張少侃，梁中英，高心煒

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

在目前的數(shù)字通信系統(tǒng)中，通信收發(fā)雙方硬件時(shí)鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度不可能完全一致，且通信雙方的相對物理運(yùn)動會使空中傳輸?shù)臒o線電波產(chǎn)生多普勒頻移，造成了接收信號和發(fā)送信號的載波頻率存在一定的偏差。因此在接收處理中，頻偏估計(jì)模塊是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分。

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，根據(jù)通信系統(tǒng)是否有導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，可將頻偏估計(jì)方法分為數(shù)據(jù)輔助和非數(shù)據(jù)輔助兩大類。在數(shù)據(jù)輔助的頻率偏差估計(jì)方法中，數(shù)據(jù)流中往往會有規(guī)律地插入已知的獨(dú)特碼以供接收端進(jìn)行頻偏估計(jì)處理，實(shí)際應(yīng)用的通信工程項(xiàng)目中常用的數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法有Kay算法、Fitz算法、M&M算法、L&R算法以及基于FFT頻偏估計(jì)算法[1-5]。在非數(shù)據(jù)輔助的頻率偏差估計(jì)方法中，數(shù)據(jù)流中未插入收發(fā)端均已知的獨(dú)特碼字供接收處理利用，甚至接收方都不知道無線信號的調(diào)制方式、符號速率等，這時(shí)便給頻率偏差估計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)與困難。大多數(shù)通信系統(tǒng)針對多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（Multiple Phase Shift Keying，MPSK）信號使用非數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法進(jìn)行頻偏估計(jì)。對于MPSK調(diào)制信號，可以通過冪次方運(yùn)算或非線性變換法去除調(diào)制信息，然后使用上述常見的數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法進(jìn)行頻偏估計(jì)[6-8]。

對于數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計(jì)算法，其估計(jì)的頻偏精度高，而且可估計(jì)的頻偏范圍大。例如，基于FFT頻偏估計(jì)算法的精度與快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）的點(diǎn)數(shù)有關(guān)，F(xiàn)FT變換的點(diǎn)數(shù)越多，則精度越高?？筛鶕?jù)實(shí)際需要來設(shè)置FFT變換點(diǎn)數(shù)以達(dá)到系統(tǒng)的要求，其可估計(jì)的頻偏范圍能夠達(dá)到（-fs/2，fs/2），其中fs是通信系統(tǒng)的符號速率。而對于非數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法，其頻偏估計(jì)精度比數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法低，估計(jì)范圍比數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法小。例如，對于MPSK調(diào)制信號，經(jīng)過冪次方運(yùn)算后，其頻偏估計(jì)精度會隨著噪聲增加急劇惡化，而且經(jīng)過冪次方非線性變化后，其頻偏估計(jì)范圍變?yōu)椋?fs/2M，fs/2M），頻偏估計(jì)范圍縮小了M倍。從以上分析可看出，非數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計(jì)算法存在著頻偏估計(jì)精度低和頻偏估計(jì)范圍小等缺點(diǎn)。

對于窄帶通信系統(tǒng)，系統(tǒng)頻偏較大，頻偏會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法和非數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法的估計(jì)范圍。因而對于窄帶通信系統(tǒng)，頻偏估計(jì)的范圍是需要重點(diǎn)考慮的問題。本文提出的頻偏估計(jì)算法可以很好地解決頻偏估計(jì)的范圍問題，這是因?yàn)槠漕l偏估計(jì)范圍不受系統(tǒng)符號速率的限制，而且頻偏估計(jì)的精度適中。對于頻偏估計(jì)精度要求較高的低速率通信系統(tǒng)，可以首先使用本文給出的頻偏估計(jì)方法估計(jì)出一個粗頻偏值，然后根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法以達(dá)到系統(tǒng)的整體性能要求，這樣就可以同時(shí)解決系統(tǒng)頻偏估計(jì)的大范圍和高精度問題。由于此種頻偏估計(jì)算法不受系統(tǒng)符號速率的限制，因而可以很好地解決低信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR)下低符號速率系統(tǒng)頻偏過大的問題。目前，此種算法已經(jīng)應(yīng)用到多個實(shí)際工程項(xiàng)目中，均得到了較好的性能效果。

1 信號模型

以MPSK信號為例，其信號解析表達(dá)式為：

式中，A為信號的幅度，N為樣本點(diǎn)個數(shù)，T為采樣時(shí)間間隔，Ns為碼元個數(shù)，Tb為碼元的寬度（單位是采樣點(diǎn)個數(shù)），g(·)為成型濾波函數(shù)，fc為信號的載波頻率，θc為信號的載波初始相位。

假設(shè)信道為加性高斯信道，則接收到的信號可表示為：

式中，w(n)為高斯白噪聲。

2 頻偏估計(jì)算法分析

當(dāng)通信系統(tǒng)的接收端信號存在載波頻偏時(shí)，這時(shí)接收到的信號可以表示為：

式中，fe表示收發(fā)端之間的頻率偏差，θe表示相位偏差。由于w(n)為加性信道高斯白噪聲，因此其頻率譜線是一條均勻的定值線。然而載波頻率表達(dá)式卻多出了頻偏fe，直觀顯示在接收端信號頻率譜線圖上便是接收信號的頻率譜線整體平移了fe。利用此特征，只需找到接收數(shù)字信號頻率譜線整體偏移值便可獲得收發(fā)信號的載波間偏移量fe，這便是本文提出的頻率偏差估計(jì)算法的理論基礎(chǔ)。從這個原理上可以看出，通信系統(tǒng)收發(fā)雙方的載波頻偏fe與系統(tǒng)符號速率無關(guān)，因此本文提出的頻偏估計(jì)方法所能估計(jì)的頻偏范圍與系統(tǒng)符號速率無關(guān)。但是在SNR情況下，信號幾乎被噪聲淹沒，因而頻偏估計(jì)問題就轉(zhuǎn)化為SNR下如何有效抑制噪聲的問題。

2.1 滑動平均濾波處理

使用滑動平均濾波可使信號頻譜變得平滑，為了工程實(shí)踐的簡單起見，用文獻(xiàn)[9]給出的信號頻譜滑動平均濾波公式，即：

式中，R(i)為接收信號r(n)的頻譜函數(shù)，W為平滑濾波的窗長度，R'(k)為平滑濾波后的輸出信號頻譜。通過滑動平均濾波處理可在信噪比極低情況下很好地改善接收信號的頻率譜線圖。例如，假設(shè)發(fā)端使用四相移相鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）信號，其接收端信噪比設(shè)置為-7 dB，得到的接收信號頻率譜線和滑動平均濾波后的信號頻率譜線如圖1所示。從圖1可看出，滑動平均濾波后的信號頻譜清晰易辨識，滑動平均濾波前的信號頻譜則因噪聲疊加而難以辨認(rèn)。

圖1 滑動平均濾波前后的頻譜

2.2 數(shù)據(jù)加強(qiáng)處理

接收信號做滑動平均濾波處理可明顯改善信號頻率譜線的平滑度，但由于在信噪比極低條件下，白噪聲引入接收信號頻率譜線的幅度波動巨大，因此使用單次FFT變換后的數(shù)據(jù)做頻率偏差估計(jì)會有很大的不穩(wěn)定性。為了提高估計(jì)的穩(wěn)定度和精確度，本文使用頻率譜線多次疊加的方法來提高信號頻譜的穩(wěn)定度和清晰度，其具體公式為：

式中，L為需要疊加的FFT變換后的數(shù)據(jù)組數(shù)，R'j(k)為第j組經(jīng)過平滑濾波后的FFT變換數(shù)據(jù)，Rm(k)為疊加后的信號頻譜。通過優(yōu)化L的數(shù)值可提升頻偏估計(jì)的準(zhǔn)確度。

2.3 頻偏估計(jì)

在得到上述多組數(shù)據(jù)疊加后的穩(wěn)定信號頻譜后，就可以做頻偏估計(jì)處理。首先需要找出Rm(k)中的最大幅值Rm(kmax)，即：

然后根據(jù)3 dB信號帶寬的定義，需要找到有用信號的范圍。假設(shè)k1和k2分別為有用信號通帶的兩個端點(diǎn)，則其應(yīng)滿足：

式中，頻譜幅值Rm(k)的單位為dB。根據(jù)載波頻率位于信號通帶內(nèi)的中心位置，可以求出信號中心頻率的位置為：

式中，R1≤R≤R2，這樣估計(jì)出的載波頻率為：

式中，NFFT是每組數(shù)據(jù)做FFT的點(diǎn)數(shù)，這樣估計(jì)出的頻偏為：

綜上所述，本文給出的頻偏估計(jì)算法的整體步驟如下。首先利用式（5）對接收到的信號頻譜做平滑處理；其次利用式（6）對平滑處理后的頻譜做多組數(shù)據(jù)疊加處理；再次利用式（7）和式（8）找出有用信號的通帶范圍；最后根據(jù)有用信號通帶范圍以及式（9）、式（10）和式（11）估計(jì)出信號載波頻偏。

利用上面的步驟可以估計(jì)出大頻偏信號的載波頻偏。對于低符號速率頻偏估計(jì)精度要求較高的通信系統(tǒng)，上述頻偏估計(jì)方法給出了一個頻偏粗估計(jì)值，可將通信系統(tǒng)的載波頻偏縮小到一定的范圍內(nèi)。對于頻偏估計(jì)精度要求較高的通信系統(tǒng)，可在本文給出的方法之后加入常規(guī)的頻偏精估算法，以達(dá)到系統(tǒng)要求。

3 仿真分析

本節(jié)對本文提出的頻偏估計(jì)方法進(jìn)行MATLAB仿真分析。首先對頻偏估計(jì)算法的頻偏估計(jì)范圍進(jìn)行仿真分析，然后與克拉美-羅界（Cramer-Rao Bound，CRB）進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[10]給出了MPSK信號載頻估計(jì)的修正克拉美-羅界（Modified Cramer-Rao Bound，MCRB），即：

式中，Es表示每個符號的能量，σ2表示復(fù)噪聲的功率。本文使用MCRB指標(biāo)來對比算法的性能。

仿真時(shí)設(shè)置QPSK信號的符號速率為4 kSPS，采樣速率為16 kHz，成型濾波函數(shù)選用平方根升余弦滾降濾波函數(shù)，仿真次數(shù)為1 000次。

3.1 頻偏估計(jì)范圍的仿真分析

設(shè)置系統(tǒng)頻偏值的變化范圍為-6～+6 kHz，設(shè)置系統(tǒng)信噪比SNR=-10 dB和SNR=-5 dB，使用本文給出的頻偏估計(jì)方法估計(jì)出的頻偏估計(jì)歸一化均方根誤差隨系統(tǒng)頻偏的變化曲線如圖2所示。

圖2 歸一化均方根誤差曲線

從上述仿真結(jié)果可以看出，在低信噪比下，頻偏值從-6 kHz變化到+6 kHz，本文提出的頻偏估計(jì)方法均能有效地估計(jì)出系統(tǒng)載波頻偏，且在SNR=-5 dB時(shí)的估計(jì)精度優(yōu)于SNR=-10 dB時(shí)的估計(jì)精度。

3.2 頻偏估計(jì)性能的仿真分析

設(shè)置系統(tǒng)的信噪比值變化范圍為-10～+10 dB，使用本文提出的頻偏估計(jì)算法進(jìn)行系統(tǒng)頻偏估計(jì)仿真，其頻偏估計(jì)歸一化均方誤差與MCRB比較曲線如圖3所示。從頻偏估計(jì)歸一化均方誤差與MCRB比較曲線可以看出，隨著信噪比的提高，算法的性能逐漸提高，且逐漸逼近MCRB。

圖3 頻偏估計(jì)歸一化均方誤差與MCRB比較曲線

4 結(jié) 論

針對低信噪比下的低符號速率系統(tǒng)大頻偏估計(jì)問題，本文給出了一種利用信號頻率譜線滑動平均濾波和數(shù)據(jù)加強(qiáng)處理的盲信號頻偏估計(jì)方法，該方法與信號調(diào)制方式無關(guān)，且估計(jì)的頻偏范圍不受系統(tǒng)符號速率限制，因而可以很好地解決系統(tǒng)大頻偏估計(jì)問題。MATLAB仿真結(jié)果表明，隨著信噪比的提高，本文算法的頻偏估計(jì)歸一化均方根誤差逐漸逼近MCRB，且本文算法的頻偏估計(jì)范圍可大于系統(tǒng)符號速率。