一种基于fft辅助s-pll的无线通信载波跟踪方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于FFT辅助S?PLL的无线通信载波跟踪方法，在高速移动载体无线通信系统中，采用基于快速傅里叶变换辅助二阶锁相环的载波跟踪方法能够解决大范围多普勒频偏条件下对无线通信接收问题，在采样频率满足奈奎斯特采样定理的条件下，通过FFT快速获得信号频率的粗略位置，进一步利用S?PLL实现精确的频偏估计。该方法充分的利用了FFT和PLL的频偏估计特性，能够克服大范围多普勒频偏和信号噪声带来的影响，可跟踪大动态变化载波频偏；另一方面，该方法实现结构简单，复杂度较低，实用性更强。
【专利说明】
-种基于FFT辅助S-PLL的无线通信载波跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于FFT辅助S-P化的无线通信载波跟踪方法，属于无线通信载波 跟踪技术领域。
【背景技术】
[0002] 移动互联网产业蓬勃发展对无线通信网络的要求越来越高，全天候、高可靠度、高 速率、高实时性和大用户容量的网络通信成为无线通信技术发展不断追求的目标。纵观整 个无线通信发展史，特别是中国的无线通信发展史，面向时速数百公里甚至超过声速的高 速移动载体的无线通信问题始终没有得到有效的解决。在早期阶段，受国民经济水平和技 术发展的制约，高速移动无线通信应用市场相对较小，随着国家综合国力的增强，特别是高 铁技术和相关产业的飞速发展，面向高速移动载体的无线通信应用需求的日趋迫切。高速 移动载体的无线通信所面临的最主要技术难点为:在高速移动的过程中，通信终端发射或 接收的通信电磁波会存在较大范围的多普勒频率偏移(下文简称频偏）。一方面，多普勒频 偏会造成无线通信接收机捕获、解调、译码失效，导致传输信息无法提取;另一方面，多普勒 频偏会随着移动载体速度、加速度甚至加加速度的变化而动态变化，从而给无线通信载波 频率跟踪技术带来巨大的挑战。
[0003] 在传统的无线通信系统中，载波频率跟踪主要采用两类方法。第一类为开环估计 方法，主要包括基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)的频域插值方 法、基于信号自相关的时域平滑方法和基于时频域联合相关的估计方法;其中，最实用且有 效是基于FFT的频域插值的方法，其基本原理是基于载波信号时域和频域的对应数学关系， 结合载波信号的FFT变换后的谱线周期图，采用数学插值的方法，例如二线插值法、Ξ线插 值法，进而准确获得的载波频偏。该方法利用了 FFT变换可快速实现的特点，使频偏估计的 实现复杂度大大降低，因而在实际系统中广泛采用。在载波频偏大小恒定或者变化较小的 条件下，运些方法在一定程度上都能够解决频率偏移的估计问题。然而，理论分析表明，在 多普勒频偏较大的条件下，运些开环估计方法均难W奏效。主要原因在于:在载波频偏动态 变化的条件下，无论是谱线图，还是时域的相关特性都呈现了实时变化的特性，从而很难准 确地估计出载波频偏。
[0004] 载波频偏跟踪的第二类方法为基于锁频环(Frequen巧Lock Loop,化L)或者锁 相环(Phase Lock Loop,化L)的闭环方法，其基本原理是通过反馈环动态的调整跟踪载波 频率。在反馈频率与载波频率相同的条件下，系统环路趋于收敛，进而实现准确的载波频率 跟踪。在理想情况下，基于化L的载波跟踪方法能够估计的频偏动态范围较大，但其载波跟 踪的精度较差，系统稳定后所残留的频偏大于基于化L的方法。特别是在采样信号存在噪声 的条件下，化L的跟踪性能会严重恶化。基于化L的载波跟踪方法能够有效的抵抗链路噪声 对系统频偏估计的影响，并且能够适应频偏的动态变化，是实际通信系统经常采用的方法。 特别是二阶化USecond-order P化，S-P化），W其稳定的收敛性能，受到工程设计师们的广 泛青睐。尽管基于化L或化L的载波频偏估计方法能够在一定程度上解决载波频偏动态变化 的估计问题，但由于其固有的问题，即：为跟踪较大范围的载波频偏，需要增大环路带宽，而 环路带宽的增大导致系统噪声的增大，造成系统跟踪性能的恶化。因此，基于化L或化L的方 法很难适用于高速移动载体的无线通信载波跟踪问题。为解决该问题，研究者们提出了许 多方法，主要包括基于卡拉曼滤波(Kalman Filter，邸)跟踪法、基于KF联合化L的方法W 及化L联合化L的方法。然而，运些研究大都基于提供定位通信服务展开，例如面向GPS或者 北斗定位系统通信接收的载波跟踪技术。众所周知，定位服务的通信业务速率是很低，通常 情况约几十波特每秒(bps)。在扩频体制的支持下，载波符号速率可W到兆级bps,使得单位 符号的频率变化较小，采用KF、化L或者化L联合的方法能够在一定程度解决频率变化的跟 踪问题。然而，当面对话音abps)、百肺PS级视频或者数据通信业务时，上述方法仍然难W 适用。因此，设计一种具有跟踪较大动态频偏变化的载波跟踪方法对解决高速移动载体通 信问题具有重要的价值。
[0005] 现有的研究表明，在采样频率满足奈奎斯特采样定理的条件下，基于FFT可W快速 获得信号频率的粗略位置，即使载波频率在时间域发生快速的变化，仍然能够通过FFT定位 出载波频率的变化区间；另一方面，当载波频率的变化区间小于等于P1X的频率跟踪区间 时，则利用化L一定能够准确地估计出载波频偏。基于上述分析可见，在具有较大多普勒频 偏的载波估计过程中，可W首先利用FFT估计出一个小于等于化L频偏估计范围的频率变化 区间，然后利用化L实现精确的频偏估计。相较于其他高速移动通信载波跟踪技术，该方法 具有W下优势：1)充分的利用了FFT和化L的频偏估计特性，使得系统载波跟踪能够克服大 范围多普勒频偏和电磁信号噪声带来的影响;2)方法对应的结构简单，本质上由基于FFT的 粗估模块和基于化L的精估模块串行级联组成，实现复杂度较低;3)可跟踪的频偏变化范围 可W通过修改FFT和化L参数实现动态的调整，提高了方法的适用范围。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在于为高速移动载体实现无线通信提供一种基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)辅助二阶锁相环（Second-order 曲ase Lock Loop, S- 化L)的无线通信载波跟踪方法，一方面能够解决大范围多普勒频偏对无线通信接收的影 响；另一方面能够充分的利用FFT和化L的性能和复杂度优势，W简单的结构和较低的复杂 度，实现载波频偏的有效估计。
[0007] 本发明是通过W下技术方案实现的：一种基于FFT辅助S-化L的无线通信载波跟踪 方法，包括如下步骤： 第一步：发送端处理;将待发送信息序列马^经过编码调制后，转换成能够通过天线发 送的电磁波信号，可将该信号建模为4)，系统的通信信道建模为加性高斯白噪声（ Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道，信道的冲击响应参数恒定为1，信号经过 AWGN信道，会存在高斯白噪声孤的干扰，由于发送端与接收端的相对高速运动，高速移动所 产生的多普勒频偏解建模为一个关于实际载波频率忠、载体移动速度V、加速度犀:、加加 速度；和时间?的多项表达式，即：
其中g。(V，乂）、gi(a，乂）、&(;.乂)为系数函数，具体表达式分别为：
其中L'f为通信电磁波的传播速度，接为电磁波传播方向与载体相对运动方向的夹角； 假设发送端所发送的符号序列为呜，发送的信号为S贷，表示为：
其中馬为发送符号周期，g的为发送成型函数，通常选择为平方根升余弦函数，巧为 载波初始相位，经过AWGN信道，接收端所接收到的信号为：
其中wfi)高斯噪声的均值为0,标准差为。
[000引第二步:接收端预处理;首先对接收到的信号Γ(0进行下变频处理，W获得待处理 的携带频偏的基带信号巧每，在满足奈奎斯特采样定理的条件下，对目）进行采样处理，进 而获得离散数字化的信号序列经过载波捕获和精确的位定时同步处理后，得到携带 多普勒频偏妨前离散采样序列fg ，表示为：
其中马为采样周期，采样频率满足奈奎斯特采样定律，即：
其中?/。。:为系统设计能够跟踪的最大多普勒频偏，点为接收端的实际采样频率;在此 基础上，将所有的采样点按照时间长度巧分段，7；的大小由化L环路滤波器的频率跟踪范 鼠:满^?和44^共同决定，且满足：
[0009]第Ξ步:FFT频偏粗估计;将离散采样序列按照固定长度分段，针对每一个 采样数据段，首先抽取与（句^ )个采样点做长度为2?的FFT，即：
在此基础上，利用FFT变换后的峰值谱线得到载波频偏的粗略估计区间碌。，即：
通过吞e的频率校准，可W进一步得到存在残余频偏的采样序列技，即：
其中为AWGN序列。
[0010]第四步:S-P化载波动态频偏精估计;为获得精确的载波频偏，将存在残余频偏的 采样序列进一步经过S-P化处理，具体为： 1) 、鉴相器直咕：
其中嘴为采样点的相位，褲为S-P化的反馈跟踪相位，姑,)为鉴相函数； 2) 、环路滤波器巧is);将相位偏差ΔΑ经过鉴相处理后输入环路滤波器进行滤波处 理，环路滤波器的传输函数巧(S)为：
其中巧(s)为环路滤波器传输函数E域表达式，Τι、丐为环路参数;滤波器输入少如)为：
其中爲为鉴相器增益； 3) 、压控振荡器（VC0)丐耗);进一步将环路滤波器的输出序列输入到压控振荡器 (VC0)，传输函数为巧k):
其中马尚为vco传输函数S域表达式，馬如为vco的增益控制参数，vco的输入为环路 滤波器的输出，VC0的输出为马； 经过S-化L的处理，可W估计出采样序列嗦中残余的动态变化多普勒频偏忌南).:，进一 步通过霜1約的校频处理，可W得到最终的载波跟踪输出序列：
载波跟踪的目标满足： 二巧。挪如)。
[0011] 第五步:FFT相偏校准；为进一步估计载波相位偏差（下文简称相偏），可按照符号 速率对离散采样序列r, (Δ/)进行抽样，再利用窗瓜)消去载波频偏中的动态变化部分，进 而得到序列：
进一步利用基于FFT的频域插值方法估计出载波相偏。
[0012] 通过上述技术方案，本发明的有益效果为:本发明在采样频率满足奈奎斯特采样 定理的条件下，通过FFT快速获得信号频率的粗略位置，进一步利用S-化L实现精确的频偏 估计，相比于其他跟踪技术，本方法充分的利用了 FFT和化L的频偏估计特性，能够克服大范 围多普勒频偏和电磁信号噪声带来的影响，可跟踪大动态变化载波频偏;另一方面，本方法 对应的实现结构简单，复杂度较低，实用性更强。
【附图说明】
[0013] 图1是高速移动载体通信系统模型图； 图2是典型的通信系统接收机结构示例图； 图3是本发明所设计的载波跟踪方法所对应的流程结构图； 图4是本发明所采用的S-PLL结构图； 图5是本发明所提载波跟踪方法在最大多普勒频偏为140K化及信噪比为-1.0地条件下 的性能仿真图； 图6是本发明所提载波跟踪方法在最大多普勒频偏为HOIfflz及信噪比为0地条件下的 性能仿真图。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合附图对本发明进行进一步说明。
[001引如图1-4所示，一种基于FFT辅助S-PLL的无线通信载波跟踪方法，包括如下步骤： 第一步:发送端处理;将待发送信息序列而经过编码调制后，转换成能够通过天线发送的 电磁波信号，可将该信号建模为4);信号经过AWGN信道，会存在高斯白噪声姐的干扰;此外，由 于发送端与接收端的相对高速运动，传输的电磁波信号到达接收端时会存在多普勒频偏Δ/， 结合现有的研究工作，可将妓建模为一个关于实际载波频率Λ、载体移动速度V、加速度 。/、加加速度。部时间的多项表达式:即女i怡.义。;，。，4=€。(化.艾):+醉(。，.怎)'..外抗(。，成)^^ 其中g0(v，乂）、珥(。，追）、視:氣杰)为系数函数，具体表达式分别为：
其中叫为通信电磁波的传播速度，拼为电磁波传播方向与载体相对运动方向的夹角； 若发送端所发送的符号序列为呜，发送的信号为fb)，表示为：
其中巧.为发送符号周期，非)为发送成型函数，通常选择为平方根升余弦函数，4为 载波初始相位，经过AWGN信道，最终，接收端所接收到的信号ri为：
其中w(i)高斯噪声的均值为0,标准差为请。
[0016] 第二步:接收端预处理;首先对接收到的信号Γ(〇进行下变频处理，W获得待处理 的携带频偏的基带信号Γ'目），在满足奈奎斯特采样定理的条件下，对巧却进行采样处理，进 而获得离散数字化的信号序列经过载波捕获和精确的位定时同步处理后，得到携带 多普勒频偏Δ/的离散采样序列rg(4/)，其中r,(A/)为本发明所设计方法的主要处理对象， 表不为
其中马为采样周期，采样频率满足奈奎斯特采样定律，即：
其中为系统设计能够跟踪的最大多普勒频偏，篡为接收端的实际采样频率;在此 基础上，将所有的采样点按照时间长度与分段，？；的大小由化L环路滤波器的频率跟踪范 围和胃共同决定，且满足：
[0017] 第Ξ步:FFT频偏粗估计;将离散采样序列^:峰/)按照固定长度分段，针对每一个 采样数据段，抽取马（4 ^ 0个采样点做长度为24的FFT，即：
接下来，利用FFT变换后的峰值谱线得到载波频偏的粗略估计区间;毎。，即：
其中為满足：
通过巧e的频率校准，可W进一步得到存在残余频偏的采样序列?:，即：
其中37。为AWGN序列。
[0018] 第四步:S-P化载波动态频偏精估计;为获得精确的载波频偏，将存在残余频偏的 采样序列话进一步经过S-P化处理，具体为： 1) 、鉴相器Λ马；提取存在残余频偏的采样序列祐的相位序列并输入S-P化的鉴相器：
其中項为采样点的相位，麵为S-P化的反馈跟踪相位，4，)为鉴相函数； 2) 、环路滤波器巧(S);将相位偏差Δ舞经过鉴相处理后输入环路滤波器进行滤波处 理，环路滤波器的传输函数巧is)为：
其中巧(S)为环路滤波器传输函数E域表达式，巧;、馬为环路参数;滤波器输入为：
其中島为鉴相器增益； 3) 、压控振荡器（VC0)巧C詩；进一步将环路滤波器的输出序列输入到压控振荡器 (VC0)，传输函数为巧(S):
其中巧拭为vco传输函数z域表达式，rwo为vco的增益控制参数，经过上述过程的 串行处理后，可获得捧中残余的动态频偏窗瓜），通过弦南).的进一步校频，可W得到载波 跟踪输出序列：
载波跟踪的目标满足： 边/ =最。+吞1("); 第五步:FFT相偏校准;为估计载波相位偏差，可按照符号速率对离散采样序列 进行抽样，再利用吞1知）消去载波频偏中的动态变化部分(残留固定频偏），进而得到：
最终利用基于FFT的频域插值方法估计出载波相偏。
[0019] 下文W实例说明本发明所提方法的具体应用： 在一个面向高速移动载体的无线通信系统中，移动载体的最大飞行速度v=2S00米每 秒(m/s)，无线电磁波的频率Λ = 3日巧盛化a波段）。假设电磁波的传播速度为扣= 3x1妒m/ s(通常为光速的2/3)，则载体移动过程中产生的最大多普勒频偏为Δ/ι^ = 140M。信道建 模为AWGN信道，噪声均值为0,方差为如:。信号的载波符号速率，平均功率归一化 主。 为1。信号平均功率与信道噪声单边谱密度的比值定义为信噪比，记为斌恐，单位为地。如图 1-4所示，整个实例的实现过程如下： 第一步：发送端处理;发送端不进行编码处理，直接采用四相键控(QPSK)调制方式，对 任意生成的比特序列马进行调制，然后利用滚降因子为0.5的平方根升余弦函数进行符号 进行发送成型。最后将待发送信号进行上变频，是信号被调制到频率为Λ =3〇〇-心的载波 上。
[0020] 第二步:信道处理;首先经过AWGN信道，添加信噪比满足逊成的噪声，再添加最大 多普勒频偏为4/胃的多普勒频偏Λ/，且Λ/关于时间?满足：
最终接收端得到射频信号r目）。
[0021 ]第Ξ步:接收端处理-FFT载波频偏粗估计;首先对接收到的射频信号进行下变频， 再W乂 = (满足奈奎斯特采样定理）的采样速率对信号进行采样，得到离散序列样 点(立/)，将,'η(Δ/)按照时间长度为0.1秒进行分段，每段抽取长度为马=26二的数据进 行长度为2与=128点FFT运算，再从FFT得到的频域谱线中寻找峰值点％，并利用
计算得到载波频偏的粗估值。
[0022] 第四步：接收端处理-S-P化载波动态频偏精估计；利用粗估计的载波频偏对 d苗1进行频率校准，得到存在残余频偏的序列，在对进一步对中第个样点做如下 处理： 1) 提取样点相位
其中喊雌为取符号位函数，iLe(')为取实部函数，加(:')为取虚部函数，1:1为取模函数； 2) 提取相位差
3) 获得环路滤波器输入 ~ sin Δ 其中而=1; 4) 环路滤波处理
6)更新本地跟踪相位謀； 重复对?!进行1)-6)步的串行处理获得本地跟踪相位序列诗，再利用相位和频率关于 时间的关系获得载波跟踪频率氣浴J。
[0023] 第五步:接收端处理-FFT相偏校准；首先利用惡1挺;)消去载波频偏中的动态变化 部分(残留固定频偏），再利用FFT变换获得相偏。
[0024] 本发明通过FFT快速获得信号频率的粗略位置，进一步利用S-P化实现精确的频偏 估计，克服大范围多普勒频偏和电磁信号噪声对载波跟踪的影响，适用于高速移动载体无 线通信应用场景。图5和图6分别给出了本发明所提基于FFT辅助S-化L的无线通信载波跟踪 方法在最大多普勒频偏为A/U = 140芯成，W及信噪比分别为措做=-1.日dB和畑0 dB 条件下的性能。由图5可见，当信噪比满足湖战=-1甫地时，本发明所提方法估计的载波频 偏与实际载波频偏存在误差。当从图中可W看出，该误差小于2x1日-11，不会给后续的解调 译码的性能带来影响。从图6可W看出，当猫战^ ο地时，本发明所提方法估计的载波频偏与 实际载波频偏相同。图5和图6所示结果充分的说明本发明所提跟踪方法的有效性。
[0025] W上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、 特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
【主权项】
1. 一种基于FFT辅助S-PLL的无线通信载波跟踪方法，其特征在于:包括如下步骤： 第一步:发送端处理;将待发送信息序列4经过编码调制后，转换成能够通过天线发送 的电磁波信号，可将该信号建模为冰信号经过AWGN信道，会存在高斯白噪声龙的干扰； 此外，由于发送端与接收端的相对高速运动，传输的电磁波信号到达接收端时会存在多普 勒频偏鲈，可将^/建模为一个关于实际载波频率為、载体移动速度v :、加速度#、加加速 度?和时间?的多项表达式：其中(ν,乂）、勒X)、g2 f，乂)为系数函数，具体表达式分别为：其中为通信电磁波的传播速度，:沒为电磁波传播方向与载体相对运动方向的夹角;若 发送端所发送的符号序列为巧，发送的信号为，表示为：其中5为发送符号周期，为发送成型函数，通常选择为平方根升余弦函数，碎为载 波初始相位，经过AWGN信道，最终，接收端所接收到的信号为：其中?φ)高斯噪声的均值为0，标准差为CT5 ; 第二步:接收端预处理;接收端首先对接收到的信号进行下变频处理，以获得待处 理的携带频偏的基带信号「'κ，在满足奈奎斯特采样定理的条件下，对〃:_:0进行采样处理， 进而获得离散数字化的信号序列经过载波捕获和精确的位定时同步处理后，得到携 带多普勒频偏故的离散采样序列4(Δ/)，其中? (Δ/；)表示为:.其中为采样周期，采样频率满足奈奎斯特采样定律，即：其中为系统设计能够跟踪的最大多普勒频偏，乂为接收端的实际采样频率;在此 基础上，将所有的采样点按照时间长度巧分段，f的大小由PLL环路滤波器的频率跟踪范 围和A/胃共同决定，且满足：第三步:FFT频偏粗估计;将离散采样序列& (Λ/)按照固定长度分段，针对每一个采样数 据段，抽取右（ )个采样点做长度为2A^^FFT，即：其中；φ)满足：接下来，利用FFT变换后的峰值谱线得到载波频偏的粗略估计区间交^ ΒΡ : 其中I满足：通过的频率校准，可以进一步得到存在残余频偏的采样序列％，即： 其中巧为AWGN序列；第四步:S-PLL载波动态频偏精估计:为获得精确的载波频偏，将存在残余频偏的采样 序列 < 进一步经过S-PLL处理； 第五步:FFT相偏校准;为估计载波相位偏差，可按照符号速率对离散采样序列^ (Δ/)进 行抽样，再利用反i&：)消去载波频偏中的动态变化部分，进而得到：最终利用基于FFT的频域插值方法估计出载波相偏。2.根据权利要求1所述的一种基于FFT辅助S-PLL的无线通信载波跟踪方法，其特征在 于:所述的第四步中将存在残余频偏的采样序列$进一步经过S-PLL处理，具体为： 1)、鉴相器;提取存在残余频偏的采样序列·^的相位序列并输入S-PLL的鉴相器：其中今为采样点4的相位，硓为S-PLL的反馈跟踪相位，?Κ.，)为鉴相函数； 2) 、环路滤波器巧(办;将相位偏差么巧经过鉴相处理后输入环路滤波器进行滤波处理， 环路滤波器的传输函数为：其中为环路滤波器传输凼数f域表达式，E、％为环路参数;滤波器输入为：其中仏为鉴相器增益； 3) 、压控振荡器(VCO)喷冷;进一步将环路滤波器的输出序列输入到压控振荡器(VCO)， 传输函数为_:齡： 其中:4(?为V⑶传输函数2域表达式，馬ρ为V⑶的增益控制参数，V⑶的输入为环路 滤波器的输出，VCO的输出为#;经过上述过程的串行处理后，可获得|i中残余的动态频偏 豆心），通过豆A):的进一步校频处理，可以得到载波跟踪输出序列：载波跟踪的目标满足： Δ/ =Λ/0 〇
【文档编号】H04L27/26GK105871765SQ201610453268
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】杨昊, 李辉, 朱浩, 程清明, 姜青竹, 张京
【申请人】南京索拉亚科技有限公司