非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法

1.本发明涉及信息通信技术领域，尤其涉及一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法。


背景技术：

2.非正交多载波传输技术通过缩小子载波之间的间隔，从而减小占用的信号带宽。与传统的正交频分复用(ofdm，orthogonal frequency division multiplexing)信号相比，非正交多载波传输技术信号本身的非正交特性导致了符号间干扰和子载波间干扰，使得接收信号自协方差矩阵的更加复杂，给接收端的定时偏差估计和载波频偏估计算法的设计带来了一定的困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，解决现有技术中因非正交多载波传输技术信号本身的非正交特性导致符号间干扰和子载波间干扰，使得接收信号自协方差矩阵更加复杂，造成接收端的定时偏差估计和载波频偏估计算法设计困难的问题。
4.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
5.第一方面，本发明提供了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，所述方法包括：
6.确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；
7.滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；
8.获取定时偏差估计值的位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；
9.其中，所述相关运算包括先共轭运算，再对应相乘并累加求和。
10.结合第一方面，进一步的，还包括，在确定观察窗口前，初始化接收缓存并获取接收信号，将接收信号的采样点存入接收缓存中。
11.结合第一方面，进一步的，所述获取接收信号，包括：
12.将接收信号依次通过低噪声放大器、下变频器和模拟-数字转换器。
13.结合第一方面，进一步的，还包括，在确定观察窗口时，将观察窗口设定为循环前缀的长度，所述观察窗口滑动的距离为一个采样点。
14.结合第一方面，进一步的，所述对所述多段采样点进行频偏估计，包括使用似然函数对所述多段采样点进行频偏估计，所述似然函数的表达式为：
15.16.式中，n表示采样点的序号，ε表示归一化载波频偏，e
j2πε
表示复指数运算，表示接收信号的第n个样点，表示接收信号的第n+nb个样点的共轭运算之后的结果，nb表示一个符号的样点数，n
cp
表示循环前缀的长度，re{}表示取实部的数学运算，λ(ε)表示归一化载波频偏的似然函数。
17.结合第一方面，进一步的，所述获取频偏估计值，包括当似然函数取最大值时，获取频偏估计值，所述频偏估计值的表达式为：
[0018][0019][0020][0021]
式中，表示频偏估计值，c
im
表示运算结果的虚部值，c
re
表示运算结果的实部值，im{}表示取虚部的数学运算。
[0022]
第二方面，本发明提供了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计装置，包括：
[0023]
确定窗口模块，用于确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；
[0024]
滑动窗口模块，用于滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；
[0025]
频偏估计模块，用于获取定时偏差的估计值位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；
[0026]
其中，所述相关运算包括先共轭运算，再对应相乘并累加求和。
[0027]
第三方面，本发明提供了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计装置，包括处理器及存储介质；
[0028]
所述存储介质用于存储指令；
[0029]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行如第一方面任一所述的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法的步骤。
[0030]
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面任一所述的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法的步骤。
[0031]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0032]
本发明公开了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，涉及信息通信技术领域，方法包括确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；获取定时偏差估计值的位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值。本发明所提出的算法在多径信道中能够适应不同的非正交多载波的压缩因
子，不因非正交多载波传输技术信号本身的非正交特性导致符号间干扰和子载波间干扰，并能获得较好的估计性能。
附图说明
[0033]
图1是本发明实施例一提供的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法的步骤流程图；
[0034]
图2是本发明实施例一提供的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法中，进行相关运算寻找峰值位置的方法示意图；
[0035]
图3是本发明实施例一提供的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法中，不同尝试值下定时偏差估计的似然函数取值变化情况示意图；
[0036]
图4是本发明实施例一提供的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法中，定时偏差估计性能随着信噪比变化的情况示意图；
[0037]
图5是本发明实施例一提供的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法中，频偏估计性能随着信噪比的变化情况示意图；
[0038]
图6是本发明实施例一提供的一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法中，残余定时偏差和残余载波频偏对误比特率的影响示意图。
具体实施方式
[0039]
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0040]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0041]
实施例一：
[0042]
参照图1，本发明实施例介绍一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，包括：
[0043]
确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；
[0044]
滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；
[0045]
获取定时偏差估计值的位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；
[0046]
其中，所述相关运算包括先共轭运算，再对应相乘并累加求和。
[0047]
具体包括如下步骤：
[0048]
步骤1：初始化接收缓存；
[0049]
对接收缓存、参数设置和变量进行初始化，是为了使得无线信号接收端能够正常工作。
[0050]
步骤2：接收信号；
[0051]
当接收端的初始化完成之后，需要获取接收信号，然后将获取的接收信号依次通
过低噪声放大器、下变频器和模拟-数字转换器，并将接收信号的采样点存入到接收端的缓存中，便于进行下一步的处理。
[0052]
步骤3：确定观察窗口；
[0053]
在无线通信系统中，由于发送端和接收端在传输数据之前，已经设定好了循环前缀(cp，cyclic prefix)的长度和一个符号的样点数，因此，在接收端中，需要将两个观察窗口都设定为循环前缀的长度，并将两个观察窗口的距离设置为一个符号的样点数。
[0054]
步骤4：对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；
[0055]
如图2所示，取出观察窗口中的接收信号的采样点进行相关运算，相关运算的具体方式是先共轭运算，再对应相乘，并累加求和。
[0056]
步骤5：储存相关运算的结果；
[0057]
将步骤4中获取的相关运算结果，存储在接收端的缓存中，用于后续的比较。
[0058]
步骤6：滑动观察窗口；
[0059]
当上一次的相关运算结果计算完成，并储存在接收端的缓存中以后，则需要滑动观察窗口。观察窗口滑动的距离为一个采样点。滑动观察窗口是为了进行相关运算，并寻找到相关峰值最大的位置。
[0060]
步骤7：根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；
[0061]
针对步骤5中所获得的所有相关运算结果，寻找其中的峰值出现的位置。由于循环前缀本身具有较强的相关性，相关运算之后会出现相关峰，在本实施例中，会出现两个相关峰，两个相关峰的位置对应定时偏差估计值的位置。因此，根据峰值出现的位置，判断得到定时偏差的估计值。
[0062]
步骤8：获取定时偏差估计值的位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；
[0063]
当获取定时偏差估计值之后，则可以取出两个相关峰对应采样点位置的两段采样点用于频偏估计。使用似然函数对所述多段采样点进行频偏估计，可以得到似然函数的表达式为：
[0064][0065]
式中，n表示采样点的序号，ε表示归一化载波频偏，e
j2πε
表示复指数运算，表示接收信号的第n个样点，表示接收信号的第n+nb个样点的共轭运算之后的结果，nb表示一个符号的样点数，n
cp
表示循环前缀的长度，re{}表示取实部的数学运算，λ(ε)表示归一化载波频偏的似然函数。
[0066]
当似然函数取最大值时，获取归一化频偏估计值，所述归一化频偏估计值的表达式为：
[0067][0068]
[0069][0070]
式中，表示频偏估计值，c
im
表示运算结果的虚部值，c
re
表示运算结果的实部值，im{}表示取虚部的数学运算。
[0071]
步骤9：输出结果。
[0072]
当定时偏差估计和频偏估计的步骤完成之后，输出定时偏差估计值和频偏估计值。
[0073]
本实施例通过采用计算机蒙特卡洛仿真方法，验证了所提出的定时偏差估计算法和频偏估计算法的性能。
[0074]
在仿真图图3中，横坐标为trial vaule
△
for sto(symbol timing offset)estimation(sample)，其对应的中文含义是当定时偏差过程中，尝试值
△
取不同的值时的情况。图3的纵坐标为value of likelihood function，其对应的中文含义是当尝试值
△
取不同的值时，所对应的似然函数值的大小。图3中的标注peak location
△
ml
表示定时偏估计值所对应的峰值位置为
△
ml
。在图3中，sefdm信号的频域压缩因子为0.5，信噪比为10db，子载波数为m＝64，循环前缀的长度为nc＝16，多径信道数为l＝3，每条子径的幅度服从瑞利随机分布，多径抽头总能量归一化。归一化频偏设定为0.1，接收信号的过采样倍数为1。在图3中仿真了不同定时偏差尝试值下的所提似然函数的取值变化情况。当似然函数取最大值时，此时对应的样点位置则为最大似然定时偏差的估计值。从图3中可以看出最佳的估计值
△
ml
＝46，由此可以得到一个sefdm符号的样点起始值。对于峰值所在位置较远的尝试值位置，所提出的似然函数的峰值依然是明显的；但是当时，似然函数的值相差不大。其原因在于当sefdm信号的频域压缩因子为0.5时，sefdm子载波之间是不正交的且具较为严重的干扰。
[0075]
在仿真图图4中，横坐标snr(signal-to-noise ratio)表示信噪比，图4的纵坐标rmse(root mean square error)of sto(symbol timing offset)estimation(sample)表示定时偏差估计的根均方误差的大小，并用偏移的采样点数进行衡量定时偏差的大小。采用星座点集合为四相移相键控(qpsk，quad-phase shift key)，sefdm的频域压缩因子分别设定为ρ＝0.5,0.7,0.9，而当频域压缩因子为ρ＝1.0时，此时sefdm信号退化为ofdm信号。子载波数分别为m＝64,128，循环前缀的长度为n
cp
＝16。信噪比(snr，signal-to-noise ratio)的变化范围为2db～24db。图4描述了所提出的sefdm定时偏差估计算法性能随着信噪比变化而变化的情况。仿真发现，随着信噪比的增大，所提出的定时偏差估计算法的估计方差逐渐降低。在整个信噪比区域，所提出的sefdm定时偏差估计方法的性能都能够接近ofdm的定时偏差估计性能。另外，即使sefdm频域压缩因子降为0.5，子载波之间存在严重的干扰，所提出的算法也能够获得较好的定时偏差估计性能。对于sefdm信号，随着非正交子载波数的增加，子载波之间的相互影响更为严重，所以定时偏差估计的性能在m＝64时比m＝128时更好。
[0076]
在仿真图图5中，横坐标snr(signal-to-noise ratio)表示信噪比，图5的纵坐标mse(mean square error)of normalized cfo(carrier frequency offset)中文含义为归一化频偏估计的均方误差。图5显示，随着信噪比的增加，所提出的算法的频偏估计方差逐
渐降低，而且能够适应不同的sefdm频域压缩因子。当子载波数为64时，所提出频偏估计性能比子载波数为128时，具有更好的性能，其原因在于子载波数越多，循环前缀与数据长度的比例越低。
[0077]
在仿真图图6中，横坐标snr(signal-to-noise ratio)表示信噪比，图6的纵坐标ber(bit error rate)affected by residual cfo(carrier frequency offset)中文含义为不同残余频偏大小对误比特率的影响。图6中，主要仿真了残余定时偏差和残余载波频偏对sefdm信号传输误比特率的影响。仿真过程中，先利用所提出定时偏差估计算法对接收信号进行定时偏差估计并校正，然后再对频偏进行估计和校正，接着基于最小均方误差准则进行解调得到比特，并与发送比特进行对比，统计得到误比特率。
[0078]
综上，本发明实施例公开了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，针对非正交多载波(sefdm，spectrally efficient frequency division multiplexing)传输系统，设计了sefdm传输系统的定时偏差估计和载波频偏估计的方法。在实现步骤过程中，对接收信号的采样点进行相关运算，并利用循环前缀自身的相关性特点完成定时偏差估计，并在此基础上完成频偏估计。仿真结果表明，在多径信道中，所提出的算法能够适应不同的非正交多载波的压缩因子，且能获得较好的估计性能。
[0079]
实施例二：
[0080]
本发明实施例提供了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计装置，包括：
[0081]
确定窗口模块，用于确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；
[0082]
滑动窗口模块，用于滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；
[0083]
频偏估计模块，用于获取定时偏差的估计值位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；
[0084]
其中，所述相关运算包括先共轭运算，再对应相乘并累加求和。
[0085]
实施例三：
[0086]
本发明实施例提供了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计装置，包括处理器及存储介质；
[0087]
所述存储介质用于存储指令；
[0088]
处理器用于根据指令进行操作以执行根据实施例一中任一项方法的步骤。
[0089]
实施例四：
[0090]
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例一中任一项方法的步骤。
[0091]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0092]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程
图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0093]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0094]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0095]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，其特征在于，所述方法包括：确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；获取定时偏差估计值的位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；其中，所述相关运算包括先共轭运算，再对应相乘并累加求和。2.根据权利要求1所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，其特征在于，还包括，在确定观察窗口前，初始化接收缓存并获取接收信号，将接收信号的采样点存入接收缓存中。3.根据权利要求2所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，其特征在于，所述获取接收信号，包括：将接收信号依次通过低噪声放大器、下变频器和模拟-数字转换器。4.根据权利要求1所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，其特征在于，还包括，在确定观察窗口时，将观察窗口设定为循环前缀的长度，所述观察窗口滑动的距离为一个采样点。5.根据权利要求1所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，其特征在于，所述对所述多段采样点进行频偏估计，包括使用似然函数对所述多段采样点进行频偏估计，所述似然函数的表达式为：式中，n表示采样点的序号，ε表示归一化载波频偏，e
j2πε
表示复指数运算，表示接收信号的第n个样点，表示接收信号的第n+n
b
个样点的共轭运算之后的结果，n
b
表示一个符号的样点数，n
cp
表示循环前缀的长度，re{}表示取实部的数学运算，λ(ε)表示归一化载波频偏的似然函数。6.根据权利要求5所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，其特征在于，所述获取频偏估计值，包括当似然函数取最大值时，获取频偏估计值，所述频偏估计值的表达式为：计值的表达式为：计值的表达式为：式中，表示频偏估计值，c
im
表示运算结果的虚部值，c
re
表示运算结果的实部值，im{}表示取虚部的数学运算。
7.一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计装置，其特征在于，包括：确定窗口模块，用于确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；滑动窗口模块，用于滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置，获取定时偏差估计值；频偏估计模块，用于获取定时偏差估计值位置的多段采样点，对所述多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值；其中，所述相关运算包括先共轭运算，再对应相乘并累加求和。8.一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至6任一项所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述的非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种非正交多载波信号的定时偏差与频偏的联合估计方法，涉及信息通信技术领域，包括确定观察窗口，对观察窗口中接收信号的采样点进行相关运算，获取相关运算的结果；滑动观察窗口，根据相关运算的结果中峰值出现的位置获取定时偏差估计值；获取定时偏差估计值的位置的多段采样点，对多段采样点进行频偏估计，获取频偏估计值。本发明解决了现有技术中因非正交多载波传输技术信号本身的非正交特性导致符号间干扰和子载波间干扰，使得接收信号自协方差矩阵更加复杂，接收端的定时偏差估计和载波频偏估计算法设计困难的问题，所提出的算法在多径信道中能适应不同的非正交多载波的压缩因子，并能获得较好的估计性能。能。能。


技术研发人员：梁小虎 刘爱军 林鑫 续欣 高志祥 岳桐 张森柏 陈文鑫
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/14