一種大頻偏系統(tǒng)下信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法＊

顧慶峰 楊仕平 王 健 劉紹華

（1.海軍駐廣州地區(qū)通信軍事代表室 廣州 510663）（2.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663）

一種大頻偏系統(tǒng)下信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法＊

顧慶峰1楊仕平2王 健2劉紹華2

（1.海軍駐廣州地區(qū)通信軍事代表室 廣州 510663）（2.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663）

互相關(guān)檢測(cè)算法是信號(hào)檢測(cè)中廣泛使用的方法，但是性能受本地載波頻偏影響較大。論文利用Chu序列的性質(zhì)，給出一類信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法，可以在大頻偏系統(tǒng)下進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并具有計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。

信號(hào)檢測(cè)；頻偏；互相關(guān)檢測(cè)；Chu序列

Class NumberTN911.22

1 引言

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的頻差以及客戶端設(shè)備移動(dòng)所帶來(lái)的多普勒頻移等影響，使得載波頻率與本地頻率之間存在著頻率偏移［1～3，8］。信號(hào)到達(dá)的正確檢測(cè)是進(jìn)行正確解調(diào)的前提，所以對(duì)于頻偏，首先要解決的問(wèn)題便是如何在頻偏下進(jìn)行準(zhǔn)確的信號(hào)檢測(cè)。互相關(guān)檢測(cè)算法是信號(hào)檢測(cè)中廣泛使用的方法［4，9］，但是如果頻偏較大，可能使得相關(guān)峰值變得很小，大大影響信號(hào)檢測(cè)的性能［5～7，10］。本文利用Chu序列的性質(zhì)，給出一類信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法，可以在大頻偏系統(tǒng)下進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并具有計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。

2 Chu序列及其在頻偏下的性質(zhì)

本節(jié)給出Chu序列的概念和其相關(guān)特性，并給出在頻偏下Chu序列的一些特性。

設(shè)虛數(shù)單位為j，長(zhǎng)為N的Chu序列｛u（k）i｝定義為

可以證明Chu序列的離散周期自相關(guān)函數(shù)（PACF）特性為

下面考慮Chu序列在頻偏下的情形，假設(shè)Chu序列的長(zhǎng)為N，正整數(shù)k滿足gcd（k，N）＝1。假設(shè)系統(tǒng)的符號(hào)率（碼片速率）為B（symbol／s），令f0＝kB／N，假設(shè)系統(tǒng)的頻偏為Δf＝mf0（Hz），其中m＝0，±1，±2…，并假定Chu起始位置的初始相位為φ0。若N為偶數(shù)，則經(jīng)過(guò)上述頻偏系統(tǒng)后的接收到的Chu序列｛y（k）i｝為

其中φ1＝－πkm2／N。若N為奇數(shù)，則經(jīng)過(guò)上述頻偏系統(tǒng)后的接收到的Chu序列｛y（k）i｝為

其中φ2＝－πk（m2＋m）／N。

上述的Chu序列在頻偏下的性質(zhì)在對(duì)于本文的下面給出的信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法是非常重要的。

3 大頻偏系統(tǒng)下信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)

利用Chu序列在特定頻偏值下的特性，本節(jié)給出一類信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法。設(shè)Chu序列的長(zhǎng)度N，假定系統(tǒng)頻偏Δf∈［－fmax，fmax］，令M，其中f0＝kB／N，通常選擇k＝1，于是f0＝B／N。令Pn1為長(zhǎng)度為N的Chu序列，Circ1為Pn1的尾部M個(gè)元素，即循環(huán)前綴，Circ2為Pn1的頭部M個(gè)元素，即循環(huán)后綴。即：

圖1 帶有循環(huán)前后綴的Chu序列

利用第2節(jié)的結(jié)論，系統(tǒng)頻偏為Δf＝mf0（m＝0，±1，±2，…，±M）（Hz）時(shí)，互相關(guān)特性為

從上面的分析計(jì)算可知，頻偏值Δf＝mf0（m＝0，±1，±2，…，±M）（Hz）時(shí)相關(guān)峰的模值為1，而且相關(guān)峰相對(duì)與沒(méi)有頻偏是左移m個(gè)符號(hào)。而在其他的頻偏值時(shí)，只會(huì)使得相關(guān)峰下降。圖2顯示了圖1結(jié)構(gòu)的序列和m序列在頻偏下的相關(guān)峰的變化，仿真中符號(hào)率B＝255000（symbol／s），Chu序列和m序列的長(zhǎng)度N＝255，f0＝B／N＝1000（Hz）。

從圖2可以看出，在f0＝1000（Hz）的倍數(shù)頻偏值處，圖1結(jié)構(gòu)的相關(guān)峰值為1，其他頻偏值出相關(guān)峰值有所下降，隨著頻偏的增大，相關(guān)峰呈周期狀，不會(huì)隨著頻偏值的增大而減小。而對(duì)于m序列，隨著頻偏值的增加，相關(guān)峰越來(lái)越小。所以對(duì)于大的頻偏，m序列無(wú)法捕獲到信號(hào)，而圖1結(jié)構(gòu)的序列完全可以捕獲到信號(hào)。

其模值為

圖2 不同頻偏下兩種方法相關(guān)峰峰值對(duì)比

以下討論中只假定系統(tǒng)的頻偏值為f0的整數(shù)倍，對(duì)于非f0整數(shù)倍的頻偏值，至多引入f0／2的頻偏誤差，如有需要，可以在信號(hào)檢測(cè)成功后再將這個(gè)的頻偏誤差作估計(jì)并補(bǔ)償即可。

接下來(lái)的討論總假定相關(guān)峰出現(xiàn)的位置是做相關(guān)的序列的起始位置。

假設(shè)信號(hào)檢測(cè)的相關(guān)峰的位置為q1，則可能的情況有2 M＋1種：Pn1的起始位置為q1＋m，頻偏為mf0Hz，其中m＝0，±1，±2，…，±M，這2 M＋1種情形是無(wú)法區(qū)分的，因?yàn)樗鼈兊某霈F(xiàn)相關(guān)峰的位置均為q1。

為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有的方法是在上述序列后面添加一個(gè)m序列（或其他序列），對(duì)于上述的每種情形的Pn1的起始位置，利用該m序列進(jìn)行頻域搜索（即嘗試各個(gè)頻偏值以期望獲得相關(guān)峰），如果f0的值較大，在每個(gè)位置上頻域的搜索次數(shù)會(huì)非常多，計(jì)算復(fù)雜度較高。下面是本文給出的新的設(shè)計(jì)方法，該方法與現(xiàn)有的添加m序列方法相比，不需要進(jìn)行頻域搜索，計(jì)算復(fù)雜度大大降低。

3.1 等長(zhǎng)共軛設(shè)計(jì)

假定系統(tǒng)頻偏Δf∈［－fmax，fmax］。設(shè)Chu序列的長(zhǎng)度通常選擇k＝1，于是f0＝B／N。令Pn1為長(zhǎng)度為N的Chu序列，Circ1為Pn1的尾部M個(gè)元素，即循環(huán)前綴，Circ2為Pn1的頭部M個(gè)元素，即循環(huán)后綴；Pn2為Pn1的共軛，Circ3和Circ4為Pn2的循環(huán)前綴和后綴。

設(shè)計(jì)序列如圖3。

圖3 等長(zhǎng)共軛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

上述的設(shè)計(jì)稱為等長(zhǎng)共軛設(shè)計(jì)。

首先利用Pn1進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，檢測(cè)到相關(guān)峰后利用Pn2進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，假設(shè)Pn1的相關(guān)峰的位置為q1，Pn2的相關(guān)峰位置為q2，則有如下結(jié)論：

證明：假設(shè)系統(tǒng)頻偏為mf0Hz，m∈［－M，M］，且為整數(shù)。真實(shí)的信號(hào)位置如下：Pn1起始位置為p1，Pn2起始位置為p2，于是Pn1與Pn2起始位置的中點(diǎn)的位置為根據(jù)第2章的結(jié)論，信號(hào)檢測(cè)的相關(guān)峰的位置q1＝p1－m。由于Pn2是Pn1的共軛，若N為偶數(shù)，則通過(guò)頻偏系統(tǒng)后，接收到的Pn2為

畢證。

利用上面的結(jié)論，便可以得到信號(hào)的準(zhǔn)確位置，當(dāng)然也可以得到Pn1起始位置為p1。再根據(jù)Pn1的相關(guān)峰的位置為q1和Pn1起始位置為p1，便可以初步估計(jì)出頻偏值為（p1－q1）f0（Hz），把該頻偏值補(bǔ)償后，如有需要，還可以利用上述序列進(jìn)行誤差更小的頻偏估計(jì)。

3.2 倍數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)的Pn2的長(zhǎng)度和Pn1的長(zhǎng)度相同，如果在系統(tǒng)資源有限，無(wú)法滿足Pn2的長(zhǎng)度和Pn1的長(zhǎng)度相同，可以考慮利用本節(jié)給出的設(shè)計(jì)方法，本節(jié)的方法中，Pn1的長(zhǎng)度是Pn2的長(zhǎng)度的整數(shù)倍，于是Pn2的長(zhǎng)度變短，節(jié)省了資源，但是Pn2的相關(guān)峰下降，性能也會(huì)隨之下降。

假定系統(tǒng)頻偏Δf∈［－fmax，fmax］。令Pn1為長(zhǎng)度為Nt的Chu序列，t為不下于2的正整數(shù)，令

，其中f0＝kB／（Nt），通常選擇k＝1，于是f0＝B／（Nt）。Circ1為Pn1的尾部M個(gè)元素，即循環(huán)前綴，Circ2為Pn1的頭部M個(gè)元素，即循環(huán)后綴；Pn2為長(zhǎng)度為N的Chu序列，Circ3和Circ4為Pn2的長(zhǎng)度為Mt循環(huán)前綴和后綴。

設(shè)計(jì)如圖4的序列。

圖4 倍數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

上述的設(shè)計(jì)稱為倍數(shù)設(shè)計(jì)。

首先利用Pn1進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，檢測(cè)到相關(guān)峰后利用Pn2進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)Pn1的相關(guān)峰的位置為q1，Pn2的相關(guān)峰位置為q2，并設(shè)Pn1和Pn2的起始位置距離為d，見(jiàn)圖5。

圖5 d的示意圖

則有如下結(jié)論：

證明：假設(shè)系統(tǒng)頻偏為mf0Hz，根據(jù)第2節(jié)結(jié)論，顯然q1＝p1－m，q2＝p2－mt，所以

把上式帶入q1＝p1－m，得p1＝q1＋

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Chu序列的性質(zhì)，給出了一類在大頻偏系統(tǒng)下的信號(hào)檢測(cè)序列的設(shè)計(jì)方法，即包括3.1節(jié)的等長(zhǎng)共軛設(shè)計(jì)和3.2節(jié)的倍數(shù)設(shè)計(jì)，如果用于信號(hào)檢測(cè)的符號(hào)數(shù)的資源充足，優(yōu)先考慮等長(zhǎng)共軛設(shè)計(jì)，因?yàn)镻n2的相關(guān)峰值與用于信號(hào)檢測(cè)的Pn1的相關(guān)峰值相同，足以保證其性能。若用于信號(hào)檢測(cè)的符號(hào)數(shù)的資源緊張，可以考慮倍數(shù)設(shè)計(jì)，付出的代價(jià)是性能的下滑。這兩種方法相比現(xiàn)有的方法，不需要進(jìn)行頻域搜索，大大節(jié)約了計(jì)算資源。

［1］唐宏，方文平，孫偉.一種LTE系統(tǒng)中基于循環(huán)前綴的載波頻偏估計(jì)方法［J］.電子測(cè)試，2010（4）：4－7.

［2］張津津，羅來(lái)源.大頻偏下信號(hào)相關(guān)檢測(cè)算法的改進(jìn)［J］.電信技術(shù)研究，2008（6）：14－17.

［3］尚耀波，郭英，龔成.一種QPSK信號(hào)數(shù)字解調(diào)大頻偏載波恢復(fù)算法［J］.通信技術(shù)，2008（12）：61－62.

［4］楊少華，任雪峰，蔣宇中，等.基于MAP－EM算法的COFDM頻偏跟蹤和信號(hào)檢測(cè)技術(shù)［J］.艦船電子工程，2010（7）：90－93.

［5］張?zhí)祢U，代少升，楊柳飛，等.在殘余頻偏下微弱直擴(kuò)信號(hào)偽碼周期的譜檢測(cè)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009（4）：777－781.

［6］鄭娟，韓靜，呂旌陽(yáng)，等.MIMO－OFDM系統(tǒng)中高性能同步算法［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：112－115.

［7］蔣莉，李宏偉，朱小鵬.大頻偏下OFDM系統(tǒng)的定時(shí)和頻率同步算法［J］.通信技術(shù)，2008（3）：22－24.

［8］任雪峰，蔣宇中，劉旋.OFDM系統(tǒng)的對(duì)數(shù)似然比最大化盲頻偏估計(jì)算法［J］.電訊技術(shù)，2010（12）：58－62.

［9］魏宇培，梁先明，廖龍靈.非協(xié)同突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)與解調(diào)［J］.電訊技術(shù)，2015（4）：395－400.

［10］Bahl L R，Cocke J，Jelinek E.Optimum Decoding of linear Codes for Minimizing Symbol Error Rate［J］.IEEE Transactions on Information theory，1974（2）：284－287.

Design Method of the Sequence of Signal Detection

GU Qingfeng1YANG Shiping2WANG Jian2LIU Shaohua2
（1.Navy Representative Office of Communication in Guangzhou，Guangzhou 510663）（2.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

A widely used method for signal detection is cross－correlation detection，but its performance suffers under large frequency offset.In this paper，a design method for the sequence of signal detection using some properties of Chu－sequence.The signal detection under large frequency offset is completed through this method，which can reduce the computational complexity.

signal detection，frequency offset，cross－correlation detetion，Chu－sequence

TN911.22DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.040

2015年5月3日，

2015年6月23日

顧慶峰，男，碩士，工程師，研究方向：無(wú)線通信。楊仕平，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。王健，男，碩士，工程師，研究方向：無(wú)線通信。劉紹華，男，碩士，工程師，研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。