一种数字调相信号载波相偏估计方法
【专利摘要】本发明涉及一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，(1)对接收的射频信号进行处理得到含有载波相偏θ0基带样值信号rn；(2)进行联合幂估计算法，利用对幂运算的接收信号样值rn进行求和运算，计算求和后的角度得到载波粗相偏估计值，并对接收信号进行相位补偿得到补偿信号rn′；(3)采用WPH算法对相位偏移进行进一步的校正计算，利用直线距离与rn′最接近的标准星座点集合{Cm}，判决与补偿信号{rn′}距离最接近的星座点Cn；测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移估计值；(4)进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i?1段相位进行差分并求均值。本发明联合M次幂算法，矫正相偏初始值，提高相偏估计精度，降低计算复杂度。
【专利说明】
-种数字调相信号载波相偏估计方法
技术领域
[0001] 本发明属于移动通信技术领域，具体设及一种数字调相信号载波相偏估计方法。
【背景技术】
[0002] 在大容量，大数据通信的时代背景下，有限的频谱资源显得弥足珍贵。在有限资源 下亟需找到合理的方法，提高频谱使用的有效性。因此，一些高效的调制方式如QAM (Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度调制），MPSK(Multiple Phase 化ift Keying,多进制数字相位调制）一直备受关注。在同一通信系统中，依据信道的条件也可能 采用不同的调制方式，例如HSPA+化i曲-Speed化cketAccess+，增强型高速分组接入技术） 信道质量好时，上行信道调制方式由QPSK改为16QAM，下行信道由16QAM改为64QAM，大大提 升了传输速率。LTE化ong Term Evolution,长期演进）关键技术0FDM(0;rthogonal Frequen巧Division Multiplexing，正交频分复用），更是采用了MPSK、QAM等基带调制技 术。因此研究WMPSK、QAM为代表的调相信号调制解调性能具有重要意义，为混合调制提供 重要的解决方案，并且可W为新型的无线通信，提供较好的借鉴意义。
[0003] 在数字通信中，由于接收端硬件电路的时变特性，引起信号的相位抖动等损害，导 致相位误差，因此在经过相干解调和下变频后得到的基带信号中，存在一定的相位偏差，运 些误差将最终导致接收信号的严重误码。
[0004] 假设数据辅助的前导信息已知或增益已知，那么在高信噪比条件下，可W较容易 的估算接近理想值的相位偏移值。但是，额外的辅助数据需要占用频谱资源，降低了系统传 输的有效性。
[0005] 非数据辅助同步的相偏估计方面研究主要包括快似然函数估计算法、幕估计算 法、直方图算法等。其中文献(Fee化ack blind曲ase sync虹onization for QAM si即als based on circular harmonic decomposition)中的似然估计算法的均方误差接近理想 值，然而此算法没有闭式解，因此计算量较大，难W进行实时处理。而文献（360° carrier phase measurement for UHF RFID local positioning)将四次方后的QAM星座按照幅度 的特点分为两类分别处理后，再进行去相位包裹。但是该方法估计精度不够高。因此有必要 找到一种既能保证相位估计有较高的估计精度，又有较好运算效率的非数据辅助估计算 法。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种数字调相信号载波相偏估 计方法，具体为一种利用WK1算法和幕估计算法联合估计载波相偏的方法，并对估计过程进 行简化，减少运算量。
[0007] 本发明所采用的技术方案为：
[000引一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其改进之处在于:所述方法包括
[0009] (1)对接收的射频信号进行处理得到含有载波相偏θ〇基带样值信号
[0010] (2)进行联合幕估计算法，利用对幕运算的接收信号样值rn进行求和运算，计算求 和后的角度得到载波粗相偏估计值，并对接收信号进行相位补偿得到补偿信号r/;
[0011] (3)采用WPH算法对相位偏移进行进一步的校正计算，利用直线距离与r。/最接近 的标准星座点集合{Cm}，判决与补偿信号{ΤηΜ距离最接近的星座点Cn;测量该相位直方图 加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移估计值；
[0012] (4)进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-1段相位进行差 分并求均值。
[0013] 可选的，所述步骤(1)包括数字调相信号解调系统接收的射频信号经过匹配滤波、 模数转换、定时恢复W及载波频偏补偿处理后得到含有载波相偏e〇基带样值信号rn;
[0014]
[0015] 其中，η表示样值数，dn表示发送的数字信号，Vn为高斯噪声。
[0016] 可选的，所述步骤(2)包括利用对幕运算的接收信号样值进行求和运算，幕运算为 四次幕，计算求和后的角度得到载波相偏，并对接收信号进行相位补偿得到r/;
[0017] (2.1)对接收样值rn求四次幕；
[0018] (2.2)对求得四次幕后的样值进行求和运算；
[0019] (2.3)现慢和运算后值的角度；
[0020] (2.4)根据角度信息计算得到相偏估计值r/。
[0021] 可选的，所述步骤(3)包括信号样值经过第一级幕估计相位补偿后的信号r。/，利 用直线距离与r/最接近的标准星座点集合{Cm}，判决与{ΤηΜ最接近的星座点Cn;此时设r/ 的相偏设为θη，计算θη与星座点Cn的相位差，并对V2取模运算，通过统计模运算后的相位差 在相位区间[-V4，V4化等分相位间隔恥中的分布得到相位直方图，即Ck = rect((9n-ik)/ (2VK));其中，rect( ·)表示矩形运算，测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值， 得到载波相位偏移值，WK1算法的估计范围为[-V4，V4 ]。
[0022] 进一步的，设需要估计信号的星座图为Cm;
[0023] 函数
[0024] R(n,m) =min[(real(rn)-real(Cm))^+(imag(rn)-imag(Cm))^]；
[0025] 利用R函数求出rn中距离M个星座点最近的星座Cn，进行对取模运算，
[0026]
[0027]将相位区间[-V4，V4]范围K等分，设为ik，判断此时rn的相位目η相对于恥的矩形 运算，得到式(2)所示的加权相位直方图：
[002引
[0029] 其中，rect(.)代表矩形运算，Ck = rect((0n-ik)/(V2K))进行如下简化：采用 V=L2w钟计算其位置，其中arg(R)表示求。的角度；!_·」代表向下取整；当kie
[0，Κ]，禹,=1，其余值为0;否则Ck = 〇;此时测量直方图二阶矩的峰值得到载波相偏值粗估 计值，如式(3)所示：
[0030]
[0031] 在初始计算时确定估计范围，即为[-V4，V4]，根据计算，可W得到最终相偏估计 为心=-；Γ /4 +皆1，采用联合幕估计算法估计如下式：
[0032]
[0033] 可选的，所述步骤(4)包括载波相偏进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的 第i段相位与前i-1段相位进行差分，并求均值，能使均值最小的相位，即为所求相偏；
[0034] 设第i段信号的相位为：
[0035]
,；
[0036] 第i段相位为与第i-1段接近的相位，因此得到相位估计值为：
[0037]
[0038] 其中，L表示总体样值量，N表示小段数据量。
[0039] 本发明的有益效果为：
[0040] 本发明结合了幕估计算法和WPH算法，通过多级估计的方式计算相偏，并对信号进 行补偿，为下一阶段进行的符号判决提供了必要的先决条件。该方案在一定程度上缓解了 算法中存在的计算精度和计算复杂度的有效性和可靠性之间的矛盾；
[0041 ]本发明联合Μ次幕算法，矫正相偏初始值，从而提高相偏估计精度，并对估计过程 进行简化，大大降低了计算复杂度;在无需借助信噪比W及辅助数据信息的情况下，本发明 表现出良好的估计性能，为数字调相信号盲相偏估计问题提供了一种简单而有效的解决方 案。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明提供的一种数字调相信号载波相偏估计算法流程示意图；
[0043] 图2是本发明提供的接收端数字调相信号解调模型结构示意图；
[0044] 图3是本发明提供的算法流程示意图；
[0045] 图4是本发明提供的幕估计算法流程示意图。
【具体实施方式】
[0046] 本发明提供了一种非数据辅助的数字调相信号载波相偏估计方法，由于本发明采 用联合估计，并且第一步粗估计采用幕估计算法，根据WPH算法进行进一步矫正计算W减小 误差。估计的误差可能存在相位跳变，算法最后采用差分的方法，抑制相位跳变。如图1所 示：
[0047] 步骤11，根据接收样值rn采用幕算法，计算粗相偏估计值θι;
[0048] 步骤12，利用粗估计值对信号相位进行补偿；
[0049] 步骤13,利用WPH算法计算进一步估计相位值，并对相位偏移进行进一步的校正 计算；
[0050] 步骤14,将第i段相位与前i-1段相位进行差分运算，能使其和最小的，即为该段的 相位值。
[0051] 步骤15,根据W上步骤，输出经相位偏移校正后的正确的数据流。
[0052] QAM信号接收端解调如图2所示，S(t)为发送信号，N(t)为噪声，接收端经过相干解 调和下变频后得到基带信号，由于接收端硬件电路的时变特性，引起信号的相位抖动等损 害，导致相位误差，在经过载波频偏估计及补偿后，仍然存在载波相位偏差。因此要经过算 法估计频偏值然后进行，W达到正确解调的目的。
[0053] 本发明提供的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，包括WPH算法和幕估计算 法;图3为算法的流程图，包括如下：
[0054] 步骤31，对接收数据进行相位补偿，补偿值为θ〇,得到补偿后的样值rn;
[0055] 步骤32,根据所求的具体星座图，如16QAM，判断与补偿后的rn距离最近的星座点 C"i，判断方式利用该样值点与星座点的直线距离。
[0056] 步骤33,根据判断的rn所属的Cmi，计算两者的角度差；
[0057] 步骤34,对计算的角度差值进行V2模运算；
[0化引步骤35，利用= L。巧伴)'K /'叫判断统计此时yn的相位在等间隔相位槽恥中对应 的位置，然后求取加权相位直方图；
[0059] 步骤36,将概率最大的相位区间的中间值作为相偏估计值。
[0060] 具体步骤如下：
[0061] 对于数字调相信号解调系统，接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复 W及频偏补偿等处理后得到含有载波相偏e〇的rn;
[0062] Γη=dne-^?+vn, η = 1,2, N (1)
[0063] 其中，η表示样值数，dn表示发送的数字信号，Vn为高斯噪声，需要估计信号的星座 图为Cm，
[0064] 设函数
[00化]R(n,m) =min[(real(；Tn)-real(Cm))2+(imag(；Tn)-imag(Cm))2];
[0066] 利用R函数求出rn中距离Μ个星座点最近的星座Cn，此时，计算相位差，因为WPH的估 计范围为[0，V2]，为了减小异常值对估计结果的影响，进行对V2取模运算，
[0067]
[006引将相位区间[-V4，V4]范围K等分，设为Ik，判断此时rn的相位目η相对于恥的矩形 运算，得到式(2)所示的加权相位直方图
[0069]
[0070] rect( ·)代表矩形运算，Ck = rect((0n-ik)/(V2K))为判断相位的位置，可W进行 如下简化:采用A,=L2"巧W'K/J」直接计算确定其位置，其中arg(R)表示求。的角度；L·」 代表向下取整。当kie[0，K]，每=1，其余值为0;否则Ck=〇。此时测量直方图二阶矩的峰值 得到载波相偏值粗估计值，如式(3)所示
[0071]
[0072] 本发明的载波相偏估计，采用直方图算法，在初始计算时需要确定估计范围，即为 [-V4，V4]，根据计算，可W得到最终相偏估计为6 = -^/4 +聲，加权相位直方图算法虽 然在低信噪比时改善了估计的效果，但是因为由于低信噪比情况下引起的统计误差并没有 被消除，而且在判决接收信号星座点归属问题上，对于QAM信号，随着其欧式距离的减小，将 越来越困难，必须考虑一种有效的算法将相偏范围缩小，使得直方图算法能够发挥较好的 效果。为了进一步提高估计精度，减小误差，采用联合幕估计算法估计思想，如式所示
[0073]
[0074] 首先采用幕估计算法计算初始相位估计值，然后对信号进行相位补偿，此时相位 中存在较小的相位偏移量。
[0075] 图4为幕估计算法计算流程，具体过程如下:利用对幕运算的接收信号样值进行求 和运算，幕运算为四次幕，计算求和后的角度得到载波相偏，并对接收信号进行相位补偿得 到η/ ;
[0076] 步骤41，对接收样值rn求四次幕；
[0077] 步骤42,对求得四次幕后的样值进行求和运算；
[0078] 步骤43，测量和运算后值的角度；
[0079] 步骤44，根据角度信息计算得到相偏估计值r/，但是此值误差较大，为粗估计值。
[0080] 在实际工程应用中，考虑到如果频偏算法不能较好的纠正相位噪声影响，或者输 入总样值量较大，必然会在分段处理相偏的时候，下一段的数据相偏量较大。因此，需要采 用一定的方法避免相位跳变情况。
[0081] 设第i段信号的相位为
[0082]
[0083] 实际相位可能为式几种相位中的一个。由于在连续的两段数据内，实际相位的连 续性，因此第i段相位应该是与第i-1段接近的相位，因此得到相位估计值为
[0084]
[0085] 式中，L表示总体样值量，N表示小段数据量。
[0086] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种 形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技 术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于:所述方法包括 (1) 对接收的射频信号进行处理得到含有载波相偏θ〇基带样值信号rn; (2) 进行联合幂估计算法，利用对幂运算的接收信号样值rn进行求和运算，计算求和后 的角度得到载波粗相偏估计值，并对接收信号进行相位补偿得到补偿信号 (3) 采用WPH算法对相位偏移进行进一步的校正计算，利用直线距离与最接近的标准 星座点集合{Cm}，判决与补偿信号{r、}距离最接近的星座点C n;测量该相位直方图加权后 的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移估计值； (4) 进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-Ι段相位进行差分并 求均值。2. 根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于:所述步 骤(1)包括数字调相信号解调系统接收的射频信号经过匹配滤波、模数转换、定时恢复以及 载波频偏补偿处理后得到含有载波相偏θ〇基带样值信号r n;其中，η表示样值数，dn表示发送的数字信号，vn为高斯噪声。3. 根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于:所述步 骤(2)包括利用对幂运算的接收信号样值进行求和运算，幂运算为四次幂，计算求和后的角 度得到载波相偏，并对接收信号进行相位补偿得到V n; (2.1) 对接收样值rn求四次幂； (2.2) 对求得四次幂后的样值进行求和运算； (2.3) 测量和运算后值的角度； (2.4) 根据角度信息计算得到相偏估计值V n。4. 根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于:所述步 骤(3)包括信号样值经过第一级幂估计相位补偿后的信号，利用直线距离与最接近的 标准星座点集合{C m}，判决与{^}最接近的星座点Cn;此时设的相偏设为θη，计算θη与星 座点C n的相位差，并对π/2取模运算，通过统计模运算后的相位差在相位区间[-31/4,π/4]Κ 等分相位间隔抓中的分布得到相位直方图，即|1< = ^(31:((011-1])1〇/(231/1〇);其中，代(31:(·) 表示矩形运算，测量该相位直方图加权后的函数的二阶矩的峰值，得到载波相位偏移值， WPH算法的估计范围为[-V4，V4 ]。5. 根据权利要求4所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于:设需要 估计信号的星座图为Cm; 函数 R(n,m) =min[(real(rn)-real(Cm))2+(imag(rn)-imag(Cm)) 2]； 利用R函数求出rn中距离M个星座点最近的星座Cn，进行对π/2取模运算，将相位区间[_V4，V4]范围Κ等分，设为也，判断此时化的相位θη相对于也的矩形运算， 得到式(2)所示的加权相位直方图：其中，rect( ·)代表矩形运算进行如下简化：采用 之=|_2flrg(《)l /^」计算其位置，其中arg(R)表示求rn的角度；[_·_)代表向下取整；当kie [0，Κ]，& =1，其余值为0;否则|k = 0;此时测量直方图二阶矩的峰值得到载波相偏值粗估 计值，如式(3)所示：在初始计算时确定估计范围，即为[-Ji/4,31/4]，根据计算，可以得到最终相偏估计为 g = -;τ/4 + #，采用联合幂估计算法估计如下式：6.根据权利要求1所述的一种数字调相信号盲载波相偏估计方法，其特征在于:所述步 骤(4)包括载波相偏进行相位跳变，提出相位差分运算，将求得的第i段相位与前i-Ι段相位 进行差分，并求均值，能使均值最小的相位，即为所求相偏； 设第i段信号的相位为：第i段相位为与第i-Ι段接近的相位，因此得到相位估计值为：其中，L表示总体样值量，N表示小段数据量。
【文档编号】H04L27/00GK106059984SQ201510925358
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年12月10日
【发明人】田兵, 刘晗, 张鹍, 张婷婷, 赵作斌, 徐盛涛, 武侠
【申请人】国网山东省电力公司烟台供电公司, 国家电网公司