一種數(shù)字調(diào)相信號載波相偏估計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，(1)對接收的射頻信號進(jìn)行處理得到含有載波相偏θ0基帶樣值信號rn；(2)進(jìn)行聯(lián)合冪估計算法，利用對冪運(yùn)算的接收信號樣值rn進(jìn)行求和運(yùn)算，計算求和后的角度得到載波粗相偏估計值，并對接收信號進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償信號rn′；(3)采用WPH算法對相位偏移進(jìn)行進(jìn)一步的校正計算，利用直線距離與rn′最接近的標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)集合{Cm}，判決與補(bǔ)償信號{rn′}距離最接近的星座點(diǎn)Cn；測量該相位直方圖加權(quán)后的函數(shù)的二階矩的峰值，得到載波相位偏移估計值；(4)進(jìn)行相位跳變，提出相位差分運(yùn)算，將求得的第i段相位與前i?1段相位進(jìn)行差分并求均值。本發(fā)明聯(lián)合M次冪算法，矯正相偏初始值，提高相偏估計精度，降低計算復(fù)雜度。
【專利說明】
-種數(shù)字調(diào)相信號載波相偏估計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于移動通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種數(shù)字調(diào)相信號載波相偏估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在大容量，大數(shù)據(jù)通信的時代背景下，有限的頻譜資源顯得彌足珍貴。在有限資源 下亟需找到合理的方法，提高頻譜使用的有效性。因此，一些高效的調(diào)制方式如QAM (Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度調(diào)制），MPSK(Multiple Phase 化ift Keying,多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制）一直備受關(guān)注。在同一通信系統(tǒng)中，依據(jù)信道的條件也可能 采用不同的調(diào)制方式，例如HSPA+化i曲-Speed化cketAccess+，增強(qiáng)型高速分組接入技術(shù)） 信道質(zhì)量好時，上行信道調(diào)制方式由QPSK改為16QAM，下行信道由16QAM改為64QAM，大大提 升了傳輸速率。LTE化ong Term Evolution,長期演進(jìn)）關(guān)鍵技術(shù)0FDM(0;rthogonal Frequen巧Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用），更是采用了MPSK、QAM等基帶調(diào)制技 術(shù)。因此研究WMPSK、QAM為代表的調(diào)相信號調(diào)制解調(diào)性能具有重要意義，為混合調(diào)制提供 重要的解決方案，并且可W為新型的無線通信，提供較好的借鑒意義。
[0003] 在數(shù)字通信中，由于接收端硬件電路的時變特性，引起信號的相位抖動等損害，導(dǎo) 致相位誤差，因此在經(jīng)過相干解調(diào)和下變頻后得到的基帶信號中，存在一定的相位偏差，運(yùn) 些誤差將最終導(dǎo)致接收信號的嚴(yán)重誤碼。
[0004] 假設(shè)數(shù)據(jù)輔助的前導(dǎo)信息已知或增益已知，那么在高信噪比條件下，可W較容易 的估算接近理想值的相位偏移值。但是，額外的輔助數(shù)據(jù)需要占用頻譜資源，降低了系統(tǒng)傳 輸?shù)挠行浴?br>[0005] 非數(shù)據(jù)輔助同步的相偏估計方面研究主要包括快似然函數(shù)估計算法、幕估計算 法、直方圖算法等。其中文獻(xiàn)(Fee化ack blind曲ase sync虹onization for QAM si即als based on circular harmonic decomposition)中的似然估計算法的均方誤差接近理想 值，然而此算法沒有閉式解，因此計算量較大，難W進(jìn)行實(shí)時處理。而文獻(xiàn)（360° carrier phase measurement for UHF RFID local positioning)將四次方后的QAM星座按照幅度 的特點(diǎn)分為兩類分別處理后，再進(jìn)行去相位包裹。但是該方法估計精度不夠高。因此有必要 找到一種既能保證相位估計有較高的估計精度，又有較好運(yùn)算效率的非數(shù)據(jù)輔助估計算 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種數(shù)字調(diào)相信號載波相偏估 計方法，具體為一種利用WK1算法和幕估計算法聯(lián)合估計載波相偏的方法，并對估計過程進(jìn) 行簡化，減少運(yùn)算量。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[000引一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其改進(jìn)之處在于:所述方法包括
[0009] (1)對接收的射頻信號進(jìn)行處理得到含有載波相偏θ〇基帶樣值信號
[0010] (2)進(jìn)行聯(lián)合幕估計算法，利用對幕運(yùn)算的接收信號樣值rn進(jìn)行求和運(yùn)算，計算求 和后的角度得到載波粗相偏估計值，并對接收信號進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償信號r/;
[0011] (3)采用WPH算法對相位偏移進(jìn)行進(jìn)一步的校正計算，利用直線距離與r。/最接近 的標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)集合{Cm}，判決與補(bǔ)償信號{ΤηΜ距離最接近的星座點(diǎn)Cn;測量該相位直方圖 加權(quán)后的函數(shù)的二階矩的峰值，得到載波相位偏移估計值；
[0012] (4)進(jìn)行相位跳變，提出相位差分運(yùn)算，將求得的第i段相位與前i-1段相位進(jìn)行差 分并求均值。
[0013] 可選的，所述步驟(1)包括數(shù)字調(diào)相信號解調(diào)系統(tǒng)接收的射頻信號經(jīng)過匹配濾波、 模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時恢復(fù)W及載波頻偏補(bǔ)償處理后得到含有載波相偏e〇基帶樣值信號rn;
[0014]
[0015] 其中，η表示樣值數(shù)，dn表示發(fā)送的數(shù)字信號，Vn為高斯噪聲。
[0016] 可選的，所述步驟(2)包括利用對幕運(yùn)算的接收信號樣值進(jìn)行求和運(yùn)算，幕運(yùn)算為 四次幕，計算求和后的角度得到載波相偏，并對接收信號進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)玫絩/;
[0017] (2.1)對接收樣值rn求四次幕；
[0018] (2.2)對求得四次幕后的樣值進(jìn)行求和運(yùn)算；
[0019] (2.3)現(xiàn)慢和運(yùn)算后值的角度；
[0020] (2.4)根據(jù)角度信息計算得到相偏估計值r/。
[0021] 可選的，所述步驟(3)包括信號樣值經(jīng)過第一級幕估計相位補(bǔ)償后的信號r。/，利 用直線距離與r/最接近的標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)集合{Cm}，判決與{ΤηΜ最接近的星座點(diǎn)Cn;此時設(shè)r/ 的相偏設(shè)為θη，計算θη與星座點(diǎn)Cn的相位差，并對V2取模運(yùn)算，通過統(tǒng)計模運(yùn)算后的相位差 在相位區(qū)間[-V4，V4化等分相位間隔恥中的分布得到相位直方圖，即Ck = rect((9n-ik)/ (2VK));其中，rect( ·)表示矩形運(yùn)算，測量該相位直方圖加權(quán)后的函數(shù)的二階矩的峰值， 得到載波相位偏移值，WK1算法的估計范圍為[-V4，V4 ]。
[0022] 進(jìn)一步的，設(shè)需要估計信號的星座圖為Cm;
[0023] 函數(shù)
[0024] R(n,m) =min[(real(rn)-real(Cm))^+(imag(rn)-imag(Cm))^]；
[0025] 利用R函數(shù)求出rn中距離M個星座點(diǎn)最近的星座Cn，進(jìn)行對取模運(yùn)算，
[0026]
[0027]將相位區(qū)間[-V4，V4]范圍K等分，設(shè)為ik，判斷此時rn的相位目η相對于恥的矩形 運(yùn)算，得到式(2)所示的加權(quán)相位直方圖：
[002引
[0029] 其中，rect(.)代表矩形運(yùn)算，Ck = rect((0n-ik)/(V2K))進(jìn)行如下簡化：采用 V=L2w鐘計算其位置，其中arg(R)表示求。的角度；!_·」代表向下取整；當(dāng)kie
[0，Κ]，禹,=1，其余值為0;否則Ck = 〇;此時測量直方圖二階矩的峰值得到載波相偏值粗估 計值，如式(3)所示：
[0030]
[0031] 在初始計算時確定估計范圍，即為[-V4，V4]，根據(jù)計算，可W得到最終相偏估計 為心=-；Γ /4 +皆1，采用聯(lián)合幕估計算法估計如下式：
[0032]
[0033] 可選的，所述步驟(4)包括載波相偏進(jìn)行相位跳變，提出相位差分運(yùn)算，將求得的 第i段相位與前i-1段相位進(jìn)行差分，并求均值，能使均值最小的相位，即為所求相偏；
[0034] 設(shè)第i段信號的相位為：
[0035]
,；
[0036] 第i段相位為與第i-1段接近的相位，因此得到相位估計值為：
[0037]
[0038] 其中，L表示總體樣值量，N表示小段數(shù)據(jù)量。
[0039] 本發(fā)明的有益效果為：
[0040] 本發(fā)明結(jié)合了幕估計算法和WPH算法，通過多級估計的方式計算相偏，并對信號進(jìn) 行補(bǔ)償，為下一階段進(jìn)行的符號判決提供了必要的先決條件。該方案在一定程度上緩解了 算法中存在的計算精度和計算復(fù)雜度的有效性和可靠性之間的矛盾；
[0041 ]本發(fā)明聯(lián)合Μ次幕算法，矯正相偏初始值，從而提高相偏估計精度，并對估計過程 進(jìn)行簡化，大大降低了計算復(fù)雜度;在無需借助信噪比W及輔助數(shù)據(jù)信息的情況下，本發(fā)明 表現(xiàn)出良好的估計性能，為數(shù)字調(diào)相信號盲相偏估計問題提供了一種簡單而有效的解決方 案。
【附圖說明】
[0042] 圖1是本發(fā)明提供的一種數(shù)字調(diào)相信號載波相偏估計算法流程示意圖；
[0043] 圖2是本發(fā)明提供的接收端數(shù)字調(diào)相信號解調(diào)模型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖3是本發(fā)明提供的算法流程示意圖；
[0045] 圖4是本發(fā)明提供的幕估計算法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 本發(fā)明提供了一種非數(shù)據(jù)輔助的數(shù)字調(diào)相信號載波相偏估計方法，由于本發(fā)明采 用聯(lián)合估計，并且第一步粗估計采用幕估計算法，根據(jù)WPH算法進(jìn)行進(jìn)一步矯正計算W減小 誤差。估計的誤差可能存在相位跳變，算法最后采用差分的方法，抑制相位跳變。如圖1所 示：
[0047] 步驟11，根據(jù)接收樣值rn采用幕算法，計算粗相偏估計值θι;
[0048] 步驟12，利用粗估計值對信號相位進(jìn)行補(bǔ)償；
[0049] 步驟13,利用WPH算法計算進(jìn)一步估計相位值，并對相位偏移進(jìn)行進(jìn)一步的校正 計算；
[0050] 步驟14,將第i段相位與前i-1段相位進(jìn)行差分運(yùn)算，能使其和最小的，即為該段的 相位值。
[0051] 步驟15,根據(jù)W上步驟，輸出經(jīng)相位偏移校正后的正確的數(shù)據(jù)流。
[0052] QAM信號接收端解調(diào)如圖2所示，S(t)為發(fā)送信號，N(t)為噪聲，接收端經(jīng)過相干解 調(diào)和下變頻后得到基帶信號，由于接收端硬件電路的時變特性，引起信號的相位抖動等損 害，導(dǎo)致相位誤差，在經(jīng)過載波頻偏估計及補(bǔ)償后，仍然存在載波相位偏差。因此要經(jīng)過算 法估計頻偏值然后進(jìn)行，W達(dá)到正確解調(diào)的目的。
[0053] 本發(fā)明提供的一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，包括WPH算法和幕估計算 法;圖3為算法的流程圖，包括如下：
[0054] 步驟31，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償，補(bǔ)償值為θ〇,得到補(bǔ)償后的樣值rn;
[0055] 步驟32,根據(jù)所求的具體星座圖，如16QAM，判斷與補(bǔ)償后的rn距離最近的星座點(diǎn) C"i，判斷方式利用該樣值點(diǎn)與星座點(diǎn)的直線距離。
[0056] 步驟33,根據(jù)判斷的rn所屬的Cmi，計算兩者的角度差；
[0057] 步驟34,對計算的角度差值進(jìn)行V2模運(yùn)算；
[0化引步驟35，利用= L。巧伴)'K /'叫判斷統(tǒng)計此時yn的相位在等間隔相位槽恥中對應(yīng) 的位置，然后求取加權(quán)相位直方圖；
[0059] 步驟36,將概率最大的相位區(qū)間的中間值作為相偏估計值。
[0060] 具體步驟如下：
[0061] 對于數(shù)字調(diào)相信號解調(diào)系統(tǒng)，接收的射頻信號經(jīng)過匹配濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時恢復(fù) W及頻偏補(bǔ)償?shù)忍幚砗蟮玫胶休d波相偏e〇的rn;
[0062] Γη=dne-^?+vn, η = 1,2, N (1)
[0063] 其中，η表示樣值數(shù)，dn表示發(fā)送的數(shù)字信號，Vn為高斯噪聲，需要估計信號的星座 圖為Cm，
[0064] 設(shè)函數(shù)
[00化]R(n,m) =min[(real(；Tn)-real(Cm))2+(imag(；Tn)-imag(Cm))2];
[0066] 利用R函數(shù)求出rn中距離Μ個星座點(diǎn)最近的星座Cn，此時，計算相位差，因?yàn)閃PH的估 計范圍為[0，V2]，為了減小異常值對估計結(jié)果的影響，進(jìn)行對V2取模運(yùn)算，
[0067]
[006引將相位區(qū)間[-V4，V4]范圍K等分，設(shè)為Ik，判斷此時rn的相位目η相對于恥的矩形 運(yùn)算，得到式(2)所示的加權(quán)相位直方圖
[0069]
[0070] rect( ·)代表矩形運(yùn)算，Ck = rect((0n-ik)/(V2K))為判斷相位的位置，可W進(jìn)行 如下簡化:采用A,=L2"巧W'K/J」直接計算確定其位置，其中arg(R)表示求。的角度；L·」 代表向下取整。當(dāng)kie[0，K]，每=1，其余值為0;否則Ck=〇。此時測量直方圖二階矩的峰值 得到載波相偏值粗估計值，如式(3)所示
[0071]
[0072] 本發(fā)明的載波相偏估計，采用直方圖算法，在初始計算時需要確定估計范圍，即為 [-V4，V4]，根據(jù)計算，可W得到最終相偏估計為6 = -^/4 +聲，加權(quán)相位直方圖算法雖 然在低信噪比時改善了估計的效果，但是因?yàn)橛捎诘托旁氡惹闆r下引起的統(tǒng)計誤差并沒有 被消除，而且在判決接收信號星座點(diǎn)歸屬問題上，對于QAM信號，隨著其歐式距離的減小，將 越來越困難，必須考慮一種有效的算法將相偏范圍縮小，使得直方圖算法能夠發(fā)揮較好的 效果。為了進(jìn)一步提高估計精度，減小誤差，采用聯(lián)合幕估計算法估計思想，如式所示
[0073]
[0074] 首先采用幕估計算法計算初始相位估計值，然后對信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，此時相位 中存在較小的相位偏移量。
[0075] 圖4為幕估計算法計算流程，具體過程如下:利用對幕運(yùn)算的接收信號樣值進(jìn)行求 和運(yùn)算，幕運(yùn)算為四次幕，計算求和后的角度得到載波相偏，并對接收信號進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)?到η/ ;
[0076] 步驟41，對接收樣值rn求四次幕；
[0077] 步驟42,對求得四次幕后的樣值進(jìn)行求和運(yùn)算；
[0078] 步驟43，測量和運(yùn)算后值的角度；
[0079] 步驟44，根據(jù)角度信息計算得到相偏估計值r/，但是此值誤差較大，為粗估計值。
[0080] 在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到如果頻偏算法不能較好的糾正相位噪聲影響，或者輸 入總樣值量較大，必然會在分段處理相偏的時候，下一段的數(shù)據(jù)相偏量較大。因此，需要采 用一定的方法避免相位跳變情況。
[0081] 設(shè)第i段信號的相位為
[0082]
[0083] 實(shí)際相位可能為式幾種相位中的一個。由于在連續(xù)的兩段數(shù)據(jù)內(nèi)，實(shí)際相位的連 續(xù)性，因此第i段相位應(yīng)該是與第i-1段接近的相位，因此得到相位估計值為
[0084]
[0085] 式中，L表示總體樣值量，N表示小段數(shù)據(jù)量。
[0086] 本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下都可得出其他各種 形式的產(chǎn)品，但不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技 術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其特征在于:所述方法包括 (1) 對接收的射頻信號進(jìn)行處理得到含有載波相偏θ〇基帶樣值信號rn; (2) 進(jìn)行聯(lián)合冪估計算法，利用對冪運(yùn)算的接收信號樣值rn進(jìn)行求和運(yùn)算，計算求和后 的角度得到載波粗相偏估計值，并對接收信號進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償信號 (3) 采用WPH算法對相位偏移進(jìn)行進(jìn)一步的校正計算，利用直線距離與最接近的標(biāo)準(zhǔn) 星座點(diǎn)集合{Cm}，判決與補(bǔ)償信號{r、}距離最接近的星座點(diǎn)C n;測量該相位直方圖加權(quán)后 的函數(shù)的二階矩的峰值，得到載波相位偏移估計值； (4) 進(jìn)行相位跳變，提出相位差分運(yùn)算，將求得的第i段相位與前i-Ι段相位進(jìn)行差分并 求均值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其特征在于:所述步 驟(1)包括數(shù)字調(diào)相信號解調(diào)系統(tǒng)接收的射頻信號經(jīng)過匹配濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時恢復(fù)以及 載波頻偏補(bǔ)償處理后得到含有載波相偏θ〇基帶樣值信號r n;其中，η表示樣值數(shù)，dn表示發(fā)送的數(shù)字信號，vn為高斯噪聲。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其特征在于:所述步 驟(2)包括利用對冪運(yùn)算的接收信號樣值進(jìn)行求和運(yùn)算，冪運(yùn)算為四次冪，計算求和后的角 度得到載波相偏，并對接收信號進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)玫絍 n; (2.1) 對接收樣值rn求四次冪； (2.2) 對求得四次冪后的樣值進(jìn)行求和運(yùn)算； (2.3) 測量和運(yùn)算后值的角度； (2.4) 根據(jù)角度信息計算得到相偏估計值V n。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其特征在于:所述步 驟(3)包括信號樣值經(jīng)過第一級冪估計相位補(bǔ)償后的信號，利用直線距離與最接近的 標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)集合{C m}，判決與{^}最接近的星座點(diǎn)Cn;此時設(shè)的相偏設(shè)為θη，計算θη與星 座點(diǎn)C n的相位差，并對π/2取模運(yùn)算，通過統(tǒng)計模運(yùn)算后的相位差在相位區(qū)間[-31/4,π/4]Κ 等分相位間隔抓中的分布得到相位直方圖，即|1< = ^(31:((011-1])1〇/(231/1〇);其中，代(31:(·) 表示矩形運(yùn)算，測量該相位直方圖加權(quán)后的函數(shù)的二階矩的峰值，得到載波相位偏移值， WPH算法的估計范圍為[-V4，V4 ]。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其特征在于:設(shè)需要 估計信號的星座圖為Cm; 函數(shù) R(n,m) =min[(real(rn)-real(Cm))2+(imag(rn)-imag(Cm)) 2]； 利用R函數(shù)求出rn中距離M個星座點(diǎn)最近的星座Cn，進(jìn)行對π/2取模運(yùn)算，將相位區(qū)間[_V4，V4]范圍Κ等分，設(shè)為也，判斷此時化的相位θη相對于也的矩形運(yùn)算， 得到式(2)所示的加權(quán)相位直方圖：其中，rect( ·)代表矩形運(yùn)算進(jìn)行如下簡化：采用 之=|_2flrg(《)l /^」計算其位置，其中arg(R)表示求rn的角度；[_·_)代表向下取整；當(dāng)kie [0，Κ]，& =1，其余值為0;否則|k = 0;此時測量直方圖二階矩的峰值得到載波相偏值粗估 計值，如式(3)所示：在初始計算時確定估計范圍，即為[-Ji/4,31/4]，根據(jù)計算，可以得到最終相偏估計為 g = -;τ/4 + #，采用聯(lián)合冪估計算法估計如下式：6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字調(diào)相信號盲載波相偏估計方法，其特征在于:所述步 驟(4)包括載波相偏進(jìn)行相位跳變，提出相位差分運(yùn)算，將求得的第i段相位與前i-Ι段相位 進(jìn)行差分，并求均值，能使均值最小的相位，即為所求相偏； 設(shè)第i段信號的相位為：第i段相位為與第i-Ι段接近的相位，因此得到相位估計值為：其中，L表示總體樣值量，N表示小段數(shù)據(jù)量。
【文檔編號】H04L27/00GK106059984SQ201510925358
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年12月10日
【發(fā)明人】田兵, 劉晗, 張鹍, 張婷婷, 趙作斌, 徐盛濤, 武俠
【申請人】國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司, 國家電網(wǎng)公司