一种无线系统的频偏估计方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线系统的频偏估计方法。


背景技术：

2.电力线双模通信系统结合电力线载波通信与无线通信两种方式，在智能家居、智能电表等场景中有着重要应用。无线系统主要应用于电力线载波通信的采集盲区，采用ofdm调制技术通过无线空间传输数据。ofdm技术是一种能有效对抗多径信道衰落的调制方法。但是由于在ofdm调制、解调系统中,收发两端本地振荡器的不完全匹配、无线信道的非线性或多普勒频移所产生的载波频率偏移，会减小信号幅度、产生相位畸变并破坏ofdm子载波间的正交性从而引起载波间干扰，导致信噪比的缺失。因此，ofdm调制对载波频率偏移敏感，小的频率偏移也会使系统性能严重下降。
3.若能准确估计频率偏移的数值并对其进行补偿，将大大提升无线系统的性能，因此，载波频率偏移的估计性能是影响通信系统的关键因素。双模通信系统中的无线通信系统在信号前设计了特殊的训练序列，可用于位置同步、频偏估计等。然而电力线双模通信系统涉及的环境复杂多变，频率偏移范围浮动广，信噪比变化范围大，普通频率估计方案可估计频率偏差的准确度与精度相对有限并且未考虑帧同步结果有误的影响以及较多高复杂度计算的存在。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种无线系统的频偏估计方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种无线系统的频偏估计方法，所述方法应用于无线通信系统物理层，物理层协议数据单元ppdu的前导结构包括短训练域stf和长训练域ltf，所述方法包括：
7.接收目标数据，对所述目标数据进行预处理，计算所述目标数据的信噪比估计值；所述目标数据符合所述ppdu的前导结构；
8.根据所述信噪比估计值和预设的门限值，匹配处理所述目标数据的频偏估计算法；
9.若所述信噪比估计值小于预设的门限值，则使用第一频偏估计算法处理所述目标数据；所述第一频偏估计算法为高精度的频偏估计算法，用于对所述目标数据中所述stf的部分符号取共轭相关和并求相角值，根据相角值与频偏值关系计算频率偏移值；
10.若所述信噪比估计值不小于预设的门限值，则使用第二频偏估计算法处理所述目标数据；所述第二频偏估计算法为低精度的频偏估计算法，用于对所述目标数据中所述ltf的部分符号取共轭相关和并求相角值，根据相角与频偏值关系求频率偏移值。
11.可选地，接收目标数据，对所述目标数据进行预处理，计算所述目标数据的信噪比
估计值，包括:
12.接收目标数据，截取所述目标数据在预设位置的预设长度的数据r
test
；
13.计算r
test
的功率p
sn
：
[0014][0015]
其中，x为r
test
的长度；
[0016]
估计所述目标数据的信噪比snr
esti
：
[0017][0018]
可选地，r
test
为所述目标数据在帧同步位置后0.5fft周期长度到1.5fft周期长度的数据。
[0019]
可选地，使用第一频偏估计算法处理所述目标数据，包括：
[0020]
根据帧同步位置截取所述目标数据中的目标信号帧；
[0021]
截取目标信号帧中所述stf在第一预设位置的第一部分符号，根据无线通信系统物理层的当前模式，截取目标信号帧中所述stf第二预设位置的第二部分符号；
[0022]
对所述第二部分符号取共轭，与所述第一部分符号中对应点依次相乘，再对点乘结果求和，得到相关值：
[0023][0024]
其中，s
1i
表示所述第一部分符号中第i个采样点的值，s
2i
表示所述第二部分符号中第i个采样点的值，l为所述第一部分符号中采样点的总数；
[0025]
计算所述相关值对应的角度值：
[0026]
phase_s＝angle(cor_s)
[0027]
根据所述角度值计算对应的频偏数值：
[0028][0029]
其中，d＝nl，n为所述第一部分符号和所述第二符号之间的间隔符号数，ts是采样周期。
[0030]
可选地，所述stf中包含n
stf
个s符号；无线通信系统物理层的模式包括第一模式、第二模式和第三模式；当无线通信系统物理层为第一模式，n
stf
为40，n为32；当无线通信系统物理层为第二模式，n
stf
为20，n为15；当无线通信系统物理层为第三模式，n
stf
为10，n为7；所述第一部分符号为所述stf的2个s符号，所述第二部分符号为所述stf的第n+2个s符号。
[0031]
可选地，使用第二频偏估计算法处理所述目标数据，包括：
[0032]
根据帧同步位置截取所述目标数据中的目标信号帧；
[0033]
根据无线通信系统物理层的当前模式，截取目标信号帧中所述ltf在第三预设位置的第三部分符号，截取目标信号帧中所述ltf第四预设位置的第四部分符号；
[0034]
对所述第四部分符号取共轭，与所述第三部分符号中对应点依次相乘，再对点乘
结果求和，得到相关值：
[0035][0036]
其中，l
1i
表示所述第三部分符号中第i个采样点的值，l
2i
表示所述第四部分符号中第i个采样点的值，m为所述第三部分符号中采样点的总数；
[0037]
计算所述相关值对应的角度值：
[0038]
phase_l＝angle(cor_l)
[0039]
根据所述角度值计算对应的频偏数值：
[0040][0041]
其中，n＝2m为所述第三部分符号和所述第四符号之间的间隔，ts是采样周期。
[0042]
可选地，一个ltf符号包含两个长度均为0.5n
fft
的子符号，分别记作a和b，所述ltf由5个子符号组成顺序是babab；无线通信系统物理层的模式包括第一模式、第二模式和第三模式；当无线通信系统物理层分别为第一模式、第二模式和第三模式，n
fft
分别为128、64和32；所述第三部分符号为所述ltf中的两个子符号a。
[0043]
本发明实施例提供了一种无线系统的频偏估计方法，物理层协议数据单元ppdu的前导结构包括短训练域stf和长训练域ltf，该方法应用于无线通信系统物理层，包括:接收目标数据，对目标数据进行预处理，计算目标数据的信噪比估计值；目标数据符合ppdu的帧结构；根据信噪比估计值和预设的门限值，匹配处理目标数据的频偏估计算法；若信噪比估计值小于预设的门限值，则使用第一频偏估计算法处理目标数据；第一频偏估计算法为高精度的频偏估计算法，用于对目标数据中stf的部分符号取共轭相关和并求相角值，根据相角值与频偏值关系计算频率偏移值；若信噪比估计值不小于预设的门限值，则使用第二频偏估计算法处理目标数据；第二频偏估计算法为低精度的频偏估计算法，用于对目标数据中ltf的部分符号取共轭相关和并求相角值，根据相角与频偏值关系求频率偏移值。本发明采用的频偏估计方法解决了传统频偏估计方法在低信噪比小频偏时频偏估计准确度与精度较差的问题，在信噪比较差的环境下切换为精度更高的频偏估计算法，有效改善了频偏估计算法精度，增强了无线系统的通信性能，通过一次求相角运算即可达到与多次求相角再取均值相近甚至更优的效果，降低了模块计算成本与计算时间。
附图说明
[0044]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0045]
图1是电力双模通信的无线物理层的ppdu帧的前导结构图；
[0046]
图2是电力双模通信的无线物理层的一种stf模式时stf的结构图；
[0047]
图3为本发明实施例提供了一种无线系统的频偏估计方法的流程图；
[0048]
图4为使用第一频偏估计算法截取目标数据中的目标信号帧的示意图；
[0049]
图5为使用第二频偏估计算法截取目标数据中的目标信号帧的示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
现有技术中，电力双模通信中对无线信号在帧头设计了相应的训练序列，用于估计频偏等影响系统性能的因素。完整的ppdu(physical layer protocal data unit,物理层协议数据单元)帧结构由stf(short training field,短训练域)、ltf(long training field,长训练域)、phr(physical header,物理帧头)、sig(phr control signal,phr控制字)和psdu(phy service data unit,物理层服务数据单元)共同组成，其中stf与ltf组成ppdu的前导结构，如图1所示。
[0052]
电力双模通信的无线物理层共有三种stf模式，以模式三为例，stf的内部结构如图2所示。stf包含n
stf
个s符号，三种模式中n
stf
取值分别为40、20、10，单个s符号对应1/8、1/4、1/2个fft周期长度。
[0053]
为了计算信号载波的频偏估计值，首先截取第一个s符号和第2个s符号做共轭相关，对相关值依次求相角再取均值，由相角均值计算频偏值，具体公式如下：
[0054][0055]
其中，s1为stf中第1个s符号，s2为stf中第n个s符号，s
1i
表示符号s1中第i个采样点，l为s1中采样点总数，ts是采样周期。
[0056]
本方案中模式三可估计的频率偏移范围是[-fc,fc)，信噪比较低时该方案的估计准确度较低，各点的估计值在可估计的频偏范围内有较大的波动，而s符号中采样点数较少，精度较低，使得估计结果的均值失去作用。估计值与实际频偏值之间的剩余频偏将对通信系统造成严重的影响。
[0057]
本发明实施例提供了一种无线系统的频偏估计方法。参见图3，图3为本发明实施例提供了一种无线系统的频偏估计方法的流程图。该方法应用于无线通信系统物理层，物理层协议数据单元ppdu的前导结构包括短训练域stf和长训练域ltf，可以包括以下步骤:
[0058]
s301，接收目标数据，对目标数据进行预处理，计算目标数据的信噪比估计值。
[0059]
s302，根据信噪比估计值和预设的门限值，匹配处理目标数据的频偏估计算法。
[0060]
s303，若信噪比估计值小于预设的门限值，则使用第一频偏估计算法处理目标数据。
[0061]
s304，若信噪比估计值不小于预设的门限值，则使用第二频偏估计算法处理目标数据。
[0062]
第一频偏估计算法为高精度的频偏估计算法，用于对目标数据中stf的部分符号取共轭相关和并求相角值，根据相角值与频偏值关系计算频率偏移值；第二频偏估计算法为低精度的频偏估计算法，用于对目标数据中ltf的部分符号取共轭相关和并求相角值，根据相角与频偏值关系求频率偏移值。
[0063]
目标数据符合ppdu的前导结构。
[0064]
基于本发明实施例提供的一种无线系统的频偏估计方法，解决了传统频偏估计方法在低信噪比小频偏时频偏估计准确度与精度较差的问题，在信噪比较差的环境下切换为
精度更高的频偏估计算法，有效改善了频偏估计算法精度，增强了无线系统的通信性能，通过一次求相角运算即可达到与多次求相角再取均值相近甚至更优的效果，降低了模块计算成本与计算时间。
[0065]
在一个实施例中，步骤s301可以包括以下步骤:
[0066]
步骤一，接收目标数据，截取目标数据在预设位置的预设长度的数据r
test
。
[0067]
步骤二，计算r
test
的功率p
sn
：
[0068][0069]
其中，x为r
test
的长度；
[0070]
步骤三，估计目标数据的信噪比snr
esti
：
[0071][0072]
在一个实施例中，r
test
为目标数据在帧同步位置后0.5fft周期长度到1.5fft周期长度的数据。
[0073]
一种实现方式中，使用0.5fft周期长度到1.5fft周期长度处信号可以增强系统的同步误差容忍度。
[0074]
在一个实施例中，使用第一频偏估计算法处理目标数据，包括：
[0075]
步骤一，根据帧同步位置截取目标数据中的目标信号帧。
[0076]
步骤二，截取目标信号帧中stf在第一预设位置的第一部分符号，根据无线通信系统物理层的当前模式，截取目标信号帧中stf第二预设位置的第二部分符号。
[0077]
步骤三，对第二部分符号取共轭，与第一部分符号中对应点依次相乘，再对点乘结果求和，得到相关值：
[0078][0079]
其中，s
1i
表示第一部分符号中第i个采样点的值，s
2i
表示第二部分符号中第i个采样点的值，l为第一部分符号中采样点的总数。
[0080]
步骤四，计算相关值对应的角度值：
[0081]
phase_s＝angle(cor_s)
[0082]
根据角度值计算对应的频偏数值：
[0083][0084]
其中，d＝nl，n为第一部分符号和第二符号之间的间隔符号数，ts是采样周期。
[0085]
在一个实施例中，stf中包含n
stf
个s符号；无线通信系统物理层的模式包括第一模式、第二模式和第三模式；当无线通信系统物理层为第一模式，n
stf
为40，n为32；当无线通信系统物理层为第二模式，n
stf
为20，n为15；当无线通信系统物理层为第三模式，n
stf
为10，n为7；第一部分符号为stf的2个s符号，第二部分符号为stf的第n+2个s符号。
[0086]
在一种实现方式中，参见图4，图4为使用第一频偏估计算法截取目标数据中的目标信号帧的示意图。第一部分符号为图4中s1，第二部分符号为图4中s2。
[0087]
在一个实施例中，使用第二频偏估计算法处理目标数据，包括：
[0088]
步骤一，根据帧同步位置截取目标数据中的目标信号帧。
[0089]
步骤二，根据无线通信系统物理层的当前模式，截取目标信号帧中ltf在第三预设位置的第三部分符号，截取目标信号帧中ltf第四预设位置的第四部分符号。
[0090]
步骤三，对第四部分符号取共轭，与第三部分符号中对应点依次相乘，再对点乘结果求和，得到相关值：
[0091][0092]
其中，l
1i
表示第三部分符号中第i个采样点的值，l
2i
表示第四部分符号中第i个采样点的值，m为第三部分符号中采样点的总数。
[0093]
步骤三，计算相关值对应的角度值：
[0094]
phase_l＝angle(cor_l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0095]
根据角度值计算对应的频偏数值：
[0096][0097]
其中，n＝2m为第三部分符号和第四符号之间的间隔，ts是采样周期。
[0098]
在一个实施例中，一个ltf符号包含两个长度均为0.5n
fft
的子符号，分别记作a和b，所述ltf由5个子符号组成顺序是babab；无线通信系统物理层的模式包括第一模式、第二模式和第三模式；当无线通信系统物理层分别为第一模式、第二模式和第三模式，n
fft
分别为128、64和32；所述第三部分符号为所述ltf中的两个子符号a。
[0099]
在一种实现方式中，参见图5，图5为使用第二频偏估计算法截取目标数据中的目标信号帧的示意图。第三部分符号为图5中l1，第四部分符号为图5中l2。
[0100]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。