空空高速移动通信信号的频偏估计和跟踪算法

空空高速移动场景下飞行平台通信信号的多普勒频率范围大且变化快。针对现有频偏估计和跟踪算法难以兼顾估计精度和工程可实现性的难题,提出了低复杂度的新型高精度频偏估计和跟踪算法。首先根据空空高速移动场景下多普勒频率快速变化且具有时空相关性特征,在传统频偏模型的基础上构建适用于空空高速移动场景的时变频偏模型;然后基于此模型将相邻短前导的频偏估计值进行相互关联并处理,将频偏精度优化问题转化为经典的超定线性方程组的优化求解问题,最大限度地抑制了估计噪声,提高了频偏估计精度。仿真结果表明,该算法估计的残余频偏相对于经典算法大幅降低,当信噪比大于5 dB时,残余频偏的均方根误差控制在100 Hz范围内。针对该算法求解过程中存在的数值稳定性问题,给出了相应的工程可实现方法。该算法采用前馈补偿频偏跟踪方法,与传统的锁相环反馈跟踪方法相比,提高了系统的稳定性和时效性。

超宽带毫米波MIMO-OFDM系统的非线性频偏自干扰与信道联合估计方法

系统同步产生的载波频偏会导致超宽带毫米波多输入输出(MIMO)正交频分复用(OFDM)系统产生非线性频偏自干扰,影响后续信道估计性能。为此,提出了一种非线性频偏自干扰与信道联合估计方法,通过挖掘数据超维隐藏空间的方式,将复杂的多目标优化问题降维分解成多个可并行求解的子优化问题,并利用超宽带毫米波信道的稀疏特性,采用压缩感知算法实现载波频偏与信道的迭代估计。与现有的联合估计方法相比,仿真结果表明所提方法能够有效降低计算复杂度,提升了系统信道估计准确度,并降低了系统误码率。

带残余频偏的软扩频信号伪码序列盲估计

针对带残余频偏的软扩频信号伪码序列盲估计难的问题,提出一种奇异值分解(singular value decomposition,SVD)结合全数字锁相环(digital phase locked loop,DPLL)的方法。所提方法首先对待处理信号通过不重叠分段生成数据矩阵,每段信号长度为一倍伪码周期;然后利用其自相关矩阵的右上角元素估计失步点进行同步,并且在重新计算自相关矩阵后根据较大特征值个数估计进制数;最后通过多次快速SVD算法结合DPLL最终实现伪码序列的盲估计。仿真结果显示,所提方法在低信噪比条件下可以有效估计出带残余频偏的软扩频信号的伪码序列,并且性能优于其他对比方法。

用于新型符号的频偏补偿和解调的算法与电路

为提高传统脉冲位置调制(pulse position modulation,PPM)符号的频谱效率,提出了一种新型码片内4-PPM符号调制方法,在实现1 Gbit/s通信速率的同时,又大大减少所需频谱资源。可在解调时,该符号调制的误码率性能受到发射端时钟和接收端本地时钟之间的频率偏移的极大影响。针对此问题,又提出了一种在模拟域对该符号进行频偏补偿,并实现符号同步和高速数据解调的算法与电路。该电路系统通过消除接收数据和本地时钟的初始相差、提取两者的频偏信息、周期性改变本地时钟的瞬时相位3步实现频偏补偿,并同时在第3步利用本地时钟对接收数据进行解调。为提高相位插值器(phase interpolator,PI)的线性度,本文将延迟锁定环与PI相结合。在2π的插值范围内,实现插值区间32个,插值步长992个,分辨率2.016 ps,最大差分非线性(differential nonlinearity,DNL)0.183°,最大积分非线性(integral nonlinearity,INL)0.325°。此外,本文提出的相位控制算法有效避免了由电流毛刺所引起的输出相位突变。电路基于UMC 40 nm CMOS RF LP工艺进行设计与仿真。仿真结果表明:本文所提出的算法与电路,在典型工艺角下,将接收数据和本地时钟间的50×10^(-6)频率偏差度降至1.03×10^(-6),频偏补偿准确度达到97.94%,并实现1 Gbit/s的解调速率。该方法对高速PPM数据同步与解调具有良好的工程应用价值。

基于CP和导频的两级OFDM频偏估计方法

在OFDM通信系统中,频偏估计技术是一项关键技术,OFDM系统对于载波偏移比单载波系统更加敏感。目前,常用的频偏估计技术要么存在较大残余频偏,要么会增加传输冗余,降低传输效率,无法满足高速传输系统的需求。基于循环前缀和导频的估算频偏提出了一种新型频偏估计方法,并通过仿真验证了该频偏估计方法的有效性。将该方法与单一频偏估计方法进行对比分析,结果表明,该方法不会降低传输效率,且具有良好的频偏估计性能,适用于高速传输OFDM通信系统。

基于立方Farrow结构的插值细搜频偏估计算法

在高动态通信环境中,由相对运动引起的多普勒频移会在接收机下变频所得的基带信号中引入残留频偏,致使基带信号的相位发生偏离。对频偏进行精确估计是提升高动态环境通信质量的重要途径。传统方法通常通过对快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)后所得频谱进行一维搜索来估计载波频偏值,只能估计整数倍频点。为了进一步提高频偏估计的精度,本文提出了一种基于立方Farrow结构的插值细搜(Interpolation Detail Search, IDS)算法。仿真结果表明,此算法仅在16倍插值条件下就得到了逼近克拉美罗界(Cramer-Rao Bounds,CRB)的频偏估计性能,信噪比精度损失仅为1.2 dB,具有良好的估计性能。

一种适用于散射通信的联合帧同步和频偏估计算法研究

针对对流层散射通信中存在的多径衰落以及收发两端频偏,对一种适用于对流层散射通信的联合帧同步和频偏估计算法进行了研究;设计了一种适用于对流层散射通信的新型同步帧结构,其在帧同步信息前增加了周期循环PN序列用于辅助判决,能够提高衰落信道下的信号起点捕获概率;采用基于FFT的部分相关频域捕获算法,搜索最大相关值和频偏索引,同时完成了帧同步和频偏估计;在多径衰落和频偏影响下实现了联合帧同步和频偏估计算法;仿真结果表明:在衰落速率5 Hz,频偏1000 Hz散射信道下,正确捕获到帧同步信息概率在-4 dB信噪比下仍可达到90%以上,且频偏估计偏差在0.4 Hz以内。

复杂多径下IR-UWB自适应频偏估计算法研究

在脉冲超宽带定位系统中,时钟频率偏移是影响测距和测角精度的重要因素;针对复杂多径下频偏估计精度低的问题,设计了一种适应复杂多径环境的脉冲超宽带自适应频偏估计算法;首先,借助脉冲超宽带信号的抗多径优势,将实时估计的信道脉冲响应作为自适应匹配滤波模板,以保证复杂多径下相关峰的准确提取;利用相关峰辐角信息得到前导符号的相位序列;再使用贝叶斯估计算法提高频偏估计精度;在IEEE 802.15.4a标准CM1、CM2多径信道下进行仿真,仿真结果表明,低信噪比情况下,频偏估计精度保证在0.2 ppm以内;在巷道环境实验结果表明,50 m范围内频偏估计标准差在0.06 ppm以内;实现了复杂多径环境下高精度频偏估计,具有较强的实用性。

空间通信载波多普勒频偏捕获的两阶段稀疏算法

在空间通信中,信号面临远距离传输和高动态相对运动,其中,远距离传输带来很低信噪比(SNR,signal-to-noise ratio),而高动态相对运动则引起载波高动态多普勒频偏。为解决低信噪比问题,传统捕获方法需要长时间累积很多接收信号。但是,在长时间累积过程中,高动态多普勒频偏会导致严重的能量扩散问题。针对上述问题,提出了一种两阶段稀疏(TSS, two-stage-sparse)算法来捕获载波多普勒频偏。该算法首先利用粗捕获结果构造粗稀疏搜索范围,然后选择若干个较大元素来构建精稀疏搜索范围,最后搜索最大元素作为捕获结果。由于稀疏范围仅覆盖很窄的频率区间,该算法能够滤除更多的噪声干扰,从而辅助信号元素成为最大元素。理论分析和仿真结果也表明,所提TSS算法能够显著提高多普勒频偏的捕获概率。

载波频偏和相关信道对二维索引调制的影响

二维索引调制在5G物理层MIMO-OFDM架构上引入索引调制思想,利用时频域二维索引资源传输额外信息,可以有效降低发射功率,提高频谱效率,是未来6G系统潜在的使能技术。但是,实际工作系统中常常存在载波频偏,使得子载波间的正交性被破坏,从而降低系统误码性能。此外,呈现相关特性的MIMO信道也会造成系统传输性能的下降。为研究载波频偏和相关信道对二维索引调制系统误码性能的影响,对受二者影响下的系统误码率性能进行了理论分析和仿真验证。通过理论推导,获得了闭合的性能表达式,数值仿真结果验证了所得理论结果的正确性,可以为二维索引调制系统的工程化设计提供借鉴。

基于渐进可控频偏范围的多频实信号频率估计器

多频实信号的频率估计是应用面广的基础信号处理问题,其精度受限于难以降低各频率成分的谱间干扰。为根本解决该问题,提出可自动抑制谱间干扰的多频实信号频率估计器,具体以频偏范围可控的单频估计器为基础,通过迭代构造两种残差信号(即降序残差和排它残差)并将其馈入单频估计器,从而获得各成分频率估计结果。其特色在于,在迭代过程中,可渐进设置频偏范围参数,从而保证各频率成分可稳步地获得高精度估计结果。数值结果表明,该研究提出的多频估计器精度高于现有的多频估计器精度,具有宽广的应用前景。

一种多谱线插值优化处理的频偏估计算法

多进制相移键控(Multi-phase Shift Keying, MPSK)信号在各种数字通信系统中被广泛应用,但当收发两端存在相对运动速度时,引发的多普勒频偏会影响相干解调的准确性。针对这一问题,提出了一种基于传统多次方谱估计的频偏估计算法。该算法采用非数据辅助方法去除调制信息,利用傅里叶系数插值算法得到小数频偏粗估计值,并通过频域内最大谱线以及其左右±0.5处谱线插值优化处理获得小数频偏精估计值。在信号采样点数为512,信噪比大于6 dB的情况下,该算法与传统多次方谱估计算法相比,其归一化频偏估计的均方误差降低了15 dB左右,相干解调误码性能也趋于理论曲线,且具有更高的稳定性和适应性。

SOQPSK-TG信号的EM半盲载波频偏估计

针对成形偏移四相相移键控-TG(Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying-Telemetry Group version,SOQPSK-TG)信号在训练序列长度受限时频偏估计精度较低的问题,利用双二进制分解(Doubinary Decomposition,DBD)原理提出基于期望最大化(Expectation Maximization,EM)的SOQPSK半盲载波频偏(Carrier Frequency Offset,CFO)估计算法。为了确保EM算法收敛到预期性能范围,使用基于非线性四次方码元定时估计算法的非数据辅助频偏估计方法优化了EM算法初始点选择。仿真实验结果表明,该算法相比于使用训练序列进行数据辅助估计的方法,在不增加辅助数据数量的前提下能够进一步提升CFO估计的精度,并在较高信噪比下拥有接近序列总长度所对应的克拉美罗界(Cramér-Rao Bound,CRB)的优秀性能。

低信噪比大频偏空间光信号的频率捕获研究

卫星相干光通信系统信号解调过程中,卫星相对运动会导致接收的信号光产生GHz量级的多普勒频移,信号光的远距离传输导致光信噪比极低,传统方法无法在低信噪比下补偿大范围多普勒频移,严重影响通信系统的能力。针对上述问题,本文提出了一种两段式频率捕获算法,该算法包含自动扫频和锁频控制两个阶段。自动扫频阶段通过本振光自动频率扫描将频差缩小至100 MHz量级;锁频控制阶段通过高精度的本振光频率控制与FFT变换,在低信噪比下继续缩小频差至MHz量级。仿真验证结果表明:该算法可在2 dB信噪比下补偿大动态范围的10 GHz范围多普勒频差,满足卫星相干光通信解调需求。

一种全数字化载波频偏估计器算法

本文提出一种适合ＱＡＭ调制信号的全数字化载波频偏观测器算法，它用于不再采用锁相环同步器的全数字接收机中直接测量频偏的大小．文中提出了频偏观测器算法，接着引入频偏的卡尔曼滤波算法，最终把频偏观测器与卡尔曼滤波器相结合构成了频偏估计器，为存在较大频偏的移动通信信道中解决载波同步问题提供了一种实现方案．

新的基于粒子群优化的正交频分复用系统盲频偏估计算法

针对正交频分复用(OFDM)系统频偏估计问题,提出了一种基于粒子群优化(PSO)的盲频偏估计算法。首先,根据频偏估值重建的接收信号和实际接收到的信号误差最小原则构造了盲频偏估计的数学模型,并推导出了代价函数;然后,利用粒子群优化算法强大的随机并行全局搜索能力,通过最小化代价函数估计频偏。仿真比较了常系数、微分递减两种惯性权重策略PSO算法的频偏估计性能,并与最小输出方差、黄金分割盲频偏估计算法进行了比较分析。仿真结果表明,所提算法精度高,同一信噪比下较同类算法大约有一个数量级的提升,且不受调制类型和频偏估计范围(-0.5,0.5)的限制。

一种改进的载波频偏估计方法及其仿真

为了解决低信噪比条件下载波频偏估计中估计范围和估计精度的矛盾,在比较分析现有经典估计方法的基础上,提出了一种改进的Fitz载波频偏估计方法,利用自相关序列差分代替自相关序列相位估计频偏。此方法将频偏估计范围提高到数据速率的一半,同时又保持了原有Fitz方法的低信噪比门限。通过仿真验证了改进频偏估计方法对大频偏和低信噪比的适用性。

基于FFT和长时延自相关函数的频偏估计方法

为了解决低信噪比条件下载波频偏估计中的估计范围和估计精度的矛盾,在比较分析现有经典估计方法的基础上,提出一种基于FFT和长时延自相关函数的频偏估计方法。该方法利用FFT进行粗略频偏估计以校正频偏,使得校正后的频偏落入到长时延自相关函数能够估计的频偏范围内,利用几个长时延函数得到的剩余频偏估计值进行加权得到精确的频偏估计值。此方法将频偏估计范围提高到数据速率的一半,保证了在大频偏时的低信噪比门限,同时它在整个量化频率范围内的性能平稳。通过仿真验证了该方法估计精度高、捕获范围大、以及性能平稳的特点。

高阶QAM调制下OFDM的载波与采样频偏联合纠正

采用高阶QAM(Quadrature Amplitude Modulation)调制的正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency-Div-ision Multiplexing)系统,相对于低阶调制来说,密集的星座点分布更容易受到载波频偏与采样频偏的影响.本文分析了高阶QAMOFDM系统对频率同步精度的要求,提出了一种载波与采样频偏联合纠正的方法,并分别针对时不变多径信道和块衰落多径Rician信道给出了频偏估计的均方误差解析表达式.均方误差的理论分析与计算机仿真结果吻合;误比特率性能仿真表明,频偏纠正后的误比特率性能与无频偏情况比较,差异小于1dB.

LTE系统中一种改进的基于CP的ML频偏估计算法

主要研究了LTE系统下行链路中的载波同步,分析了基于PSS相关估计和基于CP的ML估计两类传统频偏估计算法。针对后者抗多径能力不足、抗极性反转能力差和估计范围较小的缺陷,提出了一种改进频偏估计算法。该算法在利用CP数据进行ML频偏估计时去掉一部分受符号干扰的数据,以减少多径影响;利用PSS相关估计结果的极性信息,对算法估计结果进行修正,扩大频偏估计范围和提高抗极性反转能力。仿真结果表明:改进算法相对于原算法在多径环境下具有更好的估计性能;当频偏|εF|接近0.5时能够抵抗极性反转具有较高的鲁棒性,当|εF|>0.5时原算法失效而改进算法仍能够保持较高的估计性能。