低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法

本发明属于高速数传，具体涉及一种关于低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，用于宽带卫星通信系统以及卫星高速数传系统。

背景技术：

1、进入21世纪以来，随着宽带互联网大面积普及、通信技术的不断革新换代以及卫星有效载荷技术、多媒体技术等发展趋于成熟，宽带卫星通信系统及高速数传系统已成为如今一个重要的研究发展方向。欧洲电信标准化组织最新提出的dvb-s2x标准较之前的dvb-s2标准新增了多种使用场景，如以vlsnr为特征的甚小孔径终端(vsat)、以超帧跳波束为特征的ip语音传输、蜂窝回传网络等。此外，面对应用场景的复杂多样化，dvb-s2x可以结合自适应调制编码技术(acm)自动选择并提供最优化的调制解调方案，进一步优化卫星链路，获得较大的效率提升，尽可能逼近理论香农限。

2、全球卫星通信业务需求质量的不断提升以及高通量、高速率的信息传输需求，使得可用空间频谱资源已经日益紧缺。当前针对较高的数据传输速率需求，更高频谱利用率的高阶调制方式如16apsk、32apsk、最高为256apsk等已投入使用，更加高效的编译码方式如bch码、ldpc码也被采用，这使得解调信噪比门限要求得到进一步提高。这些因素使得如何在恶劣信噪比环境下对信号的频率偏移以及相位偏移进行高精度估计补偿成为一种具有较高价值的研究方向，否则将会成为信号接收解调的瓶颈，严重影响解调系统后续其它模块的正常运行。

3、对于载波恢复算法的研究，按照是否使用导频数据以及编译码信息，还可将其分为以下三种算法：一种为利用当前数据帧中的导频信息进行相关计算进而进行载波同步的数据辅助方法(data aided,da)，另一种则为未直接使用到已知先验数据的非数据辅助方法(nondata aided,nda)，第三种方法一般通过使用译码软信息或者利用相关调制信息进行相关参数估计的编码辅助算法(code aided，ca)。

4、数据辅助(da)类算法主要使用到数据帧中导频块等已知信息，如l&r算法、m&m算法、fitz算法、kay算法、l&w算法等，其中l&r算法与fitz算法虽然具有较好的抗噪性能，但估偏范围小，估计精度较差，而kay、l&w算法也仅是扩大了估计范围，对于抗噪声能力及估计精度方面还是较差。并且该类算法需要使用到大量导频块数据，会导致数据帧传输容量产生一定程度的损失。编码辅助类(ca)算法最早由wangrok.oh等人于2001年提出，其本质上是将译码器输出的译码软信息与迭代性能和同步相结合，来对载波相偏频偏估计进行辅助。该算法在低信噪比环境下具有较好的性能，但其存在着明显的弊端，其需要借助多次译码迭代，进而带来一定时延处理问题，影响整个系统的运行效率并且计算复杂度较大，而繁琐的迭代结构会进一步增加fpga的实现复杂度。

5、非数据辅助方法是在基于最大似然理论的基础上，利用离散时间观测量去估计单音信号的频率信息。dd算法作为一种较为经典的算法，其以锁相环为核心，通过判决、鉴相以及环路滤波等步骤相结合对数据频偏进行估计补偿，但其对部分高阶调制方式，鉴相会较为困难，并且整个环路需要一定数据去训练收敛，较低的信噪比会导致判决错误，进而导致失锁。在低信噪比场景下，传统的频偏估计算法很难应用，尤其是面对无先验数据以及多种调制的情况下。本发明在场景下具有一定优势，可在esn0分别为-3db与6db的情况下对opsk数据、8psk/8apsk数据进行高精度且稳定的频偏估计，并对其进行补偿，具备较低的计算复杂度，易于实现。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、在低信噪比条件下，为了克服随机噪声的影响，传统的频偏估计算法一般利用数据辅助类(da)算法通过导频数据提取载波相关信息，但该类算法估计精度易受信噪比影响，且在卫星通信系统以及高速数传系统中存在无导频模式的数据帧。在这些综合场景下，传统的频偏估计算法难以直接应用，

3、针对在低信噪比条件下上诉频偏估计方法存在的问题，本发明提供一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法。在无需先验数据的前提下，可通过粗估计与细估计两级频偏估计模块获得精度较高的估计值，并对数据进行补偿。

4、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

5、一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，包括：

6、s1：对输入的信号进行降阶操作获得四相星座点信号；

7、s2：将s1得到的信号由直角坐标系转到极坐标系，并将其相位进行4倍放大，随后重新映射到直角坐标系，得到去除调制信息的信号；

8、s3：对s2得到的信号进行分段fft计算，得到信号叠加频谱并进行峰值搜索，获得周期图峰值索引；

9、s4：根据s3得到的频谱峰值索引以及fft点数、调制阶数获得频偏粗估计值，完成粗频偏补偿；

10、s5：对s4得到的补偿后的信号进行s1～s2的降阶去调制操作，并进行抽取因子为s的重采样，得到采样率为fs/s的信号；

11、s6：对s5得到的重采样信号进行分段fft计算，依据信号叠加频谱获得其峰值索引，之后进行插值计算获得索引补偿因子，逼近峰值实际位置；

12、s7：根据补偿后的峰值索引、抽取因子s以及fft点数参数进行细频偏估计并完成对信号的补偿。

13、本发明进一步的技术方案：所述s1之前还包括：

14、s0：将接收数据符号经过定时恢复以及帧同步处理，消除符号定时偏得到待纠偏数据，同时获得相应的调制方式信息，所述调制方式包括非qpsk。

15、本发明进一步的技术方案：若调制方式非qpsk，所述s1具体为：

16、对输入信号的外环星座点做m次方降阶操作，获得与qpsk调制一致的四相星座点。

17、本发明进一步的技术方案：对输入信号的外环星座点做m次方降阶操作，获得与qpsk调制一致的四相星座点，包括：

18、若待纠偏数据调制类型为8psk或8apsk，则需对其符号对应外环星座点进行2次方降阶操作；若转换后的星座点与qpsk标准星座点相比存在π/4的相位差，则需对该星座点进行相位补偿，得到与qpsk相位一致的四相星座点；

19、如待纠偏数据调制类型为16apsk，则降阶算法中的m值表示为：

20、m＝y/4

21、其中，y为数据星座图对应的外环数据点数；之后需划定内外圈功率门限，对大于门限的外圈信号做m次降阶，对小于功率门限的内圈信号置0；若转换后的星座点与qpsk标准星座点相比存在π/4的相位差，则需对该星座点进行相位补偿，得到与qpsk调制一致的四相星座点。

22、本发明进一步的技术方案：所述s2包括：

23、s21：对信号做能量归一化，获得信号s1(i)；

24、s22：将s1(i)由直角极坐标系转化到极坐标系，得到信号的相位信息θi＝2πfdits+φ0+φz，其中，fd为调制频率信息，φ0为初始相位，φz为相位域高斯白噪声分量；

25、对θi进行4倍放大去除信号调制信息得到：

26、4θi＝8πfdits+4φ0+4φz

27、将其映射到直角坐标系有：

28、s2(i)＝exp(j(8πfdits+4φ0+4φz)。

29、本发明进一步的技术方案：所述s3包括：

30、以fft计算点数n为长度，对信号s2(i)进行分段，并对每段信号进行fft变换，用公式表示为：

31、

32、其中，hn为分段信号，k＝0,1,…,n-1；

33、利用公式|fk|＝fkfk*/n求得频谱幅值，对所有数据段的频谱幅值进行叠加求和，在求和频谱结果中搜索出最大峰值索引kmax1。

34、本发明进一步的技术方案：所述s4包括：

35、由最大似然估计理论得到频偏的估计表达式如下：

36、

37、式中，ts为采样间隔、kmax1为频谱峰值索引、n为fft点数、m为qpsk调制指数，频偏粗估计值

38、本发明进一步的技术方案：所述s6包括：

39、s61：对重采样后的信号x(n)′以n为长度进行分段，按照s3中的步骤获得信号叠加频谱的峰值索引kmax2；

40、s62：细化峰值两侧索引之间的频谱；具体的，先计算每段信号对应的频谱幅值点|xn(kmax2±0.5)|对该段信号[kmax2-1,kmax2+1]之间的频谱进行细化；通过对每段信号后缀填补长度为n的全0数据，由公式计算得到每段信号的|xn(kmax2±0.5)|，最后进行求和平均得到

41、s63：计算补偿因子δ，并对峰值索引kmax2进行补偿，通过小数部分的补偿使其更逼近实际频谱峰值位置；具体的，结合fft计算表达式以及频偏估计表达式，获得fft表达式的另一种形式：

42、

43、其中，kmax为峰值索引，δf为频偏值，ts为采样间隔，n为fft计算点数，θ为数据初始相位；则补偿因子δ的值在-0.5到0.5之间，得出下列关系：

44、

45、依据三角函数性质对上式进行简化有：

46、

47、计算补偿因子δ的表达式为：

48、

49、最后利用δ补偿后的峰值索引表示为：kmax＝kmax2-δ。

50、本发明进一步的技术方案：所述s7包括：

51、根据最大似然估计理论，频偏细估计值与补偿后的峰值索引关系式如下所示：

52、

53、其中，fs为采样间隔、kmax为补偿后的频谱峰值索引、n为fft变换点数、m为qpsk调制指数、s为重采样抽取因子，频偏细估计值为

54、一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法的应用，其特征在于应用于宽带卫星通信物理层解调系统载波恢复。

55、本发明的有益效果在于：

56、本发明涉及一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其无需利用已知的先验数据，可应用于宽带卫星物理层解调系统中的载波恢复，包括：对经过符号定时恢复以及帧同步的信号进行m次乘方降阶获得四相星座点信号；对信号进行能量归一化操作，将其由直角坐标系转为极坐标形式，并将其相位数据扩大4倍，重新映射到直角坐标系，得到去除调制信息的信号；根据fft点数对信号进行分段，对每段信号完成fft变换，并对其频谱进行累加，依据信号的累加频谱进行峰值搜索，获得周期图峰值索引；根据频谱峰值索引以及fft点数、调制阶数等信息获得频偏粗估计值，完成对信号的第一级粗补偿；对粗偏补偿后的信号进行相同的降阶去调制操作，并进行抽取因子为s的重采样，得到采样率为fs/s的信号；将重采样的信号进行分段fft计算并对其频谱进行累加，对累加频谱进行搜峰操作获得峰值索引；进行插值计算获得索引补偿因子，逼近峰值实际位置；根据补偿后的峰值索引、抽取因子s以及fft点数等参数进行细频偏估计并完成对信号的补偿。本发明可在低信噪比环境下进行高精度频偏估计，有效提升解调性能，适用于宽带卫星通信系统以及卫星高速数传系统。

技术特征：

1.一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，所述s1之前还包括：

3.根据权利要求2所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，若调制方式非qpsk，所述s1具体为：

4.根据权利要求3所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，对输入信号的外环星座点做m次方降阶操作，获得与qpsk调制一致的四相星座点，包括：

5.根据权利要求1所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，所述s2包括：

6.根据权利要求1所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，所述s3包括：

7.根据权利要求1所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，所述s4包括：

8.根据权利要求1所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，所述s6包括：

9.根据权利要求1所述一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，其特征在于，所述s7包括：

10.一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法的应用，其特征在于应用于宽带卫星通信物理层解调系统载波恢复。

技术总结
本发明涉及一种低信噪比下非数据辅助的高精度频偏估计补偿方法，属于高速数传技术领域。包括：对输入的信号进行降阶操作获得四相星座点信号；将信号由直角坐标系转到极坐标系；对信号进行分段FFT计算，得到信号叠加频谱并进行峰值搜索，获得周期图峰值索引；根据频谱峰值索引等信息获得频偏粗估计值，并完成粗频偏补偿；对补偿后的信号进行降阶去调制操作、重采样；对重采样信号进行分段FFT计算，依据信号叠加频谱获得其峰值索引；根据补偿后的峰值索引、抽取因子以及FFT点数等参数进行细频偏估计并完成对信号的补偿。本发明可在低信噪比环境下进行高精度频偏估计，有效提升解调性能，适用于宽带卫星通信系统以及卫星高速数传系统。

技术研发人员：张南,褚磊,冯兴民,宫丰奎,张沛鑫
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23