CN111131106A - 通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置，包括以下步骤：接收通信信号发射端发送的N次长度为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成为长度为M*N的接收信号；将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r；对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N‑1)/2个相位差估计量；对所述N*(N‑1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果；对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。本发明的一种通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置，用于计算频偏估计值。

Description

通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置。

背景技术

在无线通信***中，频率同步是数据正确传输的前提和基础。一般情况下接收信号的频率偏移主要由载波频偏和多普勒频偏两部分组成。载波频偏是因为接收机晶振和发射机晶振频率不同所造成的，而多普勒频偏是由发射机与接收机之间的相对移动形成的，这些频率偏移会使接收信号附加一个时变的相位旋转，进而导致接受信噪比的下降，影响通信质量。为了获得较高的通信质量，需要对频偏进行估计，并通过自动频率控制进行频率跟踪和补偿。

普遍的频偏估计方法都是通过***在同步信号的前导、导频或循环前缀进行估计的。发射机在同步信号中***用于频偏估计的训练序列，当接收机收到该同步信号时使用自相关法来提取前后两个相同序列的相位差，由此进行频偏估计。

在实现本发明的过程中，发明人发现现在有技术至少存在以下问题。

在通信条件较差，信噪比较低的情况下，由于同步信号被噪声所淹没，对用于提取频偏的统计估计量影响很大，导致估计不准确，均方误差较大。使用估计结果对接收信号进行频偏补偿不仅不会产生任何增益，反而会使得接受性能下降。

因此，希望能够解决如何更好地进行频偏估计，以避免因使用自相关方法计算得到的估计结果对接收信号进行频偏补偿而使性能下降的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置，用于解决现有技术中如何更好地进行频偏估计，以避免因使用自相关方法计算得到的估计结果对接收信号进行频偏补偿而使性能下降的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种通信信号的频偏估计方法，包括以下步骤：接收通信信号发射端发送的N个长度为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成为长度为M*N的接收信号；将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r；对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N-1)/2个相位差估计量；对所述N*(N-1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果；对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。

于本发明的一实施例中，所述个数为M的发射信号表示为

所述发射信号的功率已进行归一化为

于本发明的一实施例中，所述长度为M*N的接收信号表示为

所述N个频偏估计中间量r根据

计算，1≤j≤M，1≤i≤N。

于本发明的一实施例中，所述N*(N-1)/2个相位差估计量为

于本发明的一实施例中，还包括根据

计算频偏估计值f_d，f_s为采样率，θ为相位差估计结果。

为实现上述目的，本发明还提供一种通信信号的频偏估计***，包括：接收模块、第一运算模块、第二运算模块、第三运算模块和第四运算模块；所述接收模块用于接收通信信号发射端发送的N次个数为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成为M*N个接收信号；所述第一运算模块用于将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r；所述第二运算模块用于对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N-1)/2个相位差估计量；所述第三运算模块用于对所述N*(N-1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果；所述第四运算模块用于对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。

为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一上述通信信号的频偏估计方法。

为实现上述目的，本发明还提供一种接收装置，包括：处理器和存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述接收装置执行任一上述的通信信号的频偏估计方法。

最后，本发明还提供一种通信信号的频偏估计***，包括：包括上述的通信信号接收装置和通信信号发射装置；所述通信信号发射装置用于发送N个长度为M的发射信号。

于本发明的一实施例中，所述通信信号接收装置为天线、放大器、滤波器、混频器、模数转换器或处理器。

如上所述，本发明的一种通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置，具有以下有益效果：基于频偏互相关的方法计算得到频偏估计值；所述频偏估计值应用于接收信号频偏补偿时能够提升性能、增加增益。另外，当信号条件较好的时候，还可以使用简化算法来更快的估计频偏，简化算法可以减少计算量，提升同步速度。

附图说明

图1显示为本发明的通信信号的频偏估计方法于一实施例中的流程图；

图2显示为本发明的发射信号与接收信号长度关系于一实施例中的示意图；

图3显示为本发明的将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算得到N个频偏估计中间量r于一实施例中的示意图；

图4显示为本发明的对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算得到N*(N-1)/2个相位差估计量于一实施例中的示意图；

图5显示为本发明的1kHz频偏互相关方法残余频偏统计于一实施例中的示意图；

图6显示为本发明的1kHz频偏自相关方法残余频偏统计于一实施例中的示意图；

图7显示为本发明的2kHz频偏互相关方法残余频偏统计于一实施例中的示意图；

图8显示为本发明的2kHz频偏自相关方法残余频偏统计于一实施例中的示意图；

图9显示为本发明的1kHz频偏互相关方法残余频偏统计于一实施例中的示意图；

图10显示为本发明的1kHz频偏自相关方法残余频偏统计于一实施例中的示意图；

图11显示为本发明的通信信号的频偏估计***于一实施例中的结构示意图；

图12显示为本发明的通信信号接收装置于一实施例中的结构示意图；

图13显示为本发明的通信信号的频偏估计***于又一实施例中的结构示意图。

元件标号说明

111 接收模块

112 第一运算模块

113 第二运算模块

114 第三运算模块

115 第四运算模块

121 处理器

122 存储器

131 通信信号接收装置

132 通信信号发射装置

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置，基于频偏互相关的方法计算得到频偏估计值；所述频偏估计值应用于接收信号频偏补偿时能够提升性能、增加增益。

如图1所示，于一实施例中，本发明的通信信号的频偏估计方法，包括以下步骤：

步骤S11、接收通信信号发射端发送的N次个数为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成为M*N个接收信号。

于本发明一实施例中，所述N次个数为M的发射信号为已归一化的圆周调制复信号，所述长度为M归一化的圆周调制复信号可表示为

所述发射信号包括但不限于2PSK(2PSK是相移键控的最简单的一种形式，它用两个初相相隔为180的载波来传递二进制信息，所以也被称为BPSK)、QPSK(正交相移键控(Quadrature Phase ShiftKeyin，QPSK)是一种数字调制方式。它分为绝对相移和相对相移两种)等。所述发射信号是已归一的信号。具体地，X_k中的k可表示为M*N，如k＝2*3时则M＝2，N＝3，表示为第3次发送的复信号

中的x₂，所述M*N个接收信号表示为

如图2所示，于一实施例中，发送长度为M的发射信号N次，得到经过信道传输后长度为M*N的接收信号。

步骤S12、将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r。

于本发明一实施例中，所述长度为M*N的接收信号表示为

所述N个频偏估计中间量r根据

计算，1≤j≤M，1≤i≤N。所述x_j ^*与x_j为复共轭关系。

具体地，如图3所示，r₁＝y_1*N+1*x₁ ^*+y_1*N+2*x₂ ^*+…+y_1*N+M*x_M ^*，r_s＝y_s*N+1*x₁ ^*+y_s*N+2*x₂ ^*+…+y_s*N+M*x_M ^*。

步骤S13、对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N-1)/2个相位差估计量。

于本发明一实施例中，所述N*(N-1)/2个相位差估计量为

其中所述r_j ^*与r_j为复共轭关系。

具体地，如图4所示，

一般情况下S13步骤需要计算N*(N-1)/2个r_i。当SNR较高的时候(相比信号质量更差的情况)简化算法可以减少计算的r_i的个数，比如可以只计算2个，所以可以减少计算量，提升同步速度。具体地，当SNR较高的时候所述简化算法可以在步骤S12将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r时只计算一个或两个r值，例如只计算r₁和r₂。后续步骤S13只需对r₁和r₂进行不同组合的共轭相乘运算得到一个相位差估计量。

步骤S14、对所述N*(N-1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果。

于本发明一实施例中，对所述N*(N-1)/2个相位差估计量为

求和，i<j，1≤j≤M，1≤i≤N，得到相位差估计结果。所述相位差估计结果

即为所有的θ_i,j的求和平均值。

步骤S15、对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。

于本发明一实施例中，还包括根据

计算频偏估计值f_d，f_s为采样率，θ为相位差估计结果。

如图5所示，于一实施例中，1kHz频偏互相关方法残余频偏统图显示；如图6所示1kHz频偏自相关方法残余频偏统计图显示。由图可见，两种方法均能够估计出频偏。本发明采用的方法得到的残余频偏更小。

如图7所示，于一实施例中，2kHz频偏互相关方法残余频偏统计图显示；如图8所示2kHz频偏自相关方法残余频偏统计图。由图可见，自相关法已经无法估计出频偏，本发明的方法可以估计出频偏，并使得残余频偏下降。

如图9所示，于一实施例中，1kHz频偏互相关方法残余频偏统计图显示；-如图10所示1kHz频偏自相关方法残余频偏统计图。由图可见，自相关法已经无法估计出频偏，本发明的方法可以估计出频偏，并使得残余频偏下降。图5，6与图9，10的区别在于SNR(信噪比)值不一样。图5，6的SNR为-10dB，图9，10的SNR为-20dB。本发明的技术效果是与传统的采用自相关方法的通信设备相比，在理论上使用互相关方法的通信设备的估计方差更小；在相同长度的训练符号情况下，理论方差缩小为原有的

SNR：信噪比SIGNAL NOISERATIO。另外差分方式的互相关方法可以抵消信号的初始相位，提高估计精度。

如图11所示，于一实施例中，本发明的通信信号的频偏估计***，包括接收模块111、第一运算模块112、第二运算模块113、第三运算模块114和第四运算模块115。

所述接收模块111用于接收通信信号发射端发送的N个长度为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成长度为M*N的接收信号。

于本发明一实施例中，所述N个长度为M的发射信号为已归一化的圆周调制复信号，所述长度为M归一化的圆周调制复信号可表示为

所述发射信号包括但不限于QPSK(正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keyin，QPSK)是一种数字调制方式。它分为绝对相移和相对相移两种)、2PSK(2PSK是相移键控的最简单的一种形式，它用两个初相相隔为180的载波来传递二进制信息，所以也被称为BPSK)等。具体地，X_k中的k可表示为M*N，如k＝2*3时则M＝2，N＝3，表示为第3次发送的复信号

中的x₂，所述长度为M*N的接收信号表示为

于一实施例中，发送长度为M的发射信号N次，得到经过信道传输后长度为M*N的接收信号。

所述第一运算模块112用于将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r。

于本发明一实施例中，所述长度为M*的个接收信号表示为

所述N个频偏估计中间量r根据

计算，1≤j≤M，1≤i≤N。所述x_j ^*与x_j为复共轭关系。

具体地，r₁＝y_1*N+1*x₁ ^*+y_1*N+2*x₂ ^*+…+y_1*N+M*x_M ^*，r_s＝y_s*N+1*x₁ ^*+y_s*N+2*x₂ ^*+…+y_s*N+M*x_M ^*。

所述第二运算模块113用于对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N-1)/2个相位差估计量。

于本发明一实施例中，所述N*(N-1)/2个相位差估计量为

其中所述r_j ^*与r_j为复共轭关系。

具体地，

所述第三运算模块114用于对所述N*(N-1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果。

于本发明一实施例中，对所述N*(N-1)/2个相位差估计量为

求和，i<j，1≤j≤M，1≤i≤N，得到相位差估计结果。所述相位差估计结果

即为所有的θ_i,j的求和平均值。

所述第四运算模块115用于对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。

于本发明一实施例中，还包括根据

计算频偏估计值f_d，f_s为采样率，θ为相位差估计结果。

需要说明的是，应理解以上***的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称接收装置)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上***(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。

于本发明一实施例中，本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一通信信号的频偏估计方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

如图10所示，于一实施例中，本发明的接收装置包括：处理器121和存储器122；所述存储器122用于存储计算机程序；所述处理器121与所述存储器122相连，用于执行所述存储器122存储的计算机程序，以使所述接收装置执行任一所述的通信信号的频偏估计方法。

具体地，所述存储器122包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

优选地，所述处理器121可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，简称接收装置)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

如图11所示，于一实施例中，本发明的通信信号的频偏估计***，包括上述的通信信号接收装置131和通信信号发射装置132。所述通信信号发射装置132用于发送N次个数为M的发射信号。

于本发明一实施例中，所述通信信号接收装置包括但不限于天线、放大器、滤波器、混频器、模数转换器或处理器。

综上所述，本发明通信信号的频偏估计方法、***、存储介质及接收装置，基于频偏互相关的方法计算得到频偏估计值；所述频偏估计值应用于接收信号频偏补偿时能够提升性能、增加增益。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种通信信号的频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收通信信号发射端发送的N个长度为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成为长度为M*N的接收信号；

将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r；

对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N-1)/2个相位差估计量；

对所述N*(N-1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果；

对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的通信信号的频偏估计方法，其特征在于，所述个数为M的发射信号表示为

所述发射信号的功率已进行归一化

1≤k≤M*N。

3.根据权利要求2所述的通信信号的频偏估计方法，其特征在于，所述长度为M*N的接收信号表示为

所述N个频偏估计中间量r根据

计算，1≤j≤M，1≤i≤N。

4.根据权利要求3所述的通信信号的频偏估计方法，其特征在于，所述N*(N-1)/2个相位差估计量为

i<j，1≤j≤M，1≤i≤N。

5.根据权利要求4所述的通信信号的频偏估计方法，其特征在于，还包括根据

计算频偏估计值f_d，f_s为采样率，θ为相位差估计结果。

6.一种通信信号的频偏估计***，其特征在于，包括：接收模块、第一运算模块、第二运算模块、第三运算模块和第四运算模块；

所述接收模块用于接收通信信号发射端发送的N次个数为M的发射信号，所述发射信号经过信道传输后成为M*N个接收信号；

所述第一运算模块用于将所述接收信号与所述发射信号进行互相关运算，得到N个频偏估计中间量r；

所述第二运算模块用于对所述N个频偏估计中间量r进行不同组合的共轭相乘运算，得到N*(N-1)/2个相位差估计量；

所述第三运算模块用于对所述N*(N-1)/2个相位差估计量求和求平均得到相位差估计结果；

所述第四运算模块用于对所述相位差估计结果进行计算得到频偏估计值。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述通信信号的频偏估计方法。

8.一种通信信号接收装置，其特征在于，包括：处理器和存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述通信信号接收装置执行权利要求1至5中任一项所述的通信信号的频偏估计方法。

9.一种通信信号的频偏估计***，其特征在于，包括权利要求8所述的通信信号接收装置和通信信号发射装置；所述通信信号发射装置用于发送N个长度为M的发射信号。

10.根据权利要求9所述的通信信号的频偏估计***，其特征在于，所述通信信号接收装置为天线、放大器、滤波器、混频器、模数转换器或处理器。

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