相位调制符号分组解调的频率偏移估测的制作方法

专利名称：相位调制符号分组解调的频率偏移估测的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个估测在接收时具有相位偏差的相位调制符号分组的频率偏移的方法。
本发明涉及解调通过相移键控(PSK)方式调制的信号，更具体地讲，是涉及估测频率和相位偏移，对于解调具有分组形式并且被加以相位调制或相位与振幅调制的信号而言，这些频率和相位偏移是必须的。本发明适于在传输领域中对以分组形式发送的数字信号进行解调。一个常见的数字传输信道包括一个二进制信源，一个编码器，一个向信道发送的调制器，一个位于信道出口的解调器，和一个产生二进制信号的解码器。信道编码被用来减少实现指定位差错率所需的功率。调制和解调允许在所选的信道上进行传输。在本发明的范围内涉及到解调，而传输系统中诸如信源编码和解码的其它部分没有更详细地描述。
M.Morelli和U.Mengali，“PSK前馈频率估测指导性回顾”，ETT vol.9，No.2，1998年3-4月，包含了对使用分组模式相位调制的数字传输系统的解调器中的同步问题的描述。该文件还描述了对该问题的已知解决方案。
解调以分组模式发送的相位调制数字信号的问题尤其会出现在使用时分多址(TDMA)的卫星传输系统，或陆地蜂窝电信系统中。这是电信领域中的主要技术问题。
更具体地，本发明提供了一种估测在接收时具有相位偏差的相位调制符号分组的频率偏移的方法，该方法包括针对所有可能的频率偏移和相位偏移对，对接收分组的符号进行相位校正；从上述偏移对中选择提供最可能的校正符号分组的偏移对，从而确定出接收分组的频率偏移。
在一个实现中，该方法还包括一个对可能的相位校正进行量化的步骤。
选择步骤最好包括计算接收和相位校正的符号分组之间的量度和发送符号分组的估测；寻找上述量度的最小值。
在另一个实现中，以下述方式估测发送符号分组通过使用发送符号对已知符号进行估测；通过严格的判定对未知符号进行估测。
比较好的是，通过ej2π/k的旋转使可能的符号集保持不变，并且从
的范围内选择可能的相位值，其中k是一个自然数。
在另一个实现中，针对一个频率偏移值fm和一个相位偏移值φk对符号所进行的相位校正被表示成
其中p是符号的位置而Ts是符号时间。
在这种情况下，最好在
的范围上以降值的形式计算幅角-(2πfm(p-1)Ts+φk)的值。
该方法还可以包括一个计算并存储用于一个符号的所有可能的相位校正的预备步骤。
该方法还可以包括一个把相位偏移当成上述提供最可能的校正符号分组的偏移对中的相位偏移值进行估测的步骤。
通过下面参照附图以举例方式描述的本发明的实现可以明白本发明的其它特性和优点，其中

图1是现有技术的估测器中的规一化残留频率误差的直方图；图2是本发明的估测器中的规一化残留频率误差的直方图；图3是类似于图1的，针对另一个信噪比值的直方图；图4是类似于图2的，针对另一个信噪比值的直方图；图5是实现本发明的装置的模块图；图6说明了图5的基本模块的一个实施例。
为了确定通过传输信道以分组形式接收的信号的频率偏移，和相应的相位偏移，本发明建议测试各种可能的相位偏移和频率偏移对，接着保持在最大似然准则下最可能的偏移对。这使得能够确定一个频率偏移值。在下面的描述中，以举例的方式针对正交相移键控(QPSK)描述本发明。但本发明也适用于其它类型的调制，例如针对不等于4个的符号数量的PSK，或QAM类型的相位与振幅调制，等等。
本发明适用于提供某些已知符号的分组，并且也适用于不提供已知符号的分组。下面N被用来表示分组中的符号数量，Nc表示已知符号的数量，其中0≤Nc≤N，并且Ni表示信息符号的数量，其中Ni＝N-Nc。
本发明建议测试可能的频率偏移值和可能的相位偏移值。在一个最大值fmax和一个最小值fmin之间确定可能的频率偏移值，例如fmin＝-fmax。接着可以按照间距δf只测试那两个值之间的所有可能的频率偏移值，其中根据一个期望性能函数选择间距δf。如下所述，对于各个频率值，也在0-2π或一个更小的范围上测试相位φ的各种值。接着可以按照间距δφ再次测试所有的可能值。
对于nf个可能频率偏移值和nφ个可能相位值，可以测试nf×nφ个对(假定测试所有可能的对)。计算各个测试对的似然性，并且在此基础上确定最可能的频率偏移和相位偏移对。可以根据似然准则通过一个信道编码选择任何合适的量度；在下面描述中，给出一个没有信道编码的例子，并且通过使用QPSK调制中与理想符号的欧几里德距离评价似然性。
在欧几里德量度和QPSK调制的例子中，即在针对测试对(fm，fk)的例子中，对分组中第p个符号的幅度的校正被表示如下-j(2πfm(p-1)Ts+φk)其中符号被表示成sp，在常规方式下，j2＝-1。
校正符号被表示成Cp,m,k=Spe-j(2πfm(p-1)Ts+φk)]]>根据分组的校正符号值，可以确定校正(fm，φk)的似然性。在最简单的情况下，不通过信道编码可以按照下述方式处理Nc个已知符号和Ni个未知符号。
对于Nc个已知的发送符号，以下述方式计算发送符号和相位校正符号之间的方差ep，1≤p≤Nc
并且该方差对应于测试对(fm，φk)的发送符号(ep)和相位校正符号之间的误差向量的欧几里德范数。这样，对于已知符号和测试下的频率偏移和相位偏移对，确定一个表示接收符号中的误差，和测试对似然性的值。
在这个实现中，对于Ni个未知符号，本发明建议进行相同类型的计算，但针对发送符号按照一个关于校正符号Cp，m，k的值进行严格的判定。对于QPSK调制，通过考虑发现校正符号的复平面中的象限简单地进行这种严格判定。通常对于0≤arg(Cp，m，k)＜π/2，判定符号Dp，m，k为ejπ/4；对于π/2≤arg(Cp，m，k)＜π，判定符号Dp，m，k为ej3π/4；对于π≤arg(Cp，m，k)＜3π/2，判定符号Dp，m，k为ej5π/4；对于3π/2≤arg(Cp，m，k)＜2π，判定符号Dp，m，k为ej7π/4。
显然这种严格判定取决于期望调制的性质，并且需要根据调制符号加以调整。因而，按照下述方式计算判定符号和相位校正符号之间的方差
并且该方差对应于测试对(fm，φk)的相位校正符号和严格判定产生的符号之间的误差向量的欧几里德范数。这样，对于未知符号和测试下的频率偏移和相位偏移对，确定一个与最接近可能符号群相比，表示接收符号的误差的值。并且这个值还表示测试对的似然性。与针对已知符号而建议的解决方案相比，只增加了一个严格判定步骤，并且使用相同的距离。
可以发现，无论分组中已知符号的数量Nc如何，均可以进行这个似然性计算。并且在没有任何信道编码的情况下通过例子描述的计算同样适用。如果使用的信道编码是已知的，则严格判定步骤可以被一个解码步骤取代，该步骤对未知符号构成的码字进行解码，并且计算出校正符号的量度与解码产生的码字之间的似然性。在这种情况下，也可以继续对整个分组进行解码，并且以一种全局方式在不分离已知符号和未知符号的情况下计算出误差或似然性。
本发明建议把数值fm选作频率偏移，该值对应于最可能的对(fm，φk)。这样就确定了一个频率偏移，因而可以对分组进行同步。
在上述实现中，为了计算出一个对应于欧几里德距离和通过严格判定选定的符号的误差，本发明建议简化计算。通过严格判定确定的符号由下式给出Dp，m，k＝sign[Re(Cp，m，k)]+j×sign[Im(Cp，m，k)]其中Re和Im分别是接收符号的实部和虚部。在这种情况下，通过三项确定误差εp，m，kεp，m，k＝|Cp，m，k-Dp，m，k|2＝|Cp，m，k|2+|Dp，m，k|2-2×Re(Cp，m，k×Dp，m，k)第一项只取决于接收符号并且不取决于任何推测的频率-相位组合，因而只需要计算一次。第二项是常量并且在使用MPSK调制时等于2。通过下式给出第三项或通过严格判定作出的Dp，m，k选择-2×Re(Cp，m，k×Dp，m，k)＝-2×[|Re(Cp，m，k)|+|Im(Cp，m，k)|]这意味着可以简化计算。另外，使误差εp，m，k最小等于使第三项最小，因而大大简化了计算。
对于已知符号，发送符号具有ejnπ/2的形式，并且也可以简化误差计算。根据发送符号的值，计算对应于改变实部和/或虚部符号的组合，并且在合适的情况下对应于实部的组合和虚部的组合。根据未知符号，通过一系列针对接收符号实部和虚部的简单操作可以计算出误差。
这样，本发明事实上依赖于比初看更简单的计算。
图1至4说明了使用本发明方法和已知方法得到的比较结果。在这些图中，没有绝对的频率偏移或误差δf，但存在规一化的频率误差，该误差是频率误差δf与符号时间Ts的乘积。
图1是在下述条件下，给出通过上述Morelli的文章中描述的Ryfe和Boorstyn估测器得到的结果的直方图QPSK调制；N＝450符号每分组；Nc＝16已知符号每分组；发送(Eb/No)＝0.0dB。即(Eb/No)＝3.0dB；并且随机规一化频率偏移处在-δfTsmax至+δfTsmax的范围内，其中δfTsmax＝1.5×10-3。
在横座标上标出了执行算法之后的残留频率偏移。这个残留偏移可以达到2δfTsmax，假定要估测的频率为-δfTsmax并且估测频率为+δfTsmax。在纵座标上标出了概率。图1的结果对应于测试90,000个分组。可以发现150个分组具有4.5×10-4的残留规一化频率误差，无论使用何种解码，对于后续解调或解码的具有500个符号的分组而言，这个误差一开始显得相对大。
使用相同约定并且在相同的条件下，图2说明了在接收90,000个分组后使用本发明得到的结果。在横座标上，只标出了在范围±3.6×10-4内的那些残留规一化频率偏移，假定针对所有测试分组所得到的值都落在该范围内。可以立即发现残留误差比通过现有技术方法得到的误差更小；另外，残留误差已经足够小，可以进行后续的解码。
图3说明了与图1类似的结果，但针对的情况是0.5dB的Eb/No值和100,000个测试分组。图4说明了本发明针对相同的信噪比值并且在测试700,000个分组之后的结果。可以发现本发明能够提供更精确并且更可靠的结果。
也可以通过信元损耗率(CLR)表达这些结果。为了进行计算，假定在规一化频率误差超过4.5×10-4时会丢失一个分组
在现有技术中对于使用Es/No＝3.0dB测试的90,000个分组，CLR＝1.6×10-3；对于使用Es/No＝3.5dB测试的100,000个分组，CLR＝2.2×10-4；对于使用Es/No＝4.0dB测试的1,500,000个分组，CLR＝6.0×10-6；在本发明中对于使用Es/No＝3.0dB测试的90,000个分组，CLR为0；对于使用Es/No＝3.5dB测试的700,000个分组，CLR为0。
可以发现，与上述Morelli的文章中描述的Ryfe和Boorstyn估测器相比，本发明可以得到更精确的结果；另外，避免了“外在”误差导致的限制；这样，可以使用本发明并且不用考虑在现有算法中会成为一个问题的阀值效应。
这样，本发明被用来确定相位调制信号分组的频率偏移。下面描述了本方法的各种实现，这些实现允许简化计算并且通过实现的快速和简易改进了本发明的估测器的性能。
在一个实现中，本发明建议在一个小范围上只对未知符号进行相位测试，具体地，在QPSK调制中该范围为2π。如果进行严格判定，根据复平面中象限选择符号，并且计算误差是具有周期π/2的函数；换言之，如果校正符号被旋转了nπ/2，则以类似方式旋转被判定符号的相位，并且其中两个之间的方差没有改变。因而完全能够针对QPSK调制在
的范围上测试可能的相位。例如，当使用MPSK调制时，可以通过相同的方式在
的范围上测试可能的相位，其中符号被表示成ej2kπ/m。更常见地，如果用于调制的符号群在旋转2π/z后不变，则只在
的范围上测试可能的相位，其中z是大于1的自然数。
对于已知的符号，并且在使用QPSK时，在整个
的范围上测试相位，假定发送符号必须落在该范围内。
在所有的情况下，测试相位的范围取决于根据已知或未知符号计算的误差函数的周期性。在合适的情况下，这种周期性还取决于如何选择接收符号，例如在PQSK情况下严格判定导致了π/2的周期性。
例如在QPSK调制的情况下，可以分别计算出已知符号和未知符号的误差。在这种情况下，一个针对未知符号并且涉及一个对(fm，φk)的误差值
可以被用于针对下述对计算整个分组上的误差(fm，φk)(fm，φk+π/2)(fm，φk+π)(fm，φk+3π/2)这样避免了重复进行具有相同结果的计算。对于这四个对，足够计算出整个已知符号的误差，并且把误差加到未知符号的误差
中。
在另一个实现中，本发明建议限制使用的相位偏移值。对于第p个符号，所使用的相位偏移幅角为-(2！πfm(p-1)Ts+φk)并且周期为2π。比较好的是计算这些相位偏移模2π的结果，把偏移返回到
的范围内，因而限制了存储信号的振幅。如上所述，这点方案的优点在于可以预先计算并存储所使用的相位偏移的参数。如上所述，在QPSK调制的情况下，还可以限制存储的信号的振幅；结果，对于未知符号，可以减少被用于范围
的相位偏移的参数。在所有情况下，当实现本发明时，不使用参数-(2πfm(p-1)Ts+φk)，而是使用这些参数的缩减值，例如在使用kPSK调制时在针对已知符号的范围
和针对未知符号的范围
上的参数值。
本发明还试图对用于测试频率偏移和相位偏移对的各种可能值的相位偏移参数的值进行量化。这样，对于作为符号位置，频率偏移fm，相位偏移φk的函数的一个参数-(2πfm(p-1)Ts+φk)，可以选择量化，例如使用具有整数k的步长2π/k，并且作为结果，只计算出可能的k值以便用于校正e-j(2πfm(p-1)Ts+φk)。在这种情况下，不需要对各个符号和各个测试对进行这种计算。并且当用于接收符号的校正值是存储值时这种量化是有优势的。比较好的是，这种实现与上述方式相结合，并且只在必要的范围上对相位值进行量化。
这样，当以7.5×10-6的步长在从[-1.5×10-3，+1.5×10-3]扩展的频率范围上(以归一化的频率偏移为单位)进行测试时，并且当以π/(2×15)的步长在
的范围上测试相位时，有必要针对分组的各个符号计算出40×60＝2400个校正符号。
通过以2°的间距对参数进行量化，有必要只计算出180个参数，即180个用于符号的可能校正或相位偏移值，和180个可能的校正符号值。另外，如上所述，如果因误差的周期性而缩减了相位范围，则相应减少了校正的数量。在QPSK调制并且采用严格判定的情况下，即在使用π/2周期的情况下，各个符号足够有45个可能的值循环用于符号的校正相位，并且针对各个接收符号只计算出45个校正符号。
如上所述，如果决定预先计算所有的可能校正并且加以存储，这个方案是很有优势的。量化不会减少本发明确定频率的精度。参数2°的量化步长导致1°的最大参数误差；量化对获取结果的影响是很小的通过按照10位对频率值进行量化，没有观察到性能方面的恶化。
下面描述实现本发明的一种可能结构。在这种结构中，最好重新计算出各种误差值；这种实现在某种限制存储器容量的专用集成电路(ASIC)中可以更加简单。图5是这种结构的模块图。在图5的装置中，nφ等于16，并且在-fmax至+fmax的范围内测试频率。这种结构依赖于处理nφ＝16个相位推测和两个频率推测的基本模块。在每个分组中基本模块被使用nφ/2次。
第一模块1表示接收分组的符号sp，其中以复数形式处理符号，并且具有一个实部Xp和一个虚部Yp。
第二模块2表示转换成极座标(ρp，θp)。
第三模块3表示以极座标存储接收符号。
第四模块4是针对16个可能相位值测试两个频率fp和-fp的基本模块。该模块从第三模块3接收具有极座标的符号sp。并且从一个第五模块5接收可能的频率值fp，其中p是一个在范围1至nf/2内的整数。在其输出端，模块4提供一个最小频率和相位值，和针对被处理的两个频率和16个相位的相应误差。在一个第六模块6中存储这些值。
当在模块4中测试可能的频率值fp时，在第五模块中存储选定的频率值±fp，以及对应的相位φk和整个分组的误差εm，k。当测试后面的频率时，在新误差更小的情况下取代这些值。在扫描所有可能的频率值之后，第六模块含有最可能的频率和相位推测。
接着，如第七模块7所示，校正存储符号，使得第八模块8提供可以被用于信道解码的校正符号s’p＝(X’p，Y’p)。
图6说明了图5中所示的基本模块4的，用于处理序号为k的符号的实施例。10，11，12表示ρp，θp和fp的输入。如模块14和15所示，频率fp最初与±(k-1)Ts相乘。如模块16和17所示，两个结果值被加到16个可能的相位值φ1至φ16上，其中nφ＝16。这样为相位校正提供了2×16个可能的参数。如模块18和19所示，从符号的参数θk中减去这些参数。
下面的函数F(θ)被计算成F(θk)=[|Re(Cp,m,k)|+|Im(Cp,m,k)|]ρk=|cosθk|+|sinθk|]]>如模块20和21所示，这个值与ρk相乘。如上所述，使误差εp，m，k最小等于使2×ρk×F(θ)最小，即，使ρ！k×F(θ)最大。如模块22和23所示，这个针对序号为k的符号计算出的量值被加到k-1个前导符号的ρk×F(θ)的总和中。
在接收所有符号之后，已经计算出一个量值，该量值的最大等价于误差εm，k最小。
如模块25所示，对于给定的频率值fp，可以计算出值±fp和相位φk，它们使得Σk=1NρkF(θ)]]>最大，并且可以输出已经保留的测试对和对应的误差值。
可以通过一个ASIC类型的印制电路实现图5和6的结构，该电路允许在微秒级的符号时间内处理400或500个符号构成的分组。在小于分组时延的时间长度内可以处理40个频率推测和16个相位推测。
下面描述另一个实现本发明的可能结构。在这个结构中，专门使用了存储器。在这种情况下本发明建议针对校正符号一次性地计算出各种相位校正值。当对可能相位校正的参数进行量化时，这个方案是很有优势的，并且描述适用于这种情况。
相位校正e-j(2πfm(p-1)Ts+φk)不取决于接收的符号sp的值，而是取决于测试下的符号位置、频率偏移和相位偏移对(fm，φk)。因而可以针对所有的三元组(p，m，k)计算出所有可能的偏移值。当使用量化时，可以通过计算相位校正的量化值来开始，在上述例子中每个已知符号有180个可能的值。一旦建立了可能值表，当接收一个新分组时可以轻易地从该表中得到要使用的相位偏移值。在QPSK的情况下，当以2°的间距对参数进行量化时，针对未知符号的可能值的数量为tφ＝45，针对已知符号为4tφ＝180。通过以增序对要测试的量化相位进行编号，以下式给出序号为l的相位φ1φ1=1tφ×π2]]>对于一个未知符号，从l＝0到l＝tφ测试相位，并且最大相位为π/2。对于已知符号，从l＝0到l＝4tφ测试相位，并且最大相位为2π。接着在针对分组的各个符号的表格Tmem中可以存储各个对(fm，φk)的相位的序号。因而得到了一个具有N×nf×nφ个整数值的表格。
当接收到一个分组时，开始计算校正符号的可能值。对于未知符号，一个表格Ti被填充了Ni×tφ个校正符号的可能值。对于已知符号，一个表格Tc被填充了Nc×4tφ个校正符号的可能值。
接着通过从表格Tmem中读取对应于对(fm，φk)的表行可以针对任何给定的(fm，φk)对计算出误差；得到第p个校正符号的值，该值足够根据表格Tmem的第p列得到信息，即要使用的量化相位偏移参数的数量；在对应于从表格Tmem读出的相位的序号的行和对应于符号的序号p的列的交叉点上，根据符号是未知还是已知在表格Ti或Tc中查找。
也可以在开始时计算出误差并且存储在表格Ti和Tc中。这样做的优点是存储的值是实数而不是复数。如上所述，也可以在已知符号上针对任意给定的相位φk进行计算，并且接着针对未知符号计算对应的误差，并且存储上述误差以便针对相位φk+nπ/2计算整个分组的误差，其中n＝0，1，2，或3。
这种实现使得能够限制执行的计算量，假定只计算一次校正符号值。当有大量存储器容量时这样做很有优势。
在上述实施例中，没有详细描述相位估测。除了频率偏移的估测值之外，本发明还提供一个相位值φn；如果分组只有未知符号，则对于QPSK调制，由于在该调制下旋转nπ/2后符号不变，所以这个相位值具有nπ/2的多义性(ambiguity)，其中n为整数。如果分组具有已知符号，则这种多义性可以被消除。对于某种信道编码，并且对于差分编码，相位多义性不成为问题并且不需要被消除。本发明还允许获得高于现有技术的相位精确度。
前面针对QPSK调制描述了本发明。本发明可以更广泛地适用于所有的相位调制类型，或所有的相位与振幅调制类型。具体地，可以适用于MPSK调制和QAM调制。如上述实施例所示，本发明不仅可以在没有信道编码时使用，也可以在有任何类型的信道编码时使用。当使用模块编码时，通过相对于最接近码字的量度计算出最大似然性。
并且，当使用某种编码时，相位多义性不会成为难题。在这种情况下，本发明允许确定频率差值，它足够用于解码。
被用来实现本发明的，针对频率和相位的推测fm和φk取决于本发明的应用。类似地，选定的频率间距和相位间距也取决于应用。根据一个关于要求的精确度和可接受的计算量进行选择。
权利要求
1.一种估测在接收时具有相位偏差的相位调制符号分组的频率偏移的方法，该方法包括针对所有可能的频率偏移和相位偏移对，对接收分组的符号进行相位校正；从上述偏移对中选择提供最可能的校正符号分组的偏移对，从而确定出接收分组的频率偏移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括一个对可能的相位校正进行量化的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于选择步骤包括计算接收和相位校正的符号分组之间的量度和发送的符号分组的估测；寻找上述量度的最小值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于以下述方式得到对发送符号分组的估测通过使用发送符号对已知符号进行估测；通过严格的判定对未知符号进行估测。
5.如权利要求1至4中任何一个所述的方法，其特征在于通过ej2 π/k的旋转使可能的符号集保持不变，并且从
的范围内选择可能的相位值，其中k是一个自然数。
6.如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其特征在于针对一个频率偏移值fm和一个相位偏移值φk对符号所进行的相位校正被表示成e-j(2πfm(p-1)Ts+φk)，其中p是符号的位置而Ts是符号时间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于在
的范围上以降值的形式计算-(2πfm(p-1)Ts+φk)的值。
8.如权利要求1至7中任何一个所述的方法，其特征在于包括一个计算并存储用于一个符号的所有可能的相位校正的预备步骤。
9.如权利要求1至8中任何一个所述的方法，其特征在于包括一个把相位偏移当成上述提供最可能的校正符号分组的偏移对中的相位偏移值进行估测的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种估测在接收时具有相位偏差的相位调制符号分组的频率偏移的方法,该方法包括:针对所有可能的频率偏移和相位偏移对,对接收分组的符号进行相位校正;从上述偏移对中选择提供最可能的校正符号分组的偏移对,从而确定出接收分组的频率偏移。与已知解决方案相比,本发明允许降低涉及估测频率的误差。比较好的是,该方法包括一个对可能的相位校正进行量化的步骤,因而允许减少要执行的计算的复杂度,并且不会降低性能。
文档编号H04L27/233GK1248117SQ99117510
公开日2000年3月22日 申请日期1999年8月6日 优先权日1998年8月6日
发明者瓦勒里·奎夫, 米歇尔·特雷尔 申请人:阿尔卡塔尔公司