短突发系统数据辅助载波同步的导频设计

孙锦华 王雪梅 吴小钧



短突发系统数据辅助载波同步的导频设计

孙锦华*①王雪梅①吴小钧②

①(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 西安 710071)②(长安大学信息工程学院 西安 710064)

对于短突发通信系统，基于时域相关函数数据辅助的频率估计方法中导频位置、导频数目对载波频率估计精度和估计范围有很大的影响，该文提出一种具有较高估计精度的基于相关函数和的频率估计算法，并推导出该算法的理论估计方差。通过分析导频位置对估计范围和估计精度的影响，提出一种可变间距数据帧结构(VDPM)设计方案，即根据系统估计精度和估计范围的要求选择合适的导频间距。理论分析和仿真结果表明VDPM帧结构可以灵活地兼顾估计精度和估计范围的要求，基于相关函数和的频率估计算法仅利用很短的导频符号就能达到较高的估计精度，适合在短突发通信系统中应用。

短突发通信；导频符号；载波同步；帧结构

1 引言

2 信号模型

图1 VDPM数据帧结构

假定到达接收机的信号为经过高斯白噪声信道传输的单载波突发信号，理想的时间同步信息可以通过导频和数据获得，所以通过匹配滤波器和采样之后的等效基带信号可以表示为

3 频率估计算法及其理论估计方差

影响DA同步精度与范围的因素主要有导频结构和对应于导频结构的估计算法[7]，而导频结构的设计又需要根据系统要求及估计算法所能达到的同步精度和范围进行综合权衡。因此需要研究估计算法的理论界，即参数无偏估计时估计方差的克拉美罗界(CRB)。下面针对VDPM导频结构推导基于相关函数和频率估计算法的理论估计方差。

为了简化式(5)，令

其中

对式(6)归一化可得

4 导频结构设计

图2 VDPM数据帧结构的4种情况

表1 4种导频结构的估计范围及特点

注：4-PM1：用相邻导频计算互相关；4-PM2：用间隔导频计算互相关。

5 理论分析与仿真结果

5.1 频偏对QPSK调制信号的影响

5.2 帧结构的设计

针对本文给出的时域相关函数和的频率估计算法，导频的位置、数目会影响载波频率的估计精度和估计范围，即频率估计范围和频率估计方差分别满足式(3)和式(10)。

其次，确定可以选择的帧结构方案。对于确定的导频开销，可以估算出不同导频结构的估计范围。根据表1可以看出，PP结构的频率估计范围最小，PM结构次之，4-PM1结构最大，在数据长度一定的情况下，这3种结构的估计范围就确定了，如果数据长度过长，即使4-PM1结构估计范围也不会很大，所以这3种结构的使用受到导频间距固定的限制。

综上所述，采用VDPM导频结构，可以通过灵活地设置导频间距达到调整估计范围、改善估计精度或使用较少导频开销的要求。

5.3 误码率性能

6 结论

针对短突发通信系统中导频位置影响频率估计精度和估计范围的问题，本文基于相关函数和频率估计算法对不同导频结构的估计范围和估计精度进行理论分析，并提出了一种具有灵活适用性的VDPM导频结构。通过仿真验证了VDPM导频结构能够很灵活地兼顾频率估计范围和估计精度的要求，对短突发通信中数据长度的变化能够灵活地调整导频间距，以满足系统的需要；同时也验证了基于相关函数和的频率估计算法仅利用很短的导频符号就可以达到很高的估计精度，因此比较适合短突发传输系统。

图3 不同频偏对QPSK信号BER性能的影响

图4 不同导频开销下的估计误差均方根

图5 的BER性能曲线

图6 的BER性能曲线

图7 数据长度对BER性能影响曲线

图8 不同数据长度对PD结构的误比特率性能

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孙锦华： 女，1979年生，博士，副教授，研究方向为无线通信数据传输与突发信号处理.

王雪梅： 女，1987年生，硕士生，研究方向为载波同步算法.

吴小鈞： 男，1972年生，博士，讲师，研究方向为计算机通信.

Pilot Design of Data-aided Carrier Synchronization for Short Burst Transmission

Sun Jin-hua①Wang Xue-mei①Wu Xiao-jun②

①(,,’710071,)②(,’,’710064,)

For short burst communication systems, the position and the number of pilot symbols have a great impact on frequency estimation accuracy and estimation range in time-domain correlation frequency estimation algorithm. So a frequency estimation algorithm with a high frequency estimation accuracy based on the summation of the entire cross correlation is proposed, and its theoretical estimation variance is derived. By analyzing the impact of the pilot position on estimation accuracy and estimation range, a scheme of Variable-spaced Preamble Middle (VDPM) frame structure is proposed which can choose the distance of pilot blocks according to estimation accuracy and estimation range. Theoretical analysis and simulation results show that the frame structure can satisfy the requirements of frequency estimation range and estimation accuracy, and the estimation algorithm can achieve high estimation accuracy with a few pilot symbols, hence it is suit for short burst communication system.

Short burst communication; Pilot symbol; Carrier synchronization; Frame structure

TN927

A

1009-5896(2014)03-0669-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00509

2013-04-16收到，2013-11-08改回

国家自然科学基金(60902039, 61271175)，中央高校基本科研业务费专项资金(K50511010014, K5051201043, CHD2011JC088)和长安大学基础研究支持计划资助课题

孙锦华 jhsun@xidian.edu.cn