一种基于相位增量的载波频偏估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位增量的载波频偏估计方法，属于无线通信技术领域。本发明专利技术分为两步：第一步，通过设置有效延迟长度可得到能够估计较大载波频偏的自相关算法，再利用复信号指数化近似的原理可获得简化的L&R算法；第二步，借鉴自相关估计思想可设计出一种具有高精度的简化互相关算法。本发明专利技术可利用有限的导频开销估计出接近于50％符号速率的大频偏，且具有较低的复杂度和良好的解调性能，可用于包括航天测控、深空通信和卫星通信的导频受限短突发通信。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位增量的载波频偏估计方法
本专利技术属于无线通信
，特别是指一种基于相位增量的载波频偏估计方法，可用于包括航天测控、深空通信和卫星通信的导频受限短突发通信。
技术介绍
近年来，短突发通信已经广泛应用于航天测控、卫星遥感以及无人机数据链等前沿领域，同时还将应用到第五代移动通信中。在这些通信领域中，有限的频谱资源会限制导频开销，同时通信双方的高速移动会产生多普勒效应，从而产生较大的多普勒扩展即载波频偏，进而造成接收端无法实现相干解调，以致通信质量严重下降。为了矫正较大的载波频偏，传统的频偏估计算法可以分为数据辅助、非数据辅助和判决引导三大类。其中，非数据辅助和判决引导估计算法的信噪比门限和复杂度都高于数据辅助估计算法。因此，在短突发通信中，普遍采用数据辅助估计算法。这类估计算法一般利用已知的数据符号对载波参数进行估计。这些数据符号通常被称作导频符号。它们可以分插到数据帧的不同位置而形成不同的数据帧结构。从采用的具体数据辅助估计算法而言，它可以分成频域数据辅助估计算法和时域数据辅助估计算法两小类。前者一般是基于搜索周期图的峰值来锁定载波频偏的，而后者一般是基于求解相关运算的相位增量来获得载波频偏的。在相同信噪比和导频开销下，前者的估计范围要比后者的大，而后者的估计精度要比前者的高。为了弥补这两种算法各自的缺陷，孙锦华等在“低信噪比下时频联合的载波估计算法”(西安交通大学学报,2015,49(2):62-68)一文中提出了一种时频联合的载波估计JTDFDCY算法。其基本原理是同时使用频域的旋转平均周期图算法和时域的互相关算法，获得了较大的估计范围和较高的估计精度，但同时也带来了较高的复杂度和时频域多参数优化配置的问题。另一方面，时域数据辅助估计算法可以进一步分成自相关算法和互相关算法。其中，自相关算法一般利用单个导频块对载波频偏进行估计。M.Luiseetal.在“Carrierfrequencyrecoveryinall-digitalmodemsforburst-modetransmissions”(IEEETrans.Commun.,1995,43(234):1169-1178)一文中和U.Mengalietal.在“Data-aidedfrequencyestimationforburstdigitaltransmission”(IEEETrans.Commun.,1997,45(1):23-25)一文中分别提出了利用单个导频块进行自相关运算来估计载波频偏的L&R算法和M&M算法。而互相关算法通常利用两个或多个不相交的导频块对载波频偏进行估计。在相同的信噪比和导频开销下，自相关算法和互相关算法具有以下的特点：前者的估计范围更大且信噪比门限及复杂度更低，后者的估计精度更高。因此，在导频受限的情况下，两者可以结合起来运用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种基于相位增量的载波频偏估计方法，本方法能够在较少的导频开销下获得较大的估计范围、较低的复杂度和良好的解调性能，更加适应导频受限的短突发通信。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于相位增量的载波频偏估计方法，其包括以下步骤：(1)设定数据帧的格式，所述数据帧包括m-1个数据块和一个位于数据块之后的导频块，所述导频块的长度为L，每个数据块的长度为Mi，其中索引i从1到m-1，所述导频块用于存储导频信息；(2)对数据帧进行加调得到调制信号s(k)；(3)将调制信号s(k)通过空间信道传到接收端，在接收端得到导频信号rp(k)；(4)在采样时刻k对导频信号rp(k)进行采样，并利用已知的导频信息对导频信号rp(k)进行预处理，得到导频信号中第q个导频块的去调制信号zq1(k)；(5)利用去调制信号zq1(k)及其延迟长度为l的延迟信号zq1(k+1)，通过自相关运算，得到自相关值R(l)：其中，zq1(k)*为去调制信号zq1(k)的共轭；(6)利用自相关值R(l)，通过自相关频偏估计，得到第一个频偏估计值(7)利用第一个频偏估计值通过补偿去调制信号zq1(k)，得到校正的去调制信号zq2(k)：其中，exp表示自然数e的指数，j为虚数单位，Ts为信道速率的符号周期，k为采样时刻；(8)利用校正的去调制信号zq2(k)，通过复信号指数化近似操作，得到简化的去调制信号zq3(k)：zq3(k)＝|zq2(k)|exp(-jarg{zq2(k)})≈exp(-jarg{zq2(k)})，其中，arg{}为求辐角运算；(9)根据去调制信号zq3(k)和可变延迟长度为α的延迟信号zq3(k+α)以及平滑噪声系数N，得到平滑自相关值R；(10)利用平滑自相关值R，通过自相关频偏估计，得到第二个频偏估计值(11)利用第一个频偏估计值和第二个频偏估计值通过补偿去调制信号zq1(k)，得到校正的去调制信号zq4(k)：(12)利用校正的去调制信号zq4(k)及其可变导频间隔为Di的延迟信号zq4(k+Di)，通过互相关运算，得到互相关值R1(Di)：其中，zq4(k)*为去调制信号zq4(k)的共轭，可变导频间隔索引i＝1,2,...,m-1；(13)利用互相关值R1(Di)，通过互相关频偏估计，得到第三个频偏估计值(14)对得到的第一个频偏估计值第二个频偏估计值和第三个频偏估计值进行求和，得到最终的频偏估计值具体的，所述步骤(4)的具体方式为：(4a)在采样时刻k，按照数据帧的格式，对已接收到的导频信号rp(k)进行遍历，得到对应于n个导频块的采样时刻集合kp：(4b)遍历采样时刻集合kp，得到对应于第q个导频块的导频信号rpq(k)，q＝1,2,...,n；(4c)在接收端对已知的导频信息进行调制，得到导频信息的调制信号sp(k)；(4d)利用导频信号rpq(k)以及导频信息的调制信号sp(k)，通过共轭相乘运算，得到对应于第q个导频块的第一时刻去调制信号zq1(k)：zq1(k)＝rpq(k)*sp(k)*，其中，sp(k)*为调制信号sp(k)的共轭。具体的，所述步骤(9)的具体方式为：(9a)利用去调制信号zq3(k)及其可变延迟长度为α的延迟信号zq3(k+α)，通过自相关运算，得到自相关值R(α)：其中，zq3(k)*为去调制信号zq3(k)的共轭；(9b)利用自相关值R(α)，通过对α求和，得到平滑自相关值R：本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：1.本专利技术由于采用了复信号指数化近似和自相关估计的思想，大大降低了对载波频偏估计的计算复杂度。2.本专利技术由于先使用联合自相关估计再使用互相关估计，不仅在有限的导频开销下可以估计出较大的载波频偏，还可以获得很高的估计精度，提高了在短突发通信中的可行性。总之，本专利技术可利用有限的导频开销估计出接近于50％符号速率的大频偏，且具有较低的复杂度和良好的解调性能，可用于包括航天测控、深空通信和卫星通信的导频受限短突发通信。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是本专利技术中使用的突发帧格式；图3是本专利技术与两种经典算法在不同信噪比下的频偏估计均方根误差性能仿真图；图4是本专利技术在不同信噪比下的误比特性能仿真图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。一种基于相位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位增量的载波频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设定数据帧的格式，所述数据帧包括m‑1个数据块和一个位于数据块之后的导频块，所述导频块的长度为L，每个数据块的长度为Mi，其中索引i从1到m‑1，所述导频块用于存储导频信息；(2)对数据帧进行加调得到调制信号s(k)；(3)将调制信号s(k)通过空间信道传到接收端，在接收端得到导频信号rp(k)；(4)在采样时刻k对导频信号rp(k)进行采样，并利用已知的导频信息对导频信号rp(k)进行预处理，得到导频信号中第q个导频块的去调制信号zq1(k)；(5)利用去调制信号zq1(k)及其延迟长度为l的延迟信号zq1(k+1)，通过自相关运算，得到自相关值R(l)：

【技术特征摘要】
1.一种基于相位增量的载波频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设定数据帧的格式，所述数据帧包括m-1个数据块和一个位于数据块之后的导频块，所述导频块的长度为L，每个数据块的长度为Mi，其中索引i从1到m-1，所述导频块用于存储导频信息；(2)对数据帧进行加调得到调制信号s(k)；(3)将调制信号s(k)通过空间信道传到接收端，在接收端得到导频信号rp(k)；(4)在采样时刻k对导频信号rp(k)进行采样，并利用已知的导频信息对导频信号rp(k)进行预处理，得到导频信号中第q个导频块的去调制信号zq1(k)；(5)利用去调制信号zq1(k)及其延迟长度为l的延迟信号zq1(k+1)，通过自相关运算，得到自相关值R(l)：其中，zq1(k)*为去调制信号zq1(k)的共轭；(6)利用自相关值R(l），通过自相关频偏估计，得到第一个频偏估计值(7)利用第一个频偏估计值通过补偿去调制信号zq1(k)，得到校正的去调制信号zq2(k)：其中，exp表示自然数e的指数，j为虚数单位，Ts为信道速率的符号周期，k为采样时刻；(8)利用校正的去调制信号zq2(k)，通过复信号指数化近似操作，得到简化的去调制信号zq3(k)：zq3(k)＝|zq2(k)|exp(-jarg{zq2(k)})≈exp(-jarg{zq2(k)})，其中，arg{}为求辐角运算；(9)根据去调制信号zq3(k)和可变延迟长度为α的延迟信号zq3(k+α)以及平滑噪声系数N，得到平滑自相关值R；(10)利用平滑自相关值R，通过自相关频偏估计，得到第二个频偏估计值(11)利用第一个频偏估计值和第二个频偏估计值通过补偿...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫冬，李庆坤，冯晓文，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13