基于频率补偿的qam信号的频偏估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于频率补偿的QAM信号的频偏估计方法，属于信号处理领域。选择传统的四次方倍频法和zfft相结合的方法，首先利用四次方倍频法和频谱搜索相结合的方法，初步估计出一个频偏值。然后利用这个粗估的频偏值进行下变频，把频谱搬移到较低的频段，再结合zfft频谱细化方法，利用频谱搜索估计出一个载波频偏值。最后把两步估计出的频偏值相加便得到了最终的载波频偏估计值。本发明由于采用zfft频谱细化的方法，相比于传统的四次方倍频法能大大的提高精度，相比于czt(Chirp?Z,线性调频Z变换)算法复杂度也降低了很多，在实际中有较为广泛的应用。
【专利说明】
基于频率补偿的QAM信号的频偏估计方法
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种基于频率补偿的QAM(正交幅度调制，Quadrature Amplitude Modulation)信号的频偏估计方法，属于信号处理领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着电子对战的兴起，电磁环境变得日益复杂，通信信号的截获面临着信 号源复杂且密集、噪声干扰大等一系列问题。QAM信号作为卫星通信领域一种常用的调制信 号，具有频谱利用率高、信息传输速率高等优点。但是，由于其在接收端的解调性能对载波 频率偏差非常敏感，并且如果频偏过大也会使一些QAM信号的识别算法性能下降。因此，对 于QAM信号的载波频偏估计一直是热门的研究方向。
[0003] 正因如此，经过多年的研究，QAM信号的载频估计算法已经比较成熟，归纳起来主 要有以下几个类别：最大似然法、自相关函数法、非线性变换法、循环累积量法等。其中，最 大似然法虽然估计精度很高，逼近克拉美罗下限，但是算法对于频偏估计的范围较小，且算 法复杂度较高；自相关函数法实现起来简单，性能较好且检测速度较快，缺点就是随着输入 信噪比的下降，性能急剧下降，要以大量增加采样数据为代价才能改善性能。在非线性变换 中，常见的就是平方倍频法和四次方倍频法，优点是能给出信号的载频参数，对干扰也有一 定的抑制作用，但是其精确度较低，一般会偏差几赫兹左右。基于循环累积量法的载波频偏 估计算法具有精度高、抗干扰能力强等优点，但是它的算法复杂度过高，而且对于高阶调制 信号的测频性能不是特别理想。
[0004] zoom-f ft (选带傅里叶变换，以下简称zf ft)能以指定的、足够高的采样频率分析 频率轴上任一窄带内信号的频谱结构。在序列变换点数相同的情况下，zfft可以获得更高 的频率分辨率;或者说，在相同的频率分辨率下，zfft比基带fft变换需要更少的傅里叶变 换点数。因此，可以用zfft来进行相应的频谱细化。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于频率补偿的QAM信号的 频偏估计方法，把非线性变换中的四次方倍频法和zfft结合起来，先利用四次方倍频法初 步估计出一个载波频偏值，然后选定一个频率轴区间，利用zfft对这段频谱进行细化，得到 一个补偿的频偏估计值，最终把两者结合起来即可以得到最终的结果。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用以下的技术解决方案：
[0007] -种基于频率补偿的QAM信号的频偏估计方法，具体步骤如下：
[0008] 步骤一、画出输入信号的fft变换的频谱图，大致确定信号的频谱范围；
[0009] 步骤二、利用步骤一所观测到的频谱范围，结合四次方倍频法初步求出载波频偏 的估计初值；
[0010] 步骤三、通过阈值，确定需要细化分析的频谱的上下界的频率值，选定一个频率轴 区间；
[0011] 步骤四、通过zfft变换对这段频谱进行细化，求出一个载波频偏估计补偿值；
[0012] 步骤五、把步骤二和步骤四求得的载波频偏估计初值和估计补偿值相加，即得最 终的载波频偏估计值。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：
[0014]本发明方法利用四次方倍频法和zfft频谱细化的方法，在保证了算法的复杂度较 低、运算速度较快的基础上，大幅度的提高了算法的精确度，对在实际应用中实时检测频偏 具有重要意义。
【附图说明】
[0015] 图1为输入信号的频谱图。
[0016] 图2是经过搬移后的信号频谱图。
[0017]图3为对信号进行四次方倍频以后的频谱图。
[0018] 图4为对一段特定的频带进行细化后的频谱图。
[0019] 图5为zfft的流程图。
[0020]图6为本发明的效果展示图。
[0021 ]图7为整个发明的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做更详细的描述。
[0023] 如图7所示，一种基于频率补偿的QAM信号的频偏估计方法，其具体实施步骤如下： [0024]步骤一、画出输入信号的fft变换的频谱图，大致确定信号的频谱范围。如图1所 示。这里为了处理数据的方便，把信号的中心频率移到10ΜΗΖ频率。如图2所示。
[0025]步骤二、利用步骤一所观测到的频谱范围，结合四次方倍频法初步求出载波频偏 的估计初值。
[0026]本实施例米用的是16QAM信号，其信号模型可以建模如下：
[0028]其中，Xk(t)代表接收到的信号，&代表接收到的信号的能量，0k代表不同的相 位信息，f。代表信号的载波频率，n(t)表示平稳的高斯白噪声。
[0029]对式(1)进行平方变换，得到公式(2)
[0031]再对式(2)进行平方，可得到四倍频以后的信号：
[0033] 式中，N(t)代表噪声项，具体为n4(t)+2pkn2(t)。
[0034] 从式(3)中可以看出，四倍频处的幅值为ρ\数量级，所以对四次方以后的信号进行 傅里叶变换后，会在四倍频处出现较为明显的峰值。如图3所示。
[0035] 搜索四倍频附近的频谱，找到频谱的最大值，则最大值对应的频率就是用四倍频 法估算出来的载频粗估计值。
[0036]步骤三、结合步骤二估计出来的载频值，设定一个阈值，通过阈值，确定需要细化 分析的频谱的上下界的频率值，选定一个频率轴区间，划定需要细化的那段频谱起始点。 [0037]步骤四、通过zfft变换对这段频谱进行细化，求出一个载波频偏估计补偿值，如图 4所示。
[0038] zfft的原理框图如图5所示。为了说明zfft的原理，我们做如下假设:本实施例中 我们所用的模拟信号为X(t)，经过A/D转换后可以得到采样时间序列x(n)(n = 0，l，2,…，N-1)，采样频率为fs，fi~为本实施例需要细化分析的频带，fo为细化的频带的中心频率，D 为细化的倍数，N为fft分析的点数。具体的操作分析如下：
[0039]第一步:对离散信号x(n)用eXp(-j23infQ/f s)进行复调制，目的是为了把需要细化 的频带的中心频率移至零频率点附近。
[0041] 第二步:数字低通滤波。为了保证重新采样后的信号不会发生频谱混叠，有必要进 行抗混叠滤波，滤出我们所需要细化分析的那一部分频带。频率细化倍数为D，则由奈奎斯 特采样定理可知低通滤波器的截止频率为fi) = fs/2D。
[0042] 第三步:重新采样。经过第一步和第二步以后，所需要细化分析的频带已经变得相 对来说比较窄了。因此，我们可以用较低的采样频率f s'=fs/D来进行重新采样。fs'相比于 原有的采样频率fs低了 D倍，也就是说对原采样点每隔N各点再抽取一次。
[0043]第四步:复fft变换。对重新采样的N点序列进行复fft变换，则会得到N条谱线，此 时的频率分辨率
，可见，频率分辨率提高了D倍。
[0044]第五步:搜索细化的这段频谱，找到频谱中的最大值，其所对应的频率值即为需要 补偿的那部分频偏值。
[0045]步骤五:把步骤二和步骤四求得的载波频偏估计初值和估计补偿值相加，即得最 终的载波频偏估计值，如图6所示。
【主权项】
1. 一种基于频率补偿的QAM信号的频偏估计方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤一、画出输入信号的fft变换的频谱图，大致确定信号的频谱范围； 步骤二、利用步骤一所观测到的频谱范围，结合四次方倍频法初步求出载波频偏的估 计初值； 步骤三、通过阈值，确定需要细化分析的频谱的上下界的频率值，选定一个频率轴区 间； 步骤四、通过zfft变换对这段频谱进行细化，求出一个载波频偏估计补偿值； 步骤五、把步骤二和步骤四求得的载波频偏估计初值和估计补偿值相加，即得最终的 载波频偏估计值。
【文档编号】H04L27/00GK106027454SQ201610205877
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月2日
【发明人】刘凯, 柴柯, 徐灵, 王培强
【申请人】上海大学