專利名稱：一種頻率偏移估計的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，尤其涉及信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種頻率偏移估計的方法。
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，因此接收機實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的準(zhǔn)確性、造成誤碼率上升等現(xiàn)象。因此數(shù)字無線通訊系統(tǒng)中，接收機通常需要依據(jù)上行接收信號進行頻率偏移估計，繼而進行頻率偏移補償，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的方法，該方法在可能的頻率偏移范圍內(nèi)按照先大跨度粗搜，然后小跨度精搜的順序進行頻率偏移估計。它使用一段已知信號進行頻率偏移估計，其代價函數(shù)為實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的估值。
但該方法的缺點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。
同時該方法實際工程應(yīng)用時，需首先在接收信號中估計這段已知信號的位置，增加了該方法實現(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錯誤時，該方法的頻率偏移估計結(jié)果是錯誤的。
另外，該方法采用搜索進行頻率偏移估計，運算量很大，例如在該方法的較佳實施例中，要在-4096Hz～+4096Hz頻率偏移估計范圍內(nèi)，間隔16Hz實施搜索過程，按常規(guī)的搜索方法需要進行513次搜索運算，即使通過一些實現(xiàn)技巧減少搜索次數(shù)，但運算量仍然很大，給該方法的實際應(yīng)用帶來很多不便。
基于上述原因，現(xiàn)有技術(shù)依然存在缺陷，有待于進一步改進和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種頻率偏移估計的方法，鑒于現(xiàn)有頻率偏移估計的方法需使用已知信號，并用很大的開銷進行搜索估計的不足之處，提供一種無需特定已知信號、無需進行搜索的頻率偏移估計的方法，可以避免已知信號的位置估計運算，大幅降低實現(xiàn)復(fù)雜性；同時，本發(fā)明提供的頻率偏移估計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性能。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種頻率偏移估計的方法，包括如下步驟一種頻率偏移估計的方法，包括如下步驟第一步，發(fā)射機發(fā)射通訊信號；第二步，接收機接收發(fā)射機發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角，旋轉(zhuǎn)夾角包含頻偏信息；第五步，接收機依照旋轉(zhuǎn)夾角與頻率偏移存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。
所述第一步中，發(fā)射機按時間順序依次發(fā)射符號。
所述第二步中，接收機按時間順序依次接收發(fā)射機發(fā)射的符號。
所述第三步中，所述接收機獲得的參考信號是接收信號的近似拷貝；接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號，即對每個接收信號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收信號收斂后的結(jié)果。
所述第三步中相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號進一步包括如下步驟步驟(1)令參考信號的第一個符號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)從參考信號的第二個符號開始進行如下循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢a、進行解調(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進行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻的參考信號；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，令當(dāng)前參考信號向當(dāng)前接收信號收斂，并用乘積結(jié)果更新當(dāng)前參考信號；
e、對當(dāng)前時刻的參考信號進行歸一化操作，即令當(dāng)前參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新當(dāng)前參考信號。
6、如權(quán)利要求5所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟c中的低通濾波可以這樣實現(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。
所述第四步中，所述接收機獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角。
所述第五步中頻率偏移估值通過如下轉(zhuǎn)換關(guān)系得到頻率偏移估計值等于旋轉(zhuǎn)夾角除以360與接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔的乘積，其中頻率偏移估值的單位為赫茲，旋轉(zhuǎn)夾角的單位為度，接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔的單位為秒。
本發(fā)明所提出的一種頻率偏移估計的方法，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的方法相比，不需要特定的已知信號，無需在頻率范圍內(nèi)進行搜索操作，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實現(xiàn)簡單可靠，估計精度高的明顯優(yōu)點。
具體而言，本發(fā)明所公開的一種頻率偏移估計的方法，與傳統(tǒng)的頻率偏移估計的方法相比具有如下特點第一，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計的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精度。
第二，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計的方法引入了相干解調(diào)技術(shù)，可以自行產(chǎn)生估計頻率偏移所需的參考信號，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錯誤引起的頻率偏移估計異常的情況，極大的降低了實現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了實現(xiàn)的穩(wěn)定、可靠性。
第三，本發(fā)明所公開的頻率偏移估計的方法無需進行搜索估計，大大降低了運算量。


圖1為本發(fā)明所述的頻率偏移估計的方法的流程示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，將對本發(fā)明進行較為詳細(xì)的說明。
本發(fā)明提出一種頻率偏移估計的方法，所述方法包括第一步，發(fā)射機發(fā)射通訊信號；第二步，接收機接收發(fā)射機發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角；第五步，接收機將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。
所述第一步中，發(fā)射機發(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，接收機接收的信號矢量為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)明中接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號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。參考信號ref是接收機接收信號r的一個近似拷貝，但比接收機接收信號r具有更高的信噪比，其獲得方法為參考信號ref是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。
在本明的較佳實例中采用π/4DQPSK調(diào)制方式，參考信號re的具體獲得方法為令參考信號ref的第一個符號ref1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；在本明的較佳實例從第二個符號開始進行如下(1)～(5)所述的循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢(1)進行解調(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)進行解調(diào)，即令當(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進行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻k的參考信號refk；(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；(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。
以上操作過程可以用如下偽指令表示ref1＝r1/|r1|Err1＝1for k＝2∶ndif＝rk·refk-1′refk＝refk-1·ejδErrk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|refk＝refk·Errkrefk＝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，在本發(fā)明的較佳實施例中，ρ取0.8。
所述第四步中，本發(fā)明較佳實例中的接收機采用π/4DQPSK調(diào)制符號的差分星座作為期望星座圖，并獲得參考信號ref的差分星座圖與期望星座圖之間的旋轉(zhuǎn)夾角，這個旋轉(zhuǎn)夾角包含了頻率偏移信息；所述旋轉(zhuǎn)夾角的獲得方法為將參考信號ref的差分星座圖所有位于第2、3、4象限的星座點分別旋轉(zhuǎn)-π/2、π、+π/2弧度，轉(zhuǎn)換到第1象限后累加求平均，均值為一個復(fù)數(shù)，其復(fù)角與π/4的差即為旋轉(zhuǎn)夾角θ，具體過程可以用以下偽指令表示
for k＝1∶nzk＝refk+1·refk′if zk∈Quadrant(2)zk＝zk·e-jπ/2elseif zk∈Quadrant(3)zk＝zk·ejπelseif zk∈Quadrant(4)zk＝zk·e+jπ/2endendejθ＝Mean(z)·e-jπ/4其中，Quadrant(n)表示象限n；Mean(z)表示矢量z的平均值；θ即表示參考信號ref的差分星座圖與期望星座圖之間的旋轉(zhuǎn)夾角。
所述第五步中，本發(fā)明較佳實例中的接收機將θ轉(zhuǎn)換為頻率偏移估值。針對既定的通信系統(tǒng)，θ與頻率偏移估值間存在固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得旋轉(zhuǎn)夾角θ信息后，即可通過這個固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲得頻率偏移的估值。這個轉(zhuǎn)換關(guān)系為頻率偏移估值等于旋轉(zhuǎn)夾角除以360與接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔的乘積，其中頻率偏移估值的單位為“Hz”，旋轉(zhuǎn)夾角的單位為“度”，接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔的單位為“秒”，例如θ＝3(度)，接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔＝5.208e-6秒時，頻率偏移估值等于1600Hz。
應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明保護范圍闡明于所附權(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)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種頻率偏移估計的方法，其特征在于，包括如下步驟第一步，發(fā)射機發(fā)射通訊信號；第二步，接收機接收發(fā)射機發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角，旋轉(zhuǎn)夾角包含頻偏信息；第五步，接收機依照旋轉(zhuǎn)夾角與頻率偏移存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。
2.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第一步中，發(fā)射機按時間順序依次發(fā)射符號。
3.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第二步中，接收機按時間順序依次接收發(fā)射機發(fā)射的符號。
4.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第三步中，所述接收機獲得的參考信號是接收信號的近似拷貝；接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號，即對每個接收信號解調(diào)、再調(diào)制，然后通過低通濾波器向接收信號收斂后的結(jié)果。
5.如權(quán)利要求1或4所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于，所述第三步中相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號進一步包括如下步驟步驟(1)令參考信號的第一個符號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)從參考信號的第二個符號開始進行如下循環(huán)操作，直至所有接收符號處理完畢a、進行解調(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進行調(diào)制，得到當(dāng)前時刻的參考信號；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，令當(dāng)前參考信號向當(dāng)前接收信號收斂，并用乘積結(jié)果更新當(dāng)前參考信號；e、對當(dāng)前時刻的參考信號進行歸一化操作，即令當(dāng)前參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結(jié)果更新當(dāng)前參考信號。
6.如權(quán)利要求5所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟c中的低通濾波可以這樣實現(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。
7.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第四步中，所述接收機獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角。
8.如權(quán)利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述第五步中頻率偏移估值通過如下轉(zhuǎn)換關(guān)系得到頻率偏移估計值等于旋轉(zhuǎn)夾角除以360與接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔的乘積，其中頻率偏移估值的單位為赫茲，旋轉(zhuǎn)夾角的單位為度，接收機相繼兩個接收符號間的時間間隔的單位為秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字無線通訊領(lǐng)域，尤其涉及信號處理領(lǐng)域，公開了一種頻率偏移的估計方法，包括第一步，發(fā)射機發(fā)射通訊信號；第二步，接收機接收發(fā)射機發(fā)射的通訊信號；第三步，接收機用相干解調(diào)的方法獲得接收信號的參考信號；第四步，接收機獲得參考信號和期望信號星座圖的旋轉(zhuǎn)夾角，旋轉(zhuǎn)夾角包含頻偏信息；第五步，接收機依照旋轉(zhuǎn)夾角與頻率偏移存在的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)夾角轉(zhuǎn)換為頻率偏移估計值。采用本發(fā)明所述方法，同已有的頻率偏移估計的方法相比，不需要特定的已知信號，無需在頻率范圍內(nèi)進行搜索操作，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實現(xiàn)簡單可靠，估計精度高的明顯優(yōu)點。
文檔編號H04L25/03GK101087158SQ200610083119
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