一种适用于高动态超视距突发信道的频偏估计方法

唐秋菊，刘 莹，王洪磊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种适用于高动态超视距突发信道的频偏估计方法

唐秋菊，刘 莹，王洪磊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对通信系统在高动态超视距突发信道条件下难以实现准确快速的频偏估计问题，提出了一种基于分集措施的FFT频偏估计方法，该方法在实现快速频偏估计的同时，估计精度亦可满足通信系统解调需要。对其基本原理及实现方法进行了简要介绍，并进行了Matlab仿真及室内测试。仿真及测试结果表明，该方法的频偏估计误差与FFT的频率分辨率是相吻合的，验证了该方法的可行性。

FFT；衰落信道；频偏估计

0 引言

在通信系统中，当收发双方的时钟稳定度较低时，收发本振频率之间会存在较大频偏，在传输速率较低时，接收端无法实现载波及位同步的有效提取[1-2]，进而导致解调性能的下降[3]，因此必须对频偏进行校正。尤其在地空通信系统中，通信的一方处于快速运动条件下，接收信号存在着较大的多普勒频移[4]，实现信号固定载波频偏的准确估计更加困难[5]。在连续通信系统中，可采用PLL算法进行载波锁相同步处理方式，精确地实现载波频偏的估计和恢复，但该方法入锁时间相对较慢，需要较长的保护序列进行计算[6-7]。在突发通信系统中，每次突发同步都需要进行载波频偏的计算和校正，要求载波同步快速锁定，无法采用传统的锁相同步方式满足这一需求[8]。本文提出了一种基于FFT运算的适用于高动态超视距突发信道的频偏估计方法，基于FFT运算可以在有限的符号内快速计算信号的载波频偏值，而通过分集的方式可以有效地平滑多普勒频移带来的估计偏差。

1 FFT频偏估计基本原理

为了缩短环路的捕获时间，采用一种有效的辅助捕获技术即FFT频偏估计方法[9-10]。在发送端发送通信信号的同时在适当的频率位置插入一个称为导频的正弦波，在接收端将导频通过下变频搬移到基带，通过低通滤波器滤除通信信号后，对接收到的导频信息进行复数FFT 运算，得到其频谱[11]，FFT变换公式为：

(1)

式中，N为FFT采样点数，WN=e-2πi/N。

对式(1)中进行频谱分析，根据频谱能量求出最大值：

Rmax=max(abs(R))。

(2)

如果用fs的采样率对信号进行采样，对采样得到的数据点数为N的序列进行FFT 运算，假设得到的频谱中最大点的位置为k，则其对应的频偏值为：

Δf=kfs/N。

(3)

2 基于分集措施的FFT频偏估计原理

在地空通信系统中，由于通信的一方处于快速运动状态，接收信号会存在较大的多普勒频移，当仰角较低或者通信双方超出视距范围时，接收信号由于多径传输会呈现出瑞利衰落特征[12]，在该信道条件下，导频信号频谱会产生弥散，使得FFT计算的最大值位置相对于实际固定载波频偏位置发生偏移，偏移量为±fd内(fd为多普勒频移数值)，当多普勒频移较大时，估计结果偏差较大[13]。因此要进行有效的频偏估计，必须采取分集措施[14-15]，将几路信号的FFT 计算的最大值位置进行平均，将多普勒频移带来的估计偏移量进行抵消。

以采用4重频率分集为例，将导频信号频率位置置于通信信号频谱零点处，假设信号带宽为2.4 kHz，发送端调制信号与导频信号频率间隔为7.2 kHz，调制器框图如图1所示。

图1 调制器框图

导频信号为单频信号，所占能量较小，为保证频偏估计的准确性，可适当提高导频信号能量，使每个导频的检测信噪比应达20 dB以上(在恒参信道条件下，为保持比特同步及帧同步完整性，解调信号最低信噪比为8 dB)，发射信号频谱示意图如图2所示。

图2 信号频谱示意图

在接收端，4路接收信号经过数字下变频后将导频信号变换到基带，然后分别对4路信号进行FFT运算，得到各路频谱能量最大值位置后进行均值计算，作为最终频差指导通信信号数字下变频本振的频率控制字，以消除收发本振频率之间的频差，频偏估计原理框图如图3所示。

图3 频偏估计的原理图

3 仿真结果

通过Matlab对通过具有大多普勒频移的瑞利信道进行仿真，多普勒频移为50 Hz(在工作频率为400 MHz时，时速约135 km/h)，采样频率fs为12 kHz，FFT的点数N为1 024点，此时FFT算法的频率分辨率(即FFT变换后两根谱线之间的间隔)为fs/N=11.7 Hz，当接收导频信号的信噪比(SNR)为20 dB时，预置不同的频偏，其估计值分别如图4所示。

图4 预置频偏值与频偏估计值柱形图

由图4中可以看出，在该条件下，频偏估计的误差在±10Hz之内，该误差与FFT运算的频率分辨率11.7Hz是相吻合的，且在传输速率为2 400bps时，剩余频偏对给系统造成的性能损失可以忽略。

4 系统验证

在硬件平台上进行了系统测试，采用信道模拟器模拟超视距信道状态，设备均采用相同的参考时钟，消除本振之间的频差，在高频设备(下变频)处预置不同的频偏值，在解调器通过上述方法进行频偏估计，其系统测试框图如图5所示。

图5 系统测试图

信道模拟器信道类型设置为瑞利信道，多普勒频移设置为50Hz，信噪比设置为20dB，测试结果如表1所示，由表中可以看出，硬件测试的频偏估计的误差与Matlab的仿真结果是相吻合的。

表1 频偏值与频偏估计值

预置频偏值/Hz频偏估计值/Hz5044100110200208300292400402500515600617

5 结束语

针对衰落信道下低速传输时，信号对频偏变化的敏感性增强、相干载波不易提取的问题，提出了一种适用于高动态超视距突发信道的基于FFT运算的频偏估计方法，该方法计算简单、工程应用性较好，在有限的符号内可快速得到载波频偏值，并可有效平滑多普勒频移带来的估计偏差。本文对其进行了Matlab仿真，并在硬件平台上进行了测试，仿真及室内测试结果均验证了该方法的可行性。

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Research on a Method of Frequency Offset Estimation for High Dynamic BLOS Burst Channel

TANG Qiu-ju，LIU Ying，WANG Hong-lei

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

To solve the difficult problems of estimating the frequency offset accurately and rapidly under the high dynamic BLOS burst channel in communication systems，a method of frequency offset estimation using FFT based on diversity technology is proposed.Not only can the estimating of the frequency offset be quickly realized，but also the accuracy can meet the requirement of demodulation.The basic principle and implementation scheme of the method are briefly introduced.The simulation of this method in Matlab and the test on the hardware platform are conducted.The results of simulation and the experiment data processing validate that the estimation error is consistent with the frequency resolution of FFT and the feasibility of the method is verified.

FFT；fading channels；frequency offset estimation

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.11

唐秋菊，刘 莹，王洪磊.一种适用于高动态超视距突发信道的频偏估计方法[J].无线电通信技术,2017,43(3):46-48.

[TANG Qiuju，LIU Ying，WANG Honglei.Research on a Method of Frequency Offset Estimation for High Dynamic BLOS Burst Channel [J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：46-48.]

2017-01-05

通信网信息传输与分发技术重点实验室基金项目(EX156410046)

唐秋菊(1984—)，女，工程师，主要研究方向：散射通信。刘 莹(1974—)，男，高级工程师，主要研究方向：散射通信。

TN911.7

A

1003-3114(2017)03-46-3