專利名稱：基于最佳帶寬濾波預(yù)處理的多普勒頻移估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及突發(fā)通信技術(shù)，是一種無線信道參數(shù)的估計 方法，適合用于高復(fù)雜性、低信噪比和高動態(tài)特性的無線通信信道。
背景技術(shù)：
在突發(fā)通信中，由于信道特性不連續(xù)或者信號傳輸受到較強(qiáng)的干擾，因而接收端 只是接收到突發(fā)的信號。突發(fā)通信作為一種重要的應(yīng)急通信手段，是常規(guī)通信的一種必要 補(bǔ)充。其采用突發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，傳輸時間是隨機(jī)的，且持續(xù)時間短，因此具有抗干擾 能力強(qiáng)、可靠性高、隱蔽性好的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于特種民用通信和軍用通信。突發(fā)通信 主要利用電離層傳播，短波/超短波是其重要的通信方式，其具有覆蓋范圍大、電子對抗能 力強(qiáng)、抗毀性強(qiáng)和保密性高等顯著特點(diǎn)，是最低限度應(yīng)急通信保障的重要組成部分。但是突 發(fā)通信利用的不是單一規(guī)律的信道，而是多種復(fù)雜無線傳輸信道的交疊和混合，因而信道 具有顯著的隨機(jī)性、突發(fā)性和不確定性。而且無線電波在遠(yuǎn)距離傳播過程中衰落比較嚴(yán)重， 噪聲比較大，所以接收信號非常微弱，且常常容易被各種噪聲所淹沒，甚至?xí)霈F(xiàn)信號功率 小于噪聲功率，即低信噪比條件的情況。同時，短波信道中的高干擾、衰落和多徑現(xiàn)象使得 這些信道中的通信性能受到極大抑制。在突發(fā)通信中，多普勒頻移通常是指由于多徑傳播和電離層的不均勻性及其不規(guī) 則運(yùn)動引起的信號的相位隨機(jī)起伏。由于這種頻移主要是由于電離層不均勻體的不規(guī)則運(yùn) 動引起的，故而稱之為多普勒頻移?，F(xiàn)有的多普勒效應(yīng)示意圖如圖l，s為發(fā)射端，接收端從 X向Y移動的距離為d，V為接收端的相對移動速度。假設(shè)接收端與S的距離很遠(yuǎn)，討論接 收端接收的無線電波時可以認(rèn)為其在X處和Y處的夾角θ是相同的，并且可以認(rèn)為運(yùn)動的 長度為d時，在X處和Y處產(chǎn)生的路徑差為Δ 1 = d cos θ = vAt cos θ(1)設(shè)λ為波長，則由此路徑差帶來的相位差可以表示為 進(jìn)一步可以求出多普勒效應(yīng)所帶來的頻率的變化值，即多普勒頻移 從此處得到多普勒頻移的表達(dá)式可以看出，多普勒頻移的取值是和接收端的與發(fā) 射端的相對運(yùn)動方向及相對運(yùn)動速度大小有關(guān)的。若移動臺朝向入射波方向運(yùn)動，則多普 勒頻移為正，即接收頻率上升；若移動臺背向入射波方向運(yùn)動，則多普勒頻移為負(fù)，即接收 頻率下降。由上可見，當(dāng)頻率增高，移動速度加快時，多普勒效應(yīng)很明顯。并且在θ =0時， 有最大多普勒頻移

(4)最大多普勒頻偏fd max是最重要的優(yōu)化接收機(jī)參數(shù)之一，它能應(yīng)用于資源分配、切 換判決和功率控制等許多方面。多普勒效應(yīng)對高速移動體接收信號的頻譜有很大影響，在多徑環(huán)境下，接收信號 的頻譜結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生不同的多普勒頻移，造成多普勒擴(kuò)展，影響信號的正確接收。因此為了 保證信號的有效可靠傳輸，要求移動終端應(yīng)能實時準(zhǔn)確地估計出多普勒頻移值，并根據(jù)多 普勒頻移來動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得最佳的接收性能。在短波信道中，由于 電離層電子密度的不斷變化，以及頻段的擁擠，快速衰落的干擾嚴(yán)重，從而使得接收信號容 易被各種噪聲所淹沒，嚴(yán)重影響到多普勒頻移估計的準(zhǔn)確性。因此對極低信噪比情況下的 接收信號進(jìn)行多普勒頻移估計，這項技術(shù)在短波通信甚至無線通信領(lǐng)域中具有極其重大的意義?，F(xiàn)有的最大多普勒頻移估計分為三類基于電平通過率LCR或過零通過率ZCR的 估計，基于自相關(guān)函數(shù)COV或互相關(guān)函數(shù)ACF的估計和最大似然ML估計。LCR算法的優(yōu)點(diǎn) 是實現(xiàn)簡單，但抗噪聲性能較差；COV算法估計性能雖略優(yōu)于LCR算法，但計算復(fù)雜度比較 高；最大似然算法則要求背景噪聲服從高斯分布特性，而且需提供準(zhǔn)確的信噪比信息。并 且，在低信噪比環(huán)境下，上述方法的抗噪聲性能不夠理想，所得到的多普勒頻移估計值與理 論值之間的偏差較大，不利于突發(fā)通信系統(tǒng)中接收性能的提高與信息的有效傳輸。因此， 需要進(jìn)一步探討在低信噪比情況下，適用于突發(fā)通信的更為有效可靠的多普勒頻移估計方 法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述估計方法存在的問題，提出了一種基于最佳帶寬濾波預(yù) 處理的多普勒頻移估計方法，以提高低信噪比情況下系統(tǒng)的抗噪聲性能，進(jìn)一步減小多普 勒頻移估計值與理論值之間的偏差，保證突發(fā)通信系統(tǒng)中接收性能的提高與信息有效可靠 的傳輸。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是針對低信噪比情況下，短波/超短波通信的信道 特點(diǎn)，在接收端利用帶寬自適應(yīng)的帶通濾波器，將最佳帶寬濾波技術(shù)與電平通過率估計方 法相結(jié)合，具體步驟如下(1)對接收信號r (t)進(jìn)行采樣，得到采樣后的離散信號r(k)；(2)確定帶通濾波器的初始帶寬為Bm' = 2K。fdmax，式中，&為最佳濾波帶 寬比，fdmax為突發(fā)通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的多普勒頻移最大值；(3)對采樣后的離散信號r(k)進(jìn)行如下最佳帶寬濾波預(yù)處理3a)對離散信號r(k)進(jìn)行FFT處理，得到FFT處理后的信號R(K)；3b)以初始帶寬為R/的帶通濾波器對FFT處理后的信號R(K)進(jìn)行濾波，得到濾 波后的信號及C^o ； 3c)對濾波后的信號及(尺婢行IFFT處理，得到最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y (k)；
(4)利用電平通過率LCR方法對最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y(k)進(jìn)行多普 勒頻移估計，得到多普勒頻移估計值Λ ；
(5)將多普勒頻移估計值反饋到步驟(2)，替代所述的fd max，確定下一輪帶通濾 波器的帶寬。本發(fā)明由于在接收端對接收信號進(jìn)行最佳帶寬濾波預(yù)處理，并與電平通過率估計 方法相結(jié)合，能夠有效提高突發(fā)通信系統(tǒng)的抗噪聲性能，減小突發(fā)通信系統(tǒng)中多普勒頻移 估計值與理論值之間的偏差。此外，由于最佳帶寬濾波過程中利用了多普勒估計值的反饋， 因此其捕獲和跟蹤性能得到了提升，且計算復(fù)雜度得到了降低。特別是在低信噪比情況下 仍能保證多普勒頻移的準(zhǔn)確估計，在提高通信系統(tǒng)的接收性能和保障信息的有效傳輸過程 中，發(fā)揮了重要作用。


圖1是現(xiàn)有多普勒效應(yīng)示意圖；圖2是本發(fā)明的實現(xiàn)流程框圖；圖3是本發(fā)明采用的帶通濾波器示意圖；圖4是本發(fā)明方法與現(xiàn)有方法仿真性能對比曲線圖。
具體實施例方式參照圖2，本發(fā)明基于最佳帶寬濾波預(yù)處理的多普勒頻移估計，包括以下步驟步驟1，對接收信號r (t)進(jìn)行采樣，得到采樣后的離散信號r(k)。在接收端確定采樣頻率fs，以采樣頻率fs對接收信號r (t)進(jìn)行采樣，得到采樣后 的離散信號Hk)。步驟2，確定帶通濾波器的初始帶寬。2a)確定最佳濾波帶寬比K0 首先，在噪聲環(huán)境下，由電平通過率的表達(dá)式得出LCR算法的估計誤差 式中，4與Lk分別為每秒通過特定電平閥值R的次數(shù)的估計值與理論值，Y為接 收信號r(t)的信噪比，K為帶寬比；然后，將式(5)進(jìn)行泰勒展開，近似得到 最后，對式(6)關(guān)于帶寬比K求導(dǎo)，令導(dǎo)函數(shù)為0，解得最佳濾波帶寬比；2b)定義帶通濾波器的初始帶寬為B/ = 2K。fdmax，式中，fd max為突發(fā)通信系統(tǒng)中 出現(xiàn)的多普勒頻移最大值；對信號的最佳帶寬濾波處理時，認(rèn)為濾波帶寬是可以調(diào)節(jié)的，利用這個可以調(diào)節(jié) 帶寬的帶通濾波器對接收信號進(jìn)行處理，能最大限度的對噪聲進(jìn)行濾波，提高接收信號的信噪比，改善多普勒頻移的估計性能。
步驟3，對采樣后的離散信號r(k)進(jìn)行如下最佳帶寬濾波預(yù)處理。3a)對離散信號r(k)進(jìn)行FFT處理，得到FFT處理后的信號R(K)；3b)參照圖3，以初始帶寬為Bm'的帶通濾波器對FFT處理后的信號R(K)進(jìn)行濾 波，得到濾波后的信號及(火)；3c)對濾波后的信號及(尺)進(jìn)行IFFT處理，得到最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號 y(k)。步驟4，利用電平通過率LCR方法對最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y (k)進(jìn)行 多普勒頻移估計。4a)取接收信號的包絡(luò)，通過實驗，統(tǒng)計得到包絡(luò)每秒正向通過特定電平R的次數(shù) 的估計值‘；4b)根據(jù)表達(dá)式P = R/Rrms計算得到比值P，式中，Rrms為最佳帶寬濾波預(yù)處理后 的輸出信號y(k)的本地均方根電平；4c)獲得多普勒頻移估計值又的表達(dá)式首先，根據(jù)電平通過率LCR理論，推導(dǎo)得到每秒通過特定電平次數(shù)的估計值為 式中，B' m為帶通濾波器的帶寬；然后，定義帶寬比《=$，根據(jù)式(7)得到多普勒頻移估計值；^為 式中，e為自然對數(shù)的底，取值為2. 71828 ；最后，將最佳濾波帶寬比欠。=7^代入上式(8)，則多普勒頻移估計值&的計算 表達(dá)式可簡化表示為 4d)將4a)中得到的每秒通過特定電平次數(shù)的估計值和4b)中計算所得的比值 P代入上式(9)，即可得到多普勒頻移估計值&。步驟5，確定下一輪帶通濾波器的帶寬。5a)定義多普勒頻移估計值的平均誤差^為 式中，M為估計進(jìn)行的次數(shù)，fd為多普勒頻移的理論值，.為第i次多普勒頻移fd 的估計值；5b)將反饋到步驟2，將步驟2中帶通濾波器的帶寬更新為 5c)進(jìn)行下一輪采樣和估計，循環(huán)迭代，直至式(10)所定義的多普勒頻移估計值的平均誤差F趨于穩(wěn)定且達(dá)到最小。本發(fā)明的效果可以通過以下理論推導(dǎo)與分析進(jìn)一步說明(A)經(jīng)過推導(dǎo)和證明得到以下三個重要推論推論1 經(jīng)過最佳帶寬濾波預(yù)處理后，信號的信噪比得到改善，噪聲分量得到了抑 制，信號能量得到增強(qiáng)，即信噪比處理增益G= Y。ut/Yin> 1，式中，Yin禾Π Y-分別代表 最佳帶寬濾波系統(tǒng)的輸入和輸出信噪比。推論2 經(jīng)過最佳帶寬濾波預(yù)處理后，接收信號的多普勒頻移表達(dá)式能得到簡化， 且不需要預(yù)先知道信噪比的值，能夠減小多普勒頻移估計時獲取參數(shù)的工作量，提高運(yùn)算 速度，簡化原有的估計結(jié)構(gòu)。推論3 經(jīng)過最佳帶寬濾波預(yù)處理后，系統(tǒng)通過迭代運(yùn)算具有自適應(yīng)的能力，捕獲 和跟蹤性能得到了提升。(B)基于電平通過率方法的多普勒頻移的相對估計偏Sera是關(guān)于信噪比Y和帶 寬比K的函數(shù)。證明可得以下兩式 由于采用最佳帶寬濾波預(yù)處理結(jié)構(gòu)，對采樣后的離散信號r(k)進(jìn)行最佳帶寬濾 波處理，噪聲分量得到抑制，輸出信號y(k)的信噪比得到大幅度提升。此外，采用火=M 作為濾波帶寬比能夠保證估計誤差最小。因此，根據(jù)上式(11)與上式(12)，采用最佳帶寬 濾波預(yù)處理能夠有效降低多普勒頻移相對估計偏差；(C)由于這種最佳帶寬濾波預(yù)處理OBF方法不需要獲取額外的參數(shù)，只需要利用 特定的最佳帶寬濾波帶寬比和相應(yīng)的多普勒頻移估計值這兩個參數(shù)對信號進(jìn)行操作，因此 這種處理方法對前面提到的多種估計方法是同樣適用的，本方法能夠廣泛的應(yīng)用于提高多 普勒頻移估計性能方面。本發(fā)明提出的基于最佳帶寬濾波預(yù)處理OBF方法與現(xiàn)有方法性能對比曲線圖如 圖4所示。從圖4中可以看出，本發(fā)明提出的OBF方法總要優(yōu)于現(xiàn)有方法2 4dB。比如， 本發(fā)明提出的OBF方法在平均誤差F為10-1點(diǎn)處比S&B方法高出5. 2dB。在所提OBF方法 中，需要對接收信號進(jìn)行FFT和IFFT變換，但是這些操作在現(xiàn)有的濾波器內(nèi)都能輕易實現(xiàn)， 因此不會額外的增加運(yùn)算量，其計算機(jī)計算復(fù)雜度與現(xiàn)有方法相比更低一些。綜上，本發(fā)明所提出的基于最佳帶寬濾波預(yù)處理的電平通過率方法能夠有效地 抑制噪聲，同時在一定程度上也降低了計算復(fù)雜度，特別是在低信噪比，即輸入信噪比Yin < OdB的情況下，仍能保證多普勒頻移的準(zhǔn)確估計。此外，本發(fā)明所提算法具有良好的捕獲 和跟蹤性能，對提高短波/超短波通信系統(tǒng)的接收性能起到了重要作用。
權(quán)利要求
一種基于最佳帶寬濾波預(yù)處理的多普勒頻移估計方法，包括如下步驟(1)對接收信號r(t)進(jìn)行采樣，得到采樣后的離散信號r(k)；(2)確定帶通濾波器的初始帶寬為Bm′＝2K0fd max，式中，為最佳濾波帶寬比，fd max為突發(fā)通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的多普勒頻移最大值；(3)對采樣后的離散信號r(k)進(jìn)行如下最佳帶寬濾波預(yù)處理3a)對離散信號r(k)進(jìn)行FFT處理，得到FFT處理后的信號R(K)；3b)以初始帶寬為Bm′的帶通濾波器對FFT處理后的信號R(K)進(jìn)行濾波，得到濾波后的信號3c)對濾波后的信號進(jìn)行IFFT處理，得到最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y(k)；(4)利用電平通過率LCR方法對最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y(k)進(jìn)行多普勒頻移估計，得到多普勒頻移估計值(5)將多普勒頻移估計值反饋到步驟(2)，替代所述的fd max，確定下一輪帶通濾波器的帶寬。FSA00000186143900011.tif,FSA00000186143900012.tif,FSA00000186143900013.tif,FSA00000186143900014.tif,FSA00000186143900015.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒頻移估計方法，其特征在于步驟(4)所述的利用電平 通過率LCR方法對最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y(k)進(jìn)行多普勒頻移估計，按如下步 驟進(jìn)行(2a)通過實驗，統(tǒng)計最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y(k)每秒通過特定電平閥值R 的次數(shù)4 ；(2b)計算比值P =R/R S，式中，Rms為最佳帶寬濾波預(yù)處理后的輸出信號y(k)的本 地均方根電平；(2c)推導(dǎo)得到多普勒頻移估計值Λ的表達(dá)式 式中，e為自然對數(shù)的底，取值為2. 71828 ；(2d)將(2a)中實驗統(tǒng)計得到的估計值4以及(2b)中計算得到的比值P代入(2c)中 多普勒頻移估計值λ的表達(dá)式，計算得到多普勒頻移估計值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于最佳帶寬濾波預(yù)處理的多普勒頻移估計方法，主要解決突發(fā)通信中，現(xiàn)有技術(shù)在低信噪比情況下對多普勒頻移估計偏差較大的問題。其方法是(1)對接收信號進(jìn)行采樣；(2)確定帶通濾波器的初始帶寬；(3)對采樣后的信號進(jìn)行最佳帶寬濾波預(yù)處理；(4)利用電平通過率方法對最佳帶寬濾波預(yù)處理后的信號進(jìn)行多普勒頻移估計；(5)將多普勒頻移估計值反饋到步驟(2)，進(jìn)行下一輪帶通濾波器帶寬的確定及對步驟(4)中的多普勒頻移進(jìn)行估計。本發(fā)明在低信噪比情況下，仍能保證多普勒頻移的準(zhǔn)確估計，可用于具有顯著隨機(jī)性、突發(fā)性和不確定性的突發(fā)通信。
文檔編號H04L27/26GK101873152SQ20101022522
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者關(guān)磊, 劉坤, 華清, 司江勃, 吳利平, 李贊, 郝本建, 陳小軍, 韓哲, 高銳 申請人:西安電子科技大學(xué)