基于軟判決反饋的載波頻偏估計(jì)方法

吳春航，李 云，劉解華，吳彥奇

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京 100094)

基于軟判決反饋的載波頻偏估計(jì)方法

吳春航1，李 云1，劉解華2，吳彥奇2

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京 100094)

衛(wèi)星移動(dòng)通信中，針對(duì)短突發(fā)獨(dú)特字個(gè)數(shù)很少，傳統(tǒng)的頻偏估計(jì)性能差，導(dǎo)致載波跟蹤性能嚴(yán)重下降的問題，提出了一種基于軟判決反饋的載波頻偏估計(jì)方案。在對(duì)接收短突發(fā)信號(hào)進(jìn)行軟判決反饋得到短突發(fā)信號(hào)的估計(jì)基礎(chǔ)上，利用部分估計(jì)信號(hào)作為獨(dú)特字，進(jìn)行頻偏估計(jì)，用于載波跟蹤。仿真結(jié)果表明，提出的方案能較大地提高載波頻偏估計(jì)性能。

衛(wèi)星移動(dòng)通信；頻偏估計(jì)；短突發(fā)；軟判決反饋

在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星和終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成多普勒頻移，以及發(fā)送端和接收端本地晶振不一致，接收信號(hào)存在很大的頻偏，對(duì)系統(tǒng)頻帶資源利用率和接收性能造成很大的影響。為保證接收端進(jìn)行正常的解調(diào)譯碼，需要克服或減小這種頻率偏差。因此，載波同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

載波同步分為初始同步和載波跟蹤，完成載波頻率初始同步及頻偏補(bǔ)償后，由于殘余頻差的存在及頻率漂移，需要對(duì)頻率進(jìn)行跟蹤。在對(duì)頻偏進(jìn)行估計(jì)時(shí)，由于最大似然估計(jì)的精度高，常用于參數(shù)估計(jì)，文獻(xiàn)[1]指出最大似然估計(jì)在信噪比較高時(shí)，估計(jì)精度高，但在信噪比較低時(shí)，估計(jì)性能迅速下降。文獻(xiàn)[2]證明在加性高斯白噪聲中，單頻正弦信號(hào)在周期FFT變換中，在單頻頻率處出現(xiàn)最大值，可以通過尋找最大值來(lái)估計(jì)該頻率，信噪比足夠高時(shí)，其估計(jì)方差接近修正的克拉美-羅限[3](Modified Cramer-rao Bound，MCRB)，但該算法復(fù)雜度高。文獻(xiàn)[4-5]提出了基于最大似然估計(jì)的簡(jiǎn)化算法，通過對(duì)文獻(xiàn)[2]的最大似然估計(jì)方程的近似解，利用觀測(cè)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行頻偏估計(jì)，其頻偏估計(jì)性能與觀測(cè)信號(hào)長(zhǎng)度密切相關(guān)，在用于頻偏估計(jì)的觀測(cè)信號(hào)較短時(shí)，頻偏估計(jì)性能很差，無(wú)法滿足實(shí)際工程需要。

本文針對(duì)在接收信號(hào)為短突發(fā)，且用于頻偏估計(jì)的獨(dú)特字個(gè)數(shù)較少的情況，提出一種基于軟判決反饋的頻偏估計(jì)方案，改善了觀測(cè)信號(hào)過短導(dǎo)致載波頻偏估計(jì)誤差很大，載波頻率跟蹤性能很差的情況。

1 載波頻偏估計(jì)基本原理

圖1 載波跟蹤環(huán)路

載波同步算法根據(jù)是否有獨(dú)特字分為數(shù)據(jù)輔助算法和非數(shù)據(jù)輔助算法[6]，在本文地球靜止軌道 (Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中根據(jù)突發(fā)中有獨(dú)特字的特點(diǎn)，載波頻偏估計(jì)算法利用數(shù)據(jù)輔助方式實(shí)現(xiàn)。假設(shè)頻偏估計(jì)前已經(jīng)完成定時(shí)同步和無(wú)碼間干擾。設(shè)接收信號(hào)載波頻偏為Δf，接收端基帶信號(hào)表示為

rn=anej(2πnΔfTs+θ)+Nn，0≤n≤L-1

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)頻偏估計(jì)算法得到的頻偏估計(jì)作為反饋信號(hào)，通過環(huán)路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行校正，可采用一階卡爾曼濾波器對(duì)頻偏變化進(jìn)行跟蹤[7]。

2 軟判決反饋載波頻偏估計(jì)方案

在接收信號(hào)為短突發(fā)，且獨(dú)特字的個(gè)數(shù)很少，如在地球靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信 (GEO-MobileRadio-1，GMR-1)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的正常業(yè)務(wù)突發(fā)(NT3)，只有12bit獨(dú)特字信息，其突發(fā)結(jié)構(gòu)[8]如圖2所示。

圖2 突發(fā)結(jié)構(gòu)示意圖

此情況下，上述頻偏估計(jì)算法性能極度惡化。為改善短突發(fā)獨(dú)特字很少時(shí)載波頻偏估計(jì)性能，本文提出一種基于軟判決反饋的載波頻偏估計(jì)方案，原理如圖3所示。

圖3 軟判決反饋載波跟蹤原理圖

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼得到信息比特的估計(jì)值，再將譯碼結(jié)果重新進(jìn)行編碼調(diào)制，得到對(duì)接收信號(hào)的估計(jì)，這樣就可以抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)符號(hào)作為已知獨(dú)特字進(jìn)行載波頻偏估計(jì)，如圖4所示。

圖4 抽取部分符號(hào)的頻偏估計(jì)

設(shè)在接收端抽取突發(fā)信號(hào)獨(dú)特字信息為r1(n)，獨(dú)特字為a1(n)，抽取的第二段部分?jǐn)?shù)據(jù)信息為r2(n)，經(jīng)過軟判決反饋后得到第二段部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的估值，作為已知獨(dú)特字設(shè)為a2(n)。可得第一段獨(dú)特字誤差信號(hào)為

(6)

設(shè)第一段獨(dú)特字長(zhǎng)度為M1，這里將相位偏差項(xiàng)視為噪聲項(xiàng)，對(duì)第一段獨(dú)特字信息求和，忽略噪聲項(xiàng)[9]后為

(7)

A′ej2πΔfTs(2M1+2N+M2-1)/2

(8)

(9)

3 仿真性能與分析

3.1 理論分析

接收信號(hào)的載波頻偏為Δf，定義載波頻偏估計(jì)的克拉美-羅限 (CRB)表示為

(10)

式中：Er表示求均值。文獻(xiàn)[3]給出了修正的克拉美-羅限(MCRB)為

(11)

式中：L為估計(jì)符號(hào)的長(zhǎng)度；Es/N0為信噪比；MCRB與L-3成正比，可見短突發(fā)獨(dú)特字符號(hào)個(gè)數(shù)很少時(shí)，頻偏估計(jì)誤差理論值很大。本文基于軟判決反饋的頻偏估計(jì)算法利用接收誤差信號(hào)相位增量獲得頻偏估計(jì)值，利用部分估計(jì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行頻偏估計(jì)，一方面增加了用于頻偏估計(jì)的符號(hào)長(zhǎng)度，另一方面兩段用于頻偏估計(jì)符號(hào)具有一定間隔，提高了估計(jì)精度。其仿真性能接近長(zhǎng)度為L(zhǎng)=N+M1/2+M2/2的克拉美-羅限。

3.2 估計(jì)性能

本文仿真了歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ETSI)規(guī)定的GMR-1標(biāo)準(zhǔn)中TCH3業(yè)務(wù)信道，編碼方式為1/2卷積碼，采用π/4-QPSK調(diào)制，TCH3業(yè)務(wù)信道映射到NT3突發(fā)結(jié)構(gòu)，信道模型采用高斯白噪聲信道。

圖5比較了兩種頻偏估計(jì)的仿真性能，在圖中，DFE表示經(jīng)過軟判決反饋估計(jì)結(jié)果，MCRB表示修正的克拉美-羅限。非軟判決反饋頻偏估計(jì)使用一段獨(dú)特字符號(hào)進(jìn)行頻偏估計(jì)，頻偏估計(jì)方法采用L&R算法，用于頻偏估計(jì)的獨(dú)特字符號(hào)個(gè)數(shù)為6個(gè)，從圖中可以看到，在信噪比20dB時(shí)仍有較大的估計(jì)誤差。

圖5 頻偏估計(jì)性能

基于軟判決反饋的頻偏估計(jì)，估計(jì)方法采用式(9)，由于不同的頻偏對(duì)軟判決有一定影響，因此仿真了在不同頻偏下的估計(jì)性能，從圖中可以看到，在接收信號(hào)頻偏為30Hz時(shí)，算法在信噪比4dB時(shí)歸一化頻偏估計(jì)方差約為7.76×10-4。雖然在2 dB以下時(shí)，由于不同頻偏對(duì)軟判決的誤碼率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致估計(jì)性能變差，但相比L&R算法仍具有較大的優(yōu)越性。尤其算法估計(jì)性能在頻偏為20Hz以下在信噪比4dB時(shí)有較大提高。

圖6還給出了載波頻偏估計(jì)通過環(huán)路跟蹤的仿真結(jié)果。在非軟判決反饋時(shí)，環(huán)路的頻率跟蹤方差在解調(diào)門限4dB時(shí)，歸一化頻率跟蹤的方差約為1.56×10-3，無(wú)法滿足解調(diào)需求。而基于軟判決反饋的載波跟蹤方案，頻率跟蹤的方差在4dB時(shí)，歸一化頻率跟蹤的方差約為6.63×10-5，完全可以滿足解調(diào)需求。

圖6 載波跟蹤誤差

4 結(jié)論

衛(wèi)星移動(dòng)通信中，為保證接收端解調(diào)性能，需要對(duì)頻率進(jìn)行跟蹤和補(bǔ)償。在接收信號(hào)為短突發(fā)，獨(dú)特字個(gè)數(shù)很少時(shí)，通過軟判決反饋，得到接收信號(hào)的估計(jì)，將部分?jǐn)?shù)據(jù)信息作為已知獨(dú)特字用于頻偏估計(jì)，極大地改善了載波頻偏估計(jì)和載波跟蹤性能。此方案已用于實(shí)際接收機(jī)中，其硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度在可接受范圍內(nèi)。

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吳春航(1990— )，女，碩士生，主研衛(wèi)星移動(dòng)通信的時(shí)頻同步技術(shù)；

李 云(1974— )，教授，博士生導(dǎo)師，主研無(wú)線移動(dòng)通信；

劉解華(1976— )，博士，高級(jí)工程師，主研衛(wèi)星通信和通信導(dǎo)航一體化技術(shù)；

吳彥奇(1980— )，碩士，主研衛(wèi)星移動(dòng)通信的信道傳輸技術(shù)。

責(zé)任編輯：薛 京

Carrier Frequency Offset Estimation Scheme Based on Soft Decision Feedback

WU Chunhang1, LI Yun1, LIU Jiehua2, WU Yanqi2

(1.KeyLabofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China；2.HwaCreateCorporationLtd.，Beijing100094,China)

At the situation that the short burst has a few unique word, so the conventional frequency offset estimation has poor performance, which deteriorats the performance of carrier tracking.Aiming at this problem, a carrier frequency offset estimation scheme based on soft decision feedback estimation in mobile satellite communication system is proposed.After soft decision feedback estimation of the received short burst signal, part of the estimation signals are used as unique word for frequency offset estimation and carrier tracking.The simulation results show that the proposed scheme can improve the performance of carrier frequency offset estimation significantly.

mobile satellite communication; frequency offset estimation; short burst; soft decision feedback

【本文獻(xiàn)信息】吳春航，李云，劉解華,等.基于軟判決反饋的載波頻偏估計(jì)方法[J].電視技術(shù),2015，39(3).

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA01A509)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2013ZX03006003-002)

TN927.23

A

10.16280/j.videoe.2015.03.020

2014-07-24