高动态大频偏突发信号的频偏估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及涉及接收机同步技术，尤其涉及高动态大频偏条件下突发信号的频偏 估计方法，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 突发通信是一类常见的通信应用模式，如飞机等飞行载体的位置报告、传感器采 集数据的上报等。当通信双方存在相对运动，且有较大的径向速度和加速度时，对于较高的 载波频率，信号会产生较大的多普勒频偏和频率变化率。例如，在低轨卫星通信系统中，卫 星绕地球高速运动，具有较大的速度和加速度，加上载波频率高（GHz量级），产生的多普勒 频偏能达到百kHz量级，多普勒变化率能达到kHz/s量级。
[0003] 多普勒频偏和频率变化率相对于符号速率过大，会给接收机的同步造成恶劣影 响。载波频偏估计是接收机同步技术的重要一环。当频偏较大时，接收机为了实现载波同 步，必须增大频率搜索范围，复杂度相应增加。高动态（加速度大）带来大的频偏变化率， 接收信号的载频快速变化，接收机对载波频率的搜索变得更为复杂和困难。此外，突发信号 还要求同步建立时间短。高动态大频偏条件下实现频偏的快速精确估计，是值得研宄的难 点问题。
[0004] 载波频偏估计存在多种方法，有基于反馈环路的估计算法，如锁频环、锁相环等； 有基于前馈的估计方法，如离散傅立叶变换（DFT)辅助估计等，也有前反馈相结合的方法， 如韩秀峰等人提出的DFT与锁相环结合法。锁频环要求符号信噪比高，信噪比较低时无法 正常工作。锁相环跟踪的频偏范围与环路带宽正相关。大频偏需要设置大的环路带宽，在 信噪比较低时，增大环路带宽会增加跳周概率。因此，环路带宽不能设得很大，但环路带宽 小会使跟踪的频偏范围较窄，不适用于大频偏。DFT与锁相环相结合，能够很好地估计频偏。 在大频偏条件下，采用DFT进行频率粗同步，通过增加采样倍数，可以增大频偏搜索范围， 将剩余频差压缩到较窄的范围。加长累积时间能够提高频率分辨率，从而提高估计精度。对 于剩余频偏，采用二阶锁相环可以跟踪；即使存在一定的动态，采用三阶锁相环也能实现动 态跟踪。
[0005] 对于一般的通信场景，由于动态（多普勒变化率）较小或者不存在动态，DFT与锁 相环相结合的方法十分有效。但在高动态条件下，载波频率变化率大，当DFT累积时间较长 时，载波频率会跨越DFT的多个频率栅栏，能量分散在多个频点上，频率粗同步性能很差， 使得后续的锁相环无法正常工作。因此，对于高动态通信应用，仅进行频率估计尚不够，还 需要估计多普勒变化率。在此基础上，才能估计出各信号点的频偏值。因此，多普勒变化率 估计是高动态大频偏突发信号频偏估计的关键。但是，目前关于多普勒变化率估计的研宄 较少，对高动态通信的频偏估计缺乏行之有效的手段。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对高动态大频偏突发信号，提供一种DFT辅助的多普勒变化率 快速估计方法，在此基础上，提供一种基于DFT的频偏估计方法。
[0007] 为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，突发帧捕获、多普勒变化率估计与 校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计；
[0009] 通过门限比较法实现突发帧捕获，突发信号帧由导频段和数据段组成，利用导频 段实现频偏估计；
[0010] 对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多 普勒变化率估计值用于导频段的动态补偿；
[0011] 对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；
[0012] 结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的 频偏。
[0013] 进一步地，具体由以下步骤进行：
[0014]S1、对接收到的数据进行DFT变换，将变换后的最大幅值与预先设定的门限Cth进 行比较，当其超过设定门限时，标示着突发信号到达，记录突发信号起始位置Pi,启动多普 勒变化率估计；
[0015]S2、截取突发信号起始位置？1后长度为\的一段导频数据，对其进行分段，然后采 用DFT辅助的多段分层迭代方法估计多普勒变化率，经过多次迭代，得到多普勒变化率估 计值Rfd;
[0016]S3、利用多普勒变化率估计值Rfd对长度为Np的导频数据动态补偿，将剩余动态压 缩至较小范围；
[0017]S4、对动态补偿后的长度为％的导频数据进行DFT变换，搜索峰值对应的频率值， 计算基础频偏Afb;
[0018]S5、利用基础频偏估计值Afb和多普勒变化率估计值Rfd，估计突发信号帧每个符 号的频偏值△f(k)，将剩余频偏压缩至较小范围，便于后续的载波相位跟踪。
[0019] 进一步地，突发帧捕获的具体步骤如下：
[0020]S11、接收数据，在信号到来之前系统接收的是随机噪声，接收数据是由纯噪声数 据过渡到噪声+信号混合数据再到纯信号数据；
[0021]S12、过采样，根据频偏搜索范围确定信号的过采样率，对接收信号进行过采样；
[0022] S13、DFT变换，按照设定的捕获DFT点数Ndft。设置滑动窗尺寸，过采样数据送入 滑动窗，对窗内数据进行DFT变换，并搜索变换后的幅度峰值；
[0023]S14、将每次搜索的峰值与捕获门限Cth进行比较，当其超过Cth时，记录突发信号起 始位置Pi,完成突发帧捕获，并启动后续的多普勒变化率估计与补偿。
[0024] 进一步地，多普勒变化率的估计与补偿的具体步骤如下：
[0025]S21、从突发信号的起始位置？,起，截取长度为Np的样点数据，并将其等分成m段， 每段的样点数目为Np/m;
[0026]S22、多普勒变化率粗估计，对m段数据中的第1段数据和最后1段数据分别进行 DFT变换，根据幅度峰值对应的频率值确定各自的频偏△ 4和△f"，然后计算多普勒变化
【主权项】
1. 一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于：突发帧捕获、多普勒变 化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计； 通过门限比较法实现突发帧捕获，突发信号帧由导频段和数据段组成，利用导频段实 现频偏估计； 对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒 变化率估计值用于导频段的动态补偿； 对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计； 结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的频 偏。
2. 如权利要求1所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，具体由 以下步骤进行： 51、 对接收到的数据进行DFT变换，将变换后的最大幅值与预先设定的门限Cth进行比 较，当其超过设定门限时，标示着突发信号到达，记录突发信号起始位置Pi,启动多普勒变 化率估计； 52、 截取突发信号起始位置Pi后长度为N p的一段导频数据，对其进行分段，然后采用 DFT辅助的多段分层迭代方法估计多普勒变化率，经过多次迭代，得到多普勒变化率估计值 Rfd; 53、 利用多普勒变化率估计值Rfd对长度为Np的导频数据动态补偿，将剩余动态压缩至 较小范围； 54、 对动态补偿后的长度为％的导频数据进行DFT变换，搜索峰值对应的频率值，计算 基础频偏Afb; 55、 利用基础频偏估计值△ fb和多普勒变化率估计值R fd，估计突发信号帧每个符号的 频偏值△￡〇0,将剩余频偏压缩至较小范围，便于后续的载波相位跟踪。
3. 如权利要求2所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，突发帧 捕获的具体步骤如下： 511、 接收数据，在信号到来之前系统接收的是随机噪声，接收数据是由纯噪声数据过 渡到噪声+信号混合数据再到纯信号数据； 512、 过采样，根据频偏搜索范围确定信号的过采样率，对接收信号进行过采样； 513、 DFT变换，按照设定的捕获DFT点数Ndft。设置滑动窗尺寸，过采样数据送入滑动 窗，对窗内数据进行DFT变换，并搜索变换后的幅度峰值； 514、 将每次搜索的峰值与捕获门限Cth进行比较，当其超过Cth时，记录突发信号起始位 置Pi，完成突发帧捕获，并启动后续的多普勒变化率估计与补偿。
4. 如权利要求2所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在于，多普勒 变化率的估计与补偿的具体步骤如下： 521、 从突发信号的起始位置？1起，截取长度为Np的样点数据，并将其等分成m段，每段 的样点数目为Np/m ; 522、 多普勒变化率粗估计，对m段数据中的第1段数据和最后1段数据分别进行DFT 变换，根据幅度峰值对应的频率值确定各自的频偏△ 4和△ f，然后计算多普勒变化率粗 估值
其中，Tsample为相邻样点间的采样间隔； 523、 利用多普勒变化率粗估值Rfd。对前面截取的Np点数据进行动态预校正； 524、 多普勒变化率精估计，将预校正后的Np点数据分为η段，且η < m，分别对第1段 和第η段数据进行FFT变换，确定各自的频偏估计值Λ ff JP Λ f fn，然后计算多普勒变化率 精估值
525、 多普勒变化率精补偿，从突发信号的起始位置Pi起算，令起始位置的样点索 引k = 0,计算多普勒变化率精估值引起的第k个样点的频偏变化值，Aframp fGO = Rfd fX (k-1) XTsample,并用该频偏变化值反向补偿前面经过动态预校正的％个样点； 526、 多普勒变化率计算，Rfd= Rfd f+Rfd。。
5. 如权利要求2-4任一项所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在 于，基础频偏估计的具体步骤如下： 541、 从起始位置Pi起截取的N p个样点数据经过动态补偿后，进行N 5点DFT变换，寻找 幅度的最大值A_^P邻近的次大值A sub_; 542、 确定最大值和次大值分别对应的频率偏移值Afmax和Afsubmax; 543、 采用线性内插方法计算基础频偏估计值：
6. 如权利要求2-4任一项所述的高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，其特征在 于，频偏联合估计的具体步骤如下： 从突发信号的起始位置Pi起算，令起始位置的样点索引k = 0,计算每个样点的频偏， Af(k) = Afb+RfdX(k_l)XTsample。
【专利摘要】本发明提供一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，包括突发帧捕获、多普勒变化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计，突发信号帧由导频段和数据段组成，接收机利用导频段实现频偏估计。首先通过门限比较法实现突发帧捕获；之后对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒变化率估计值用于导频段的动态补偿；然后，对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；最后，结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的频偏。使用频偏估计结果对数据段进行补偿，使数据段具有较小的频率变化率和剩余频偏，便于实现位同步、帧同步和载波同步。
【IPC分类】H04L25-02, H04L25-03
【公开号】CN104852875
【申请号】CN201510137444
【发明人】朱宏鹏, 杜锋, 李志强, 李广侠, 程剑, 常江, 张北江, 张剑, 朱银霞, 云飞龙, 程磊, 雷旺春
【申请人】中国人民解放军理工大学通信工程学院卫星通信军队重点实验室
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年3月26日