CN106059984A - 一种数字调相信号载波相偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，(1)对接收的射频信号进行处理得到含有载波相偏θ₀基带样值信号r_n；(2)进行联合幂估计算法，利用对幂运算的接收信号样值r_n进行求和运算，计算求和后的角度得到载波粗相偏估计值，并对接收信号进行相位补偿得到补偿信号r_n′；(3)采用WPH算法对相位偏移进行进一步的校正计算，利用直线距离与r_n′最接近的标准星座点集合{C_m}，判决与补偿信号{r_n′}距离最接近的星座点C_n；测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移估计值；(4)进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i‑1段相位进行差分并求均值。本发明联合M次幂算法，矫正相偏初始值，提高相偏估计精度，降低计算复杂度。

Description

一种数字调相信号载波相偏估计方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种数字调相信号载波相偏估计方法。

背景技术

在大容量，大数据通信的时代背景下，有限的频谱资源显得弥足珍贵。在有限资源下亟需找到合理的方法，提高频谱使用的有效性。因此，一些高效的调制方式如QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)，MPSK(Multiple Phase ShiftKeying，多进制数字相位调制)一直备受关注。在同一通信***中，依据信道的条件也可能采用不同的调制方式，例如HSPA+(High-Speed PacketAccess+，增强型高速分组接入技术)信道质量好时，上行信道调制方式由QPSK改为16QAM，下行信道由16QAM改为64QAM，大大提升了传输速率。LTE(Long Term Evolution，长期演进)关键技术OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)，更是采用了MPSK、QAM等基带调制技术。因此研究以MPSK、QAM为代表的调相信号调制解调性能具有重要意义，为混合调制提供重要的解决方案，并且可以为新型的无线通信，提供较好的借鉴意义。

在数字通信中，由于接收端硬件电路的时变特性，引起信号的相位抖动等损害，导致相位误差，因此在经过相干解调和下变频后得到的基带信号中，存在一定的相位偏差，这些误差将最终导致接收信号的严重误码。

假设数据辅助的前导信息已知或增益已知，那么在高信噪比条件下，可以较容易的估算接近理想值的相位偏移值。但是，额外的辅助数据需要占用频谱资源，降低了***传输的有效性。

非数据辅助同步的相偏估计方面研究主要包括快似然函数估计算法、幂估 计算法、直方图算法等。其中文献(Feedback blind phase synchronization for QAM signalsbased on circular harmonic decomposition)中的似然估计算法的均方误差接近理想值，然而此算法没有闭式解，因此计算量较大，难以进行实时处理。而文献(360°carrierphase measurement for UHF RFID local positioning)将四次方后的QAM星座按照幅度的特点分为两类分别处理后，再进行去相位包裹。但是该方法估计精度不够高。因此有必要找到一种既能保证相位估计有较高的估计精度，又有较好运算效率的非数据辅助估计算法。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种数字调相信号载波相偏估计方法，具体为一种利用WPH算法和幂估计算法联合估计载波相偏的方法，并对估计过程进行简化，减少运算量。

本发明所采用的技术方案为：

一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其改进之处在于：所述方法包括

(1)对接收的射频信号进行处理得到含有载波相偏θ₀基带样值信号r_n；

(2)进行联合幂估计算法，利用对幂运算的接收信号样值r_n进行求和运算，计算求和后的角度得到载波粗相偏估计值，并对接收信号进行相位补偿得到补偿信号r_n′；

(3)采用WPH算法对相位偏移进行进一步的校正计算，利用直线距离与r_n′最接近的标准星座点集合{C_m}，判决与补偿信号{r_n′}距离最接近的星座点C_n；测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移估计值；

(4)进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-1段相位进行差分并求均值。

可选的，所述步骤(1)包括数字调相信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复以及载波频偏补偿处理后得到含有载波相偏θ₀基 带样值信号r_n；

r_n＝d_ne^jθ+v_n,n＝1,2,N (1)

其中，n表示样值数，d_n表示发送的数字信号，v_n为高斯噪声。

可选的，所述步骤(2)包括利用对幂运算的接收信号样值进行求和运算，幂运算为四次幂，计算求和后的角度得到载波相偏，并对接收信号进行相位补偿得到r_n′；

(2.1)对接收样值r_n求四次幂；

(2.2)对求得四次幂后的样值进行求和运算；

(2.3)测量和运算后值的角度；

(2.4)根据角度信息计算得到相偏估计值r_n′。

可选的，所述步骤(3)包括信号样值经过第一级幂估计相位补偿后的信号r_n′，利用直线距离与r_n′最接近的标准星座点集合{C_m}，判决与{r_n′}最接近的星座点C_n；此时设r_n′的相偏设为θ_n，计算θ_n与星座点C_n的相位差，并对π/2取模运算，通过统计模运算后的相位差在相位区间[-π/4,π/4]K等分相位间隔ψ_k中的分布得到相位直方图，即ξ_k＝rect((θ_n-ψ_k)/(2π/K))；其中，rect(·)表示矩形运算，测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移值，WPH算法的估计范围为[-π/4，π/4]。

进一步的，设需要估计信号的星座图为C_m；

函数

R(n,m)＝min[(real(r_n)-real(C_m))²+(imag(r_n)-imag(C_m))²]；

利用R函数求出r_n中距离M个星座点最近的星座C_n，进行对π/2取模运算，

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\left(\arg \right(r_n)-\arg (C_{m1}\left)\right)\mathrm{mod}(\mathrm{\π}/2);$

将相位区间[-π/4,π/4]范围K等分，设为ψ_k，判断此时r_n的相位θ_n相对于ψ_k的矩形运算，得到式(2)所示的加权相位直方图：

$W\left({\mathrm{\ψ}}_k\right)=\left|r\left(n\right)\right|\·rect\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\ψ}}_k}{\mathrm{\π}/2K}\right)---\left(2\right);$

其中，rect(·)代表矩形运算，ξ_k＝rect((θ_n-ψ_k)/(π/2K))进行如下简化：采用计算其位置，其中arg(R)表示求r_n的角度；代表向下取整；当ki∈[0，K]，其余值为0；否则ξ_k＝0；此时测量直方图二阶矩的峰值得到载波相偏值粗估计值，如式(3)所示：

${\mathrm{\θ}}_P^{\left(2\right)}=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\max }{\[\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}W\left({\mathrm{\ψ}}_k\right)\]}^2---\left(3\right);$

在初始计算时确定估计范围，即为[-π/4，π/4]，根据计算，可以得到最终相偏估计为采用联合幂估计算法估计如下式：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{M}\arg \left\{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{r}^M\left(n\right)\right\}---\left(4\right).$

可选的，所述步骤(4)包括载波相偏进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-1段相位进行差分，并求均值，能使均值最小的相位，即为所求相偏；

设第i段信号的相位为：

$\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{\β}}\left(i\right)={\widehat{\mathrm{\θ}}}_i+2\mathrm{\π}\·(m-1)/M,& -M\≤m\≤M-1\end{array}---\left(5\right);$

第i段相位为与第i-1段接近的相位，因此得到相位估计值为：

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(i\right)=\min \left\{\underset{k=1}{\overset{L/N}{\Σ}}\right|{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{\β}}\left(i\right)-\widehat{\mathrm{\θ}}(i-k)\left|\right\}---\left(6\right);$

其中，L表示总体样值量，N表示小段数据量。

本发明的有益效果为：

本发明结合了幂估计算法和WPH算法，通过多级估计的方式计算相偏，并对信号进行补偿，为下一阶段进行的符号判决提供了必要的先决条件。该方案在一定程度上缓解了算法中存在的计算精度和计算复杂度的有效性和可靠性之间的矛盾；

本发明联合M次幂算法，矫正相偏初始值，从而提高相偏估计精度，并对估计过程进行简化，大大降低了计算复杂度；在无需借助信噪比以及辅助数据信息的情况下，本发明表现出良好的估计性能，为数字调相信号盲相偏估计问题提供了一种简单而有效的解决方案。

附图说明

图1是本发明提供的一种数字调相信号载波相偏估计算法流程示意图；

图2是本发明提供的接收端数字调相信号解调模型结构示意图；

图3是本发明提供的WPH算法流程示意图；

图4是本发明提供的幂估计算法流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种非数据辅助的数字调相信号载波相偏估计方法，由于本发明采用联合估计，并且第一步粗估计采用幂估计算法，根据WPH算法进行进一步矫正计算以减小误差。估计的误差可能存在相位跳变，算法最后采用差分的方法，抑制相位跳变。如图1所示：

步骤11，根据接收样值r_n采用幂算法，计算粗相偏估计值θ₁；

步骤12，利用粗估计值对信号相位进行补偿；

步骤13，利用WPH算法计算进一步估计相位值，并对相位偏移进行进一 步的校正计算；

步骤14，将第i段相位与前i-1段相位进行差分运算，能使其和最小的，即为该段的相位值。

步骤15，根据以上步骤，输出经相位偏移校正后的正确的数据流。

QAM信号接收端解调如图2所示，S(t)为发送信号，N(t)为噪声，接收端经过相干解调和下变频后得到基带信号，由于接收端硬件电路的时变特性，引起信号的相位抖动等损害，导致相位误差，在经过载波频偏估计及补偿后，仍然存在载波相位偏差。因此要经过算法估计频偏值然后进行，以达到正确解调的目的。

本发明提供的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，包括WPH算法和幂估计算法；图3为WPH算法的流程图，包括如下：

步骤31，对接收数据进行相位补偿，补偿值为θ₀，得到补偿后的样值r_n；

步骤32，根据所求的具体星座图，如16QAM，判断与补偿后的r_n距离最近的星座点C_m1，判断方式利用该样值点与星座点的直线距离。

步骤33，根据判断的r_n所属的C_m1，计算两者的角度差；

步骤34，对计算的角度差值进行π/2模运算；

步骤35，利用判断统计此时y_n的相位在等间隔相位槽ψ_k中对应的位置，然后求取加权相位直方图；

步骤36，将概率最大的相位区间的中间值作为相偏估计值。

具体步骤如下：

对于数字调相信号解调***，接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复以及频偏补偿等处理后得到含有载波相偏θ₀的r_n；

r_n＝d_ne^jθ+v_n,n＝1,2,N (1)

其中，n表示样值数，d_n表示发送的数字信号，v_n为高斯噪声，需要估计信号的星座图为C_m，

设函数

R(n,m)＝min[(real(r_n)-real(C_m))²+(imag(r_n)-imag(C_m))²]；

利用R函数求出r_n中距离M个星座点最近的星座C_n，此时，计算相位差，因为WPH的估计范围为[0，π/2]，为了减小异常值对估计结果的影响，进行对π/2取模运算，

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_n=\left(\arg \right(r_n)-\arg (C_{m1}\left)\right)\mathrm{mod}(\mathrm{\π}/2)$

将相位区间[-π/4,π/4]范围K等分，设为ψ_k，判断此时r_n的相位θ_n相对于ψ_k的矩形运算，得到式(2)所示的加权相位直方图

$W\left({\mathrm{\ψ}}_k\right)=\left|r\left(n\right)\right|\·rect\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\ψ}}_k}{\mathrm{\π}/2K}\right)---\left(2\right)$

rect(·)代表矩形运算，ξ_k＝rect((θ_n-ψ_k)/(π/2K))为判断相位的位置，可以进行如下简化：采用直接计算确定其位置，其中arg(R)表示求r_n的角度；代表向下取整。当k_i∈[0，K]，其余值为0；否则ξ_k＝0。此时测量直方图二阶矩的峰值得到载波相偏值粗估计值，如式(3)所示

${\mathrm{\θ}}_P^{\left(2\right)}=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\max }{\[\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}W\left({\mathrm{\ψ}}_k\right)\]}^2---\left(3\right)$

本发明的载波相偏估计，采用直方图算法，在初始计算时需要确定估计范围，即为[-π/4，π/4]，根据计算，可以得到最终相偏估计为加权相位直方图算法虽然在低信噪比时改善了估计的效果，但是因为由于低信噪比情况下引起的统计误差并没有被消除，而且在判决接收信号星座点归属问题上，对于QAM信号，随着其欧式距离的减小，将越来越困难，必须考虑一种有效的算法将相偏范围缩小，使得直方图算法能够发挥较好的效果。为了进一 步提高估计精度，减小误差，采用联合幂估计算法估计思想，如式所示

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{M}\arg \left\{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{r}^M\left(n\right)\right\}---\left(4\right)$

首先采用幂估计算法计算初始相位估计值，然后对信号进行相位补偿，此时相位中存在较小的相位偏移量。

图4为幂估计算法计算流程，具体过程如下：利用对幂运算的接收信号样值进行求和运算，幂运算为四次幂，计算求和后的角度得到载波相偏，并对接收信号进行相位补偿得到r_n′；

步骤41，对接收样值r_n求四次幂；

步骤42，对求得四次幂后的样值进行求和运算；

步骤43，测量和运算后值的角度；

步骤44，根据角度信息计算得到相偏估计值r_n′，但是此值误差较大，为粗估计值。

在实际工程应用中，考虑到如果频偏算法不能较好的纠正相位噪声影响，或者输入总样值量较大，必然会在分段处理相偏的时候，下一段的数据相偏量较大。因此，需要采用一定的方法避免相位跳变情况。

设第i段信号的相位为

$\begin{array}{cc}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{\β}}\left(i\right)={\widehat{\mathrm{\θ}}}_i+2\mathrm{\π}\·(m-1)/M,& -M\≤m\≤M-1\end{array}---\left(5\right)$

实际相位可能为式几种相位中的一个。由于在连续的两段数据内，实际相位的连续性，因此第i段相位应该是与第i-1段接近的相位，因此得到相位估计值为

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(i\right)=min\left\{\underset{k=1}{\overset{L/N}{\Σ}}\right|{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{\β}}\left(i\right)-\widehat{\mathrm{\θ}}(i-k)\left|\right\}---\left(6\right)$

式中，L表示总体样值量，N表示小段数据量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于：所述方法包括

(1)对接收的射频信号进行处理得到含有载波相偏θ₀基带样值信号r_n；

(2)进行联合幂估计算法，利用对幂运算的接收信号样值r_n进行求和运算，计算求和后的角度得到载波粗相偏估计值，并对接收信号进行相位补偿得到补偿信号r′_n；

(3)采用WPH算法对相位偏移进行进一步的校正计算，利用直线距离与r′_n最接近的标准星座点集合{C_m}，判决与补偿信号{r′_n}距离最接近的星座点C_n；测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移估计值；

(4)进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-1段相位进行差分并求均值。

2.根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于：所述步骤(1)包括数字调相信号解调***接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复以及载波频偏补偿处理后得到含有载波相偏θ₀基带样值信号r_n；

其中，n表示样值数，d_n表示发送的数字信号，v_n为高斯噪声。

3.根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于：所述步骤(2)包括利用对幂运算的接收信号样值进行求和运算，幂运算为四次幂，计算求和后的角度得到载波相偏，并对接收信号进行相位补偿得到r′_n；

(2.1)对接收样值r_n求四次幂；

(2.2)对求得四次幂后的样值进行求和运算；

(2.3)测量和运算后值的角度；

(2.4)根据角度信息计算得到相偏估计值r′_n。

4.根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于：所述步骤(3)包括信号样值经过第一级幂估计相位补偿后的信号r′_n，利用直线距离与r′_n最接近的标准星座点集合{C_m}，判决与{r′_n}最接近的星座点C_n；此时设r′_n的相偏设为θ_n，计算θ_n与星座点C_n的相位差，并对π/2取模运算，通过统计模运算后的相位差在相位区间[-π/4,π/4]K等分相位间隔ψ_k中的分布得到相位直方图，即ξ_k＝rect((θ_n-ψ_k)/(2π/K))；其中，rect(·)表示矩形运算，测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移值，WPH算法的估计范围为[-π/4，π/4]。

5.根据权利要求4所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于：设需要估计信号的星座图为C_m；

函数

R(n,m)＝min[(real(r_n)-real(C_m))²+(imag(r_n)-imag(C_m))²]；

利用R函数求出r_n中距离M个星座点最近的星座C_n，进行对π/2取模运算，

将相位区间[-π/4,π/4]范围K等分，设为ψ_k，判断此时r_n的相位θ_n相对于ψ_k的矩形运算，得到式(2)所示的加权相位直方图：

其中，rect(·)代表矩形运算，ξ_k＝rect((θ_n-ψ_k)/(π/2K))进行如下简化：采用计算其位置，其中arg(R)表示求r_n的角度；代表向下取整；当kiε[0，K]，其余值为0；否则ξ_k＝0；此时测量直方图二阶矩的峰值 得到载波相偏值粗估计值，如式(3)所示：

在初始计算时确定估计范围，即为[-π/4，π/4]，根据计算，可以得到最终相偏估计为采用联合幂估计算法估计如下式：

6.根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于：所述步骤(4)包括载波相偏进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-1段相位进行差分，并求均值，能使均值最小的相位，即为所求相偏；

设第i段信号的相位为：

第i段相位为与第i-1段接近的相位，因此得到相位估计值为：

其中，L表示总体样值量，N表示小段数据量。