[发明专利]高动态大频偏突发信号的频偏估计方法

说明书

本发明提供一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，包括突发帧捕获、多普勒变化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏估计，突发信号帧由导频段和数据段组成，接收机利用导频段实现频偏估计。首先通过门限比较法实现突发帧捕获；之后对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒变化率估计值用于导频段的动态补偿；然后，对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；最后，结合多普勒变化率估计值和基础频偏估计值，联合估计突发信号帧中每个符号的频偏。使用频偏估计结果对数据段进行补偿，使数据段具有较小的频率变化率和剩余频偏，便于实现位同步、帧同步和载波同步。

技术领域

本发明涉及涉及接收机同步技术，尤其涉及高动态大频偏条件下突发信号的频偏估计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

突发通信是一类常见的通信应用模式，如飞机等飞行载体的位置报告、传感器采集数据的上报等。当通信双方存在相对运动，且有较大的径向速度和加速度时，对于较高的载波频率，信号会产生较大的多普勒频偏和频率变化率。例如，在低轨卫星通信系统中，卫星绕地球高速运动，具有较大的速度和加速度，加上载波频率高(GHz量级)，产生的多普勒频偏能达到百kHz量级，多普勒变化率能达到kHz/s量级。

多普勒频偏和频率变化率相对于符号速率过大，会给接收机的同步造成恶劣影响。载波频偏估计是接收机同步技术的重要一环。当频偏较大时，接收机为了实现载波同步，必须增大频率搜索范围，复杂度相应增加。高动态(加速度大)带来大的频偏变化率，接收信号的载频快速变化，接收机对载波频率的搜索变得更为复杂和困难。此外，突发信号还要求同步建立时间短。高动态大频偏条件下实现频偏的快速精确估计，是值得研究的难点问题。

载波频偏估计存在多种方法，有基于反馈环路的估计算法，如锁频环、锁相环等；有基于前馈的估计方法，如离散傅立叶变换(DFT)辅助估计等，也有前反馈相结合的方法，如韩秀峰等人提出的DFT与锁相环结合法。锁频环要求符号信噪比高，信噪比较低时无法正常工作。锁相环跟踪的频偏范围与环路带宽正相关。大频偏需要设置大的环路带宽，在信噪比较低时，增大环路带宽会增加跳周概率。因此，环路带宽不能设得很大，但环路带宽小会使跟踪的频偏范围较窄，不适用于大频偏。DFT与锁相环相结合，能够很好地估计频偏。在大频偏条件下，采用DFT进行频率粗同步，通过增加采样倍数，可以增大频偏搜索范围，将剩余频差压缩到较窄的范围。加长累积时间能够提高频率分辨率，从而提高估计精度。对于剩余频偏，采用二阶锁相环可以跟踪；即使存在一定的动态，采用三阶锁相环也能实现动态跟踪。

对于一般的通信场景，由于动态(多普勒变化率)较小或者不存在动态，DFT与锁相环相结合的方法十分有效。但在高动态条件下，载波频率变化率大，当DFT累积时间较长时，载波频率会跨越DFT的多个频率栅栏，能量分散在多个频点上，频率粗同步性能很差，使得后续的锁相环无法正常工作。因此，对于高动态通信应用，仅进行频率估计尚不够，还需要估计多普勒变化率。在此基础上，才能估计出各信号点的频偏值。因此，多普勒变化率估计是高动态大频偏突发信号频偏估计的关键。但是，目前关于多普勒变化率估计的研究较少，对高动态通信的频偏估计缺乏行之有效的手段。

发明内容

本发明的目的是针对高动态大频偏突发信号，提供一种DFT辅助的多普勒变化率快速估计方法，在此基础上，提供一种基于DFT的频偏估计方法。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高动态大频偏突发信号的频偏估计方法，突发帧捕获、多普勒变化率估计与校正、基础频偏估计和多普勒频偏联合估计；

通过门限比较法实现突发帧捕获，突发信号帧由导频段和数据段组成，利用导频段实现频偏估计；

对导频数据进行分段，采用DFT辅助的分层迭代方法估计多普勒变化率，并将多普勒变化率估计值用于导频段的动态校正；

对动态校正后的信号进行DFT辅助的基础频偏估计；