基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法，该方法包括了频率偏差粗估计和频率偏差细估计两个部分。接收端已知扩频信号的前导符号，并在本地生成基于前导符号的扩频信号。接收端将接收的信号在一定的窗口和步进值下进行频偏预校正。将校正的结果和生成的本地前导符号扩频码片进行相关。接收端使用扩频码对接收的信号进行解扩。接收端将解扩后判决点的符号进行储存，并将存储的解扩后符号进行差分处理。基于符号差分处理的结果对接收的信号进行频偏细估计。接收端基于频偏粗估计和细估计的结果得到准确的频偏估计值。该发明专利技术可以被用于扩频通信系统，如IEEE 802.15.4 Zigbee系统的频率偏差估计。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及通信领域，尤其涉及在扩频通信系统下的频率偏差的获取方法。此外， 本申请也可以用在需要获得扩频通信系统射频特征的目标识别系统中。
技术介绍
扩频通信系统可以在较低的信噪比下获得解码的增益。因此，使用扩频的低功耗 通信系统可以在不增加发射功率的前提下获得更远的传播距离。IEEE 802.15.4标准即 Zigbee描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，适用于在短距离范围 内的低功耗、低速率无线覆盖。其中，IEEE 802.15.4标准在2.4GHz和868/915MHZ频段使用 的调制方式是16位正交的偏移四相相移键控(0QPSK，0ffset Quadrature Phase Shift Key ing)调制，其原理是直接序列扩频通信。 由于IEEE 802.15.4标准面向的是低成本、低耗电的应用，因此基于其标准设计的 接收端采用的是非相干解调方式，其硬件设计的电路一般也选用经济性较好的元器件，其 元器件本身的偏差较大，发射机和接收机会产生一定的频偏。尤其是当基于IEEE802.15.4 标准的器件工作在2.4GHz时，由于载波频率的提高，接收端频率偏差将更为明显。例如在针 对Texas Instruments公司的基于IEEE 802· 15.4标准的CC2530芯片进行测试时发现，即使 是相同厂家生产的模块，其频率偏差可以从几万赫兹到十几万赫兹。传统的通信系统中，频偏估计及补偿主要基于两种方式:DA(Data-Aided)算法和 NDA(Non-Data-Aided)算法。专利CN101710885A提出一种混合DA和NDA的用于载波同步的频 偏估计方法，该方法使用译码信息进行频率偏移估计和补偿。但是专利CN101710885A的方 法适用于相干解调系统，并不适合非相干解调的扩频通信系统。在扩频通信系统中，专利 CN104092642A提出了一种适用于IEEE 802.15.4的全数字载波相位同步方法。该方法包括 了相位捕获和相位跟踪，利用IEEE 802.15.4的前导码序列延迟相关进行频率偏差估计，再 根据解扩的结果进行残余频率偏差估计。该方法使用基于前导序列延迟相关进行频率偏差 估计，当频率很大时，该方法将无法获得好的估计效果。此外，该方法根据解扩出来的符号 对应的码片值跟延迟一个符号周期的接收到的数据进行相关计算，并没有利用扩频通信系 统解扩后的增益，使得系统进行频偏估计及补偿后的性能不能得到最优化。 此外，虽然基于IEEE 802.15.4标准的扩频通信系统对于一定范围的频偏在系统 解扩后的性能上有较强的鲁棒性。但是在基于设备射频指纹特征的身份识别系统中，载波 频偏是一个重要的设备射频指纹特征量。因此，如果要获取基于IEEE 802.15.4标准的扩频 通信系统的射频指纹特征，需要对载波频偏进行精确的估计。此外，在基于IEEE 802.15.4 标准的扩频通信系统中，对于载波频偏进行估计并补偿将有助于系统提取其他的设备射频 指纹特征量。
技术实现思路
本申请的主要目的在于提供一种用于扩频通信系统的频偏估计方法，该方法主要 适用于IEEE 802.15.4标准下的OQPSK扩频通信。由于在IEEE 802.15.4标准的OQPSK扩频通 信系统中，有用于同步的前导符号。因此，可以利用其前导符号序列进行大范围频率偏差的 粗估计。此外，利用基于IEEE 802.15.4标准扩频通信系统解扩后的增益，在解扩反馈过程 中使用最大判决点的符号进行频偏的精估计，将可以提高系统在低信噪比下的频偏估计性 能。 本申请提出了一种，包括以下步骤： 步骤A，接收端生成前导序列的本地扩频码片Bpre3,接收端收到扩频信号X后，将其 按照大小为fmi x、fmax的窗口和大小为fstep的步进值进行频偏预校正，得到经过频偏预校正 的接收信号Xn; 步骤B，接收端将本地的前导扩频码片Bpre和经过频偏预校正的接收信号Xn的前导 扩频码片进行相关，将每一次相关后的结果C n存储下来； 步骤C，接收端选取存储的相关计算结果C中的最大值所对应的频偏预校正值 作为频偏粗估计的结果； 步骤D，接收端将接收的扩频信号X使用仏__^进行频偏粗校正后，将频偏粗校正 后的信号f进行解扩并通过已知的扩频码序列Mk和接收到的信号进行相关，得到相关后的 结果Pk; 步骤E，接收端在相关后的结果Pk中选取幅度值最大的Pmax作为判决后的符号信 息，并将P max归一化后存储下来； 步骤F，接收端将接收的信号逐个通过步骤D到步骤E的处理得到接收的判决后的 符号信息^*^，并通过对结果进行差分处理，得到差分后的结果 Qm ； 步骤G，接收端将差分后的结果进行统计，得到结果的平均值f，估计I的相位 步骤H，接收端根据估计的差分结果的平均值0的相位0Q，单个符号对应的扩频码 片长度Lsym，差分间隔L Dlff和接收端的采样率匕_进行频偏细估计，得到ffine3,接收端根据 和f f i M得到准确的频偏估计结果f (63 S t。 步骤A所述的前导序列的本地扩频码片为接收端已知的具体序列。 步骤A所述的窗口 fmix、fmax和步进值f step根据接收端对于频偏粗估计精度及范围 的要求、扩频信号的符号和码片速率、接收端采样率以及发射信号频偏的先验知识而确定。 步骤D所述的相关后的结果Pk是保留了相关解扩后的幅度和相位信息的复数结 果。 步骤F所述的差分处理的差分间隔LDlff为不为0的整数值。 所述方法用于兼容IEEE 802.15.4标准的通信系统。本专利技术具有以下有益效果:本专利技术的载波频率同步分为频率粗同步和频率细同步 两步进行。其中频率粗同步可以在很大范围内得到扩频设备的载波频率偏差的粗值。再通 过解扩后进行判决反馈，可以在获得解扩增益的基础上获得频率偏差的细同步。此外，本专利技术的频率偏差同步过程使用全数字的实现方式，在实际系统中可以快 速实现。通过在AWGN信道下的Matlab仿真可以得到，本专利技术的基于判决反馈的扩频信号频 率偏移估计方法可以在低信噪比下获得显著的增益。经过频率偏差估计和补偿后的OQPSK 扩频通信系统在有大频率偏差的情况下，可以在-9.5dB的信噪比下得到IX HT3的误码率， 基本和无频率偏差的OQPSK扩频通信系统性能一致。【附图说明】图1为系统实现的整体框图；图2为系统进行基于前导序列的频偏粗同步的框图； 图3为系统进行基于判决反馈的频偏细同步的框图； 图4为接收端对接收信号进行解扩并选取判决点符号处理过程的示意图； 图5为接收端对解扩后的符号进行差分处理过程的示意图； 图6为对差分后的结果进行平均并估计其相位信息的示意图； 图7为仿真的在AWGN信道下的本专利技术方法性能比较示意图。【具体实施方式】 本专利技术提出的的总体框图如说明书 附图1所示，其处理主要包括基于前导序列的频偏粗同步和基于判决反馈的频偏细同步。下 面，将基于Ti的CC2530模块的OQPSK扩频信号调制，针对每一个部分阐述具体的实施方式： 基于前导序列的频偏粗同步 基于前导序列的频偏粗同步通过附图2的方式进行。如说明书附图2所示，输入的 变量包括了基带信号，先验知识和已知信息。基带信号是接收端收到的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤A，接收端生成前导序列的本地扩频码片，接收端收到扩频信号X后，将其按照大小为、的窗口和大小为的步进值进行频偏预校正，得到经过频偏预校正的接收信号；步骤B，接收端将本地的前导扩频码片和经过频偏预校正的接收信号的前导扩频码片进行相关，将每一次相关后的结果存储下来；步骤C，接收端选取存储的相关计算结果中的最大值所对应的频偏预校正值作为频偏粗估计的结果；步骤D，接收端将接收的扩频信号X使用进行频偏粗校正后，将频偏粗校正后的信号进行解扩并通过已知的扩频码序列和接收到的信号进行相关，得到相关后的结果；步骤E，接收端在相关后的结果中选取幅度值最大的作为判决后的符号信息，并将归一化后存储下来；步骤F，接收端将接收的信号逐个通过步骤D到步骤E的处理得到接收的判决后的符号信息，并通过对结果进行差分处理，得到差分后的结果；步骤G，接收端将差分后的结果进行统计，得到结果的平均值，估计的相位；步骤H，接收端根据估计的差分结果的平均值的相位，单个符号对应的扩频码片长度，差分间隔和接收端的采样率进行频偏细估计，得到，接收端根据和得到准确的频偏估计结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林宁，胡爱群，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32