基于最大似然的短波通信频偏估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最大似然的短波通信频偏估计方法，该方法的具体步骤为：发射端发射用户待传输数据，用户待传输数据与其前端的同步序列形成数据帧结构；数据帧结构通过数字上变频处理，得到发射数据序列；发射数据序列经过短波信道传输和同步采样，在接收端获得接收数据序列；采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计，得到接收数据序列的频偏估计值。本发明专利技术解决了由误差较大而造成信号相位的旋转、产生不可纠错误、系统性能急剧恶化等问题；提高估计精度的同时不需要进行信道估计，大大降低了计算复杂度；同时，避免了对接收机晶振频率的频繁改变，无需增加设备成本。

Frequency Offset Estimation Method for HF Communication Based on Maximum Likelihood

【技术实现步骤摘要】
基于最大似然的短波通信频偏估计方法
本专利技术属于短波通信
，尤其涉及一种基于最大似然的短波通信频偏估计方法。
技术介绍
短波通信是指波长在100米-10米之间，频率范围3MHz--30MHz的一种无线电通信技术。短波通信发射的电波要经电离层的反射才能到达接收端，通信距离较远，是远程通信的主要手段。尽管新型无线电通信系统不断涌现，但是短波通信这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界的普遍重视，不仅没有淘汰，反而还在不断快速发展，因为它有着其它通信系统不具备的优点：首先，短波是唯一不受网络和中继制约的远程通信手段。例如发生战争或灾害，卫星受到攻击时，短波的抗毁能力和自主通信能力是其他通信设备无法媲美的；其次，山区、戈壁和海洋等偏远地区通信主要靠短波；最后，低廉的通信费用也使得短波具有广阔的市场。在进行短波通信时为了方便信息传输，在发送端通常将携带了信息的低频信号上变频为频率范围在3MHz-30MHz的高频信号，这一过程需要一个高频载波。经信道传输后，接收端为了提取有用信息，需要将接收到的高频信号下变频至低频信号，这一过程需要一个与发送端频率完全相同的高频载波。然而由于电子元器件的制作工艺、电路板的布线等因素影响，使得发送与接收两端产生的载波频率不可能完全相同，总是存在一个误差。当此误差较小时，接收机虽然能够正常接收并解调信号，但是其性能够大大下降；当此误差较大时，就会造成信号相位旋转，将产生不可纠错误，使得通信系统性能急剧恶化。在申请号为CN201010608140.9，专利技术名称为《一种频偏估计的方法及装置》的专利中，通过历史频偏值对接收数据进行频偏预补偿；对补偿后的数据进行信道估计和频偏估计，得到当前子帧的第一频偏估计值；利用当前子帧的第一频偏估计值对频偏预补偿后的数据进行二次频偏补偿。该估计方法在频偏估计时，需要进行信道估计，带来了计算量的增加。在申请号为CN201310283549.1，专利技术名称为《一种频偏估计即补偿的方法》的专利中，当接收到无线帧后半段晶振调整周期是否到达，而后用当前帧估计频偏Δf调整晶振频率，从而消除频偏。该方法虽然不需信道估计，但却需要不断地改变接收机的晶振频率来达到去频偏的目的，这就需要晶振为可控振动器，对振动器的要求非常高，增加了设备成本。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提出一种基于最大似然的短波通信频偏估计方法，解决了由误差较大而造成信号相位的旋转、产生不可纠错误、系统性能急剧恶化等问题；提高估计精度的同时不需要进行信道估计，大大降低了计算复杂度；同时，避免了对接收机晶振频率的频繁改变，无需增加设备成本。本专利技术的技术原理：针对由收发两端的频率误差(简称频偏)所带来的性能恶化，在下变频后还未进行解调前，采用最大似然准则对信号进行频偏估计，人为的将此频偏从下变频的信号中去除，进而使进入解调器的数据是无频偏数据。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以解决。基于最大似然的短波通信频偏估计方法，包括以下步骤：步骤1，发射端发射用户待传输数据，所述用户待传输数据与其前端的同步序列形成数据帧结构；数据帧结构通过数字上变频处理，得到发射数据序列；步骤2，所述发射数据序列经过短波信道传输和同步采样，在接收端获得接收数据序列；步骤3，采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计，得到接收数据序列的频偏估计值。进一步地，所述同步序列C由伪随机序列经调制生成；且C＝(c0,…,cj,…,cn-1)，cj表示同步序列的第j个数据，n为同步序列的长度。进一步地，所述短波信道具有p+q+1阶，其中，主径前有p阶，主径后有q阶；所述短波信道在第jΔt时刻的特性为H(jΔt)＝[h-p(jΔt),…,h0(jΔt),…,hq(jΔt)]，h-p(jΔt)表示短波信道的第-p阶在jΔt时刻的特性，Δt为两个发送符号的时间间隔，Rsym为发射端的发送波特率。进一步地，所述接收数据序列R＝(r0,…,rj,…,rn-1)，0≤j<n；其中，r'z＝h-p(zΔt)xp+z+…+h-1(zΔt)x1+z+h0(zΔt)xz+h1(zΔt)x-1+z+…+hq(zΔt)x-q+z+wz，(-p≤z<n+q)，当z＞0时，r'z＝r'j；xj为伪随机序列的第j个数据，且xj＝{0,1}；wz为服从均值为0，方差为σ2的正态分布的二维噪声采样值。进一步地，所述采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计，其具体步骤为：3.1，设定频偏估计的似然函数为3.2，将采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计的问题转化为求解似然函数最大时的频偏估计值fbias；得到基于似然函数的频偏估计公式为：3.3，设定每个频偏估计值的先验概率和后验概率相等，则基于似然函数的频偏估计公式可写为以下形式：求解基于似然函数的频偏估计公式，得到接收数据序列的频偏估计值fbias；其中，表示频偏的先验概率，p(R)表示接收到接收数据序列R的概率，为频偏的后验概率。进一步地，所述求解基于似然函数的频偏估计公式，按照以下步骤实施：(a)计算频率分辨率D，并对其进行m等分，得到频率步进长度d：其中，N为快速傅里叶变换的点数；(b)令i为索引变量，并将其初始化为i＝0；(c)计算第i段频偏；首先，计算偏移序列其中其次，采用同步序列C和傅立叶变换法对Ri进行频偏估计，得到第i段频偏及其对应的幅值Vi；最后，索引变量i加1，判断i与m的大小；若i<m跳转至步骤c)；否则进入步骤(d)；(d)寻找幅值向量V＝(V0,…Vi,…Vm-1)中最大值对应的索引序号I和该索引序号I对应的频偏估计值(e)计算并将作为接收序列的频偏估计值fbias。进一步地，所述采用同步序列C和快速傅立叶变换法对Ri进行频偏估计，其具体为：首先，根据偏移序列和同步序列C＝(c0,…,cj,…,cn-1)，构造准正弦信号序列：其中其次，对准正弦信号序列进行N点的快速傅立叶变换，并在频偏估计范围[-fmax,fmax]内，寻找幅值最大值Vi及其对应的频率进一步地，所述对准正弦信号进行N点的快速傅立叶变换为：当n≥N时，截取准正弦信号序列的前N个数据进行快速傅立叶变换；当n<N时，在准正弦信号序列的末尾添加(N-n)个数据0，得到长度为N的准正弦信号序列，再对长度为N的准正弦信号序列进行快速傅立叶变换。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术通过最大似然准则在不增加快速傅里叶变换(FFT)点数的情况下，解决了由离散频谱而造成的频偏估计误差较大的问题，大大提高频率分辨率，降低频偏估计误差，且不需要进行信道估计，大大降低计算复杂度，在不增加硬件复杂度前提下，大大提高了估计精度。(2)本专利技术采用最大似然准则对频偏进行估计，引入了频率步进长度的概念，对不同步进长度的偏移序列进行频偏估计，适用范围广；可根据短波通信系统的资源量，在达到要求频率分辨率的前提下，选择较小的FFT点数，从而节省系统资源空间。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术中的数据帧结构示意图；图3是实施例中衰落参数为2ms/1Hz短波信道时变特性图；图4是本专利技术实施例中不同频偏值对应的频谱对比图；图5是本专利技术实施例中对频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于最大似然的短波通信频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，发射端发射用户待传输数据，所述用户待传输数据与其前端的同步序列形成数据帧结构；数据帧结构通过数字上变频处理，得到发射数据序列；步骤2，所述发射数据序列经过短波信道传输和同步采样，在接收端获得接收数据序列；步骤3，采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计，得到接收数据序列的频偏估计值。

【技术特征摘要】
1.基于最大似然的短波通信频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，发射端发射用户待传输数据，所述用户待传输数据与其前端的同步序列形成数据帧结构；数据帧结构通过数字上变频处理，得到发射数据序列；步骤2，所述发射数据序列经过短波信道传输和同步采样，在接收端获得接收数据序列；步骤3，采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计，得到接收数据序列的频偏估计值。2.根据权利要求1所述的基于最大似然的短波通信频偏估计方法，其特征在于，步骤1中，所述同步序列C由伪随机序列经调制生成；且C＝(c0，…，cj，…，cn-1)，cj表示同步序列的第j个数据，n为同步序列的长度。3.根据权利要求1所述的基于最大似然的短波通信频偏估计方法，其特征在于，步骤2中，所述短波信道具有p+q+1阶，其中，主径前有p阶，主径后有q阶；所述短波信道在第jΔt时刻的特性为H(jΔt)＝[h-p(jΔt)，…，h0(jΔt)，…，hq(jΔt)]，h-p(jΔt)表示短波信道的第-p阶在jΔt时刻的特性，Δt为两个发送符号的时间间隔，Rsym为发射端的发送波特率。4.根据权利要求1所述的基于最大似然的短波通信频偏估计方法，其特征在于，步骤2中，所述接收数据序列R＝(r0，…，rj，…，rn-1)，0≤j＜n；其中，r′z＝h-p(zΔt)xp+z+…+h-1(zΔt)x1+z+h0(zΔt)xz+h1(zΔt)x-1+z+…+hq(zΔt)x-q+z+wz，(-p≤z＜n+q)，当z＞0时，r′z＝r′j；xj为伪随机序列的第j个数据，且xj＝{0，1}；wz为服从均值为0，方差为σ2的正态分布的二维噪声采样值。5.根据权利要求1所述的基于最大似然的短波通信频偏估计方法，其特征在于，步骤3中，所述采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计，其具体步骤为：步骤3.1，设定频偏估计的似然函数为步骤3.2，将采用最大似然准则对接收数据序列进行频偏估计的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，陈测库，王小军，仇妙月，
申请(专利权)人：西安烽火电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61