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數(shù)字通信中載波頻偏盲估計的一種新算法

2008-08-21
作者:高云峰, 劉粉山

  摘 要: 給出了一種適用于MPSK、MQAM和MPAM解調(diào)的非數(shù)據(jù)輔助(NDA)載波頻偏估計" title="頻偏估計">頻偏估計算法,利用自相關(guān)函數(shù)提取載波頻偏信息,該方法具有速度快" title="速度快">速度快、頻偏估計范圍大的優(yōu)點。計算機仿真結(jié)果表明了估計范圍可以達到±80%的符號速率。
  關(guān)鍵詞: 數(shù)字通信 非數(shù)據(jù)輔助 載波頻偏估計 載波同步


  許多通信系統(tǒng)都要求快速恢復(fù)載波。在數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計算法中,利用已知的訓(xùn)練序列,可快速估計載波頻偏[1]。而在非數(shù)據(jù)輔助(NDA)的頻偏估計算法中,由于不使用訓(xùn)練序列,在波特率采樣輸出的情況下, 必須消除發(fā)送數(shù)據(jù)的相位信息。如文獻[2]中,使用了M次方的非線性運算。該方法必須知道發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制類型,且在符號定時恢復(fù)比較理想的情況下才有很好的性能,同時對于MQAM調(diào)制,M次方的運算也不能完全消除發(fā)送數(shù)據(jù)的相位信息。
  基于上述問題,本文提出了一種不需要知道發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制類型(MQPSK MQAM MPAM),也無需進行符號定時恢復(fù)的載波頻偏估計NDA算法。該算法對輸入數(shù)據(jù)進行兩倍的波特率的采樣,利用相鄰樣點之間的相關(guān)信息估計載波的頻偏。
1 載波頻偏估計算法
  數(shù)字通信接收機中,經(jīng)過匹配濾波后,接收的信號可以表示為:
  
  式中,sk為發(fā)送的復(fù)數(shù)據(jù)信號序列,△f為載波頻偏,θ為載波初始相偏,T為符號周期,n(t)為零均值復(fù)高斯白噪聲" title="高斯白噪聲">高斯白噪聲,N0為單邊帶" title="單邊帶">單邊帶功率譜密度,g(t)為整個信道的沖擊相應(yīng),τ為接收延時。
  如果采樣周期" title="采樣周期">采樣周期為,則一個符號采2個樣點,這兩個樣點之間不是獨立的,而是存在著一定的相關(guān)性,其中包含了頻偏的信息。經(jīng)過采樣后的接收信號為:
  
  由(2)式可以看出,由于一個符號采樣2個樣點后,R≠0,故:
  
  因為存在噪聲等因素, (3)式估計的頻偏在均值附近波動,需要對其濾波,以提高估計性能。
  文獻[3]給出了一種基于最大似然估計的加平滑函數(shù)的濾波器系數(shù)。為了減少計算量,本文采用簡單的均值濾波。設(shè)第k次估計的頻偏為△fk,則:
  

2 算法的性能分析與仿真結(jié)果
  從算法的推導(dǎo)過程可以看出,有二個因素影響估計的結(jié)果,即信噪比的大小和估計頻偏時所用的符號個數(shù)。而符號定時偏差和調(diào)制類型對估計影響不大。從(2)、(3)式可以看出,該算法的理論頻偏估算范圍為[-1/T, 1/T],估計范圍很大。
  為了驗證本算法的性能,采用QPSK 和16QAM兩種調(diào)制方式,估計頻偏的符號個數(shù)取N=100和N=200,在為3DB、6DB、10DB,符號定時偏差為T時,利用matlab分別進行1000次仿真實驗,其QPSK 和16QAM的頻偏估計方差如圖1至圖4 所示,X軸為歸一化的頻偏△f T,Y軸為估計方差var(△f T)。


  從仿真結(jié)果可以看出,該方法對符號定時偏差和調(diào)制類型不敏感,這對于具有自動調(diào)制類型識別功能的接收機尤為重要。該算法可以在符號定時恢復(fù)前進行,對于一些對頻偏比較敏感的定時恢復(fù)算法[4],可以提高其定時恢復(fù)性能。
  本文給出的算法不需要數(shù)據(jù)的先驗信息,且運算量相對較小。仿真結(jié)果表明,使用本算法的前向載波同步方式的同步速度快、捕獲的頻率范圍寬、估計方差較小,在數(shù)字通信中尤其對自動調(diào)制類型識別的智能接收機有較好的應(yīng)用前景。
參考文獻
1 蔣立平,付 銳,吉訓(xùn)生. 全數(shù)字載波捕獲算法.南京理工大學(xué)學(xué)報, 2002;26(1)
2 許廣明, 陳 穎, 陳吉忠. 一種適合突發(fā)數(shù)字通信的快速載波頻偏估計算法.電訊技術(shù),2003
3 Kay SM. A fast and accurate single frequency estimatior[J]. IEEE Trans on Acoustics,Speech, Signal Processing, 1989;37(12): 1987~1990
4 韓 鋼,李建東,陳 晨.一種用于調(diào)制識別的盲碼元定時估計算法. 通信學(xué)報,2003;24(12)

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