter 2 eine Impulsformung des zu übertragenden digitalen Quellensignals der digitalen Quelle 1 durchgeführt wurde, erfolgt in dem Modulator 3 die Modulation des Signals mit der Trägerfrequenz fT Sender. Bei der Übertragung über den Kanal 4 wird das nun im Bandpaßbereich vorliegende Signal durch die Überlagerung von Störungen verfälscht. Im Rahmen dieser Anmeldung wird von einem sogenannten AWGN-Kanal ausgegangen, d.h. als Störung wird die Addition eines Rauschsignals mit gaußförmig verteilter Amplitude und einem für alle Frequenzen konstantem Leistungsdichtespektrum (LDS) von ½·N0 angenommen. Das verrauscht beim Empfänger ankommende Signal wird durch den Demodulator 5 mit der Frequenz fT Empfänger zurück ins Basisband transformiert. Mit Hilfe des nachfolgenden Empfangsfilters 6 wird anschließend die Störleistung reduziert. Dadurch und durch eine erfolgreiche Abtastung in der Abtasteinheit 7 bzw. Synchronisation in der Synchronisationseinheit 8 wird eine Decodierung des tatsächlich gesendeten Signals in der digitalen Senke 9 ermöglicht.After through a send filter 2 a pulse shaping of the digital source signal to be transmitted from the digital source 1 is carried out in the modulator 3 the modulation of the signal with the carrier frequency f T transmitter . When transmitting over the channel 4th the signal, which is now in the bandpass range, is falsified by the superimposition of interference. In the context of this application, a so-called AWGN channel is assumed, ie the addition of a noise signal with a Gaussian-shaped amplitude and a power density spectrum (LDS) of ½ · N 0 constant for all frequencies is assumed as interference. The noisy signal arriving at the receiver is transmitted by the demodulator 5 transformed back into baseband with the frequency f T receiver. With the help of the reception filter below 6th the interference power is then reduced. This and a successful scanning in the scanning unit 7th or synchronization in the synchronization unit 8th a decoding of the actually sent signal in the digital sink 9 enables.

Im Rahmen der Synchronisation ist neben der Taktsynchronisation eine Frequenz- und Phasenschätzung notwendig, da sich zum einen die Frequenz der lokalen Oszillatoren von Sender und Empfänger geringfügig um Δf = fT Sender – fT Empfänger (1)unterscheidet. Zum anderen besteht auch eine Phasenverschiebung ϕ zwischen Sender und Empfänger. Dieser Frequenz- bzw. Phasenversatz muß durch Schätzung ermittelt und beim Empfangssignal kompensiert werden, damit in der digitalen Senke 9 auf die richtigen Symbolpunkte entschieden werden kann.As part of the synchronization, in addition to the clock synchronization, a frequency and phase estimation is necessary, since on the one hand the frequency of the local oscillators of the transmitter and receiver changes slightly Δf = f T transmitter - f T recipient (1) differs. On the other hand, there is also a phase shift ϕ between the transmitter and receiver. This frequency or phase offset must be determined by estimation and compensated for in the received signal so that it is in the digital sink 9 the right symbol points can be decided.

Ausgehend vom beschriebenen Blockschaltbild nach 1 läßt sich ein Übertragungsmodell für den äquivalenten Tiefpaßbereich nach 2 erstellen. Dabei wird die zeitdiskrete Folge komplexer Sendesymbole mit der Symboldauer TS durch das Sendefilter 10 mit der Impulsantwort hs(t) zum Sendesignal geformt. Der Frequenz- und Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger wird in Form eines Drehzeigers durch den Multiplizierer 11 aufmoduliert, wobei zusätzlich eine Verstärkung g berücksichtigt wird. Nachdem im Kanal weißes Rauschen durch den Addierer 12 additiv überlagert wurde, erfolgt im Empfänger die Filterung durch das Empfangsfilter 13 mit der Impulsantwort he(t). Das gefilterte Empfangssignal wird schließlich in Abständen von Ta abgetastet, wobei ein Zeitversatz ε·TS gegenüber den idealen Abtastzeitpunkten auftreten kann.Based on the block diagram described according to 1 a transmission model for the equivalent low-pass range can be found 2 create. The time-discrete sequence of complex transmission symbols with the symbol duration T S is passed through the transmission filter 10 formed into the transmission signal with the impulse response h s (t). The frequency and phase offset between transmitter and receiver is shown in the form of a rotary pointer by the multiplier 11 modulated, with an additional gain g being taken into account. After white noise in the channel through the adder 12th was additively superimposed, the filtering is carried out in the receiver by the reception filter 13th with the impulse response h e (t). The filtered received signal is finally sampled at intervals of T a , it being possible for a time offset ε · T S to occur with respect to the ideal sampling times.

Für eine erfolgreiche Frequenz- und Phasenschätzung sind nun mehrere Voraussetzungen notwendig. Zum einen muß beim Empfänger eine entsprechende Taktsynchronisation vorliegen, d.h. es wird ε = ! 0 (2)vorausgesetzt.For a successful frequency and phase estimation, several prerequisites are necessary. On the one hand, the receiver must have a corresponding clock synchronization, ie it will ε =! 0 (2) provided.

Zum anderen muß die erste Nyquistbedingung erfüllt sein, so daß eine intersymbolinterferenzfreie (ISI-freie) Abtastung erfolgen kann. Dafür müssen Sende- und Empfangsfilter so beschaffen sein, daß die Impulsantwort hges(t) = hs(t)·he(t) (3) der Gesamtübertragungsstrecke die Nyquistbedingung erfüllt:

Figure 00120001
On the other hand, the first Nyquist condition must be fulfilled so that an intersymbol interference-free (ISI-free) sampling can take place. For this purpose, the transmission and reception filters must be designed in such a way that the impulse response H total (t) = h s (t) · h e (t) (3) of the total transmission distance fulfills the Nyquist condition:
Figure 00120001

Dies ist dann gegeben, wenn als Sendefilter 10 und Empfangsfilter 13 z.B. sogenannte Root-Raised-Cosine-Filter verwendet werden. Darüber hinaus muß der Frequenzversatz Δf zwischen Sender und Empfänger so klein sein, daß sich das Sendefilter 10 und das Empfangsfilter 13 im Frequenzbereich noch ausreichend überdecken. Es muß daher folgende Forderung erfüllt sein:

Figure 00120002
This is the case when used as a transmission filter 10 and receive filters 13th For example, so-called root-raised cosine filters can be used. In addition, the frequency offset Δf between the transmitter and receiver must be so small that the transmission filter 10 and the receive filter 13th cover sufficiently in the frequency range. The following requirement must therefore be met:
Figure 00120002

Falls die erste Nyquist-Bedingung erfüllt ist, kann das in 2 dargestellte Übertragungsmodell zu dem in 3 dargestellten zeitdiskreten Basisbandmodell vereinfacht werden. Dieses Modell stellt den Ausgangspunkt für die Betrachtungen und Simulationen im Rahmen dieser Anmeldung dar.If the first Nyquist condition is met, this can be done in 2 the transfer model shown in 3 discrete-time baseband model illustrated can be simplified. This model represents the starting point for the considerations and simulations in the context of this application.

Die Symbole aν der zu sendenden Folge a werden dabei zunächst durch den Multiplizierer 14 mit einem Drehzeiger multipliziert, welcher den Frequenz- und Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger modelliert. Nach einer Verstärkung mit dem reellen Faktor g durch den Multiplizierer 15 wird die entstandene Sendefolge s im zeitdiskreten Ersatzkanal durch die durch den Addierer 16 addierte komplexe Rauschfolge n gestört, so daß dadurch schließlich die Symbole rν der Empfangsfolge r entstehen.The symbols a ν of the sequence a to be sent are first used by the multiplier 14th multiplied by a rotation pointer, which models the frequency and phase offset between transmitter and receiver. After amplification with the real factor g by the multiplier 15th the resulting transmission sequence s in the discrete-time substitute channel is replaced by the by the adder 16 added complex noise sequence n disturbed, so that ultimately the symbols r ν of the received sequence r result.

Der in dieser Anmeldung vorgestellte Maximum-Likelihood (ML)-Schätzer für Frequenz und Phase bei großen Beobachtungslängen basiert auf einem universell einsetzbaren Frequenz- und Phasenschätzalgorithmus, der nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip arbeitet. Ein universeller Maximum-Likelihood (nachfolgend als "uML" bezeichnet)-Schätzer für Frequenz und Phase wird im Folgenden vorgestellt.Of the Maximum likelihood (ML) estimator for frequency presented in this application and phase at large Observation lengths is based on a universally applicable frequency and phase estimation algorithm, according to the maximum likelihood principle is working. A universal maximum likelihood (hereinafter referred to as "uML") estimator for frequency and phase is presented below.

Der uML-Algorithmus ist eine exakte Umsetzung des Maximum-Likelihood-Prinzips, d.h. er ist der optimale Schätzer für einen AWGN-Kanal. Es werden dabei keine Näherungen angewendet, so daß keine nichtlinearen Phänomene wie das Cycle-Slipping der Phase auftreten können. Dadurch wird auch bei sehr niedrigen Störabständen der ideale ML-Schätzwert ermittelt, d.h. die Schätzgenauigkeit ist nur durch die Cramér-Rao-Grenze festgelegt. Dabei arbeitet der Algorithmus auch für Symbolalphabete mit nicht konstanten Beträgen |aν| optimal.The uML algorithm is an exact implementation of the maximum likelihood principle, ie it is the optimal estimator for an AWGN channel. No approximations are used, so that no non-linear phenomena such as cycle slipping of the phase can occur. As a result, the ideal ML estimate is determined even with very low signal-to-noise ratios, ie the estimation accuracy is only determined by the Cramér-Rao limit. The algorithm also works for symbolic alphabets with non-constant amounts | a ν | optimal.

Das Verfahren wird für den sogenannten Data-Aided-Fall (DA) hergeleitet, d.h. zur Durchführung der Frequenz- und Phasenschätzung wird eine Datensequenz übertragen, welche dem Empfänger bekannt ist. Es sei jedoch erwähnt, daß durch Anwendung einer Nichtlinearität zur Entfernung der Modulation der uML-Algorithmus auch für den Non-Data-Aided-Fall (NDA) verwendet werden kann.That Procedure is for the so-called data-aided case (DA) derived, i.e. to carry out the frequency and phase estimation a data sequence is transmitted, which the recipient is known. It should be mentioned, however, that by Application of a non-linearity to remove the modulation the uML algorithm is also used for the non-data-aided case (NDA) can be.

Dem Schätzproblem liegt das Übertragungsmodell nach 3 zugrunde:The transfer model follows the estimation problem 3 based on:

Die ungestörte Sendefolge s ist durch

Figure 00130001
vorgegeben und wird im AWGN-Kanal durch eine additive, weiße Rauschfolge n gestört.The undisturbed transmission sequence s is through
Figure 00130001
specified and is disturbed in the AWGN channel by an additive, white noise sequence n.

Es entsteht dabei die Empfangsfolge r mit: rν = sν + nν (7) The result is the reception sequence r with: r ν = s ν + n ν (7)

Auf der Empfängerseite sollen nun aus der Empfangsfolge r nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip folgende Parameter der Sendefolge s geschätzt werden:

  • – Frequenzversatz Δf
  • – Phasenversatz ϕ
  • – Verstärkung g (reell)
On the receiver side, the following parameters of the transmission sequence s are to be estimated from the reception sequence r according to the maximum likelihood principle:
  • - Frequency offset Δf
  • - phase shift ϕ
  • - gain g (real)

Die Maximum-Likelihood-Schätzung der obengenannten Parameter erfolgt durch Minimierung der Log-Likelihood-Funktion. Folgende Gleichung (8) ist die für das vorliegende Übertragungsmodell bzw. Schätzproblem zutreffende Log-Likelihood-Funktion:

Figure 00140001
The maximum likelihood of the above parameters is estimated by minimizing the log likelihood function. The following equation (8) is the log-likelihood function applicable to the present transfer model or estimation problem:
Figure 00140001

Mit der Kreisfrequenz Δω = 2π·Δf (9)und durch Ausmultiplizieren erhält man für die Log-Likelihood-Funktion:

Figure 00140002
With the angular frequency Δω = 2π · Δf (9) and by multiplying it out, one obtains for the log likelihood function:
Figure 00140002

Da der Date-Aided-Fall vorliegt, ist die gesendete Symbolfolge a dem Empfänger bekannt. Die Abhängigkeit der Empfangsfolge r von der Symbolfolge a kann deshalb entfernt werden. Es wird dazu die modulationsbereinigte Folge x eingeführt mit xν = rν·aν * (11) As the date-aided case is present, the transmitted symbol sequence a is known to the recipient. The dependency of the reception sequence r on the symbol sequence a can therefore be removed. For this purpose, the modulation-adjusted sequence x is introduced with x ν = r ν · A ν * (11)

Damit ergibt sich für die Log-Likelihood-Funktion:

Figure 00150001
This results in the log-likelihood function:
Figure 00150001

Nachfolgend wird nun gezeigt, daß das vorliegende mehrdimensionale Schätzproblem in unabhängige, eindimensionale Schätzprobleme aufgeteilt werden kann, d.h. daß Frequenz, Phase und Verstärkung voneinander separiert werden können.Below it is now shown that the present multidimensional estimation problem in independent, one-dimensional estimation problems can be divided, i.e. that frequency, Phase and reinforcement can be separated from each other.

Aus (12) erkennt man, daß Frequenz und Phase nur im letzten Term auftreten. Die vorliegende Log-Likelihood-Funktion wird daher bezüglich Δf und ϕ minimiert, indem man den letzten Term maximiert. Da dabei die Verstärkung g und der Vorfaktor keinen Einfluß auf die Lage des Maximums haben, können sie weggelassen werden. Man erhält so die äquivalente, zu maximierende Log-Likelihood-Funktion für die Frequenz- und Phasenschätzung:

Figure 00150002
From (12) it can be seen that frequency and phase only appear in the last term. The present log-likelihood function is therefore minimized with respect to Δf and ϕ by maximizing the last term. Since the gain g and the prefactor have no influence on the position of the maximum, they can be omitted. This gives the equivalent log-likelihood function to be maximized for the frequency and phase estimation:
Figure 00150002

Die darin enthaltene Realteilbildung darf mit der Summation vertauscht werden:

Figure 00150003
The real part formation contained therein may be interchanged with the summation:
Figure 00150003

Diese Funktion ist maximal, wenn die Phase ϕ ~ den komplexen Gesamtzeiger Z auf die Realteilachse dreht. Für die geschätzte Phase gilt daher:

Figure 00160001
This function is at its maximum when the phase ϕ ~ rotates the complex total pointer Z on the real part axis. The following therefore applies to the estimated phase:
Figure 00160001

Es ist also festzuhalten, daß die Log-Likelihood-Funktion L1 aus (14) dadurch maximiert wird, daß die Frequenz Δῶ den Betrag des Gesamtzeigers |z →| maximiert und gleichzeitig z → durch die optimale Phase auf die Realteilachse gedreht wird. Es ergibt sich daraus folgende, nur noch von der Frequenz abhängige Log-Likelihood-Funktion, welche wiederum zu maximieren ist:

Figure 00160002
It should therefore be noted that the log-likelihood function L 1 from (14) is maximized in that the frequency Δῶ corresponds to the absolute value of the total vector | z → | maximized and at the same time z → is rotated through the optimal phase on the real part axis. This results in the following log-likelihood function, which is only dependent on the frequency and which in turn must be maximized:
Figure 00160002

Man erkennt nun eine Ähnlichkeit zwischen der vorliegenden Log-Likelihood-Funktion und der Fast Fourier Transformation FFT. Mit Hilfe der FFT kann die LLF für bestimmte diskrete Frequenzen berechnet werden.Man now recognizes a similarity between the existing log-likelihood function and the Fast Fourier Transformation FFT. With the help of the FFT, the LLF can be used for certain discrete frequencies are calculated.

Die Definition der FFT lautet

Figure 00160003
mit NFFT = 2k und k ∊ N (18) The definition of the FFT is
Figure 00160003
with N FFT = 2 k and k ∊ N (18)

Die Quantisierung der FFT im Frequenzbereich, d.h. die Frequenzauflösung, beträgt dabei:

Figure 00160004
The quantization of the FFT in the frequency domain, i.e. the frequency resolution, is:
Figure 00160004

Beim Vergleich der Summation aus (16) mit der FFT-Definition erkennt man, daß eine Äquivalenz vorliegt, falls Δω ~ auf eine der diskreten Frequenzen der FFT fällt.At the Compare the summation from (16) with the FFT definition one that an equivalence exists if Δω ~ on one of the discrete frequencies of the FFT falls.

Wenn also der Zusammenhang

Figure 00170001
erfüllt ist, entspricht die zu maximierende LLF dem Betrag von FFT{xν}:
Figure 00170002
So if the context
Figure 00170001
is fulfilled, the LLF to be maximized corresponds to the amount of FFT {x ν }:
Figure 00170002

Dies bedeutet, daß die Frequenzschätzung in zwei Abschnitten durchgeführt werden kann. Zunächst wird ein grober Frequenzschätzwert Δfcoarse dadurch ermittelt, daß das Betragsmaximum der Fouriertransformierten von xν gesucht wird. Allerdings kann dabei ein Schätzfehler

Figure 00170003
auftreten, wenn die zu schätzende Frequenz Δf nicht genau einer der diskreten Frequenzen des Frequenzrasters der FFT entspricht.This means that the frequency estimation can be carried out in two stages. First, a coarse frequency estimate Δf coarse is determined by looking for the maximum amount of the Fourier transform of x ν. However, there can be an estimation error
Figure 00170003
occur when the frequency to be estimated Δf does not exactly correspond to one of the discrete frequencies of the frequency grid of the FFT.

Falls die FFT-Länge NFFT entsprechend groß ist, wird der verbleibende Schätzfehler Δfrest jedoch so klein, daß er in einer nachfolgenden Feinschätzstufe durch lineare Approximation ermittelt werden kann. Dabei stellt sich jedoch das Problem, daß eine Linearisierung der Betragsfunktion aus (16) nicht möglich ist.If the FFT length N FFT is correspondingly large, however, the remaining estimation error Δf rest becomes so small that it can be determined in a subsequent fine estimation stage by linear approximation. However, the problem arises that a linearization of the absolute value function from (16) is not possible.

Folgendes Hilfsmittel führt zur Lösung: Da die LLF aus (16) wegen der Betragsbildung reell und für alle Δω ~ positiv ist, wird durch eine Quadrierung die Lage des Maximums der LLF nicht verändert. Es ergibt sich die äquivalente LLF

Figure 00180001
von der nachfolgend gezeigt wird, daß sie linearisierbar ist. Mit dem Zusammenhang |z|2 = z·z* (24)für komplexe Größen erhält man für die vorliegende LLF:
Figure 00180002
The following aid leads to the solution: Since the LLF from (16) is real because of the formation of the absolute value and positive for all Δω ~, the position of the maximum of the LLF is not changed by squaring. The result is the equivalent LLF
Figure 00180001
which is shown below to be linearizable. With the context | z | 2 = z * z * (24) for complex sizes one obtains for the present LLF:
Figure 00180002

Nun werden die einzelnen Summenelemente von (24) in eine schematische Matrix eingetragen, die in 4 dargestellt ist.Now the individual sum elements of (24) are entered into a schematic matrix, which is shown in 4th is shown.

Man erkennt dabei folgende Symmetrieeigenschaften:

  • – Die Haupt- und Nebendiagonalen besitzen einen jeweils identischen Drehzeiger e-j...
  • – Die Matrix ist hermetisch, d.h. die Matrixelemente M haben paarweise konjugiert komplexe Werte: Mα,β = M*β,α
  • – Die Hauptdiagonale ist reell.
The following symmetry properties can be seen:
  • - The main and secondary diagonals each have an identical rotary pointer e -j ...
  • - The matrix is hermetic, i.e. the matrix elements M have complex values conjugated in pairs: M. α, β = M * β, α
  • - The main diagonal is real.

Diese Symmetrieeigenschaften lassen sich nutzen, indem man folgende alternative Summationsindizes einführt: ν = α – β und γ 25) These symmetry properties can be used by introducing the following alternative summation indices: ν = α - β and γ 25)

Mit Hilfe der Matrix veranschaulicht bedeutet dies, daß man nun nicht mehr über die Zeilen und Spalten der Matrix aufsummiert, sondern die Matrixelemente jeder Diagonalen aufsummiert und dann die Ergebnisse der einzelnen Diagonalen addiert. Dabei nutzt man für die Addition der paarweise konjugiert komplexen Werte zusätzlich folgende Beziehung: z + z* = 2·Re{z} (26) With the help of the matrix, this means that you no longer add up over the rows and columns of the matrix, but add up the matrix elements of each diagonal and then add the results of the individual diagonals. The following relationship is also used for the addition of the pair-wise conjugate complex values: z + z * = 2 · Re {z} (26)

Es ergibt somit sich die folgende, zu (24') äquivalente Darstellung:

Figure 00190001
The result is the following representation, equivalent to (24 '):
Figure 00190001

Da der erste Term, der die Hauptdiagonale der Matrix beschreibt, nicht von der Frequenz abhängt, kann er zusammen mit dem Vorfaktor des zweiten Terms weggelassen werden, ohne das Maximum der LLF zu verschieben. Man erhält dadurch eine relativ einfache, geschlossene Darstellung:

Figure 00190002
Since the first term, which describes the main diagonal of the matrix, does not depend on the frequency, it can be omitted together with the prefactor of the second term without shifting the maximum of the LLF. This gives a relatively simple, closed representation:
Figure 00190002

In dieser LLF liegt eine (zyklische) Faltung der Form yν = xν·x* (29)vor. Man erkennt, daß sich die Folge y mit Hilfe der Fouriertransformation berechnen läßt: Yμ = FFT{yν} = |Xμ|2 = |FFT{xν}|2 (30) In this LLF there is a (cyclical) convolution of the form y ν = x ν X * (29) before. It can be seen that the sequence y can be calculated with the help of the Fourier transform: Y μ = FFT {y ν } = | X μ | 2 = | FFT {x ν } | 2 (30)

Zusätzlich besitzt y nachstehende Eigenschaften:

  • – Konjugiert komplexe Symmetrie der Folgenglieder: y = y*ν (31)
  • – Die Folge y ist nur im Bereich –(NSym – 1) ≤ ν ≤ NSym – 1 (32)ungleich Null
In addition, y has the following properties:
  • - Conjugates complex symmetry of the terms of the sequence: y = y * ν (31)
  • - The sequence y is only in the area - (N Sym - 1) ≤ ν ≤ N Sym - 1 (32) not equal to zero

Mit der definierten Folge y vereinfacht sich die LLF zu:

Figure 00200001
With the defined sequence y, the LLF is simplified to:
Figure 00200001

Mit Hilfe dieser Form der LLF kann eine Feinschätzung durchgeführt werden. Für das Verständnis der Grobschätzung ist jedoch eine weitere Umformung der LLF hilfreich. Zunächst kann (26) angewendet werden, was zu folgender Darstellung der LLF führt:

Figure 00200002
With the help of this form of LLF, a fine estimate can be carried out. To understand the rough estimate, however, a further transformation of the LLF is helpful. First, (26) can be applied, which leads to the following representation of the LLF:
Figure 00200002

Nun kann man die Symmetrieeigenschaft von y aus (31) nutzen:

Figure 00200003
Now one can use the symmetry property of y from (31):
Figure 00200003

Da der hintere Term y0 und der Vorfaktor keinen Einfluß auf die Lage des Maximums der LLF haben, können sie weggelassen werden. Dadurch erhält man die äquivalente LLF:

Figure 00200004
Since the rear term y 0 and the prefactor have no influence on the position of the maximum of the LLF, they can be omitted. This gives the equivalent LLF:
Figure 00200004

Man erkennt, daß es sich dabei um die Fouriertransformation der Folge yν bei der Frequenz Δf ~ handelt, da die Summationsgrenzen aufgrund der zyklischen Faltung der FFT verschiebbar sind. Somit gilt der Zusammenhang:

Figure 00210001
It can be seen that this is the Fourier transform of the sequence y ν at the frequency Δf ~, since the summation limits can be shifted due to the cyclic convolution of the FFT. Thus the relationship applies:
Figure 00210001

Zusätzlich läßt sich ablesen, daß für die Mindestlänge dieser FFT gilt: NFFT ≥ 2·NSym – 1 (38) In addition, it can be seen that the following applies to the minimum length of this FFT: N FFT ≥ 2 * N Sym - 1 (38)

Bei kleinerem NFFT käme es zu Aliasing im Zeitbereich.A smaller N FFT would result in aliasing in the time domain.

Jedoch sei bereits hier darauf hingewiesen, daß die Genauigkeit einer Grobschätzung mit dieser FFT-Länge nicht immer für eine sichere Konvergenz des iterativen Algorithmus der Feinschätzstufe ausreicht. Es ist deshalb entweder eine entsprechend größere FFT-Länge notwendig oder es muß entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer Frequenzgrobschätzung mit NFFT = 2·NSym die Frequenzauflösung entsprechend erhöht werden. Das Verfahren zur nachträglichen Verfeinerung der Frequenzauflösung der Grobschätzung ist weiter unten beschrieben.However, it should already be pointed out here that the accuracy of a rough estimate with this FFT length is not always sufficient for a reliable convergence of the iterative algorithm of the fine estimation stage. Either a correspondingly larger FFT length is therefore necessary or, in accordance with a preferred development of the method according to the invention, the frequency resolution must be increased accordingly after a rough frequency estimate with N FFT = 2 * N Sym. The method for subsequent refinement of the frequency resolution of the coarse estimate is described below.

Zusammengefaßt kann man aus den bisherigen Herleitungen erkennen, daß eine zweistufige Frequenzschätzung mit folgenden Schritten sinnvoll ist:

  • – Grobschätzung von Δf ^ mittels FFT
  • – Iterative Feinschätzung mittels linearer Interpolation
In summary, one can see from the previous derivations that a two-stage frequency estimation with the following steps is useful:
  • - Rough estimate of Δf ^ using FFT
  • - Iterative fine estimation using linear interpolation

Die Grobschätzung wird in folgenden Schritten durchgeführt:

  • a) Berechne die modulationsbereinigte Folge x nach (11)
  • b) Erhöhe durch Zero-Padding (Einfügen von Nullen) am Ende der Folge die Länge von x auf die notwendige FFT-Länge NFFT
  • c) Berechne die Fouriertransformierte Xμ = FFT{xν}
  • d) Suche nach (21) das Maximum von |Xμ|. Die Betragsbildung ist allerdings numerisch aufwendig. Daher ist es sinnvoller, stattdessen nach (30) das Betragsquadrat von Xμ zu bilden: Yμ = |Xμ|2 Die nun für Yμ durchgeführte Maximumsuche liefert als Ergebnis den Index der diskreten Frequenz, bei der das Maximum vorliegt: μmax = arg{max(Yμ)} (39)Daraus ergibt sich mit (19) der Grobschätzwert der Frequenz:
    Figure 00220001
  • e) Berechne die Folge y mit Hilfe der inversen FFT: yν = IFFT{Yμ+μmax} (41)
  • f) Kompensiere die Folge y mit dem ermittelten Grobschätzwert der Frequenz:
    Figure 00220002
The rough estimate is carried out in the following steps:
  • a) Compute the modulation-adjusted sequence x according to (11)
  • b) Increase the length of x to the necessary FFT length N FFT by zero padding (insertion of zeros) at the end of the sequence
  • c) Calculate the Fourier transform X μ = FFT {x ν }
  • d) Search for (21) the maximum of | X μ |. The formation of the amount is, however, numerically complex. Therefore it makes more sense to use (30) instead to form the square of the absolute values of X μ: Y μ = | X μ | 2 The maximum search now carried out for Y μ provides the index of the discrete frequency at which the maximum is present as a result: μ Max = arg {max (Y μ )} (39) This gives the rough estimate of the frequency with (19):
    Figure 00220001
  • e) Calculate the sequence y using the inverse FFT: y ν = IFFT {Y μ + μmax } (41)
  • f) Compensate the sequence y with the determined rough estimate of the frequency:
    Figure 00220002

Man erkennt mit (40), daß die grob frequenzkompensierte Folge ycomp alternativ auch mit Hilfe des Modulationssatzes berechnet werden kann:

Figure 00230001
It can be seen from (40) that the roughly frequency-compensated sequence y comp can alternatively also be calculated with the aid of the modulation theorem:
Figure 00230001

Nach der Kompensation der Folge y mit dem groben Frequenzschätzwert Δfcoarse verbleibt aufgrund der endlichen diskreten Frequenzauflösung der FFT der Frequenzversatz Δffine, der von der Feinschätzstufe zu schätzen ist. Der Gesamtschätzwert setzt sich somit aus Δf ^ = Δf ^coarse + Δf ^fine (44)zusammen.After the compensation of the sequence y with the coarse frequency estimate Δf coarse , the frequency offset Δf fine remains due to the finite discrete frequency resolution of the FFT, which is to be estimated by the fine estimation stage. The overall estimate is therefore made up of Δf ^ = Δf ^ coarse + Δf ^ fine (44) together.

Dabei kann Δf ^fine durch Maximierung der zu (33) äquivalenten LLF

Figure 00230002
ermittelt werden, indem man die Ableitung nach der Frequenz bildet und gleich Null setzt:
Figure 00230003
Here, Δf ^ fine can be calculated by maximizing the LLF which is equivalent to (33)
Figure 00230002
can be determined by taking the derivative according to the frequency and setting it to zero:
Figure 00230003

Da durch eine entsprechende Wahl von NFFT der Grobschätzstufe das zu schätzende Δωfine ausreichend klein ist, darf linearisiert werden. Wendet man die für kleine x zulässige Linearisierung der Exponentialfunktion ex ≈ 1 + x (47)auf die vorliegende Gleichung an, so erhält man:

Figure 00240001
Since the Δω fine to be estimated is sufficiently small by a corresponding choice of N FFT of the coarse estimation stage, linearization may be used. If one applies the linearization of the exponential which is permissible for small x function e x ≈ 1 + x (47) on the present equation, one obtains:
Figure 00240001

Daraus ergibt sich schließlich die gewünschte Berechnungsvorschrift für den Frequenz-Feinschätzwert:

Figure 00240002
This ultimately results in the required calculation rule for the fine frequency estimate:
Figure 00240002

Aufgrund des Linearisierungsfehlers der Feinschätzstufe entspricht der Gesamtschätzwert Δf ^ = Δf ^coarse + Δf ^fine nicht exakt der zu schätzenden Frequenz Δf. Eine Verbesserung schafft hier die iterative Anwendung des Feinschätzalgorithmus. Dadurch kann der Linearisierungsfehler beliebig verkleinert werden.Due to the linearization error of the fine estimation stage, the total estimation value corresponds Δf ^ = Δf ^ coarse + Δf ^ fine not exactly the frequency to be estimated Δf. The iterative application of the fine estimation algorithm creates an improvement here. This means that the linearization error can be reduced as required.

Die Feinschätzung der Frequenz in nof_it Iterationen läuft dabei in folgenden Schritten ab:

  • a) Berechne den Feinschätzwert Δf ^{it}fine der aktuellen Iteration nach der iterativ anwendbaren Berechnungsvorschrift aus (49)
    Figure 00250001
    Für die erste Frequenzschätzung wird dabei die am Ausgang der Grobschätzstufe vorliegende, nur mit Δfcoarse kompensierte Folge ycomp verwendet, d.h.
    Figure 00250002
  • b) Addiere alle bisherigen Feinschätzwerte auf zu Δf ^fine_total:
    Figure 00250003
  • c) Bilde die für die nächste Feinschätzung benötigte Eingangsfolge durch Kompensation von ycomp mit Δf ^fine_total:
    Figure 00250004
  • d) Ist die gewünschte Iterationszahl nof_it noch nicht erreicht, so wird die nächste Iteration entsprechend Schritt a) bis c) durchgeführt.
  • e) Sobald nof_it Iterationen durchgeführt wurden, steht der Gesamt-Feinschätzwert
    Figure 00250005
    als Ausgangsgröße der iterativen Feinschätzstufe zur Verfügung.
The fine estimation of the frequency in nof_it iterations takes place in the following steps:
  • a) Calculate the fine estimate Δf ^ {it} fine the current iteration according to the iteratively applicable calculation rule from (49)
    Figure 00250001
    The sequence y comp present at the output of the coarse estimation stage and only compensated with Δf coarse is used for the first frequency estimation, ie
    Figure 00250002
  • b) Add up all previous fine estimate values to Δf ^ fine_total :
    Figure 00250003
  • c) Include the input sequence required for the next fine estimate by compensating y comp Δf ^ fine_total :
    Figure 00250004
  • d) If the desired number of iterations nof_it has not yet been reached, the next iteration is carried out in accordance with steps a) to c).
  • e) As soon as nof_it iterations have been carried out, the total fine estimate is available
    Figure 00250005
    available as the output variable of the iterative fine estimation stage.

Der gesuchte Gesamt-Frequenzschätzwert Δf ^ für die zu schätzende Frequenz Δf berechnet sich aus den Ergebnissen der Grob- und Feinschätzung:

Figure 00250006
The total estimated frequency value Δf ^ sought for the frequency Δf to be estimated is calculated from the results of the rough and fine estimation:
Figure 00250006

Nach erfolgter Schätzung der Frequenz kann mit dem Frequenzschätzwert Δf ^ die Phase ϕ nach (15) geschätzt werden:

Figure 00260001
After the frequency has been estimated, the phase ϕ can be estimated according to (15) using the frequency estimated value Δf ^:
Figure 00260001

Die Schätzung der Verstärkung g Schätzers wird der Vollständigkeit halber hier mit aufgeführt.the estimate of reinforcement g estimator becomes of completeness for the sake of it listed here.

Zur Schätzung der Verstärkung muß die Log-Likelihood-Funktion (12) maximiert werden. Dazu wird die Ableitung der LLF nach g ~ gleich Null gesetzt:

Figure 00260002
To estimate the gain, the log-likelihood function (12) must be maximized. For this purpose, the derivative of the LLF according to g ~ is set equal to zero:
Figure 00260002

Daraus berechnet sich mit den zuvor ermittelten Frequenz- und Phasenschätzwerten der Schätzwert für die Verstärkung als:

Figure 00260003
From this, with the previously determined frequency and phase estimates, the estimate for the gain is calculated as:
Figure 00260003

Der vorstehend ausführlich beschriebene Ablauf der Frequenz- und Phasenschätzung mit dem universellen Maximum-Likelihood-Schätzer ist in 5 schematisch dargestellt.The sequence of frequency and phase estimation with the universal maximum likelihood estimator described in detail above is in 5 shown schematically.

Das in 5 dargestellte Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Frequenz- und Phasenschätzers 1 teilt sich in einen Frequenz-Grobschätzer 22, einen Frequenz-Feinschätzer 23 und einen Phasenschätzer 24 auf. Dem Frequenz-Grobschätzer 22 wird die digitale Eingangs-Signalfolge xν zugeführt. In einem Block 25 erfolgt eine diskrete Fourier-Transformation, vorzugsweise eine schnelle Fourier-Transformation FFT. Die Länge der Fourier-Transformation muß mindestens doppelt so lang sein, wie die Länge der Eingangs-Signalfolge xν, d. h. es muß gelten NFFT ≥ 2·NSym – 1. Durch die Fourier-Transformation entsteht im Frequenzraum die Fourier-Folge Xμ. In dem Block 26 erfolgt eine Betragsbildung oder Betragsquadratbildung. In einem Block 27 wird das Maximum des Betrags der Fourier-Folge oder, da dies numerisch einfacher und äquivalent ist, das Maximum des Betragsquadrats der Fourier-Folge gesucht.This in 5 The illustrated block diagram of the frequency and phase estimator according to the invention 1 is divided into a rough frequency estimator 22nd , a frequency estimator 23 and a phase estimator 24 on. The rough frequency estimator 22nd the digital input signal sequence x ν is supplied. In a block 25th a discrete Fourier transformation takes place, preferably a fast Fourier transformation FFT. The length of the Fourier transformation must be at least twice as long as the length of the input signal sequence x ν , ie N FFT ≥ 2 · N Sym - 1. The Fourier transformation results in the Fourier sequence X in the frequency space μ . In the block 26th an amount or an amount square is formed. In a block 27 the maximum of the magnitude of the Fourier sequence or, since this is numerically simpler and equivalent, the maximum of the magnitude square of the Fourier sequence is sought.

Der Index μmax des diskreten Werts Yμ,max der Fourier-Folge, bei welchem das Maximum des Betrags bzw. Betragsquadrats vorliegt, wird an dem Block 28 weitergegeben, in welchem eine Umrechnung in den Grobschätzwert Δf ^coarse der Frequenz gemäß Formel (40) vorgenommen wird. In dem Block 29 erfolgt eine inverse Fourier-Transformation, jedoch nicht der ursprünglichen Betragsquadrat-Fourier-Folge Yμ, sondern der um den dem Maximum entsprechenden Index μmax verschobenen Fourier-Folge Yμ + μmax. Nach Kompensation mit Formel (42) entsteht die rücktransformierte Signalfolge yν,comp.The index μ max of the discrete value Y μ, max of the Fourier sequence, in which the maximum of the amount or the amount square is present, is applied to the block 28 passed on, in which a conversion into the rough estimate Δf ^ coarse of the frequency is carried out according to formula (40). In the block 29 an inverse Fourier transformation takes place, but not the original square Fourier sequence Y μ , but the Fourier sequence Y μ + μ max shifted by the index μ max corresponding to the maximum. After compensation with formula (42), the back-transformed signal sequence y ν, comp is produced .

Durch den Feinschätzer 23 erfolgt eine Feinschätzung der Frequenz. Dargestellt ist der bevorzugte Fall des iterativen Vorgehens. In einem Block 30 wird zunächst der Iterationszähler it auf 1 und der gesamte Feinschätzwert Δf ^fine_total auf Null gesetzt. In einem Block 31 erfolgt eine Berechnung des Feinschätzwerts der Frequenz gemäß Formel (50). Für den nächsten Iterationsschritt wird der Iterationszähler it im Block 32 inkrementiert. In Block 33 wird der in Formel (53) benötigte Kompensationsfaktor zur Verfügung gestellt. Die Kompensation entsprechend Formel (53) erfolgt schließlich durch den Multiplizierer 34.By the connoisseur 23 a fine estimate of the frequency takes place. The preferred case of the iterative approach is shown. In a block 30th the iteration counter it is first set to 1 and the entire fine estimate Δf ^ fine_total is set to zero. In a block 31 the fine estimate of the frequency is calculated according to formula (50). For the next iteration step the iteration counter is it in the block 32 incremented. In block 33 the compensation factor required in formula (53) is made available. The compensation according to formula (53) is finally made by the multiplier 34 .

Nach Berechnung des Feinschätzwert-Iterationsbeitrags dieser Iterationsstufe nach Formel (50) in Block 31 werden im Block 35 die Feinschätzwert-Iterationsbeiträge der einzelnen Iterationsstufen zum Feinschätzwert-Gesamtwert Δf ^fine_total aufaddiert. Hat der Iterationszähler it die Anzahl der vorgegebenen Iterationsstufen nof_it erreicht, so wird der Feinschätzwert-Gesamtbetrag über den nur symbolisch dargestellten Schalter 37 ausgegeben und in dem Addierer 38 mit dem Grobschätzwert zur Erzeugung eines Gesamtschätzwerts der Frequenz addiert.After calculating the fine estimate iteration contribution of this iteration stage according to formula (50) in block 31 be in the block 35 the fine estimated-Iterationsbeiträge of each iteration to fine estimated total value .DELTA.f ^ added fine_total. If the iteration counter it has reached the number of specified iteration stages nof_it, the total fine estimate value is displayed using the switch, which is only shown symbolically 37 output and in the adder 38 is added to the coarse estimate to produce an overall estimate of the frequency.

Der Gesamtschätzwert der Frequenz und die Eingangs-Signalfolge werden dem Phasenschätzer 24 zugeführt, der entsprechend Formel (55) den Schätzwert der Phase berechnet.The overall estimate of the frequency and the input signal sequence are used by the phase estimator 24 supplied, which calculates the estimated value of the phase according to formula (55).

Der Schätzwert der Phase kann zusammen mit der Eingangs-Signalfolge dem Block 39 zugeführt werden, der den Schätzwert für die Verstärkung gemäß Formel (57) berechnet.The estimated value of the phase can be combined with the input signal sequence to the block 39 which calculates the estimated value for the gain according to formula (57).

Bei der Frequenz-Grobschätzung des erfindungsgemäßen universellen Maximum-Likelihood-Schätzers wird der Frequenzschätzwert mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation ermittelt. Dabei ist nach (38) zu beachten, daß eine minimale FFT-Länge von NFFT ≥ 2·NSym – 1eingehalten werden muß, um Aliasing-Effekte im Zeitbereich zu vermeiden. Jedoch kann diese FFT-Länge nicht ausreichen. Aufgrund eines zu großen maximalen Schätzfehlers Δfrest,max am Ausgang der Grobschätzstufe ist bei dieser FFT-Länge eine sichere Konvergenz des nachfolgenden iterativen Feinschätzalgorithmus nicht immer gewährleistet. Der zusätzliche Rechenaufwand und Speicherbedarf durch eine entsprechende Erhöhung der FFT-Länge in der Grobschätzstufe wäre jedoch beträchtlich.In the rough frequency estimation of the universal maximum likelihood estimator according to the invention, the estimated frequency value is determined with the aid of a Fast Fourier transformation. According to (38) it should be noted that a minimum FFT length of N FFT ≥ 2 * N Sym - 1 must be observed in order to avoid aliasing effects in the time domain. However, this FFT length may not be sufficient. Due to an excessively large maximum estimation error Δf rest, max at the output of the coarse estimation stage, reliable convergence of the subsequent iterative fine estimation algorithm is not always guaranteed with this FFT length. The additional computational effort and memory requirement due to a corresponding increase in the FFT length in the rough estimation stage would, however, be considerable.

Eine Abhilfe stellt das nachfolgende Verfahren als vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Hierbei wird zunächst unter Beachtung von (18) eine Grobschätzung mit NFFT = 2·NSym (58)durchgeführt. Mit geringem Zusatzaufwand wird dann durch Maximierung der entsprechenden LLF bei bestimmten Frequenzen die selbe Frequenzauflösung und damit auch die selbe Schätzgenauigkeit wie bei einer Grobschätzung mit NFFT = 4·NSym erreicht. Damit ist sowohl die Konvergenz des Feinschätzalgorithmus als auch die Einhaltung festgelegter Genauigkeitsgrenzen sicher gewährleistet.The following method provides a remedy as an advantageous further development of the method according to the invention. Here, a rough estimate is initially included, taking into account (18) N FFT = 2 * N Sym (58) carried out. With little additional effort, by maximizing the corresponding LLF at certain frequencies, the same frequency resolution and thus also the same estimation accuracy as with a rough estimation with N FFT = 4 * N Sym is achieved. This ensures both the convergence of the fine estimation algorithm and compliance with defined accuracy limits.

Die FFT der Grobschätzstufe mit der FFT-Länge hat nach (19) eine Frequenzauflösung von

Figure 00290001
According to (19), the FFT of the rough estimation stage with the FFT length has a frequency resolution of
Figure 00290001

Ziel ist es nun, diese Auflösung im Bereich um den gefundenen Grobschätzwert Δf ^coarse nachträglich zu verdoppeln und dadurch den maximalen verbleibenden Frequenzversatz Δfrest,max am Ausgang des Grobschätzers 22 zu halbieren.The aim is now to subsequently double this resolution in the area around the found coarse estimate Δf ^ coarse and thereby the maximum remaining frequency offset Δf rest, max at the output of the coarse estimate 22nd to cut in half.

Ausgangspunkt ist wie bei der Feinschätzung die Log-Likelihood-Funktion nach (45), bei der bereits die Kompensation mit dem Grobschätzwert Δf ^coarse berücksichtigt ist:As with the fine estimation, the starting point is the log likelihood function according to (45), in which the compensation with the rough estimate Δf ^ coarse is already taken into account:

Figure 00300001
Figure 00300001

Durch Maximierung dieser LLF erhält man einen Schätzwert für den verbleibenden Frequenzversatz Δfrest = Δf – Δf ^coarse (61)am Ausgang der Grobschätzstufe.Maximizing this LLF gives an estimate of the remaining frequency offset Δf rest = Δf - Δf ^ coarse (61) at the output of the rough estimation stage.

Die angesprochene Verdopplung der Frequenzauflösung gegenüber der Auflösung fQ des Grobschätzers erreicht man nun dadurch, daß man die Funktionswerte der LLF L4 bei den Frequenzen

Figure 00300002
berechnet und mit dem Funktionswert von L4 bei f = 0 vergleicht. Aus den drei Frequenzen wird jene als Schätzfrequenz Δf ^int ausgewählt, bei der die LLF den größten Wert aufweist und die somit der zu schätzenden Frequenz Δfrest am nächsten kommt. Der nach der Kompensation der Folge ycomp mit dem Schätzwert Δf ^int noch verbleibende Frequenzversatz wird anschließend von dem vorzugsweise iterativ arbeitenden Feinschätzer 23 ermittelt.The mentioned doubling of the frequency resolution compared to the resolution f Q of the coarse estimator is now achieved by using the function values of the LLF L 4 at the frequencies
Figure 00300002
calculated and compared with the function value of L 4 at f = 0. From the three frequencies that one is selected as the estimated frequency Δf ^ int at which the LLF has the greatest value and which thus comes closest to the frequency to be estimated Δf rest. The frequency offset still remaining after the compensation of the sequence y comp with the estimated value Δf ^ int is then determined by the fine estimator, which preferably works iteratively 23 determined.

Mit anderen Worten wird durch das obige Verfahren untersucht, ob eine der Frequenzen Δf ^coarse ± 0,5·fO genauer als Δf ^coarse der vom universellen Maximum-Likelihood-Schätzer zu schätzenden Frequenz Δf entspricht. Somit erreicht man die selbe Auflösung und Schätzgenauigkeit wie bei einer Grobschätzung mit NFFT = 4·NSym.In other words, the above method examines whether one of the frequencies Δf ^ coarse ± 0.5 · f O corresponds more precisely than Δf ^ coarse to the frequency Δf to be estimated by the universal maximum likelihood estimator. The same resolution and estimation accuracy are thus achieved as with a rough estimation with N FFT = 4 · N Sym .

Mathematisch läßt sich die Ermittlung des Schätzwertes Δf ^int zur nachträglichen Erhöhung der Frequenzauflösung wie folgt darstellen:

Figure 00310001
Mathematically, the determination of the estimated value Δf ^ int for the subsequent increase in the frequency resolution can be represented as follows:
Figure 00310001

Für eine effizientere Implementierung z.B. auf einem digitalen Signalprozessor kann durch Vertauschung von Realteilbildung und Summation wie folgt weiter vereinfacht werden:

Figure 00310002
For a more efficient implementation, e.g. on a digital signal processor, the following can be simplified by swapping the real part formation and summation:
Figure 00310002

Der gesamte Ablauf des Verfahrens ist schematisch in 6 zusammengefaßt.The entire process flow is shown schematically in 6th summarized.

In 6 ist zunächst der Frequenz-Grobschätzer 22, der Frequenz-Feinschätzer 23 und der Phasenschätzer 24 sowie der Verstärkungs-Schätzer 39 in gleicher Weise wie in 5 dargestellt. Die diesbezüglichen Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich insoweit eine wiederholende Beschreibung erübrigt.In 6th is first of all the rough frequency estimator 22nd , the frequency estimator 23 and the phase estimator 24 as well as the gain estimator 39 in the same way as in 5 shown. The relevant elements are provided with the same reference numerals, so that a repetitive description is not necessary.

Im Unterschied zu 5 ist zwischen dem Frequenz-Grobschätzer 22 und dem Frequenz-Feinschätzer 23 zur Erhöhung der Frequenzauflösung der Block 40 eingeschoben. In dem Block 40 wird nicht nur im Block 41 entsprechend Formel (45) die Log-Likelihood-Funktion L4 an der Stelle des Grobschätzwerts berechnet, sondern in den Blöcken 42 und 43 wird die Log-Likelihood-Funktion L4 entsprechend Formel (60) in Verbindung mit Formel (62) bzw. (63) auch eine halbe Schrittweite der Quantisierung fQ der FFT neben dem Grobschätzwert berechnet. In einem Block 44 wird das Maximum dieser drei Alternativen von L4 bestimmt und durch die arg-Funktion daraus der Frequenzbeitrag Δf ^int ermittelt, der in dem Addierer 45 zu dem Grobschätzwert der Frequenz addiert wird.In contrast to 5 is between the rough frequency estimator 22nd and the fine frequency estimator 23 to increase the frequency resolution of the block 40 inserted. In the block 40 will not just be in the block 41 according to formula (45) the log likelihood function L 4 is calculated at the point of the rough estimate, but in the blocks 42 and 43 the log-likelihood function L 4 is calculated according to formula (60) in conjunction with formula (62) or (63) and half a step size of the quantization f Q of the FFT in addition to the rough estimate. In a block 44 the maximum of these three alternatives of L 4 is determined and the frequency contribution Δf ^ int is determined from this by the arg function, which is in the adder 45 is added to the rough estimate of the frequency.

Die sich daraus ergebenden Phasenkompensationswerte stehen in dem Block 46 in einer Tabelle zur Verfügung und die Signalfolge yν,comp wird in dem Multiplizierer 47 mit diesem Kompensationswerten multipliziert.The resulting phase compensation values are in the block 46 available in a table and the signal sequence y ν, comp is in the multiplier 47 multiplied by this compensation value.

Claims (12)

Verfahren zum Schätzen der Frequenz (Δf) und/oder der Phase (Φ) einer digitalen Eingangs-Signalfolge (xν) mit folgenden Verfahrensschritten: – Durchführen einer Frequenz-Grobschätzung (22) unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation und – anschließendes Durchführen einer Frequenz-Feinschätzung (23) mittels Interpolation, wobei bei der Frequenz-Grobschätzung (22) zur Erzeugung eines Grobschätzwerts (Δf ^coarse) der Frequenz eine diskrete Fourier-Transformation (25) der Eingangs-Signalfolge (xν) zur Erzeugung einer Fourierfolge (Xμ), eine Betragsbildung (26) der Fourierfolge (Xμ) und eine Bestimmung des Maximums des Betrags (|Xμ|) oder einer Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge erfolgt, wobei die Fourierfolge (Xμ), der Betrag (|Xμ|) oder eine Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge entsprechend dem Index (μmax), bei welchem das Maximum des Betrags (|Xμ|) oder der Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge (Xμ) vorliegt, verschoben wird, und dann zur Erzeugung einer rücktransformierten Signalfolge (yν) eine inverse diskrete Fourier-Transformation (29) durchgeführt wird und die rücktransformierte Signalfolge (yν) mit dem Grobschätzwert (Δf ^coarse) zur Erzeugung einer kompensierten, rücktransformierten Signalfolge (yν,comp) kompensiert wird, und wobei die Kompensation gemäß
Figure 00340001
erfolgt, wobei yν: die rücktransformierte Signalfolge, yν,comp: die kompensierte, rücktransformierte Signalfolge, Δf ^coarse: den Grobschätzwert der Frequenz, Ta: die Abtastperiode der digitalen Eingangs-Signalfolge (xν) und ν: den Symbolindex der rücktransformierten Signalfolge bedeuten.
Method for estimating the frequency (Δf) and / or the phase (Φ) of a digital input signal sequence (x ν ) with the following procedural steps: - Carrying out a rough frequency estimation ( 22nd ) using a discrete Fourier transform and - then performing a fine frequency estimation ( 23 ) by means of interpolation, with the rough frequency estimation ( 22nd ) For generating a coarse estimate (.DELTA.f ^ coarse) frequency of a discrete Fourier transform ( 25th ) the input signal sequence (x ν ) to generate a Fourier sequence (X μ ), an amount ( 26th ) of the Fourier sequence (X μ ) and a determination of the maximum of the amount (| X μ |) or a function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence, where the Fourier sequence (X μ ), the amount (| X μ |) or a function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence corresponding to the index (μ max ) at which the maximum of the amount (| X μ |) or the function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence (X μ) is present, is displaced, and then to generate an inversely-transformed signal sequence (y ν), an inverse discrete Fourier transform ( 29 ) is carried out and the back-transformed signal sequence (y ν ) is compensated with the rough estimate (Δf ^ coarse ) to generate a compensated, back-transformed signal sequence (y ν, comp ), and the compensation according to
Figure 00340001
takes place, where y ν : the back-transformed signal sequence, y ν, comp : the compensated, back-transformed signal sequence, Δf ^ coarse : the rough estimate of the frequency, T a : the sampling period of the digital input signal sequence (x ν ) and ν: the symbol index of the mean reverse transformed signal sequence.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grobschätzwert (Δf ^coarse) der Frequenz aus dem Maximum des Betrags (|Xμ|) oder einer Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge gemäß
Figure 00340002
berechnet wird, wobei fQ: die Quantisierung des diskreten Fourier-Transformation im Frequenzbereich, NFFT: die Länge der Fourierfolge (Xμ) und μmax: der Index des diskreten Werts der Fourierfolge, bei welchem das Maximum des Betrags (|Xμ|) bzw. der Funktion (|Xμ|2) des Betrags der Fourierfolge (Xμ) vorliegt, bedeuten.
Method according to Claim 1, characterized in that the coarse estimate (Δf ^ coarse ) of the frequency from the maximum of the amount (| X μ |) or a function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence according to
Figure 00340002
is calculated, where f Q : the quantization of the discrete Fourier transform in the frequency domain, N FFT : the length of the Fourier sequence (X μ ) and μ max : the index of the discrete value of the Fourier sequence at which the maximum of the amount (| X μ |) or the function (| X μ | 2 ) of the amount of the Fourier sequence (X μ ) is present.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Frequenzauflösung nach der inversen diskreten Fourier-Transformation (29) die Berechnung einer Log-Likelihood-Funktion (L4) an der Abweichung Null (Δf ~int = 0) von dem Grobschätzwert (Δf ^coarse) der Frequenz als auch an einer Abweichung (Δf ~int = ± 1/(4·Nsym·Ta)) von dem Grobschätzwert (Δf ^coarse), die der Hälfte der Quantisierung (fQ) der diskreten Fourier-Transformation entspricht, erfolgt und daß zu dem Grobschätzwert (Δf ^coarse) der Frequenz ein Zusatzwert (Δf ~int) addiert wird, welcher der Abweichung (Δf ~int) von dem Grobschätzwert (Δf ^coarse) der Frequenz entspricht, an welcher die Log-Likelihood-Funktion (L4) ihr Maximum (max{L4(Δf ~int)}) hat.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that in order to increase the frequency resolution according to the inverse discrete Fourier transformation ( 29 ) the calculation of a log-likelihood function (L 4 ) on the deviation zero (Δf ~ int = 0) from the coarse estimate (Δf ^ coarse ) of the frequency as well as on a deviation (Δf ~ int = ± 1 / (4 · N sym · T a)) from the coarse estimated value (.DELTA.f ^ coarse), which corresponds to the half of the quantization (f Q) of the discrete Fourier transform, and in that to the coarse estimated value (.DELTA.f ^ coarse) the frequency of a supplementary value (.DELTA.f ~ int ), which corresponds to the deviation (Δf ~ int ) from the rough estimate (Δf ^ coarse ) of the frequency at which the log-likelihood function (L 4 ) reaches its maximum (max {L 4 (Δf ~ int )} ) Has. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feinschätzwert Δf ^fine der Frequenz gemäß
Figure 00350001
berechnet wird, wobei NSym die Länge der Eingangs-Signalfolge (xν) bedeutet.
Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a fine estimated value Δf ^ fine according to the frequency
Figure 00350001
is calculated, where N Sym means the length of the input signal sequence (x ν ).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Feinschätzwerts (Δf ^fine) der Frequenz iterativ wiederholt wird.Method according to Claim 4, characterized in that the calculation of the fine estimated value (Δf ^ fine ) of the frequency is repeated iteratively. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in sukzessiven Iterationstufen Feinschätzwert-Iterationsbeiträge gemäß
Figure 00360001
erzeugt werden, wobei it den Iterationsindex der it-ten Iterationstufe bedeutet, daß die Feinschätzwert-Iterationsbeiträge der bereits durchgeführten Iterationsstufen gemäß
Figure 00360002
aufaddiert werden und daß die rücktransformierte, kompensierte Signalfolge yν,comp zusätzlich gemäß
Figure 00360003
zur Erzeugung einer kompensierten Iterations-Signalfolge y {it} / ν,comp kompensiert wird, und die nächste Iterationsstufe mit der kompensierten Iterations-Signalfolge durchgeführt wird.
Method according to Claim 5, characterized in that, in successive iteration stages, fine estimate iteration contributions according to
Figure 00360001
are generated, where it means the iteration index of the it-th iteration stage that the fine estimate iteration contributions of the iteration stages already carried out according to
Figure 00360002
are added up and that the back-transformed, compensated signal sequence y ν, comp additionally according to
Figure 00360003
to generate a compensated iteration signal sequence y {it} / ν, comp is compensated, and the next iteration stage is carried out with the compensated iteration signal sequence.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinschätzwert (Δf ^fine) der Frequenz und der Grobschätzwert (Δf ^coarse) der Frequenz zur Erzeugung eines Gesamtschätzwerts (Δf ^) der Frequenz addiert werden.Method according to one of Claims 4 to 6, characterized in that the fine estimate (Δf ^ fine ) of the frequency and the coarse estimate (Δf ^ coarse ) of the frequency are added to generate an overall estimate (Δf ^) of the frequency. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gesamtschätzwert der Frequenz ein Schätzwert der Phase gemäß
Figure 00370001
berechnet wird, wobei xν: die Eingangs-Signalfolge bedeutet.
Method according to Claim 7, characterized in that an estimated value of the phase is derived from the overall estimated value of the frequency
Figure 00370001
is calculated, where x ν : means the input signal sequence.
Digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, daß das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt wird.Digital storage medium with electronically readable Control signals that are so with a programmable computer or digital signal processor can work together that the method according to a of claims 1 to 8 executed will. Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführen zu können, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.Computer program product with on a machine-readable carrier stored program code means to carry out all steps according to a of claims Perform 1 to 8 to be able to if the program is on a computer or a digital signal processor executed will. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführen zu können, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.Computer program with program code means to all Steps according to a of claims Perform 1 to 8 to be able to if the program is on a computer or a digital signal processor executed will. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführen zu können, wenn das Pogramm auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert ist.Computer program with program code means to all Steps according to a of claims Perform 1 to 8 to be able to if the program is saved on a machine-readable data carrier is.
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