Mpsk移動通信系統中都卜勒頻移的補償方法
2023-06-27 15:52:06
專利名稱：Mpsk移動通信系統中都卜勒頻移的補償方法
技術領域：
本發明屬於移動通信領域，具體涉及MPSK移動通信系統都卜勒頻移的補償方法。
背景技術：
在移動通信系統中，由於通信雙方的相對運動，使接收方發生的頻率偏移，稱為都卜勒頻移，都卜勒頻移同雙方的相對運動速度成正比。由此可見，對於移動通信、特別是運行速度非常快的LEO衛星通信系統來說，都卜勒頻移通常比較大，對於使用相干解調的MPSK(多相相移鍵控)移動通信系統來說，如果不對都卜勒頻移進行補償，則本地載波無法達到同信號載波的同步，而產生頻率偏差，進而導致解調相位的偏差，使得數據的判決和再生出現錯誤，不能得到正確的數據。目前對頻率頻移的補償，都是先將載波信號恢復出來，如在發端用插入導頻法，接收端用簡單的窄帶濾波器把載波提取出來，這種方法由於需要為導頻信號分配大量的功率而很少採用；或是對接收信號進行非線性處理，把載波分量提取出來，如Costas環等，這種方法需要複雜的載波恢復電路，且精度要求較高。
發明內容
本發明的目的是為MPSK移動通信系統提供一種MPSK移動通信系統中都卜勒頻移的補償方法，以克服現有技術需要複雜的載波恢復電路的缺點。
本發明通過下述步驟實現a、在移動通信系統的信號接收端，利用每包數據報頭的參考碼元信息為移動通信系統信號接收端和發送端雙方共知的特性，對時鐘恢復後的基帶信號相鄰碼元之間由於都卜勒頻移導致的相位差進行無偏估計；b、利用得到的相位估計值，對每個基帶信號碼元進行相位修正；c、選擇參考碼元已知信息作為算法的期望信號，將相位修正後的參考碼元基帶信號作為輸入信號使LMS算法收斂；d、將相位修正後的數據碼元基帶信號作為輸入信號，利用已經收斂了的LMS算法對相位修正後留下的較小的相位偏差、以及調製的初始相位偏差或時鐘恢復相位偏差進行補償，此時，將輸入信號的硬判決結果作為算法的期望信號；e、對LMS算法輸出信號的硬判決結果作為補償方法的最終結果，來判定信號所攜帶的信息。
本發明的都卜勒頻移的補償方法，不需要對接收信號載波進行恢復，而直接使用原調製載波頻率進行相干解調，從而省去了載波恢復電路，簡化了通信系統，使其能夠更穩定的運行。
本發明從對相位偏差的估計入手，在固定接收機本地載波頻率的基礎上，首先對碼元之間的相位偏差給予無偏估計，然後使用了一種非常簡單並且利用很少位數據包報頭碼元(參考碼元)作為期望信號的LMS算法。相位估計和LMS算法相結合，可以對任意大小的都卜勒頻移(在接收濾波器濾波範圍內)造成的解調相位偏差進行補償。
圖1是本發明所應用到移動通信系統的示意圖；圖2是步驟c中使LMS算法收斂的流程圖；圖3是步驟d中的LMS算法信號流程圖；圖4是不同參考碼元數的仿真誤碼率曲線，橫坐標為信噪比0≤SNR≤10(dB)，縱坐標為誤碼率，theory代表相干解調理論曲線，R為不同的參考碼元下得到的誤碼率曲線；圖5給出了R＝10時，不同都卜勒頻移下的誤碼率曲線，theory代表相干解調理論曲線，Δθdop都卜勒頻移造成的碼元之間相位偏差，圖中為不同的Δθdop對應的誤碼率曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖1對本發明的應用進一步描述。在移動通信的發送端把傳輸符號經過QPSK調製上變頻fc，通過信道向接收端傳送，接收端的中頻單元接收信號，再經過相干解調和時鐘恢復，然後應用本發明的方法進行都卜勒頻移的補償，時鐘恢復前的各步驟不屬於本發明的內容。
本發明的主要包括兩個主要部分相位估計與LMS自適應算法；其中，LMS自適應算法是本發明的核心部分。由於數據傳輸速率很高，可以認為每數據包都卜勒頻移恆定；相位是頻率的積分，對於恆定的頻率偏移來說，相位偏差線性，即相鄰碼元之間存在相等的都卜勒相位偏差。
首先需要建立整個通信系統的模型結合圖1，設信道為復加性高斯白噪聲信道(complex AWGN)，其表達形式如式(1)n(t)＝nc(t)+jns(t)(1)其中，nc(t)和ns(t)為相互獨立的高斯過程。
發送端，每數據包由R個參考碼元R(k)和D個數據碼元D(k)組成，數據經打包後，經過MPSK調製基帶信號為S(k)，再經過適當的射頻調製方法，將調製信號送入到信道中。經過載波調製後的信號可以表示為 其中，(k)為MPSK調製相位； 為調製初始相位，fc為載波頻率。
接收端，對於MPSK來說，log2M為每個碼元所代表的比特數，Δf為都卜勒頻偏，B為數位訊號的比特率(bit/s)，帶有都卜勒頻移和噪聲的信號可以表示為 經以fc為本地載波的相干解調、時鐘恢復後，其每個碼元恢復為 其中dop(k)=2flog2MB(mod2)k=dopk---(5)]]>由於噪聲的存在，設相鄰碼元之間的相位偏差為Δθ(k)，k＝1，2，...，R+D，則在復加性高斯白噪聲信道中，若信號功率為1，噪聲功率為σn2，則碼元之間的相位偏差Δθ(k)～N(Δθdop，2/σn2)。
在建立起通信系統模型後，本發明將按照下面的步驟進行
a、利用每包數據報頭的參考碼元信息為移動通信系統信號接收端和發送端雙方共知的特性，對時鐘恢復後的基帶信號y(k)相鄰碼元之間的相位差Δθ(k)進行無偏估計；從理論上來看，當信噪比很大時，忽略噪聲項，有dop=dop(k+1)-dopk]]> 其中， 為相角。
但在實際情況中，由於噪聲的存在，只能利用樣本(k＝1，2，...，R)均值 來無偏估計Δθ(k)的總體均值Δθdop。而無偏估計修正後的相位誤差很小，利用LMS算法進行補償。令dop=+---(7)]]> 就是要估計的都卜勒頻移造成的碼元之間相位偏差Δθdop，Δ為估計後餘下的相位偏差， 對Δθdop的估計的準確程度將決定算法對都卜勒頻移相位誤差的補償情況。即 =1Rk=1RE[(k)]=1Rk=1Rdop=dop]]>b、利用得到的相位無偏估計 ，對每個基帶信號碼元y(k)進行相位修正，得到z(k)，即將線性的相位偏差調整的儘量小；經過 相位修正後的基帶信號z(k)可以表示為 c、利用參考碼元ej(k)(k＝1，2，...R)作為期望信號d(k)，將這些相位修正後的參考碼元基帶信號z(k)(k＝1，2，...，R)作為輸入信號，使LMS算法收斂；d、把每包數據中參考碼元以外的、相位修正後的信號碼元z(K)(k＝R+1，...，R+D)，將其硬判決結果ej`(k)(k＝R+1，...R+D)作為期望信號，利用已經收斂了的LMS算法繼續對相位估計後餘下的相位偏差Δ進行補償，同時對調製的初始相位偏差進行補償；步驟c和d中的矢量LMS算法可以描述為以下的三個公式，x(k)＝w*(k)z(k) (算法輸出)(11)e(k)＝d(k)-x(k) (誤差信號)(12)w(k+1)＝w(k)+2ue*(k)z(k) (權重迭代)(13)圖2和圖3給出了步驟c和d中對應於公式11至公式13的信號流程，z(k)作為算法的輸入信號；d(k)為期望信號，步驟c和d的區別只是期望信號和輸入信號的不同；通過期望信號d(k)和輸出信號x(k)的誤差信號e(k)來不斷調整權重信號w(k)，使每一次的權重調整值能夠跟上輸入信號的變化，而使誤差信號總是很小。步驟d中的權重初值需要使用步驟c中的結果。u為自適應步長，本發明中選取u＝0.15。
e、硬判決結果ej`(k)(k＝R+1，...R+D)作為補償方法的輸出結果，來判定信號所攜帶的信息。
依據上面的描述對該方法進行仿真。設每包100個碼元，參考碼元R＝{10，12，20}，數據碼元D＝100-R；選取QPSK調製方式，調製信號的相位為(k)＝{±π/4，±3π/4}；令初始權重w(0)＝0。θ0＝{0，隨機}；信號平均功率為1。誤碼率的計算使用Monte-Carlo仿真方法，即利用統計平均的方法。
由於LMS算法是對規律性變化誤差的一種自適應補償，而對於高斯白噪聲帶來的隨機相位誤差，無法進行補償，因此LMS算法補償後的誤碼率只能無限的趨近於相干解調的理論誤碼率曲線，而無法超過這條曲線。
圖4給出了不同條件下的誤碼率曲線，從圖中可以看出，當參考碼元為10個時，補償性能最差，12個字符稍稍比20個字符的差一些。因此，對於一般的條件來說，可以選擇R＝20。
圖5給出了R＝10時，不同都卜勒頻移Δθdop下的誤碼率曲線，從圖中可以看出，對於不同的都卜勒頻移，算法補償性能沒有差異。
權利要求
1.MPSK移動通信系統中都卜勒頻移的補償方法，其特徵在於本方法通過下述步驟實現a、在移動通信系統的信號接收端，利用每包數據報頭的參考碼元為移動通信系統信號接收端和發送端雙方共知的特性，對時鐘恢復後的基帶信號相鄰碼元之間的相位差進行無偏估計；b、利用得到的相位估計值，對每個基帶信號碼元進行相位修正；c、將參考碼元已知信息作為期望信號，相位修正後的參考碼元基帶信號作為輸入信號使LMS算法收斂；d、把相位修正後的數據碼元基帶信號作為輸入信號，利用已經收斂了的LMS算法對相位修正後留下的較小的相位偏差進行補償，同時對調製的初始相位偏差進行補償，此時，將輸入信號的硬判決結果作為期望信號；e、對LMS算法輸出信號的硬判決結果作為補償方法的最終結果，來判定信號所攜帶的信息。
2.根據權利要求1所述的MPSK移動通信系統都卜勒頻移的補償方法，其特徵在於步驟a中對相位差進行估計時，利用樣本(k＝1，2，...，R)均值( )來無偏估計總體均值(Δθdop)。
全文摘要
本發明提出的MPSK移動通信系統中都卜勒頻移的補償方法，它涉及MPSK移動通信系統都卜勒頻移的補償方法。它克服了現有技術需要複雜的載波恢復電路的缺點。本發明包括相位估計和LMS算法兩個部分，補償方法首先從對相位偏差的估計入手，在固定接收機本地載波頻率的基礎上，經相干解調和時鐘恢復，藉助數據包報頭信息接收雙方共知的特性，首先對對碼元之間的相位偏差進行無偏估計，然後利用簡單的LMS算法，對相位估計後餘下的偏差值，以及調製的初始相位進行補償。相位估計和LMS算法相結合，可以對任意大小的都卜勒頻移(在接受濾波器濾波範圍內)造成的解調相位偏差進行補償。本發明具有易於實現、數據報頭參考比特利用少、補償速度快等優點。
文檔編號H04L27/10GK101018083SQ200710071789
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月14日 優先權日2007年2月14日
發明者井慶豐, 郭慶, 李陸, 石磊, 嚴曉菊 申請人:哈爾濱工業大學