專利名稱：一種頻率偏移估計(jì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，尤其是信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種頻率偏移估計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
在數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，頻率偏移估計(jì)是常用的信號處理方法之一。
由于基站與移動臺，或移動臺與移動臺之間的載波頻率不可能絕對相等，因此接收機(jī)實(shí)際接收信號與期望的接收信號間存在一個較為固定的頻率偏移。這種頻率偏移在數(shù)字無線通訊領(lǐng)域是有害的，它可以降低信道估計(jì)的準(zhǔn)確性、造成誤碼率上升。因此數(shù)字無線通訊系統(tǒng)中，接收機(jī)通常需要依據(jù)上行接收信號進(jìn)行頻率偏移估計(jì)，繼而進(jìn)行頻率偏移補(bǔ)償，以消除頻率偏移所帶來的種種有害影響。
ArrayComm公司的專利“Method and apparatus for decision directed demodulation usingantenna arrays and spatial processing”，發(fā)明人Barratt；Craig H.(Redwood City，CA)；Farzaneh；Farhad(San Francisco，CA)；Parish；David M(Los Altos，CA)，
公開日1998年04月23日，公開號WO 98/17037，描述了一種頻率偏移估計(jì)的方法，該方法在可能的頻率偏移范圍內(nèi)先用大跨度粗搜，然后小跨度精搜的順序進(jìn)行頻率偏移估計(jì)。
上述方法使用一段已知信號進(jìn)行頻率偏移估計(jì)，其代價(jià)函數(shù)為實(shí)際接收信號與添加探測頻率偏移后理想信號間的誤差功率。當(dāng)誤差功率最小時，則使用的探測頻率偏移值即為本次頻率偏移估計(jì)的估值。
但該方法的缺點(diǎn)在于該方法要使用一段已知的信號，而在移動通信系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)通信效率，這樣的已知的信號通常很短或不存在，例如在PCS系統(tǒng)中，TCH幀結(jié)構(gòu)中可用的已知信號長度僅為12個符號，使用該專利方法獲得的估計(jì)結(jié)果精度較差；如果不存在已知信號，則該方法失效。
同時該方法實(shí)際工程應(yīng)用時，需首先在接收信號中估計(jì)這段已知信號的位置，增加了該方法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，也增加了異常情況的幾率，即已知信號位置估計(jì)錯誤時，該方法的頻率偏移估計(jì)結(jié)果是錯誤的。
因此，現(xiàn)有技術(shù)依然存在缺陷，而有待于進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種頻率偏移估計(jì)的方法，鑒于現(xiàn)有頻率偏移估計(jì)方法需使用已知信號進(jìn)行估計(jì)的不足之處，提出一種無需特定已知信號的頻率偏移估計(jì)方法，可以避免已知信號的位置估計(jì)運(yùn)算，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性；同時，本發(fā)明提供的頻率偏移估計(jì)的方法可以部分抑止接收信號中的加性噪聲，具有較高的頻率偏移估計(jì)性能。
為達(dá)到以上發(fā)明目的，本發(fā)明具體是這樣實(shí)現(xiàn)的一種頻率偏移估計(jì)的方法，包括如下步驟步驟1、發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；步驟2、接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；步驟3、接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；步驟4、接收機(jī)在頻率偏移估計(jì)范圍內(nèi)，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價(jià)函數(shù)值；步驟5、接收機(jī)在所得代價(jià)函數(shù)值中查找最佳代價(jià)函數(shù)值，其對應(yīng)的探測頻率偏移值即為頻率偏移估值。
所述步驟3中，所述參考信號為對每個接收符號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結(jié)果；所述估值信號等于每個接收符號解調(diào)判決、再調(diào)制的結(jié)果；所述參考信號和估值信號均為接收信號的一個近似拷貝。
所述步驟3中參考信號和估值信號的獲得步驟如下步驟(1)令參考信號的第一個符號和估值信號的第一個符號均等于歸一化后的第一個接收符號，歸一化操作為第一個接收符號除以其自身的模值，同時令初始誤差變量為1；步驟(2)從第二個符號開始進(jìn)行如下循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢a、進(jìn)行解調(diào)，即根據(jù)系統(tǒng)的不同，采用相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)；b、將解調(diào)結(jié)果依據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式重新對上一時刻的參考信號和估值信號進(jìn)行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻的參考信號和估值信號；c、將當(dāng)前時刻參考信號與接收信號的誤差與上一時刻的誤差進(jìn)行低通濾波，得到當(dāng)前時刻的經(jīng)過低通降噪后的誤差；d、給當(dāng)前時刻參考信號乘以經(jīng)過低通降噪后的誤差的共軛，令參考信號向接收信號收斂，并用乘積結(jié)果更新參考信號；e、對當(dāng)前時刻的參考信號進(jìn)行歸一化操作，即令參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新參考信號。
所述步驟c中的低通濾波可以這樣實(shí)現(xiàn)(a)上一時刻的誤差乘以1與低通濾波器系數(shù)的差；(b)低通濾波器系數(shù)乘以當(dāng)前接收信號的誤差，再除以當(dāng)前接收信號的模；(c)將上述步驟(a)與步驟(b)得到的值相加；所述低通濾波器的系數(shù)取值范圍為0到1。
所述步驟4中，所述代價(jià)函數(shù)可為‖ref·*tab-est‖2，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點(diǎn)乘”，tab為頻率偏移補(bǔ)償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
所述代價(jià)函數(shù)還可為‖ref·*tab-est‖，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點(diǎn)乘”，tab為頻率偏移補(bǔ)償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
所述步驟4中，頻率偏移值取值范圍為(-，+)，期望的頻率偏移精度為Δ，則θ分別等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}。
所述步驟5中，接收機(jī)在所得代價(jià)函數(shù)值中查找代價(jià)函數(shù)值的最小值，并確定其對應(yīng)的探測頻率偏移值，作為頻率偏移值的估值。
本發(fā)明所提供的一種頻率偏移估計(jì)的方法，由于采用了基于相干解調(diào)獲得參考信號和估值信號的方法，因此同已有的頻率偏移估計(jì)的方法相比，不需要特定的已知信號，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實(shí)現(xiàn)簡單可靠，估計(jì)精度高的明顯優(yōu)點(diǎn)。
與傳統(tǒng)的頻率偏移估計(jì)方法相比具有以下特點(diǎn)第一，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計(jì)方法引入了相干解調(diào)技術(shù)，可以部分抑止加性噪聲，提高接收信號信噪比，因此具有較高的頻率偏移估計(jì)精度。
第二，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計(jì)方法引入了相干解調(diào)技術(shù)，可以自行產(chǎn)生估計(jì)頻率偏移所需的接收信號的參考信號和估值信號，無需特定的已知信號，省略了在接收信號中查找已知信號位置的過程，避免了因已知信號位置估計(jì)錯誤引起的頻率偏移估計(jì)異常的情況，極大的降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定、可靠性。


圖1為本發(fā)明頻率偏移估計(jì)的方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，將對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。
本發(fā)明的頻率偏移估計(jì)的方法，所述方法包括第一步，發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；第二步，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；第四步，接收機(jī)在頻率偏移估計(jì)范圍內(nèi)，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價(jià)函數(shù)值；第五步，接收機(jī)在所得代價(jià)函數(shù)值中查找最佳代價(jià)函數(shù)值，其對應(yīng)的探測頻率偏移值即為頻率偏移估值。
所述第一步中，設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號矢量為s，且s＝{s1，s2，...，sn}，其中s每一元素的下標(biāo)表示發(fā)射符號的時間順序。
所述第二步中，設(shè)接收機(jī)接收的信號矢量為r，且r＝{r1，r2，...，rn}，其中r每一元素的下標(biāo)表示接收符號的時間順序。
所述第三步中，獲得的參考信號為ref，且ref＝{ref1，ref2，...，refn}，其每一元素的下標(biāo)表示參考符號的時間順序。
所述第三步中，獲得的估值信號為est，且est＝{est1，est2，...，estn}，其每一元素的下標(biāo)表示估值符號的時間順序。
參考信號ref和估值信號est均為接收信號的一個近似拷貝，但參考信號ref含有頻率偏移信息和噪聲，且比接收信號r具有更高的信噪比，而估值信號est是對接收信號r理想化的估計(jì)結(jié)果，不含頻率偏移和噪聲成分。
參考信號ref和估值信號est的獲得方法為而參考信號ref則為對每個接收符號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結(jié)果；估值信號est等于每個接收符號解調(diào)判決、再調(diào)制的結(jié)果。
所述第四步中，令tab表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，稱為頻率偏移補(bǔ)償表，其中θ為探測頻率偏移值。
所述第四步中，令‖ref·*tab-est‖2或‖ref·*tab-est‖作為代價(jià)函數(shù)，其中符號“·*”表示“點(diǎn)乘”，即參與運(yùn)算的兩個矢量按元素依次相乘，這對于從事相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易理解。
所述第四步中，頻率偏移值取值范圍為(-，+)，期望的頻率偏移精度為Δ，則令θ分別等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}，連同參考信號ref和估值信號est代入代價(jià)函數(shù)，獲得相應(yīng)的代價(jià)函數(shù)值。
該代價(jià)函數(shù)值表征了參考信號ref在消除了探測頻率偏移值θ之后與估值信號est的相似程度，如果探測頻率偏移值θ越接近參考信號ref中實(shí)際包含的頻率偏移值，則代價(jià)函數(shù)值越小。
所述第五步中，查找代價(jià)函數(shù)值的最小值，并確定其對應(yīng)的探測頻率偏移值θ，以此作為頻率偏移值的估值。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例采用TDD雙工模式，調(diào)制方式為π/4DQPSK，具體實(shí)現(xiàn)如下在上述第一步中，發(fā)射機(jī)發(fā)射已調(diào)信號，設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號矢量為s，且s＝{s1，s2，...，sn}，其中s每一元素的下標(biāo)表示發(fā)射符號的時間順序。
在上述第二步中，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號，接收機(jī)接收的信號矢量為r，且r＝{r1，r2，...，rn}，其中r每一元素的下標(biāo)表示接收符號的時間順序。
在上述第三步中，本發(fā)明方法用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號ref和估值信號est。
參考信號ref和估值信號est的具體獲得方法為令參考信號ref的第一個符號ref1和估值信號的第一個符號est1均等于歸一化后的第一個接收符號r1，歸一化操作為r1/|r1|，同時令初始誤差變量Err1＝1；從第二個符號開始進(jìn)行如下(1)～(5)循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢(1)首先進(jìn)行解調(diào)，即根據(jù)系統(tǒng)的不同，采用相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)，可以采用QPSK、BPSK、π/4DQPSK等調(diào)制方式；若采用QPSK、BPSK調(diào)制方式僅需要使用當(dāng)前時刻的接收信號作為參數(shù)就可進(jìn)行解調(diào)；若采用π/4DQPSK調(diào)制方式，需使用當(dāng)前時刻的接收信號和上一時刻的參考信號作為參數(shù)進(jìn)行解調(diào)，具體是這樣進(jìn)行的可令當(dāng)前時刻k的接收符號rk乘以上一時刻k-1的參考信號refk-1的共軛，其中k＝2，3，...，得到乘積dif；根據(jù)dif所在象限依據(jù)π/4DQPSK調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)；(2)將解調(diào)結(jié)果依據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式重新對上一時刻k-1的參考信號refk-1和估值信號estk-1進(jìn)行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻k的參考信號refk和估值信號estk；(3)將當(dāng)前時刻參考信號與接收信號的誤差refk·rk′/|rk|與上一時刻的誤差Errk-1進(jìn)行低通濾波，得到當(dāng)前時刻的經(jīng)過低通降噪后的誤差Errk，濾波方法為Errk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|，其中ρ為低通濾波器系數(shù)，取值范圍為0到1，ρ取0.8；(4)給當(dāng)前時刻參考信號refk乘以經(jīng)過低通降噪后的誤差Errk的共軛，令refk向rk收斂，并用乘積結(jié)果更新refk；(5)對當(dāng)前時刻的參考符號refk進(jìn)行歸一化操作，即令refk除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新refk。
經(jīng)過上述操作，參考信號ref和估值信號est均為接收信號的一個近似拷貝，但參考信號ref含有頻率偏移信息和噪聲，且比接收信號r具有更高的信噪比，而估值信號est是對接收信號r理想化的估計(jì)結(jié)果，不含頻率偏移和噪聲成分。
以上操作過程可以用如下偽指令表示ref1＝r1/|r1|est1＝r1/|r1|Err1＝1for k＝2:ndif＝rk·refk-1′estk＝estk-1·ejδrefk＝refk-1·ejδErrk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|refk＝refk·Errk′refk＝refk/|refk|end其中‘s’’表示符號‘s’的共軛；依據(jù)π/4DQPSK調(diào)制方式，dif的復(fù)角分別位于1、2、3、4象限時，ejδ分別等于ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4；ρ為低通濾波器系數(shù)，取值范圍為0到1，ρ取0.8。
在上述第四步中，本發(fā)明的較佳實(shí)施例的頻率偏移值取值范圍為(-4096Hz，+4096Hz)，期望的頻率偏移估計(jì)精度為64Hz，且每1Hz頻率偏移引起的的接收信號星座圖旋轉(zhuǎn)1.875e-3(rad)。
令θ分別等于{-4096×1.875e-3，-4032×1.875e-3，...，+4096×1.875e-3}(rad)，并且依次用θ的每個取值更新頻率偏移補(bǔ)償表tab，即矢量[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]，然后將tab連同參考信號ref和估值信號est分別代入代價(jià)函數(shù)‖ref·*tab-est‖2，最終獲得129個代價(jià)函數(shù)值，這些代價(jià)函數(shù)值表征了不同的探測頻率偏移θ取值與真實(shí)的頻率偏移之間的相似程度。
在上述第五步中，接收機(jī)查找所有代價(jià)函數(shù)值中的最小值，即查找與真實(shí)的頻率偏移最相似的探測頻率偏移取值，這個探測頻率偏移取值即為頻率偏移估值。
應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明保護(hù)范圍闡明于所附權(quán)利要求書中，而不能以說明書的上述描述做為限制，凡是在本發(fā)明的宗旨之內(nèi)的顯而易見的修改亦應(yīng)歸于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1、發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；步驟2、接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；步驟3、接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；步驟4、接收機(jī)在頻率偏移估計(jì)范圍內(nèi)，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價(jià)函數(shù)值；步驟5、接收機(jī)在所得代價(jià)函數(shù)值中查找最佳代價(jià)函數(shù)值，其對應(yīng)的探測頻率偏移值即為頻率偏移估值。
2.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述步驟3中，所述參考信號為對每個接收符號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結(jié)果；所述估值信號等于每個接收符號解調(diào)判決、再調(diào)制的結(jié)果；所述參考信號和估值信號均為接收信號的一個近似拷貝。
3.如權(quán)利要求1或4所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述步驟3中的獲得接收信號的參考信號和估值信號的步驟如下步驟(1)令參考信號的第一個符號和估值信號的第一個符號均等于歸一化后的第一個接收符號，歸一化操作為第一個接收符號除以其自身的模值，同時令初始誤差變量為1；步驟(2)從第二個符號開始進(jìn)行如下循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢a、進(jìn)行解調(diào)，即根據(jù)系統(tǒng)的不同，采用相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行解調(diào)；b、將解調(diào)結(jié)果依據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式重新對上一時刻的參考信號和估值信號進(jìn)行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻的參考信號和估值信號；c、將當(dāng)前時刻參考信號與接收信號的誤差與上一時刻的誤差進(jìn)行低通濾波，得到當(dāng)前時刻的經(jīng)過低通降噪后的誤差；d、給當(dāng)前時刻參考信號乘以經(jīng)過低通降噪后的誤差的共軛，令參考信號向接收信號收斂，并用乘積結(jié)果更新參考信號；e、對當(dāng)前時刻的參考信號進(jìn)行歸一化操作，即令參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新參考信號。
4.如權(quán)利要求3所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述步驟c中的低通濾波可以這樣實(shí)現(xiàn)(a)上一時刻的誤差乘以1與低通濾波器系數(shù)的差；(b)低通濾波器系數(shù)乘以當(dāng)前接收信號的誤差，再除以當(dāng)前接收信號的模；(c)將上述步驟(a)與步驟(b)得到的值相加；所述低通濾波器的系數(shù)取值范圍為0到1。
5.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述步驟4中，所述代價(jià)函數(shù)可為||ref.*tab-est||2，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點(diǎn)乘”，tab為頻率偏移補(bǔ)償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
6.如權(quán)利要求5所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述代價(jià)函數(shù)還可為||ref·*tab-est||，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點(diǎn)乘”，tab為頻率偏移補(bǔ)償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
7.如權(quán)利要求5或6所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述步驟4中，頻率偏移值取值范圍為(-，+)，期望的頻率偏移精度為Δ，則探測頻率偏移值分別等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}。
8.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計(jì)的方法，其特征在于所述步驟5中，接收機(jī)在所得代價(jià)函數(shù)值中查找代價(jià)函數(shù)值的最小值，并確定其對應(yīng)的探測頻率偏移值，作為頻率偏移值的估值。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字無限通訊領(lǐng)域，公開了一種頻率偏移估計(jì)方法，包括發(fā)射機(jī)發(fā)射通訊信號；接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的通訊信號；接收機(jī)用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；接收機(jī)在頻率偏移估計(jì)范圍內(nèi)，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價(jià)函數(shù)值；接收機(jī)在所得代價(jià)函數(shù)值中查找最佳代價(jià)函數(shù)值，獲得頻率偏移估值。本發(fā)明所述方法，采用了基于相干解調(diào)獲得參考信號和估值信號，不需要特定的已知信號，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實(shí)現(xiàn)簡單可靠，估計(jì)精度高的明顯優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04B7/26GK101087159SQ200610083120
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月5日
發(fā)明者王劍 申請人:中興通訊股份有限公司