一種適用于高動(dòng)態(tài)超視距突發(fā)信道的頻偏估計(jì)方法

唐秋菊，劉 瑩，王洪磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種適用于高動(dòng)態(tài)超視距突發(fā)信道的頻偏估計(jì)方法

唐秋菊，劉 瑩，王洪磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)通信系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)超視距突發(fā)信道條件下難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的頻偏估計(jì)問(wèn)題，提出了一種基于分集措施的FFT頻偏估計(jì)方法，該方法在實(shí)現(xiàn)快速頻偏估計(jì)的同時(shí)，估計(jì)精度亦可滿(mǎn)足通信系統(tǒng)解調(diào)需要。對(duì)其基本原理及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并進(jìn)行了Matlab仿真及室內(nèi)測(cè)試。仿真及測(cè)試結(jié)果表明，該方法的頻偏估計(jì)誤差與FFT的頻率分辨率是相吻合的，驗(yàn)證了該方法的可行性。

FFT；衰落信道；頻偏估計(jì)

0 引言

在通信系統(tǒng)中，當(dāng)收發(fā)雙方的時(shí)鐘穩(wěn)定度較低時(shí)，收發(fā)本振頻率之間會(huì)存在較大頻偏，在傳輸速率較低時(shí)，接收端無(wú)法實(shí)現(xiàn)載波及位同步的有效提取[1-2]，進(jìn)而導(dǎo)致解調(diào)性能的下降[3]，因此必須對(duì)頻偏進(jìn)行校正。尤其在地空通信系統(tǒng)中，通信的一方處于快速運(yùn)動(dòng)條件下，接收信號(hào)存在著較大的多普勒頻移[4]，實(shí)現(xiàn)信號(hào)固定載波頻偏的準(zhǔn)確估計(jì)更加困難[5]。在連續(xù)通信系統(tǒng)中，可采用PLL算法進(jìn)行載波鎖相同步處理方式，精確地實(shí)現(xiàn)載波頻偏的估計(jì)和恢復(fù)，但該方法入鎖時(shí)間相對(duì)較慢，需要較長(zhǎng)的保護(hù)序列進(jìn)行計(jì)算[6-7]。在突發(fā)通信系統(tǒng)中，每次突發(fā)同步都需要進(jìn)行載波頻偏的計(jì)算和校正，要求載波同步快速鎖定，無(wú)法采用傳統(tǒng)的鎖相同步方式滿(mǎn)足這一需求[8]。本文提出了一種基于FFT運(yùn)算的適用于高動(dòng)態(tài)超視距突發(fā)信道的頻偏估計(jì)方法，基于FFT運(yùn)算可以在有限的符號(hào)內(nèi)快速計(jì)算信號(hào)的載波頻偏值，而通過(guò)分集的方式可以有效地平滑多普勒頻移帶來(lái)的估計(jì)偏差。

1 FFT頻偏估計(jì)基本原理

為了縮短環(huán)路的捕獲時(shí)間，采用一種有效的輔助捕獲技術(shù)即FFT頻偏估計(jì)方法[9-10]。在發(fā)送端發(fā)送通信信號(hào)的同時(shí)在適當(dāng)?shù)念l率位置插入一個(gè)稱(chēng)為導(dǎo)頻的正弦波，在接收端將導(dǎo)頻通過(guò)下變頻搬移到基帶，通過(guò)低通濾波器濾除通信信號(hào)后，對(duì)接收到的導(dǎo)頻信息進(jìn)行復(fù)數(shù)FFT 運(yùn)算，得到其頻譜[11]，F(xiàn)FT變換公式為：

(1)

式中，N為FFT采樣點(diǎn)數(shù)，WN=e-2πi/N。

對(duì)式(1)中進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)頻譜能量求出最大值：

Rmax=max(abs(R))。

(2)

如果用fs的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為N的序列進(jìn)行FFT 運(yùn)算，假設(shè)得到的頻譜中最大點(diǎn)的位置為k，則其對(duì)應(yīng)的頻偏值為：

Δf=kfs/N。

(3)

2 基于分集措施的FFT頻偏估計(jì)原理

在地空通信系統(tǒng)中，由于通信的一方處于快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，接收信號(hào)會(huì)存在較大的多普勒頻移，當(dāng)仰角較低或者通信雙方超出視距范圍時(shí)，接收信號(hào)由于多徑傳輸會(huì)呈現(xiàn)出瑞利衰落特征[12]，在該信道條件下，導(dǎo)頻信號(hào)頻譜會(huì)產(chǎn)生彌散，使得FFT計(jì)算的最大值位置相對(duì)于實(shí)際固定載波頻偏位置發(fā)生偏移，偏移量為±fd內(nèi)(fd為多普勒頻移數(shù)值)，當(dāng)多普勒頻移較大時(shí)，估計(jì)結(jié)果偏差較大[13]。因此要進(jìn)行有效的頻偏估計(jì)，必須采取分集措施[14-15]，將幾路信號(hào)的FFT 計(jì)算的最大值位置進(jìn)行平均，將多普勒頻移帶來(lái)的估計(jì)偏移量進(jìn)行抵消。

以采用4重頻率分集為例，將導(dǎo)頻信號(hào)頻率位置置于通信信號(hào)頻譜零點(diǎn)處，假設(shè)信號(hào)帶寬為2.4 kHz，發(fā)送端調(diào)制信號(hào)與導(dǎo)頻信號(hào)頻率間隔為7.2 kHz，調(diào)制器框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)制器框圖

導(dǎo)頻信號(hào)為單頻信號(hào)，所占能量較小，為保證頻偏估計(jì)的準(zhǔn)確性，可適當(dāng)提高導(dǎo)頻信號(hào)能量，使每個(gè)導(dǎo)頻的檢測(cè)信噪比應(yīng)達(dá)20 dB以上(在恒參信道條件下，為保持比特同步及幀同步完整性，解調(diào)信號(hào)最低信噪比為8 dB)，發(fā)射信號(hào)頻譜示意圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)頻譜示意圖

在接收端，4路接收信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻后將導(dǎo)頻信號(hào)變換到基帶，然后分別對(duì)4路信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到各路頻譜能量最大值位置后進(jìn)行均值計(jì)算，作為最終頻差指導(dǎo)通信信號(hào)數(shù)字下變頻本振的頻率控制字，以消除收發(fā)本振頻率之間的頻差，頻偏估計(jì)原理框圖如圖3所示。

圖3 頻偏估計(jì)的原理圖

3 仿真結(jié)果

通過(guò)Matlab對(duì)通過(guò)具有大多普勒頻移的瑞利信道進(jìn)行仿真，多普勒頻移為50 Hz(在工作頻率為400 MHz時(shí)，時(shí)速約135 km/h)，采樣頻率fs為12 kHz，F(xiàn)FT的點(diǎn)數(shù)N為1 024點(diǎn)，此時(shí)FFT算法的頻率分辨率(即FFT變換后兩根譜線之間的間隔)為fs/N=11.7 Hz，當(dāng)接收導(dǎo)頻信號(hào)的信噪比(SNR)為20 dB時(shí)，預(yù)置不同的頻偏，其估計(jì)值分別如圖4所示。

圖4 預(yù)置頻偏值與頻偏估計(jì)值柱形圖

由圖4中可以看出，在該條件下，頻偏估計(jì)的誤差在±10Hz之內(nèi)，該誤差與FFT運(yùn)算的頻率分辨率11.7Hz是相吻合的，且在傳輸速率為2 400bps時(shí)，剩余頻偏對(duì)給系統(tǒng)造成的性能損失可以忽略。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

在硬件平臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，采用信道模擬器模擬超視距信道狀態(tài)，設(shè)備均采用相同的參考時(shí)鐘，消除本振之間的頻差，在高頻設(shè)備(下變頻)處預(yù)置不同的頻偏值，在解調(diào)器通過(guò)上述方法進(jìn)行頻偏估計(jì)，其系統(tǒng)測(cè)試框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試圖

信道模擬器信道類(lèi)型設(shè)置為瑞利信道，多普勒頻移設(shè)置為50Hz，信噪比設(shè)置為20dB，測(cè)試結(jié)果如表1所示，由表中可以看出，硬件測(cè)試的頻偏估計(jì)的誤差與Matlab的仿真結(jié)果是相吻合的。

表1 頻偏值與頻偏估計(jì)值

預(yù)置頻偏值/Hz頻偏估計(jì)值/Hz5044100110200208300292400402500515600617

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)衰落信道下低速傳輸時(shí)，信號(hào)對(duì)頻偏變化的敏感性增強(qiáng)、相干載波不易提取的問(wèn)題，提出了一種適用于高動(dòng)態(tài)超視距突發(fā)信道的基于FFT運(yùn)算的頻偏估計(jì)方法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、工程應(yīng)用性較好，在有限的符號(hào)內(nèi)可快速得到載波頻偏值，并可有效平滑多普勒頻移帶來(lái)的估計(jì)偏差。本文對(duì)其進(jìn)行了Matlab仿真，并在硬件平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，仿真及室內(nèi)測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了該方法的可行性。

[1] 張明高．對(duì)流層散射傳播[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2004．

[2] 樊昌信,張甫翊．通信原理(第5版)[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001．

[3] 周現(xiàn)國(guó),李雪華,徐志平.散射信道下低速傳輸?shù)男ｎl技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2009,39(8):43-45.

[4] 韓秀峰,吳長(zhǎng)奇,鄭恒娜.基于FFT的多普勒頻偏估計(jì)算法研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2009,39(4):61-64.

[5] 楊曉飛,張小龍.提高地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可用度方法研究[J].無(wú)線電工程,2014,44(4):32-36.

[6] 胡曉東,吳 越.無(wú)線信道的載波頻偏估計(jì)[J].移動(dòng)通信,2009(24):14-18.

[7] 李 然,楊霞玉,孫延鵬.基于權(quán)值調(diào)整的FLL輔助PLL方法[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012,29(5):39-43．

[8] 王利軍.基于前導(dǎo)序列的突發(fā)通信載波同步算法[J].無(wú)線電通信技術(shù),2005,31(1)：4-5.

[9] 姚國(guó)義,李 鑫,蘭瑞田.一種突發(fā)通信信號(hào)檢測(cè)與頻偏估計(jì)算法[J].無(wú)線電通信技術(shù),2014,40(4):22-23．

[10]葉淦華,張邦寧,陸銳敏．基于FFT的校頻技術(shù)及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J]．電子工程師，2007,33(2):31-34．

[11]譚曉衡,張 毛.一種高精度的改進(jìn)FFT頻偏估計(jì)算法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2010,24(7):71-75．

[12]ProakisJG.數(shù)字通信(第3版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001．

[13]花國(guó)慶,符杰林.最低限度通信中多普勒頻偏估計(jì)算法[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(1):1-6.

[14]張志勇.低賴(lài)斯因子信道分集接收技術(shù)研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2006,32(5):62-64.

[15]劉麗哲,沈斌松.瑞利衰落信道下擴(kuò)頻信號(hào)隱分集性能分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2013,39(6)：48-50.

Research on a Method of Frequency Offset Estimation for High Dynamic BLOS Burst Channel

TANG Qiu-ju，LIU Ying，WANG Hong-lei

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

To solve the difficult problems of estimating the frequency offset accurately and rapidly under the high dynamic BLOS burst channel in communication systems，a method of frequency offset estimation using FFT based on diversity technology is proposed.Not only can the estimating of the frequency offset be quickly realized，but also the accuracy can meet the requirement of demodulation.The basic principle and implementation scheme of the method are briefly introduced.The simulation of this method in Matlab and the test on the hardware platform are conducted.The results of simulation and the experiment data processing validate that the estimation error is consistent with the frequency resolution of FFT and the feasibility of the method is verified.

FFT；fading channels；frequency offset estimation

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.11

唐秋菊，劉 瑩，王洪磊.一種適用于高動(dòng)態(tài)超視距突發(fā)信道的頻偏估計(jì)方法[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(3):46-48.

[TANG Qiuju，LIU Ying，WANG Honglei.Research on a Method of Frequency Offset Estimation for High Dynamic BLOS Burst Channel [J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：46-48.]

2017-01-05

通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(EX156410046)

唐秋菊(1984—)，女，工程師，主要研究方向：散射通信。劉 瑩(1974—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：散射通信。

TN911.7

A

1003-3114(2017)03-46-3