估计有用信号的频率偏移和频率漂移的方法和接收装置与流程

本发明属于检测由发射装置发射的有用信号的领域。更具体地，本发明涉及在每个有用信号会受到不可忽略的频率漂移(例如，大于所述有用信号的频谱宽度)的影响的情况下对有用信号的检测。

有用信号的“频谱宽度”意指有用信号的瞬时频谱的宽度。因此，所述有用信号的频谱宽度与频率漂移无关。

背景技术：

尽管绝非限制，但是本发明发现了在称为“窄带”有用信号的有用信号的情况下的特别有利的应用，其中窄带有用信号的频谱宽度通常小于2千赫兹或甚至小于1千赫兹。

在有用窄带信号的情况下，许多现象会引入大于所述有用信号的频谱宽度的频率漂移。

首先，由接收装置接收有用信号，发射装置相对于接收装置的相对位移可能由于多普勒效应而引入频率漂移，该频率漂移在相对位移速度较大的情况下与有用信号的频谱宽度相比证明是不可忽略的。这样的频率漂移可以由于发射装置的移动性和/或接收装置的移动性而引入。

特别地，在接收装置在运行轨道例如近地轨道leo上的卫星上的情况下，所述卫星相对于(在地球的表面上固定的或可移动的)发射装置的运行速度可能引入在所述接收装置处接收的有用信号的不可忽略的频率漂移。

频率漂移还可以在发射时以不受控制的方式被引入。事实上，有用信号的发射要求发射装置配备有频率合成装置(本地振荡器、混频器等)，频率合成装置被实现用于将在基带中生成的有用信号在频率上转换成有用信号的发射频带。这样的频率合成装置会引入频率漂移，该频率漂移特别是在窄带有用信号的情况下与所述有用信号的频谱宽度相比证明是不可忽略的，特别是在频率合成装置效率低的低成本发射装置的情况下。然而，与由发射装置相对于接收装置的相对位移生成的频率漂移相比，由频率合成装置引入的频率漂移通常较小，特别是在有用信号持续时间短的情况下。

接收装置的频率合成装置也可以在较小的程度上引入频率漂移。

一旦由接收装置检测到有用信号，也就是说，特别是一旦已经估计所述有用信号的开始时间，就需要估计和补偿频率漂移，还需要估计和补偿影响所述有用信号的频率偏移，以能够提取所述有用信号中包括的有用数据。

估计频率偏移和频率漂移执行起来较复杂，特别是因为通常需要最大程度地限制接收装置先验地已知的、有用信号中包括的导频数据量，以使发射的有用数据的量最大化。

此外，频率偏移和频率漂移可以具有许多不同的值。可以通过测试频率偏移的所有可能值以及频率漂移的所有可能值，在最大似然的意义上实现估计器。然而，要执行的计算量以及要存储的数据量非常大，并且可以证明会造成严重阻碍，特别是对于在卫星上的有用信号的检测。

技术实现要素：

本发明的目的是通过提出一种允许准确地估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移的解决方案来克服现有技术解决方案的全部或部分限制，特别是上述的这些限制，同时与测试频率偏移和频率漂移的所有可能值的方法相比，限制要在有用信号中包括的导频数据量并且限制要执行的计算量。

为此，根据第一方面，本发明涉及一种用于估计影响由接收装置接收的有用信号的频率偏移和频率漂移的方法，所述有用信号包括由信道编码器根据有用数据形成的码字，该估计方法包括分析阶段，分析阶段包括：

-对于两个分析频率漂移：补偿有用信号的相关分析频率漂移，

-对补偿之后获得的每个有用信号估计频率偏移，以获得分别与分析频率漂移相关联的分析频率偏移，其在频率漂移/频率偏移平面中限定两个分析点，

-在由两个分析点确定的直线上进行频率假设的选择，

该估计方法还包括估计阶段，估计阶段包括：

-对于每个频率假设：根据相关频率假设对有用信号进行频率校准，以获得分别与频率假设相关联的样本序列，

-对每个样本序列为所述信道编码器的码字的概率进行评估，

-根据与为信道编码器的码字的概率最高的样本序列相关联的频率假设来估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移。

因此，估计方法主要包括两个阶段，分析阶段和估计阶段。

分析阶段旨在选择要在估计阶段期间测试的频率假设，频率假设被定义为由频率漂移的可能值以及频率偏移的可能值构成的对，或换言之，频率漂移/频率偏移平面中的点。

在分析阶段期间，对有用信号补偿两个不同的预定分析频率漂移，并且根据补偿之后获得的有用信号估计两个分析频率偏移。这些步骤允许在频率漂移/频率偏移平面中获得两个分析点。

然后通过假设影响有用信号的实际频率漂移和实际频率偏移形成必须在频率漂移/频率偏移平面中由两个分析点形成的直线上的点，减少要测试的频率假设的数目。发明人已经发现，在借助于无偏估计器估计频率偏移的情况下，该假设特别地得到了很好的验证。在有偏估计器的情况下，该假设不再需要得到验证，但是考虑到要测试的频率假设的数目的减少使得复杂度降低，因此仍然可以允许获得可接受的准确度。

在估计阶段期间，通过对有用信号的频率进行校准并且通过获得每个频率假设的样本序列来测试不同的频率假设，样本序列可以表示发射装置用来形成有用信号的信道编码器的码字。为了确定最可能的频率假设，对获得的样本序列进行评估以确定哪个样本序列与信道编码器的码字对应的概率最高。

因此，通过使用信道编码器的特性，可以在不使用导频数据的情况下盲实现估计阶段。事实上，如果频率假设不足够接近影响有用信号的实际频率漂移和实际频率偏移，则频率校准之后获得的样本序列原则上应当与信道编码器的码字相差很远，并且因此与信道编码器的码字对应的概率低。

在特定实施方式中，估计方法还可以包括单独考虑的或根据所有技术上可能的组合所考虑的以下特征中的一个或更多个特征。

在特定实施方式中，对样本序列的概率进行评估包括对所述样本序列的软校正子进行计算。

在特定实施方式中，对样本序列的概率进行评估包括针对每个样本序列计算样本的似然性，所述样本序列的软校正子是根据所述样本的似然性而被计算的。

在特定实施方式中，信道编码器实现卷积码、涡轮码或低密度奇偶校验码。

根据第二方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括一组程序代码指令，该组程序代码指令在由处理器执行时将所述处理器配置成实现根据本发明的任一实施方式的估计方法。

根据第三方面，本发明涉及一种接收装置，接收装置包括处理电路，该处理电路被配置成实现根据本发明的任一实施方式的估计方法。

根据第四方面，本发明涉及一种旨在被置于在行进轨道上的卫星，该卫星包括根据本发明的任一实施方式的接收装置。

附图说明

通过阅读以下非限制性示例的描述，并且参照附图，可以更好的理解本发明，附图示出了：

图1：用于接收有用信号的系统的示例性实施方式的示意图，

图2：接收装置的示例性实施方式的示意图，

图3：示出根据本发明的用于估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移的方法的主要步骤的图，

图4：示出频率漂移/频率偏移平面并且示出频率漂移和频率偏移的频率假设的选择的图。

在这些附图中，每个附图中的相同的附图标记指代相同或相似的元件。为了清楚起见，除非另有说明，否则示出的元件未按比例绘制。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于接收有用信号的系统的示例性实施方式。

在图1示出的非限制性示例中，有用信号与由基本上在地球的表面上的发射装置10发射的无线电信号对应。“基本上在地球的表面上”意指每个发射装置10均在地面(陆地或海洋地面)上，或者在地球大气中的高度(在飞机、无人机、气球等上)。有用信号在频带中被发射，并且本发明适用于任何频带，特别是传统上用于陆地或卫星通信系统的频带。

由发射装置10发射的有用信号特别地包括由信道编码器根据必须由发射装置10发射的有用数据形成的码字，所述有用数据不是接收装置20先验地已知的。信道编码器以已知的方式增加冗余以允许在接收装置20处检测并且可选地校正传输错误。例如，信道编码器实现卷积码、涡轮码、具有低密度奇偶校验(或ldpc)的码等。

在以下描述中，并且如图1所示，以非限制性方式考虑接收装置20在地球轨道上的卫星30上的情况。然而，根据其他示例，不排除在太空或飞行器(飞机、无人机、气球等)上具有接收装置20。根据其他示例，接收装置20也可以在地面(陆地或海洋地面)上，并且直接从发射装置10接收有用信号，或者例如经由卫星30间接地接收有用信号。特别地，本发明也适用于发射装置10在卫星30上、接收装置20在地面上的情况。

卫星30优选地在行进轨道中，例如在低高度轨道leo(“近地轨道”)中。但是，不排除考虑其他类型的轨道，例如中高度轨道meo(“中地轨道”)或甚至诸如地球静止轨道geo的非行进轨道等。

每个发射装置10可以是固定的或可移动的。类似地，接收装置20可以是固定的或可移动的。

如上所述，由接收装置20接收的每个有用信号会受到频率漂移的影响，例如在由图1示出的示例中由于卫星30相对于发射装置10的行进而引起的频率漂移。在以下描述中，以非限制性方式考虑频率漂移大于所述有用信号的频谱宽度的情况。有用信号的“频谱宽度”意指有用信号的瞬时频谱的宽度。

在以下描述中，以非限制性方式考虑有用信号具有窄带的情况，也就是说，频谱宽度等于或小于2千赫兹、优选地等于或小于1千赫兹。本发明也适用于其他类型的有用信号，然而应当理解，对于这样的有用信号，频率漂移容易变得不可忽略。

图2示意性地示出了接收装置20的示例性实施方式。如图2所示，接收装置20包括无线电电路21和处理电路22。

无线电电路21包括被认为是本领域技术人员已知的、允许接收由发射装置10发射的有用信号的装置。这些装置特别地包括一个或更多个天线、一个或更多个放大器、一个或更多个本地振荡器、一个或更多个混频器等。

处理电路22特别地适于处理由无线电电路21接收的有用信号，可选地在所述有用信号的模拟/数字转换之后进行处理。

处理电路22包括例如一个或更多个处理器和存储介质(磁性硬盘、电子存储器、光盘等)，其中，以一组程序代码指令的形式存储计算机程序产品，计算机程序产品被执行以特别地实现用于估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移的方法50的全部或部分步骤。替选地或另外地，处理电路22包括适于实现估计方法50的全部或部分步骤的一个或更多个可编程逻辑电路(fpga、pld等)、和/或一个或更多个专用集成电路(asic)、和/或一组分立电子部件等。

换言之，处理电路22与将装置配置成实现估计方法50的不同步骤的一组软件(特定计算机程序产品)和/或硬件(fpga、pld、asic等)相对应。

图3示出了用于估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移的方法50的主要步骤。原则上，估计方法50是在检测到需要对其估计频率偏移和频率漂移的有用信号之后、优选地在估计了所述有用信号的开始时间(时间同步)之后被实现的。

如图3所示，估计方法50主要包括两个阶段：

-分析阶段51，其旨在进行频率假设的选择，频率假设被定义为由频率漂移的可能值以及频率偏移的可能值构成的对，或者换言之，频率漂移/频率偏移平面中的点，

-估计阶段55，其旨在鉴于接收的有用信号而从选择的频率假设中识别概率最高或最可能的频率假设。

如图3所示，分析阶段51包括：

-对于至少两个分析频率漂移：步骤52，其补偿有用信号的相关分析频率漂移，

-步骤53，其对补偿步骤52之后获得的每个有用信号估计频率偏移，以获得分别与分析频率漂移相关联的分析频率偏移，其在频率漂移/频率偏移平面中定义两个分析点p1和p2，

-步骤54，其在由两个分析点确定的直线上进行频率假设的选择。

估计阶段55包括：

-对于每个频率假设：步骤56，其根据相关频率假设对有用信号进行频率校准，以获得分别与频率假设相关联的样本序列，

-步骤57，其对每个样本序列为所述信道编码器的码字的概率进行评估，

-步骤58，其根据与为信道编码器的码字的概率最高的样本序列相关联的频率假设来估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移。

现在将描述分析阶段51和估计阶段55的各个步骤的实现方细节的示例。

a)分析阶段

a.1)分析频率漂移的补偿

如上所述，对于至少两个分析频率漂移，分析阶段51包括补偿有用信号的相关分析频率漂移的步骤52。

原则上，在频率漂移是由于载有接收装置20的卫星30相对于发射装置10的相对位移引起的，频率漂移的可能值是有界的，频率漂移的可能值被包括在可以通过实现本领域技术人员已知的方法来先验地计算其界限的频率范围内。因此，考虑卫星30相对于地球表面的行进速度，以及所述卫星30的轨迹在地面上的投影与发射由所述卫星接收的有用信号的发射装置10之间的最大距离，可以针对可能的频率漂移先验地计算最大值fdmax和最小值fdmin。在这样的情况下，所述分析频率漂移优选地分别与频率漂移的最大值fdmax和最小值fdmin对应，或者被包括在由频率漂移的所述最大值fdmax和所述最小值fdmin限定的频率范围内。

在以下描述中，以非限制性方式考虑分析频率漂移与根据接收系统的参数先验地计算的频率漂移的最大值fdmax和最小值fdmin对应的情况。例如，最小值fdmin等于-15hz/s(赫兹每秒)，并且最大值fdmax等于15hz/s。

例如，通过用s(t)表示在时间t处接收的有用信号，用s1(t)和s2(t)分别表示通过两个分析频率漂移进行补偿之后获得的有用信号，可以根据以下表达式进行补偿：

s1(t)＝s(t)·exp(-j·tt·fdmin·t²)

s2(t)＝s(t)·exp(-j·tr·fdmax·t²)

在表达式中：

-j是虚数单位(j²＝-1)，

-exp(z)是值z的指数函数。

a.2)分析频率偏移的估计

如上所述，分析阶段51还包括步骤53，其估计分别影响补偿分析信号s(t)的分析频率漂移之后获得的有用信号s1(t)和s2(t)的频率漂移。这样估计的频率偏移由分析频率偏移指定。

在优选实施方式中，借助于无偏估计器来估计分析频率偏移。一般地，可以在步骤53期间实现任何类型的无偏频率偏移估计器，并且特定无偏估计器的选择仅构成一种可能的变型实现方式。特别地，可以在估计步骤53期间使用接收装置20先验地已知的、可能由发射装置10包括在有用信号中的导频数据。例如，从以下科学出版物中获知无偏频率偏移估计器的非限制性示例：

-“data-aidedfrequencyestimationforburtsdigitaltransmission”，u.mengali等，ieeetransactionsoncommunications，第45卷，第1期，1997年1月，

-“carrierfrequencyrecoveryinall-digitalmodemsforburst-modetransmissions”，m.luise等，ieeetransactionsoncommunications，第43卷，第3期，1995年3月，

-“planarfilteredtechniquesforburtsmodecarriersynchronization”，m.p.fitz，ieeeglobecom’91，phoenix，1991年12月。

在估计步骤53结束时，因此存在根据有用信号s1(t)估计的分析频率偏移fs[fdmin]以及根据有用信号s2(t)估计的分析频率偏移fs[fdmax]，其在频率漂移/频率偏移平面中定义两个分析点p1和p2：

p1＝(fdmin，fs[fdmin])

p2＝(fdmax，fs[fdmax])

a.3)频率假设的选择

如上所述，分析阶段51还包括进行频率假设的选择的步骤54。频率假设与要在估计阶段55期间测试的频率漂移/频率偏移平面中的点对应。

为了减少要在估计阶段期间测试的频率假设的数目，选择的频率假设优选地是在频率漂移/频率偏移平面中由分析点p1和p2限定的直线的所有点。

图4示意性地示出了频率漂移/频率偏移平面中的分析点p1和p2，以及由所述分析点p1和p2限定的直线d。通过将频率假设限定为该直线，从二维问题(例如，在由值fdmin和fdmax以及fs[fdmax]和fs[fdmin]限定的阴影区域中搜索最佳频率假设)到一维问题(例如，在由分析点p1和p2限定的段上搜索最佳频率假设)减少了频率偏移和频率漂移的估计。发明人已经发现，在借助于无偏估计器估计频率偏移的情况下，根据该假设问题的解决方案在由分析点p1和p2限定的直线上的假设特别地得到了很好的验证。在有偏估计器的情况下，该假设不再需要得到验证，但是考虑到要测试的频率假设的数目的减少使得复杂度降低，因此仍然可以允许具有可接受的准确性。

在分析频率漂移与频率漂移的最大值fdmax和最小值fdmin对应的情况下，优选地在由分析点p1和p2限定的段上选择频率假设。

在步骤54期间选择nh个频率假设，数目nh例如为几十的数量级，例如等于50。例如，等级k的频率假设(1≤k≤nh)包括根据以下表达式确定的频率漂移fdk和频率偏移fsk：

利用这样的表达式，等级1的频率假设与分析点p1对应，并且等级nh的频率假设与分析点p2对应。

b)估计阶段

如上所述，估计阶段55旨在测试在分析阶段51期间选择的nh个频率假设，以鉴于接收的有用信号来识别概率最高或最可能的频率假设，这相当于估计影响由接收装置20接收的所述有用信号的频率偏移和频率漂移。

b.1)有用信号的频率校准

如上所述，估计阶段55包括根据每个频率假设对有用信号进行频率校准的步骤56。频率校准步骤56与分析阶段补偿步骤52相当，不同之处在于频率校准步骤56旨在补偿频率漂移和频率偏移两者。

例如，通过用s'k(t)表示通过根据等级k(1≤k≤nh)的频率假设(fdk，fsk)进行频率校准所获得的有用信号，可以根据以下表达式进行频率校准：

实际上，有用信号是数字信号，其与在由预定义的采样周期te隔开的采样时刻处采样的信号s(t)对应。以非限制性方式，认为采样周期te等于有用信号的符号周期ts，其与有用信号的两个连续符号之间的持续时间对应。然而，可以考虑大于符号周期ts的采样周期te。此外，为了简化等式，仅考虑有用信号中与由信道编码器在发射装置10处形成的码字对应的部分。此后，用ns表示形成码字的符号的数目，使得可以以下面的形式(1≤n≤ns)表达在根据等级k(1≤k≤nh)的频率假设(fdk，fsk)进行频率校准之后获得的样本序列s'k：

在表达式中，s[n]等于s(n·te)。

因此，假设nh个样本序列{s'k[n],1≤n≤ns}(1≤k≤nh)与信道编码器的码字对应。应当注意，在两个状态符号的情况下(例如，在bpsk(二进制相移键控)类型的调制的情况下)，序列的每个样本均表示码字的位。在m个状态符号(m＞2)的情况下，序列的每个样本表示码字的若干位。然后，在特定实施方式中，还可以对频率校准之后获得的每个有用信号执行解调，以获得每码字位包括至少一个样本的样本序列。在适当的情况下，这样的解调必须具有软值输出(“软输出解调”)。然而，根据其他示例，不排除考虑样本序列，其中，序列的每个样本表示码字的若干位。

在以下描述中，以非限制性方式考虑样本序列{s'k[n],1≤n≤ns}(1≤k≤nh)包括每码字位一个样本的情况，使得数目ns还与码字的位的数目对应。

b.2)样本序列的评估

如上所述，估计阶段55因而包括对每个样本序列为所述信道编码器的码字的概率进行评估的步骤57。

评估步骤57旨在量化nh个样本序列中的每个样本序列与信道编码器的码字对应的概率。事实上，以本领域技术人员已知的方式，信道编码器以结构化方式添加冗余。因此，样本序列与信道的码字对应的概率与表示测量的量对应，其中，所述样本序列验证由信道编码器施加的结构。

在线性信道编码器的情况下，所述信道编码器的结构例如以已知方式由所述信道编码器的奇偶校验矩阵确定，并且可以根据所述信道编码器的所述奇偶校验矩阵来评估每个样本序列。

为了评估样本序列与信道编码器的码字对应的概率，可以实现由信道编码理论得出的方法，并且特定方法的选择构成评估步骤57的仅一种可能的变型实现方式。

例如，在优选实施方式中，可以计算每个样本序列的软校正子(syndrome)。在ldpc型信道编码器以及影响有用信号的频率偏移的盲估计的背景下，可以从以下科学出版物中获知软校正子计算的示例：“blindestimationofthephaseandcarrierfrequencyoffsetforldpccodedsystems”，r.imad等，eurasipjournalonadvancesinsignalprocessing，第2010卷，文章id293572。

以本领域技术人员已知的方式，在线性信道编码器的情况下，可以定义奇偶校验矩阵h。如果信道编码器的输入处的位的数目等于nb并且输出处的位的数目等于ns，则奇偶校验矩阵h具有维数(ns-nb)×ns。ns个位的序列r的校正子σ是维数(ns-nb)的向量，包括由以下表达式定义的元素{σ[j],1≤j≤(ns-nb)}：

σ(r)＝r·h^t

在表达式中，h^t与从奇偶校验矩阵h转置的矩阵对应。

如果ns个位的序列r是信道编码器的码字，则校正子σ(r)是零向量。否则，校正子σ(r)与零向量不同。

因此，可以在评估步骤57期间评估样本序列为码字的概率作为所述样本序列的软校正子的量级。例如，软校正子量级最低的样本序列则可以被认为是为信道编码器的码字的概率最高的样本序列。

为了计算样本序列的软校正子，例如可以计算该序列的每个样本的似然性。通常，在信道编码器领域中，以对数似然比的形式(例如，参见由作者r.imad等的以上提及的科学出版物)计算这样的似然性。这样的似然性的计算被认为是本领域技术人员已知的，并且特定计算方法的选择构成评估步骤57的仅变型实现方式。

例如，根据以下表达式来计算等级k的样本序列s'k的软校正子的每个元素(1≤p≤(ns-nb))：

在表达式中：

-tanh(z)是值z的双曲正切函数，

-argtanh(z)是值z的双曲正切变元函数，是双曲正切函数的倒数函数，

-是样本序列s'k的等级n的元素s'k[n]的似然性，

-pn是奇偶校验矩阵h的第p行的第n个非零元素的索引，

-up是奇偶校验矩阵h的第p行的非零元素的数目。

为了减少计算量，可以将表达式(1)近似为以下表达式：

例如，通过计算软校正子量级继续对样本序列进行评估。例如，根据以下表达式计算表示与等级k的频率假设相关联的样本序列s'k是信道编码器的码字的概率的量

考虑以上式(3)，那么最可能的样本序列是使量最小化的样本序列。

应当注意，在信道编码器之后是在发射时从码字中删除一些位的穿孔器的情况下，不可以直接应用以上式(2)。在这样的情况下，例如可以定义部分奇偶校验矩阵h'，奇偶校验矩阵h'对应于从其删除了与穿孔的位对应的列的奇偶校验矩阵h。例如，根据以上表达式(1)计算软校正子的不同元素。通过用np表示软校正子的元素的数目(np≤(ns-nb))，则例如根据以下表达式可以计算由该软校正子携载的互信息imk作为表示样本序列s'k是信道编码器的码字的概率的数量：

通过考虑以上表达式(4)，那么最可能的样本序列是使数量imk最大化的样本序列。

更一般地，可以计算表示样本序列是码字的概率的其他量。根据另一非限制性示例，可以计算考虑的样本序列与信道编码器的码字之间的最小距离。在这样的情况下，最可能的样本序列是使所述最小距离最小化的样本序列。

b.3)频率偏移和频率漂移的估计

如上所述，估计阶段55还包括估计影响有用信号的频率偏移和频率漂移的步骤58。

在实践中，估计的频率漂移和频率偏移优选地对应于与最可能的样本序列相关联的频率假设，也就是说，例如具有最小的量或最大的量imk的样本序列。然而，根据其他示例，也可以考虑例如与两个最可能的样本序列相关联的两个频率假设，并且在这两个频率假设在由分析点p1和p2限定的直线d上彼此接近的情况下可以估计例如频率漂移和频率偏移作为所述两个频率假设的平均(可能是加权平均)。