一种基于连续分段滑窗估计频偏的频率跟踪方法

摘要

本发明公开了一种基于连续分段滑窗估计频偏的频率跟踪方法，通过将独特码符号去调制信息后按固定长度分段，再对每段独特码分组累加，然后将每段累加值采用M&M算法进行频率估计，得到各个分段的频偏估计值，紧接着以一定的独特码窗长依次向右滑动，再按固定独特码长度依次计算出各个分段的频率估计值，由此可得到一系列连续的频率估计值，最后采用这些连续频偏估计值对连续数据帧进行分段频偏补偿。本发明基于连续帧结构，利用载波辅助独特码符号分段滑窗估计频偏，并分段进行频偏补偿的方法来实现了精频率同步。能够尽量降低频偏动态变化对载波跟踪性能的影响，提升解调性能。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统领域，特别是涉及一种基于连续分段滑窗估计频偏的频率跟踪 方法。

背景技术

在卫星移动通信系统中，经过解调下变频后的基带信号非常容易受环境、晶振不稳定以 及多普勒频率偏移的影响，从而含有动态变化的载波频率偏移，这个频率偏移会导致星座点 偏移从而使接收机无法正确地解调信源信号，因此解调之前需要进行准确地载波频率同步并 补偿。通常载波频率同步分两个步骤完成，即首先进行载波初始捕获和同步，补偿掉大部分 频偏；其次再完成剩余频偏的捕获和跟踪。鉴于初始频率捕获准确度及频偏动态变化的影响， 准确地进行剩余频偏跟踪就变得尤为重要。现在普遍采用独特码符号辅助传输技术，在静态 或动态频偏变化较小情况下已有多种独特码辅助频率估计算法，如kay算法、FFT算法等， 但这些算法在高动态频偏变化环境下的频率估计性能很不理想，在进行频率补偿时常常会引 入较大的频率误差，从而使频率跟踪性能下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于连续帧结构，利用载波辅助独特 码符号分段滑窗估计频偏，并分段进行频偏补偿的方法来实现精频率同步。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于连续分段滑窗估计频偏的频率跟 踪方法，包括以下步骤：

S1：将本地已知的独特码符号与从接收信号中提取出的独特码符号求共轭相关，去掉调 制信息；

S2：对去调制信息后的独特码符号按固定长度分段；

S3：对每段独特码分组累加；

S4：将每段累加值采用频率估计算法进行频率估计，得到各个分段的频偏估计值；

S5：以一定的独特码窗长依次向右滑动，再按固定独特码长度依次计算出各个分段的频 率估计值，由此得到一系列连续的频率估计值；

S6：采用步骤S5得到的一系列连续的频率估计值对连续数据帧进行分段频偏补偿。

所述频率估计算法采用M&M算法，M&M算法进行频率估计的工作流程为：

SS1：N个独特码累加值求自相关；

SS2：计算自相关函数的相位增量；

SS3：相位增量乘以平滑因子；

SS4：M个平滑相角累加后计算出频率估计值。

所述M&M算法的频偏估计公式为：

式中，T_s为符号周期，w(m)为平滑因子，R(m)为定义的自相关函数，arg{}为求角度函数， 单位为弧度，有：

$w\left(m\right)=\frac{3(N-m)(N-m+1)-3M(N-M)}{M(4M^2-6MN+3N^2-1)}$

$R\left(m\right)=\frac{1}{N-m}\underset{k=m+1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(Z_k\right){\left(Z_{k-m}\right)}^{*},1\le m\le M$

其中M为算法设计参数，取值为M＝N/2，N为独特码累加值长度，Z_k表示去调制后的独 特码累加信号。

本发明的有益效果是：基于连续帧结构，利用载波辅助独特码符号分段滑窗估计频偏， 并分段进行频偏补偿的方法来实现了精频率同步。解决了现有算法在高动态频偏变化环境下 的频率估计性能很不理想，在进行频率补偿时常常会引入较大的频率误差，从而使频率跟踪 性能下降的问题。本发明能够尽量降低频偏动态变化对载波跟踪性能的影响，提升解调性能。

附图说明

图1为本发明频率跟踪流程图；

图2为M&M频率估计流程图；

图3为分段频偏补偿示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所 述。

本发明通过将独特码符号去调制信息后按固定长度分段，再对每段独特码分组累加，然 后将每段累加值采用M&M算法进行频率估计，得到各个分段的频偏估计值，紧接着以一定 的独特码窗长依次向右滑动，再按固定独特码长度依次计算出各个分段的频率估计值，由此 可得到一系列连续的频率估计值，最后采用这些连续频偏估计值对连续数据帧进行分段频偏 补偿。

卫星通信系统通常按帧传输，每帧数据由独特码(UW)、数据块组成，假定每帧数据独 特码个数为L，各个独特码之间的数据符号个数均为R，连续分段滑窗估计精频偏的频率跟 踪流程如图1所示。

根据图1所示，首先本地已知的独特码符号与从接收信号中提取出的独特码符号求共轭 相关(即共轭相乘)，去掉调制信息；之后将其分段，如独特码固定长度为256，即L＝256， 根据实际应用中每帧动态频偏的大致变化范围，可将共轭后的独特码进行分段，如将256个 UW分为4段，每段则包含64个独特码；再根据数据帧的动态频偏范围与M&M算法的最大 频率估计范围的综合考虑，可将每段独特码分为n组，每组m个UW进行累加，则此时M&M 算法的最大频率估计范围为{-F_d/(2*m*R),F_d/(2*m*R)}，其中F_d为信道帧的符号速率， 只要保证数据帧的最大动态频偏一定在M&M算法的频率估计范围之内即可；假定n＝16， m＝4，接下来将每段的16组累加值采用M&M算法进行频率估计，得到4个频率估计值， M&M算法的工作流程如图2所示。

如图2所示，M&M频率估计通过求累加值的自相关函数和该自相关序列的相位增量来 实现，其频偏估计公式为：

式中，T_s为符号周期，w(m)为平滑因子，R(m)为定义的自相关函数，arg{}为求角度函数 (单位为弧度)，有：

$w\left(m\right)=\frac{3(N-m)(N-m+1)-3M(N-M)}{M(4M^2-6MN+3N^2-1)}$

$R\left(m\right)=\frac{1}{N-m}\underset{k=m+1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(Z_k\right){\left(Z_{k-m}\right)}^{*},1\le m\le M$

其中M为算法设计参数，最优取值为M＝N/2，N为独特码累加值长度，Z_k表示去调制后 的独特码累加信号。

接下来以固定的独特码长度为滑动窗，依次向右滑动R次，再按L＝256的固定窗长依次 计算出R*4个频率估计值，其中R和滑动窗长依据不同帧结构和信道速率取值不同；最后利 用求得的(R+1)*4个频率估计值对本帧数据进行分段频偏补偿即可。这里以L＝256、R＝1 为例，具体的分段频偏补偿示意图如图3所示。

根据图3，将256个UW分为4段，每段64个UW，首先以固定窗长256可计算出 4个频偏估计值，接着向右滑窗一次可计算出由此可构成 ８个连续的频偏估计值；如图3所示，再将本帧数据按虚线方框标 记进行分段，每个标记的数据段分别采用其对应的频偏估计值进行补偿，可以看出对应的 数据段跨越两帧，即下一帧数据的前16*R个数据将采用本次计算出的最后一个频偏值进行 频偏补偿，对应前面频率跟踪流程图中返回最后k个频率估计值至下一次跟踪，k根据具体 性能要求、帧结构及信道速率不同而取值不同，本示意图中k＝1。另外必须注意若当前帧为 第一帧，可以看出对应的第一个数据段之前还有16*R个数据，由于第一帧计算时没有返 回值，因此这一段数据只能用进行频偏补偿。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式， 不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述 构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动 和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。本发明所 采用的M&M算法，其他通信专业人员可用其他频率估计方法替代，则都应在本发明所附权 利要求的保护范围内。