基于差分星座轨迹图的OQPSK信号盲频偏估计方法与流程

本申请涉及通信领域，尤其涉及oqpsk调制方式通信系统的频率偏差的获取方法。此外，本申请也可以用在需要获得oqpsk通信系统射频指纹特征的目标识别系统中。

背景技术：

oqpsk调制是在qpsk基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术。它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，oqpsk信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现qpsk调制中存在的180°相位跳变。

ieee802.15.4标准即zigbee描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，适用于在短距离范围内的低功耗、低速率无线覆盖。其中，ieee802.15.4标准在2.4ghz和868/915mhz频段使用的调制方式是直接序列扩频的oqpsk调制，采用了半正弦成型滤波器。由于ieee802.15.4标准面向的是低成本、低耗电的应用，因此基于其标准设计的接收端采用的是非相干解调方式，其硬件设计的电路一般也选用经济性较好的元器件，其元器件本身的偏差较大，发射机和接收机会产生一定的频偏。

载波频偏不仅是射频指纹的一个重要特征，要获取其他射频指纹特征也需要对频偏进行精确的估计和补偿。传统的频偏估计算法通常通过前导或者训练序列来实现，在频偏较大时还需要进行频偏搜索和预补偿，复杂度较高，实时性相对较差。然而，被动射频指纹识别系统有时需要工作在盲的场景下，即对于发射机只知道很少一部分参数细节，且目标设备的频偏范围大，实时性要求高，因此，需要纯盲的高实时性方法来估计载波频偏。本发明基于差分星座轨迹图的对称性，提出了一种通过估计差分星座轨迹图对称轴角度来盲估计频偏的方法，大大提高了频偏估计的范围和实时性。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种基于差分星座轨迹图的oqpsk信号盲频偏估计方法，由于oqpsk信号的部分差分星座轨迹图具有对称性，且对称轴和信号频偏存在特定的关系。因此，通过估计特定差分星座轨迹图的对称轴可以有效估计信号的频偏，不需要同步序列，也不需要进行频率搜索，将可以提高系统的频偏估计速度和范围。

本申请提出了一种基于差分星座轨迹图的oqpsk信号盲频偏估计方法，包括了如下的步骤：

步骤a具体为，接收端下变频接收得到基带oqpsk信号，其中，代表发送的oqpsk符号样点，a代表oqpsk符号的恒定相位，代表传输符号对应的相位，其中满足代表相邻符号之间没有的相位突变，为非零整数，代表接收端采样率为目标信号符号速率的倍，代表发射端和接收端之间待估计的频偏，代表接收端采样时间间隔，代表发射端和接收端之间的相偏，代表信道噪声。

步骤b具体为，接收端对接收的基带oqpsk信号进行相位乘以4的非线性处理来消除部分oqpsk调制，，其中，和分别代表接收基带信号的幅度和相位。

步骤c具体为，接收端对非线性处理后的信号进行差分间隔为的差分处理生成个差分信号，其中，差分间隔为的非零整数倍。接收端将这个差分信号投影到复平面上生成对应的张差分星座轨迹图。

步骤d具体为，接收端通过迭代算法对每张差分星座轨迹图进行通过原点的对称轴估计。迭代算法具体为，初始化对称轴角度，迭代次数；迭代更新规则为，其中代表取相位操作，代表将任意角映射到的区间上；当迭代次数超过最大迭代次数或者对称角更新值小于设定的阈值时停止迭代，得到估计的对称轴角度。

步骤e具体为，接收端根据估计的对称轴角度对每张差分星座轨迹图进行对称性度量，得到对称分散度，其中代表取方差操作。

步骤f具体为，接收端选择对称分散度最小的差分星座轨迹图的对称轴角度作为最终的对称轴角度。

步骤g具体为，接收端根据对称轴角度和频偏、差分间隔以及采样间隔之间的关系，利用估计的对称轴角度可以估计出oqpsk信号的频偏为。

本发明具有以下有益效果：

本发明使用无数据辅助的盲频偏估计方式对oqpsk信号进行频偏估计，不需要知道同步序列和成型滤波器的具体参数。

本发明先通过非线性处理去除部分调制信息后，利用特定差分间隔生成的差分星座轨迹图具有良好的对称性，通过估计对称轴角度来估计频偏，频偏估计范围为。

此外，本发明的频偏估计过程使用全数字的实现方式，不需要使用频偏步进搜索和预补偿，在实际系统中可以快速实现。通过在awgn信道下的matlab仿真可以得到，本发明的基于差分星座轨迹图的oqpsk信号盲频偏估计方法在中高信噪比下性能优异。

附图说明

图1为系统实现的整体框图；

图2为20db信噪比下生成的其中一张差分星座轨迹图及对称轴；

图3为仿真的在awgn信道下的本发明方法性能比较。

具体实施方式

本发明提出的基于差分星座轨迹图的oqpsk信号盲频偏估计方法的总体框图如说明书附图1所示。其处理主要包括基带信号采集、非线性处理去除部分调制、差分星座轨迹图生成、对称性度量和对称轴估计以及基于对称轴的频偏估计。下面，将基于ti的cc2530模块的oqpsk扩频信号调制，针对每一个部分阐述具体的实施方式：

（1）基带信号采集

在本具体实施方案中，基带信号是接收端收到的cc2530模块在2.4ghz频段发送的oqpsk调制信号的基带扩频码片信号，服从ieee802.15.4标准，即

其中，代表发送的oqpsk符号样点，a代表oqpsk符号的恒定相位，代表传输符号对应的相位，其中满足代表相邻符号之间没有的相位突变。

在本具体实施方案中，zigbee模块的符号速率，接收端采样率，因此，接收端采样率为目标信号符号速率的倍，即=5。代表发射端和接收端之间待估计的频偏，代表接收端采样时间间隔，代表发射端和接收端之间的相偏。代表信道噪声，在本具体实施方案中，只考虑了高斯白噪声，即是和独立的白高斯复噪声序列，均值为零，方差为。

（2）非线性处理去除部分调制

在本具体实施方案中，接收端对接收的基带oqpsk信号进行相位乘以4的非线性处理来消除部分oqpsk调制，幅度部分保持不变，得到：

其中，和分别代表接收基带信号的幅度和相位。

（3）差分星座轨迹图生成

在本具体实施方案中，接收端对非线性处理后的信号进行差分间隔为的差分处理生成个差分信号：

其中，差分间隔要求为的非零整数倍，在本具体实施方案中，。接收端将这5个差分信号投影到复平面上生成对应的张差分星座轨迹图，典型的差分星座轨迹图如说明书附图2所示。

（4）差分星座轨迹图对称轴估计

在本具体实施方案中，接收端通过迭代算法对每张差分星座轨迹图进行通过原点的对称轴估计。迭代算法具体如下：

（4-1）首先初始化对称轴角度，迭代次数；

（4-2）根据如下迭代更新规则进行不停迭代：

其中代表取相位操作，代表将任意角映射到的区间上；

（4-3）当迭代次数超过最大迭代次数或者对称角更新值小于设定的阈值时停止迭代，得到估计的对称轴角度。

（5）差分星座轨迹图对称性度量

在本具体实施方案中，接收端根据估计的对称轴角度选用对称分散度对每张差分星座轨迹图进行对称性度量，对称分散度的计算方式为：

其中代表取方差操作。

（6）对称轴角度选择

在本具体实施方案中，接收端选择对称分散度最小的差分星座轨迹图的对称轴角度作为最终的对称轴角度，即

（7）频偏估计

在本具体实施方案中，接收端根据对称轴角度和频偏、差分间隔以及采样间隔之间的关系，利用估计的对称轴角度可以估计出oqpsk信号的频偏为

通过在awgn信道下的matlab仿真，使用本方法对接收的信号进行频偏估计的性能如说明书附图3所示。在使用本方法对接收的信号进行频偏估计时，仿真系统中加入了100khz的频偏，采样点数n=100，由仿真结果可以看到，本发明的频偏估计方法在中高信噪比（大于13db）时，频偏估计的归一化均方误差与文献“ontheuseofcramer-rao-likeboundsinthepresenceofrandomnuisanceparameters”中推导的修正的克拉美罗界相比高了两倍左右。在低信噪比时，本发明方法的归一化均方误差结果存在一个阈值，当信噪比低到一定程度时，噪声模糊了差分星座轨迹图，以至于对称性不足或对称分散度过大导致对称轴估计不准确。

综上所述，采用oqpsk调制方式的通信系统的接收端通过估计对称性最佳的差分星座轨迹图的过原点对称轴角度来盲估计频偏，可以在中高信噪比下，不具备训练序列、成型滤波器等先验知识的场景中，对oqpsk系统的频率偏差进行准确的估计，从而可以在系统有很大频偏的情况下通过准确的频偏估计及补偿获得和无频偏情况下接近的系统性能或者为获得oqpsk调制通信系统的射频指纹特征提供条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。