[发明专利]基于随机共振预处理的多普勒频移估计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，是一种无线信道参数的估计方法，适合用于高复杂性和高动态特性的无线通信信道。

背景技术

短波/超短波(HF/VHF)通信是最早的无线电波通信方式。该通信方式利用电离层散射、离散E层反射、流星余迹和大气波导等多种信道进行无线传输，通信覆盖范围可达2000公里以上，在遭遇恶劣自然灾害、军事打击、社会技术故障和恐怖袭击所导致的通信基础设施大面积中断和损坏的情况下，也能提供国家最低限度的预警和应急通信保障。此外，HF/VHF通信还具有电子对抗能力强、抗毁性强和保密性高等显著特点，与卫星通信构成了超远距离通信体系。在现代通信中，HF/VHF通信系统被广泛应用于地面、海洋和空中等军用和民用通信中，是最低限度应急通信系统的重要组成部分。然而由于HF/VHF信道的传输特性，各种广播、雷达无线电干扰比较严重，而且受到多径效应、信道衰落、受昼夜、季节、气候等因素的影响，且无线电波在远距离传播过程中衰落比较严重，噪声比较大，所以接收信号非常微弱，且常常容易被各种噪声所淹没，甚至会出现信号功率小于噪声功率，即低信噪比条件的情况。

在短波/超短波通信中，由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号会发生相互间的干扰，这些波称为多径波。由于移动台和基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程，从而引起的接收机信号频移称为多普勒频移。现有多普勒效应示意图如图1，当移动台以恒定速率v在长度为d、端点为X和Y的路径上运动时，收到来自远端信号源S发出的信号。无线电波从源S出发，在X点与Y点分别被移动台接收时所走的路径差为：

Δl＝dcosθ＝vΔtcosθ，            (1)

式中，Δt是移动台从X运动到Y所需的时间，θ是X和Y与入射波的夹角。假设移动台和源端距离很远，则可以假设X、Y处的θ是相同的。所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为：

由此可得出频率变化值，即多普勒频移f_d为：

由此可以看出，多普勒频移与移动台的运动速度有关，还与移动台的运动方向和无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正，即接收频率上升；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，即接收频率下降。由上可见，当频率增高，移动速度加快时，多普勒效应很明显。

信道的多普勒频移是信道参数变化快慢的标志，因此要求移动终端应能实时地估计出多普勒频移，并根据多普勒频移来动态地调整系统参数和进行补偿，以获得最佳的接收性能。此外，多普勒频移估计在信道测量、资源分配、越区切换和功率控制等方面也发挥着重要作用。由于无线信道的复杂和高动态变化的传输特性，各种广播、雷达无线电干扰比较严重，接收信号容易被各种噪声所淹没，严重影响到多普勒频移估计的准确性。因此极低信噪比情况下的多普勒频移估计成为制约通信系统接收性能的瓶颈问题，对该问题的研究在无线通信领域中具有极其重大的意义。

现有的多普勒频移估计方法通常可分为两类：基于电平通过率LCR的估计和基于相关函数COV的估计。LCR方法的优点是实现简单，但抗噪声性能较差；COV方法虽说估计性能优于LCR方法，但计算复杂度较高。因此为了提高LCR方法的抗噪声性能，许多改进算法被提出来，例如基于DFT频域滤波的DANS方法。虽然这些方法估计性能在一定程度有所改善，但在极低信噪比情况下，上述方法得出的多普勒频移估计值与理论值之间的偏差仍然较大，不利于HF/VHF通信系统接收性能的提高与信息的有效传输。因此针对HF/VHF通信的低信噪比情况，寻求一种既可靠又有效的方法对多普勒频偏进行估计就显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，将非线性科学中的随机共振引入到接收信号预处理中，提出了一种新颖的基于随机共振预处理的多普勒频移估计方法，以提高系统的抗噪声性能，降低多普勒频移估计值与理论值之间的偏差，提高在低信噪比情况下HF/VHF通信系统的接收性能和保障信息的有效传输。

实现本发明目的的技术方案是：针对HF/VHF通信中低信噪比情况下的多普勒频移估计的要求，将非线性科学中的随机共振技术引入到接收信号的预处理中，将随机共振技术与电平通过率估计方法相结合，具体步骤如下：

(1)利用蒙特卡罗实验仿真方法，得到最佳采样频率与输入信噪比的拟合曲线图，利用该曲线图确定最佳采样频率为：