一种低信噪比下短突发调制信号的频偏估计方法与流程

1.本发明涉及无线通信领域，更具体地说，它涉及一种低信噪比下短突发调制信号的频偏估计方法。


背景技术：

2.同步是影响无线通信性能的重要因素，只有当本地载波的频率和相位都与接收信号保持同步时，才能实现信号的正确相干解调。在突发通信系统中，信号具有突发性和短暂性，在成功捕获突发信号后需要快速实现同步。突发信号长度越短，快速同步方法显得越为重要。突发通信中常采用的π/4
‑
cqpsk是在qpsk基础上发展起来的一种线性数字调制技术，具有峰均比小、抗多径能力强、易实现的特点。在采用cqpsk调制的短突发通信系统中，尤其是在复杂的无线环境造成的低信噪比情况下，在捕获信号后如何进行频偏估计是一个值得研究的问题。
3.现有的频偏估计方法可以分为两类：(1)时域方法：通过对时域信号的相关运算进行参数的提取；(2)频域方法：搜索频谱找到峰值，峰值的位置与频偏的估计值相对应。
4.时域方法通常是基于最大似然理论的数据辅助方法，需要占用额外的辅助资源，估计精度、估计范围、信噪比门限一般无法兼顾。频域方法通常是基于离散傅里叶变换(dft)的方法，也可以利用快速傅里叶变换(fft)代替dft，提高运算速度，更适合于突发通信，尤其是短突发系统，由于信号长度短，同样的fft阶数可以实现更高的估计精度。但无论是时域方法还是频域方法都很少考虑针对短突发cqpsk调制信号的情况，随着无线通信技术的发展，数据业务量不断增加，突发通信愈加普遍，对高精度的快速频偏估计方法需求愈加迫切。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种低信噪比下短突发调制信号的频偏估计方法，用以解决现有技术中在低信噪比的条件下，其cqpsk调制信号的频偏估计方差大以及估计精度低的问题，达到了在低信噪比的前提下，针对cqpsk调制信号，所得的频偏值的估计方差小，估计精度高。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种低信噪比下短突发调制信号的频偏估计方法，所述方法包括：步骤一，将本地序列与接收信号进行相关运算，获取帧头位置；
8.步骤二，根据帧头位置截取信号长度，根据所述信号长度获取频偏补偿前的信号符号流；
9.步骤三，将所述信号符号流解旋转，获取旋转前的符号流；
10.步骤四，将所述符号流进行四次方运算，获取符号流的四次方谱；
11.步骤五，将所述四次方谱进行l点的快速傅里叶变换，获取频偏估计值。
12.采用上述技术方案，现有技术中，调制信号在低信噪比的情况下会使得信号被淹
没，频偏会使得信号旋转，可能会导致无法正确解调，导致调制信号的均方误差大，估计精度低。本发明将信号进行两次相关运算后获得的最大值作为帧头位置，根据这个帧头位置作为起始位置，得到完整的信号符号流，由于这个完整的信号在信道传输过程中会进行信号旋转的操作，因此需要将这个旋转的信号进行解旋转回到未进行旋转的状态，再对这个解旋转的符号流内的每个信号进行四次方运算，得出的四次方谱出现了明显的峰值，最后对这个四次方谱进行l点的快速傅里叶变换，获得频偏估计值，在低信噪比的情况下，用归一化算法对这个频偏估计值进行计算，得出均方误差值同现有技术相比较更小，估计精度更高。
13.进一步的，所述步骤一具体包括：将所述本地序列与接收信号进行互相关运算，获取计算结果；将所述计算结果进行自相关运算，所述自相关运算所得结果最大的位置即为帧头位置。
14.进一步的，所述步骤二具体包括：设截取的信号长度的符号个数为n，所述频偏补偿前的信号符号流为s
cap
＝{c1,c2,
…
,c
n
}。
15.进一步的，所述步骤三具体包括：对信号符号流进行解旋转操作，获取频偏估计的符号流为其中，表示将旋转的cqpsk调制信号解旋转。
16.进一步的，所述步骤四具体包括：将解旋转的符号流进行四次方运算，得到符号流的四次方谱为
17.进一步的，所述步骤五具体包括：对四次方谱进行l点得快速傅里叶变换，获取结果的模的最大值为n
max
＝max|s
four
|；
18.根据最大值获取频偏估计值为其中，f
s
表示采样率，n
max
表示快速傅里叶变换所得结果的模的最大值。
19.进一步的，所述调制信号为π/4
‑
cqpsk调制信号。
20.一种频偏估计装置，所述装置用于执行所述方法，所述装置包括：
21.相关运算模块，用于根据本地序列与接收信号，获取帧头位置；
22.信号截取模块，用于根据所述帧头位置截取信号长度，根据所述信号长度获取频偏补偿前的信号符号流；
23.解旋转模块，用于将所述信号符号流解旋转，获取旋转前的符号流；
24.运算模块，用于将所述符号流进行四次方运算，获取符号流的四次方谱；
25.频偏计算模块，用于将所述四次方谱进行l点的快速傅里叶变换，获取频偏估计值。
26.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
27.一种电子设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法的步骤。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29.本发明一种低信噪比下短突发调制信号的频偏估计方法，对导频进行两次相关运算，相关峰的峰值即为信号的起始位置，从而得到完整的信号，对信号进行解旋转，计算其四次方并进行快速傅里叶变换，得到频偏估计值，通过计算归一化频偏的均方误差来衡量频偏估计算方法的估计精度。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
31.图1示出了根据本发明频偏估计方法的流程图；
32.图2示出了根据一个实施例突发信号经cqpsk调制后的星座图；
33.图3示出了根据一个实施例突发信号结构示意图；
34.图4示出了根据一个实施例归一化频偏为0、信噪比为0db时的信道输出信号；
35.图5示出了根据一个实施例归一化频偏为0、信噪比为30db时的信道输出信号；
36.图6示出了根据一个实施例归一化频偏为0.01、信噪比为30db时的信道输出信号；
37.图7示出了根据本发明一个实施例归一化频偏为0.01、信噪比为0db时的四次方谱；
38.图8示出了根据本发明一个实施例归一化频偏为0.01、信噪比为5db时的四次方谱；
39.图9示出了根据本发明一个实施例归一化频偏为0.01、信噪比为10db时的四次方谱；
40.图10示出了根据本发明频偏估计方法和现有技术的l&r方法的估计范围内的均方误差的效果对比图。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
42.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
43.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
45.实施例一
46.根据本发明的一个实施例，提供了一种低信噪比下短突发调制信号的频偏估计方法，下文将以π/4
‑
cqpsk调制信号为例进行介绍。该实施例考虑π/4
‑
cqpsk调制信号的相位特点，对导频进行两次相关运算，相关峰的峰值即为信号的起始位置，从而得到完整的信号。对信号进行解旋转，计算其四次方，对四次方运算的结果进行快速傅里叶变换，得到频偏估计值，通过计算归一化频偏的均方误差来衡量频偏算法的估计精度。具体地，参见图1所示，该实施例包括以下步骤：
47.步骤s110，根据本地序列与接收信号，获取帧头位置；
48.步骤s120,根据帧头位置截取信号长度，根据信号长度获取频偏补偿前的信号符号流；
49.步骤s130，将信号符号流解旋转，获取旋转前的符号流；
50.步骤s140，将符号流进行四次方运算，获取符号流的四次方谱
51.步骤s150，将四次方谱进行l点的快速傅里叶变换，获取频偏估计值。
52.步骤s110中的本地序列是指原始的导频符号流，步骤s110中的接收信号是在信道传输中加了噪声、频偏和时延后的发射信号。
53.优选地，步骤s110，具体包括：将本地序列与接收信号进行互相关运算，获取计算结果；将计算结果进行自相关运算，自相关运算所得结果最大的位置即为帧头位置。
54.优选地，步骤s120，具体包括：设截取的信号长度的符号个数为n，频偏补偿前的信号符号流为s
cap
＝{c1,c2,
…
,c
n
}。
55.优选地，步骤s130，具体包括：对信号符号流进行解旋转操作，获取频偏估计的符号流为其中，表示将旋转的cqpsk调制信号解旋转。本实施例的公式中的d1,d2,
…
,d
n
表示这个符号流的个数有n个，由于每个符号都进行了旋转，因此将其解旋转至未旋转前的状态。
56.优选地，步骤s140，具体包括：将解旋转的符号流进行四次方运算，得到符号流的四次方谱为
57.优选地，步骤s150，具体包括：对四次方谱进行l点得快速傅里叶变换，获取结果的模的最大值为n
max
＝max|s
four
|；
58.根据最大值获取频偏估计值为其中，f
s
表示采样率，n
max
表示快速傅里叶变换所得结果的模的最大值。
59.优选地，调制信号为π/4
‑
cqpsk调制信号。
60.本实施例一还提供一种频偏估计装置，装置用于执行所述方法，装置包括：
61.相关运算模块，用于根据本地序列与接收信号，获取帧头位置；
62.信号截取模块，用于根据帧头位置截取信号长度，根据信号长度获取频偏补偿前的信号符号流；
63.解旋转模块，用于将信号符号流解旋转，获取旋转前的符号流；
64.运算模块，用于将符号流进行四次方运算，获取符号流的四次方谱；
65.频偏计算模块，用于将四次方谱进行l点的快速傅里叶变换，获取频偏估计值。
66.本实施例一还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
67.具体的，该计算机可读存储介质可以是闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器等等。
68.本实施例一还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法的步骤。
69.实施例二
70.为了进一步验证本发明的有益效果，本实施例二在实施例一的基础上采用π/4
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cqpsk调制信号进行仿真实验，从突发信号生成到成型滤波到信道再到匹配滤波，对匹配滤波的信号采用本发明所提频偏估计算法，得出一个频偏估计结果，对结果进行分析。
71.突发信号生成过程：随机生成长度为150bit的比特数据，采用π/4
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cqpsk调制，即首先进行qpsk调制，然后进行旋转，旋转角度与所在信号中的序号有关，为π/4的倍数，所得星座图如图2所示，共有8种相位，每次相位跳变最大为3π/4，是对qpsk的改进。
72.如图3所示，导频采用bpsk调制，将导频分成三段分散插入到信号中，得到突发信号的结构。
73.信号经过成型滤波后，对信号进行加噪和加频偏，并进行匹配滤波得到频偏估计的对象，成型滤波和匹配滤波均采用根升余弦滤波器，其滚降因子均为0.35，如图4和图5所示，是信号在归一化频偏为0的情况下，信噪比分别为0db和30db时通过信道传输后的结果，如图6所示，是信号在信噪比为30db的情况下归一化频偏为0.01时通过信道传输后的结果，可见低信噪比会使得信号被淹没，频偏会使得信号旋转，可能会导致无法正确解调。
74.应用本发明所提频偏估计方法：对导频进行两次相关运算，相关峰的峰值即为信号的起始位置，从而得到完整的信号，对信号进行解旋转，计算其四次方并进行快速傅里叶变换，得到频偏估计值，通过计算归一化频偏的均方误差来衡量频偏算法的估计精度。
75.为了得到本发明所提频偏算法的估计精度性能，需加不同信噪比下的噪声重复从突发信号生成—成型滤波—信道—匹配滤波的以上操作，在低信噪比情况下，如信噪比分别为0db、5db、10db时，信号解旋并经过四次方运算后的频谱如图7、图8以及图9所示，即使在0db时本发明所提频偏估计算法使得四次方谱图出现了明显的峰值。在归一化频偏为0.001的情况下仿真1000次所得到的估计精度与信噪比的关系如图10所示，图10中有两条曲线，其中处在上方较为平滑的曲线是现有技术l&r算法的曲线，在信噪比小于1db时较为陡峭的曲线是本发明的曲线图，从图10中可以看出，在信噪比大于1db时，相比于时域方法中的传统l&r算法，本发明的归一化频偏的均方误差更小，因此本发明所提算法的估计精度更高。
76.综上所述，在低信噪比和短突发的前提下，针对cqpsk调制信号，本实施例中估计所得的频偏值的估计方差很小，估计精度足够高。
77.本发明的方法，可应用于无线通信系统，例如，卫星移动通信系统等，用于在接收机侧进行频偏估计，或者也可应用于用于对调制信号进行频偏估计的测试设备。
78.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。