基于软判决反馈的载波频偏估计方法

吴春航，李 云，刘解华，吴彦奇

(1.重庆邮电大学 移动通信技术重点实验室，重庆 400065；2.北京华力创通科技股份有限公司，北京 100094)

基于软判决反馈的载波频偏估计方法

吴春航1，李 云1，刘解华2，吴彦奇2

(1.重庆邮电大学 移动通信技术重点实验室，重庆 400065；2.北京华力创通科技股份有限公司，北京 100094)

卫星移动通信中，针对短突发独特字个数很少，传统的频偏估计性能差，导致载波跟踪性能严重下降的问题，提出了一种基于软判决反馈的载波频偏估计方案。在对接收短突发信号进行软判决反馈得到短突发信号的估计基础上，利用部分估计信号作为独特字，进行频偏估计，用于载波跟踪。仿真结果表明，提出的方案能较大地提高载波频偏估计性能。

卫星移动通信；频偏估计；短突发；软判决反馈

在卫星移动通信系统中，由于卫星和终端相对运动造成多普勒频移，以及发送端和接收端本地晶振不一致，接收信号存在很大的频偏，对系统频带资源利用率和接收性能造成很大的影响。为保证接收端进行正常的解调译码，需要克服或减小这种频率偏差。因此，载波同步是进行信息传输的关键技术。

载波同步分为初始同步和载波跟踪，完成载波频率初始同步及频偏补偿后，由于残余频差的存在及频率漂移，需要对频率进行跟踪。在对频偏进行估计时，由于最大似然估计的精度高，常用于参数估计，文献[1]指出最大似然估计在信噪比较高时，估计精度高，但在信噪比较低时，估计性能迅速下降。文献[2]证明在加性高斯白噪声中，单频正弦信号在周期FFT变换中，在单频频率处出现最大值，可以通过寻找最大值来估计该频率，信噪比足够高时，其估计方差接近修正的克拉美-罗限[3](Modified Cramer-rao Bound，MCRB)，但该算法复杂度高。文献[4-5]提出了基于最大似然估计的简化算法，通过对文献[2]的最大似然估计方程的近似解，利用观测信号的自相关函数进行频偏估计，其频偏估计性能与观测信号长度密切相关，在用于频偏估计的观测信号较短时，频偏估计性能很差，无法满足实际工程需要。

本文针对在接收信号为短突发，且用于频偏估计的独特字个数较少的情况，提出一种基于软判决反馈的频偏估计方案，改善了观测信号过短导致载波频偏估计误差很大，载波频率跟踪性能很差的情况。

1 载波频偏估计基本原理

图1 载波跟踪环路

载波同步算法根据是否有独特字分为数据辅助算法和非数据辅助算法[6]，在本文地球静止轨道 (Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星通信系统中根据突发中有独特字的特点，载波频偏估计算法利用数据辅助方式实现。假设频偏估计前已经完成定时同步和无码间干扰。设接收信号载波频偏为Δf，接收端基带信号表示为

rn=anej(2πnΔfTs+θ)+Nn，0≤n≤L-1

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根据频偏估计算法得到的频偏估计作为反馈信号，通过环路对接收信号进行校正，可采用一阶卡尔曼滤波器对频偏变化进行跟踪[7]。

2 软判决反馈载波频偏估计方案

在接收信号为短突发，且独特字的个数很少，如在地球静止轨道卫星移动通信 (GEO-MobileRadio-1，GMR-1)系统标准中的正常业务突发(NT3)，只有12bit独特字信息，其突发结构[8]如图2所示。

图2 突发结构示意图

此情况下，上述频偏估计算法性能极度恶化。为改善短突发独特字很少时载波频偏估计性能，本文提出一种基于软判决反馈的载波频偏估计方案，原理如图3所示。

图3 软判决反馈载波跟踪原理图

对接收信号进行解调译码得到信息比特的估计值，再将译码结果重新进行编码调制，得到对接收信号的估计，这样就可以抽取部分数据符号作为已知独特字进行载波频偏估计，如图4所示。

图4 抽取部分符号的频偏估计

设在接收端抽取突发信号独特字信息为r1(n)，独特字为a1(n)，抽取的第二段部分数据信息为r2(n)，经过软判决反馈后得到第二段部分数据信息的估值，作为已知独特字设为a2(n)。可得第一段独特字误差信号为

(6)

设第一段独特字长度为M1，这里将相位偏差项视为噪声项，对第一段独特字信息求和，忽略噪声项[9]后为

(7)

A′ej2πΔfTs(2M1+2N+M2-1)/2

(8)

(9)

3 仿真性能与分析

3.1 理论分析

接收信号的载波频偏为Δf，定义载波频偏估计的克拉美-罗限 (CRB)表示为

(10)

式中：Er表示求均值。文献[3]给出了修正的克拉美-罗限(MCRB)为

(11)

式中：L为估计符号的长度；Es/N0为信噪比；MCRB与L-3成正比，可见短突发独特字符号个数很少时，频偏估计误差理论值很大。本文基于软判决反馈的频偏估计算法利用接收误差信号相位增量获得频偏估计值，利用部分估计数据符号进行频偏估计，一方面增加了用于频偏估计的符号长度，另一方面两段用于频偏估计符号具有一定间隔，提高了估计精度。其仿真性能接近长度为L=N+M1/2+M2/2的克拉美-罗限。

3.2 估计性能

本文仿真了欧洲电信标准委员会(ETSI)规定的GMR-1标准中TCH3业务信道，编码方式为1/2卷积码，采用π/4-QPSK调制，TCH3业务信道映射到NT3突发结构，信道模型采用高斯白噪声信道。

图5比较了两种频偏估计的仿真性能，在图中，DFE表示经过软判决反馈估计结果，MCRB表示修正的克拉美-罗限。非软判决反馈频偏估计使用一段独特字符号进行频偏估计，频偏估计方法采用L&R算法，用于频偏估计的独特字符号个数为6个，从图中可以看到，在信噪比20dB时仍有较大的估计误差。

图5 频偏估计性能

基于软判决反馈的频偏估计，估计方法采用式(9)，由于不同的频偏对软判决有一定影响，因此仿真了在不同频偏下的估计性能，从图中可以看到，在接收信号频偏为30Hz时，算法在信噪比4dB时归一化频偏估计方差约为7.76×10-4。虽然在2 dB以下时，由于不同频偏对软判决的误码率产生影响，导致估计性能变差，但相比L&R算法仍具有较大的优越性。尤其算法估计性能在频偏为20Hz以下在信噪比4dB时有较大提高。

图6还给出了载波频偏估计通过环路跟踪的仿真结果。在非软判决反馈时，环路的频率跟踪方差在解调门限4dB时，归一化频率跟踪的方差约为1.56×10-3，无法满足解调需求。而基于软判决反馈的载波跟踪方案，频率跟踪的方差在4dB时，归一化频率跟踪的方差约为6.63×10-5，完全可以满足解调需求。

图6 载波跟踪误差

4 结论

卫星移动通信中，为保证接收端解调性能，需要对频率进行跟踪和补偿。在接收信号为短突发，独特字个数很少时，通过软判决反馈，得到接收信号的估计，将部分数据信息作为已知独特字用于频偏估计，极大地改善了载波频偏估计和载波跟踪性能。此方案已用于实际接收机中，其硬件实现复杂度在可接受范围内。

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吴春航(1990— )，女，硕士生，主研卫星移动通信的时频同步技术；

李 云(1974— )，教授，博士生导师，主研无线移动通信；

刘解华(1976— )，博士，高级工程师，主研卫星通信和通信导航一体化技术；

吴彦奇(1980— )，硕士，主研卫星移动通信的信道传输技术。

责任编辑：薛 京

Carrier Frequency Offset Estimation Scheme Based on Soft Decision Feedback

WU Chunhang1, LI Yun1, LIU Jiehua2, WU Yanqi2

(1.KeyLabofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China；2.HwaCreateCorporationLtd.，Beijing100094,China)

At the situation that the short burst has a few unique word, so the conventional frequency offset estimation has poor performance, which deteriorats the performance of carrier tracking.Aiming at this problem, a carrier frequency offset estimation scheme based on soft decision feedback estimation in mobile satellite communication system is proposed.After soft decision feedback estimation of the received short burst signal, part of the estimation signals are used as unique word for frequency offset estimation and carrier tracking.The simulation results show that the proposed scheme can improve the performance of carrier frequency offset estimation significantly.

mobile satellite communication; frequency offset estimation; short burst; soft decision feedback

【本文献信息】吴春航，李云，刘解华,等.基于软判决反馈的载波频偏估计方法[J].电视技术,2015，39(3).

国家“863”计划项目(2012AA01A509)；国家科技重大专项(2013ZX03006003-002)

TN927.23

A

10.16280/j.videoe.2015.03.020

2014-07-24