一种频偏估计方法、装置及电子设备与流程

本发明属于无线通信，具体涉及一种频偏估计方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、随着第六代（6g）移动通信与太赫兹无线传输技术的快速发展，载波频率偏移（carrier frequency offset，cfo）成为限制高阶调制信号接收性能的关键因素之一。在光子辅助太赫兹通信系统中，收发端激光器的频率失配及多普勒效应会引入显著的载波频偏，导致接收星座图发生持续旋转，必须采用高效的频偏估计算法予以补偿。

2、传统的频偏估计（frequency offset estimation，foe）方法主要包括：基于viterbi-viterbi的频偏估计（vv-foe），其结构简单但仅适用于正交相移键控（quadraturephase shift keying，qpsk）等低阶调制格式；基于全信号快速傅里叶变换（fast fouriertransform，fft）的四次方（fourth power，fp）频偏估计（fp-fft foe），该方法对高阶正交幅度调制（quadrature amplitude modulation，qam）具有良好的估计性能，但需对整个数据序列执行单次大点数fft运算。

3、随着6g太赫兹通信系统对符号速率与调制阶数的持续提升，载波频偏估计算法的硬件实现面临以下技术问题：1）计算复杂度过高：传统fp-fft foe方法需对全部数据样本进行单次大点数fft运算，导致乘法器与存储资源消耗巨大，难以在现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）上实现高吞吐率实时处理。2）无法跟踪时变频偏：采用单次fft估计的方式仅适用于静态或慢变信道，无法对随时间缓慢漂移的载波频偏进行连续跟踪，当频偏随时间变化时估计误差累积，系统性能显著下降。3）估计精度受限于fft点数：在固定fft点数下，频率分辨率受限于采样率与fft点数的比值，提高精度需增加fft点数，进一步加剧资源开销与处理延迟。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的在于提供一种频偏估计方法、装置及电子设备，以解决现有技术中计算复杂度过高、无法跟踪时变频偏以及估计精度受限的问题。

2、技术方案：为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供一种频偏估计方法，包括：

3、对输入复基带信号序列的每个信号执行四次方运算，得到四次方序列；

4、对所述四次方序列进行分块，其中，每个分块长度相同，每个分块与其前一分块构成分块的分析窗口，相邻两个分析窗口重叠一个分块长度；

5、对每个分块的分析窗口并行执行fft变换，得到对应的频域信号；

6、对所述频域信号进行功率谱计算并检测峰值；

7、利用峰值及其相邻点的功率值进行插值、频率映射和除四后获得各分块的原始频偏估计值；

8、对各分块的原始频偏估计值逐块累积得到累积相位和分块内各符号的补偿相位；

9、根据所述补偿相位对所述输入复基带信号进行实时相位旋转补偿，输出频偏补偿后的基带信号。

10、进一步地，所述对每个分块的分析窗口并行执行fft变换，采用流水线fft ip核实现，各分块的分析窗口独立完成频域变换；其中，fft变换点数等于分块长度的两倍，且为2的整数次幂。

11、进一步地，所述利用峰值及其相邻点的功率值进行插值，包括：

12、计算偏移量，所述偏移量为峰值右侧相邻点功率值与左侧相邻点功率值之差除以峰值功率值、左侧相邻点功率值与右侧相邻点功率值三者之和；

13、将所述偏移量约束在预设区间内；

14、根据峰值索引、fft变换点数、所述偏移量以及采样率进行插值计算，得到归一化峰值频率估计值，所述归一化峰值频率估计值经过频率映射和除四后为所述原始频偏估计值。

15、进一步地，所述逐块累积，包括：

16、根据当前分块的初始累积相位、原始频偏估计值以及符号索引，确定当前分块内各符号的补偿相位；

17、当前分块内符号处理完成后，将当前分块最后一个符号的补偿相位作为下一分块的初始累积相位。

18、进一步地，根据所述累积相位对所述输入复基带信号进行实时相位旋转中，采用坐标旋转数字计算（coordinate rotation digital computer，cordic）核阵列，对所述输入复基带信号通过复指数乘法进行相位补偿。

19、第二方面，本发明提供一种频偏估计装置，包括：

20、四次方运算模块，用于对输入复基带信号序列的每个信号执行四次方运算，得到四次方序列；

21、重叠分块模块，用于对所述四次方序列进行分块，其中，每个分块长度相同，每个分块与其前一分块构成分块的分析窗口，相邻两个分析窗口重叠一个分块长度；

22、并行fft变换模块，用于对每个分块的分析窗口并行执行fft变换，得到对应的频域信号；

23、峰值检测模块，用于对所述频域信号进行功率谱计算并检测峰值；

24、谱峰插值模块，用于利用峰值及其相邻点的功率值进行插值、频率映射和除四后获得各分块的原始频偏估计值；

25、频偏解算模块，用于对各分块的原始频偏估计值逐块累积得到累积相位和分块内各符号的补偿相位；

26、相位旋转补偿模块，用于根据所述补偿相位对所述输入复基带信号进行实时相位旋转补偿，输出频偏补偿后的基带信号。

27、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现第一方面所述的频偏估计方法的步骤。

28、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

29、1、重叠分块流水处理：本发明所提供的频偏估计方法中，通过对四次方序列进行分块，每个分块长度相同，每个分块与其前一分块构成分块的分析窗口，相邻两个分析窗口重叠一个分块长度，对每个分块的分析窗口并行执行fft变换，能够将传统单次大点数fft运算（对整个输入复基带信号序列执行fft）转化为小点数fft运算（对分析窗口执行fft），显著降低单次fft点数；同时在获得各分块的原始频偏估计值之后，通过逐块累积得到累积相位和分块内各符号的补偿相位，实现了对时变频偏的连续跟踪，从而实现高精度频偏估计。

30、2、谱峰插值增强：本发明所提供的频偏估计方法中，在功率谱峰值检测基础上，利用峰值及其相邻点的功率值进行插值，在不增加fft点数的情况下能够提升频偏估计精度，有效克服频率量化误差。

31、3、相位连续累积补偿：本发明所提供的频偏估计方法中，通过将各分块的原始频偏估计值逐块累积得到累积相位和分块内各符号的补偿相位，并据此对输入复基带信号进行实时相位旋转补偿，能够确保块间相位连续，避免边界相位跳变引入的性能损失。

32、4、硬件友好架构：本发明所提供的频偏估计方法中，通过采用小点数fft、重叠窗口与插值运算的协同设计，能够有效降低乘法器资源消耗，且支持并行流水线实现，满足太赫兹实时通信系统的低延迟、高吞吐要求。

33、5、本发明所提供的频偏估计装置、电子设备与所提供的频偏估计方法具有相同技术效果。