一種適用于高動態超視距突發信道的頻偏估計方法

唐秋菊，劉 瑩，王洪磊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種適用于高動態超視距突發信道的頻偏估計方法

唐秋菊，劉 瑩，王洪磊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對通信系統在高動態超視距突發信道條件下難以實現準確快速的頻偏估計問題，提出了一種基于分集措施的FFT頻偏估計方法，該方法在實現快速頻偏估計的同時，估計精度亦可滿足通信系統解調需要。對其基本原理及實現方法進行了簡要介紹，并進行了Matlab仿真及室內測試。仿真及測試結果表明，該方法的頻偏估計誤差與FFT的頻率分辨率是相吻合的，驗證了該方法的可行性。

FFT；衰落信道；頻偏估計

0 引言

在通信系統中，當收發雙方的時鐘穩定度較低時，收發本振頻率之間會存在較大頻偏，在傳輸速率較低時，接收端無法實現載波及位同步的有效提取[1-2]，進而導致解調性能的下降[3]，因此必須對頻偏進行校正。尤其在地空通信系統中，通信的一方處于快速運動條件下，接收信號存在著較大的多普勒頻移[4]，實現信號固定載波頻偏的準確估計更加困難[5]。在連續通信系統中，可采用PLL算法進行載波鎖相同步處理方式，精確地實現載波頻偏的估計和恢復，但該方法入鎖時間相對較慢，需要較長的保護序列進行計算[6-7]。在突發通信系統中，每次突發同步都需要進行載波頻偏的計算和校正，要求載波同步快速鎖定，無法采用傳統的鎖相同步方式滿足這一需求[8]。本文提出了一種基于FFT運算的適用于高動態超視距突發信道的頻偏估計方法，基于FFT運算可以在有限的符號內快速計算信號的載波頻偏值，而通過分集的方式可以有效地平滑多普勒頻移帶來的估計偏差。

1 FFT頻偏估計基本原理

為了縮短環路的捕獲時間，采用一種有效的輔助捕獲技術即FFT頻偏估計方法[9-10]。在發送端發送通信信號的同時在適當的頻率位置插入一個稱為導頻的正弦波，在接收端將導頻通過下變頻搬移到基帶，通過低通濾波器濾除通信信號后，對接收到的導頻信息進行復數FFT 運算，得到其頻譜[11]，FFT變換公式為：

(1)

式中，N為FFT采樣點數，WN=e-2πi/N。

對式(1)中進行頻譜分析，根據頻譜能量求出最大值：

Rmax=max(abs(R))。

(2)

如果用fs的采樣率對信號進行采樣，對采樣得到的數據點數為N的序列進行FFT 運算，假設得到的頻譜中最大點的位置為k，則其對應的頻偏值為：

Δf=kfs/N。

(3)

2 基于分集措施的FFT頻偏估計原理

在地空通信系統中，由于通信的一方處于快速運動狀態，接收信號會存在較大的多普勒頻移，當仰角較低或者通信雙方超出視距范圍時，接收信號由于多徑傳輸會呈現出瑞利衰落特征[12]，在該信道條件下，導頻信號頻譜會產生彌散，使得FFT計算的最大值位置相對于實際固定載波頻偏位置發生偏移，偏移量為±fd內(fd為多普勒頻移數值)，當多普勒頻移較大時，估計結果偏差較大[13]。因此要進行有效的頻偏估計，必須采取分集措施[14-15]，將幾路信號的FFT 計算的最大值位置進行平均，將多普勒頻移帶來的估計偏移量進行抵消。

以采用4重頻率分集為例，將導頻信號頻率位置置于通信信號頻譜零點處，假設信號帶寬為2.4 kHz，發送端調制信號與導頻信號頻率間隔為7.2 kHz，調制器框圖如圖1所示。

圖1 調制器框圖

導頻信號為單頻信號，所占能量較小，為保證頻偏估計的準確性，可適當提高導頻信號能量，使每個導頻的檢測信噪比應達20 dB以上(在恒參信道條件下，為保持比特同步及幀同步完整性，解調信號最低信噪比為8 dB)，發射信號頻譜示意圖如圖2所示。

圖2 信號頻譜示意圖

在接收端，4路接收信號經過數字下變頻后將導頻信號變換到基帶，然后分別對4路信號進行FFT運算，得到各路頻譜能量最大值位置后進行均值計算，作為最終頻差指導通信信號數字下變頻本振的頻率控制字，以消除收發本振頻率之間的頻差，頻偏估計原理框圖如圖3所示。

圖3 頻偏估計的原理圖

3 仿真結果

通過Matlab對通過具有大多普勒頻移的瑞利信道進行仿真，多普勒頻移為50 Hz(在工作頻率為400 MHz時，時速約135 km/h)，采樣頻率fs為12 kHz，FFT的點數N為1 024點，此時FFT算法的頻率分辨率(即FFT變換后兩根譜線之間的間隔)為fs/N=11.7 Hz，當接收導頻信號的信噪比(SNR)為20 dB時，預置不同的頻偏，其估計值分別如圖4所示。

圖4 預置頻偏值與頻偏估計值柱形圖

由圖4中可以看出，在該條件下，頻偏估計的誤差在±10Hz之內，該誤差與FFT運算的頻率分辨率11.7Hz是相吻合的，且在傳輸速率為2 400bps時，剩余頻偏對給系統造成的性能損失可以忽略。

4 系統驗證

在硬件平臺上進行了系統測試，采用信道模擬器模擬超視距信道狀態，設備均采用相同的參考時鐘，消除本振之間的頻差，在高頻設備(下變頻)處預置不同的頻偏值，在解調器通過上述方法進行頻偏估計，其系統測試框圖如圖5所示。

圖5 系統測試圖

信道模擬器信道類型設置為瑞利信道，多普勒頻移設置為50Hz，信噪比設置為20dB，測試結果如表1所示，由表中可以看出，硬件測試的頻偏估計的誤差與Matlab的仿真結果是相吻合的。

表1 頻偏值與頻偏估計值

預置頻偏值/Hz頻偏估計值/Hz5044100110200208300292400402500515600617

5 結束語

針對衰落信道下低速傳輸時，信號對頻偏變化的敏感性增強、相干載波不易提取的問題，提出了一種適用于高動態超視距突發信道的基于FFT運算的頻偏估計方法，該方法計算簡單、工程應用性較好，在有限的符號內可快速得到載波頻偏值，并可有效平滑多普勒頻移帶來的估計偏差。本文對其進行了Matlab仿真，并在硬件平臺上進行了測試，仿真及室內測試結果均驗證了該方法的可行性。

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Research on a Method of Frequency Offset Estimation for High Dynamic BLOS Burst Channel

TANG Qiu-ju，LIU Ying，WANG Hong-lei

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

To solve the difficult problems of estimating the frequency offset accurately and rapidly under the high dynamic BLOS burst channel in communication systems，a method of frequency offset estimation using FFT based on diversity technology is proposed.Not only can the estimating of the frequency offset be quickly realized，but also the accuracy can meet the requirement of demodulation.The basic principle and implementation scheme of the method are briefly introduced.The simulation of this method in Matlab and the test on the hardware platform are conducted.The results of simulation and the experiment data processing validate that the estimation error is consistent with the frequency resolution of FFT and the feasibility of the method is verified.

FFT；fading channels；frequency offset estimation

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.11

唐秋菊，劉 瑩，王洪磊.一種適用于高動態超視距突發信道的頻偏估計方法[J].無線電通信技術,2017,43(3):46-48.

[TANG Qiuju，LIU Ying，WANG Honglei.Research on a Method of Frequency Offset Estimation for High Dynamic BLOS Burst Channel [J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：46-48.]

2017-01-05

通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室基金項目(EX156410046)

唐秋菊(1984—)，女，工程師，主要研究方向：散射通信。劉 瑩(1974—)，男，高級工程師，主要研究方向：散射通信。

TN911.7

A

1003-3114(2017)03-46-3