專利名稱：一種頻率偏移估計的方法
技術領域：
本發明涉及數字無線通訊領域，尤其是信號處理領域，具體涉及一種頻率偏移估計的方法。
背景技術：
在數字無線通訊領域，頻率偏移估計是常用的信號處理方法之一。
由于基站與移動臺，或移動臺與移動臺之間的載波頻率不可能絕對相等，因此接收機實際接收信號與期望的接收信號間存在一個較為固定的頻率偏移。這種頻率偏移在數字無線通訊領域是有害的，它可以降低信道估計的準確性、造成誤碼率上升。因此數字無線通訊系統中，接收機通常需要依據上行接收信號進行頻率偏移估計，繼而進行頻率偏移補償，以消除頻率偏移所帶來的種種有害影響。
ArrayComm公司的專利“Method and apparatus for decision directed demodulation usingantenna arrays and spatial processing”，發明人Barratt；Craig H.(Redwood City，CA)；Farzaneh；Farhad(San Francisco，CA)；Parish；David M(Los Altos，CA)，
公開日1998年04月23日，公開號WO 98/17037，描述了一種頻率偏移估計的方法，該方法在可能的頻率偏移范圍內先用大跨度粗搜，然后小跨度精搜的順序進行頻率偏移估計。
上述方法使用一段已知信號進行頻率偏移估計，其代價函數為實際接收信號與添加探測頻率偏移后理想信號間的誤差功率。當誤差功率最小時，則使用的探測頻率偏移值即為本次頻率偏移估計的估值。
但該方法的缺點在于該方法要使用一段已知的信號，而在移動通信系統中，為提高系統通信效率，這樣的已知的信號通常很短或不存在，例如在PCS系統中，TCH幀結構中可用的已知信號長度僅為12個符號，使用該專利方法獲得的估計結果精度較差；如果不存在已知信號，則該方法失效。
同時該方法實際工程應用時，需首先在接收信號中估計這段已知信號的位置，增加了該方法實現的復雜度，也增加了異常情況的幾率，即已知信號位置估計錯誤時，該方法的頻率偏移估計結果是錯誤的。
因此，現有技術依然存在缺陷，而有待于進一步改進和發展。

發明內容
本發明的目的在于提出一種頻率偏移估計的方法，鑒于現有頻率偏移估計方法需使用已知信號進行估計的不足之處，提出一種無需特定已知信號的頻率偏移估計方法，可以避免已知信號的位置估計運算，降低實現復雜性；同時，本發明提供的頻率偏移估計的方法可以部分抑止接收信號中的加性噪聲，具有較高的頻率偏移估計性能。
為達到以上發明目的，本發明具體是這樣實現的一種頻率偏移估計的方法，包括如下步驟步驟1、發射機發射通訊信號；步驟2、接收機接收發射機發射的通訊信號；步驟3、接收機用相干解調的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；步驟4、接收機在頻率偏移估計范圍內，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價函數值；步驟5、接收機在所得代價函數值中查找最佳代價函數值，其對應的探測頻率偏移值即為頻率偏移估值。
所述步驟3中，所述參考信號為對每個接收符號解調、再調制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結果；所述估值信號等于每個接收符號解調判決、再調制的結果；所述參考信號和估值信號均為接收信號的一個近似拷貝。
所述步驟3中參考信號和估值信號的獲得步驟如下步驟(1)令參考信號的第一個符號和估值信號的第一個符號均等于歸一化后的第一個接收符號，歸一化操作為第一個接收符號除以其自身的模值，同時令初始誤差變量為1；步驟(2)從第二個符號開始進行如下循環操作，直至所有接收符號處理完畢a、進行解調，即根據系統的不同，采用相應的調制方式進行解調；b、將解調結果依據系統采用的調制方式重新對上一時刻的參考信號和估值信號進行調制，得到當前時刻的參考信號和估值信號；c、將當前時刻參考信號與接收信號的誤差與上一時刻的誤差進行低通濾波，得到當前時刻的經過低通降噪后的誤差；d、給當前時刻參考信號乘以經過低通降噪后的誤差的共軛，令參考信號向接收信號收斂，并用乘積結果更新參考信號；e、對當前時刻的參考信號進行歸一化操作，即令參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結果更新參考信號。
所述步驟c中的低通濾波可以這樣實現(a)上一時刻的誤差乘以1與低通濾波器系數的差；(b)低通濾波器系數乘以當前接收信號的誤差，再除以當前接收信號的模；(c)將上述步驟(a)與步驟(b)得到的值相加；所述低通濾波器的系數取值范圍為0到1。
所述步驟4中，所述代價函數可為‖ref·*tab-est‖2，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點乘”，tab為頻率偏移補償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
所述代價函數還可為‖ref·*tab-est‖，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點乘”，tab為頻率偏移補償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
所述步驟4中，頻率偏移值取值范圍為(-，+)，期望的頻率偏移精度為Δ，則θ分別等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}。
所述步驟5中，接收機在所得代價函數值中查找代價函數值的最小值，并確定其對應的探測頻率偏移值，作為頻率偏移值的估值。
本發明所提供的一種頻率偏移估計的方法，由于采用了基于相干解調獲得參考信號和估值信號的方法，因此同已有的頻率偏移估計的方法相比，不需要特定的已知信號，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實現簡單可靠，估計精度高的明顯優點。
與傳統的頻率偏移估計方法相比具有以下特點第一，本發明所公開的頻率偏移估計方法引入了相干解調技術，可以部分抑止加性噪聲，提高接收信號信噪比，因此具有較高的頻率偏移估計精度。
第二，本發明所公開的頻率偏移估計方法引入了相干解調技術，可以自行產生估計頻率偏移所需的接收信號的參考信號和估值信號，無需特定的已知信號，省略了在接收信號中查找已知信號位置的過程，避免了因已知信號位置估計錯誤引起的頻率偏移估計異常的情況，極大的降低了實現的復雜性，提高了實現的穩定、可靠性。


圖1為本發明頻率偏移估計的方法的流程示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖，將對本發明的較佳實施例進行較為詳細的說明。
本發明的頻率偏移估計的方法，所述方法包括第一步，發射機發射通訊信號；第二步，接收機接收發射機發射的通訊信號；第三步，接收機用相干解調的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；第四步，接收機在頻率偏移估計范圍內，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價函數值；第五步，接收機在所得代價函數值中查找最佳代價函數值，其對應的探測頻率偏移值即為頻率偏移估值。
所述第一步中，設發射機發射的信號矢量為s，且s＝{s1，s2，...，sn}，其中s每一元素的下標表示發射符號的時間順序。
所述第二步中，設接收機接收的信號矢量為r，且r＝{r1，r2，...，rn}，其中r每一元素的下標表示接收符號的時間順序。
所述第三步中，獲得的參考信號為ref，且ref＝{ref1，ref2，...，refn}，其每一元素的下標表示參考符號的時間順序。
所述第三步中，獲得的估值信號為est，且est＝{est1，est2，...，estn}，其每一元素的下標表示估值符號的時間順序。
參考信號ref和估值信號est均為接收信號的一個近似拷貝，但參考信號ref含有頻率偏移信息和噪聲，且比接收信號r具有更高的信噪比，而估值信號est是對接收信號r理想化的估計結果，不含頻率偏移和噪聲成分。
參考信號ref和估值信號est的獲得方法為而參考信號ref則為對每個接收符號解調、再調制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結果；估值信號est等于每個接收符號解調判決、再調制的結果。
所述第四步中，令tab表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，稱為頻率偏移補償表，其中θ為探測頻率偏移值。
所述第四步中，令‖ref·*tab-est‖2或‖ref·*tab-est‖作為代價函數，其中符號“·*”表示“點乘”，即參與運算的兩個矢量按元素依次相乘，這對于從事相關領域的技術人員很容易理解。
所述第四步中，頻率偏移值取值范圍為(-，+)，期望的頻率偏移精度為Δ，則令θ分別等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}，連同參考信號ref和估值信號est代入代價函數，獲得相應的代價函數值。
該代價函數值表征了參考信號ref在消除了探測頻率偏移值θ之后與估值信號est的相似程度，如果探測頻率偏移值θ越接近參考信號ref中實際包含的頻率偏移值，則代價函數值越小。
所述第五步中，查找代價函數值的最小值，并確定其對應的探測頻率偏移值θ，以此作為頻率偏移值的估值。
本發明的較佳實施例采用TDD雙工模式，調制方式為π/4DQPSK，具體實現如下在上述第一步中，發射機發射已調信號，設發射機發射的信號矢量為s，且s＝{s1，s2，...，sn}，其中s每一元素的下標表示發射符號的時間順序。
在上述第二步中，接收機接收發射機發射的通訊信號，接收機接收的信號矢量為r，且r＝{r1，r2，...，rn}，其中r每一元素的下標表示接收符號的時間順序。
在上述第三步中，本發明方法用相干解調的方法獲得接收信號的參考信號ref和估值信號est。
參考信號ref和估值信號est的具體獲得方法為令參考信號ref的第一個符號ref1和估值信號的第一個符號est1均等于歸一化后的第一個接收符號r1，歸一化操作為r1/|r1|，同時令初始誤差變量Err1＝1；從第二個符號開始進行如下(1)～(5)循環操作，直至所有接收符號處理完畢(1)首先進行解調，即根據系統的不同，采用相應的調制方式進行解調，可以采用QPSK、BPSK、π/4DQPSK等調制方式；若采用QPSK、BPSK調制方式僅需要使用當前時刻的接收信號作為參數就可進行解調；若采用π/4DQPSK調制方式，需使用當前時刻的接收信號和上一時刻的參考信號作為參數進行解調，具體是這樣進行的可令當前時刻k的接收符號rk乘以上一時刻k-1的參考信號refk-1的共軛，其中k＝2，3，...，得到乘積dif；根據dif所在象限依據π/4DQPSK調制方式進行解調；(2)將解調結果依據系統采用的調制方式重新對上一時刻k-1的參考信號refk-1和估值信號estk-1進行調制，得到當前時刻k的參考信號refk和估值信號estk；(3)將當前時刻參考信號與接收信號的誤差refk·rk′/|rk|與上一時刻的誤差Errk-1進行低通濾波，得到當前時刻的經過低通降噪后的誤差Errk，濾波方法為Errk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|，其中ρ為低通濾波器系數，取值范圍為0到1，ρ取0.8；(4)給當前時刻參考信號refk乘以經過低通降噪后的誤差Errk的共軛，令refk向rk收斂，并用乘積結果更新refk；(5)對當前時刻的參考符號refk進行歸一化操作，即令refk除以其自身的模值，并用歸一化結果更新refk。
經過上述操作，參考信號ref和估值信號est均為接收信號的一個近似拷貝，但參考信號ref含有頻率偏移信息和噪聲，且比接收信號r具有更高的信噪比，而估值信號est是對接收信號r理想化的估計結果，不含頻率偏移和噪聲成分。
以上操作過程可以用如下偽指令表示ref1＝r1/|r1|est1＝r1/|r1|Err1＝1for k＝2:ndif＝rk·refk-1′estk＝estk-1·ejδrefk＝refk-1·ejδErrk＝(1-ρ)·Errk-1+ρ·refk·rk′/|rk|refk＝refk·Errk′refk＝refk/|refk|end其中‘s’’表示符號‘s’的共軛；依據π/4DQPSK調制方式，dif的復角分別位于1、2、3、4象限時，ejδ分別等于ejπ/4、ej3π/4、e-j3π/4、e-jπ/4；ρ為低通濾波器系數，取值范圍為0到1，ρ取0.8。
在上述第四步中，本發明的較佳實施例的頻率偏移值取值范圍為(-4096Hz，+4096Hz)，期望的頻率偏移估計精度為64Hz，且每1Hz頻率偏移引起的的接收信號星座圖旋轉1.875e-3(rad)。
令θ分別等于{-4096×1.875e-3，-4032×1.875e-3，...，+4096×1.875e-3}(rad)，并且依次用θ的每個取值更新頻率偏移補償表tab，即矢量[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]，然后將tab連同參考信號ref和估值信號est分別代入代價函數‖ref·*tab-est‖2，最終獲得129個代價函數值，這些代價函數值表征了不同的探測頻率偏移θ取值與真實的頻率偏移之間的相似程度。
在上述第五步中，接收機查找所有代價函數值中的最小值，即查找與真實的頻率偏移最相似的探測頻率偏移取值，這個探測頻率偏移取值即為頻率偏移估值。
應當理解的是，本發明保護范圍闡明于所附權利要求書中，而不能以說明書的上述描述做為限制，凡是在本發明的宗旨之內的顯而易見的修改亦應歸于本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種頻率偏移估計的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1、發射機發射通訊信號；步驟2、接收機接收發射機發射的通訊信號；步驟3、接收機用相干解調的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；步驟4、接收機在頻率偏移估計范圍內，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價函數值；步驟5、接收機在所得代價函數值中查找最佳代價函數值，其對應的探測頻率偏移值即為頻率偏移估值。
2.如權利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟3中，所述參考信號為對每個接收符號解調、再調制，然后通過低通濾波器向接收符號收斂后的結果；所述估值信號等于每個接收符號解調判決、再調制的結果；所述參考信號和估值信號均為接收信號的一個近似拷貝。
3.如權利要求1或4所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟3中的獲得接收信號的參考信號和估值信號的步驟如下步驟(1)令參考信號的第一個符號和估值信號的第一個符號均等于歸一化后的第一個接收符號，歸一化操作為第一個接收符號除以其自身的模值，同時令初始誤差變量為1；步驟(2)從第二個符號開始進行如下循環操作，直至所有接收符號處理完畢a、進行解調，即根據系統的不同，采用相應的調制方式進行解調；b、將解調結果依據系統采用的調制方式重新對上一時刻的參考信號和估值信號進行調制，得到當前時刻的參考信號和估值信號；c、將當前時刻參考信號與接收信號的誤差與上一時刻的誤差進行低通濾波，得到當前時刻的經過低通降噪后的誤差；d、給當前時刻參考信號乘以經過低通降噪后的誤差的共軛，令參考信號向接收信號收斂，并用乘積結果更新參考信號；e、對當前時刻的參考信號進行歸一化操作，即令參考信號除以其自身的模值，并用歸一化結果更新參考信號。
4.如權利要求3所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟c中的低通濾波可以這樣實現(a)上一時刻的誤差乘以1與低通濾波器系數的差；(b)低通濾波器系數乘以當前接收信號的誤差，再除以當前接收信號的模；(c)將上述步驟(a)與步驟(b)得到的值相加；所述低通濾波器的系數取值范圍為0到1。
5.如權利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟4中，所述代價函數可為||ref.*tab-est||2，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點乘”，tab為頻率偏移補償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
6.如權利要求5所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述代價函數還可為||ref·*tab-est||，其中ref為參考信號，est為估值信號，符號“·*”表示“點乘”，tab為頻率偏移補償表，表示由[e-j0θ，e-j1θ，e-j2θ，...，e-j(n-1)θ]組成的矢量，θ為探測頻率偏移值。
7.如權利要求5或6所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟4中，頻率偏移值取值范圍為(-，+)，期望的頻率偏移精度為Δ，則探測頻率偏移值分別等于{-，-+Δ，-+2·Δ，...，+-Δ，+}。
8.如權利要求1所述的頻率偏移估計的方法，其特征在于所述步驟5中，接收機在所得代價函數值中查找代價函數值的最小值，并確定其對應的探測頻率偏移值，作為頻率偏移值的估值。
全文摘要
本發明涉及數字無限通訊領域，公開了一種頻率偏移估計方法，包括發射機發射通訊信號；接收機接收發射機發射的通訊信號；接收機用相干解調的方法獲得接收信號的參考信號和估值信號；接收機在頻率偏移估計范圍內，以探測頻率偏移值、參考信號和估值信號作為輸入獲得代價函數值；接收機在所得代價函數值中查找最佳代價函數值，獲得頻率偏移估值。本發明所述方法，采用了基于相干解調獲得參考信號和估值信號，不需要特定的已知信號，同時在信號處理過程中可以部分抑止加性噪聲的影響，具有實現簡單可靠，估計精度高的明顯優點。
文檔編號H04B7/26GK101087159SQ200610083120
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月5日 優先權日2006年6月5日
發明者王劍 申請人:中興通訊股份有限公司