（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统频偏估计技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在无线通信系统中，由于发送设备和接收设备间的频差，以及客户端设备 移动所带来的多谱勒频移等影响，使得载波频率与本地的频率之间存在着频率 偏移。为了保证数据的可靠传输，必须实现收发端的频率同步。本文重点研究 频率同步技术，并在此基础上，论文针对t d s c d m a 系统的要求，讨论了适 合于t d s c d m a 实际系统需求的频率同步技术方案。 本文首先在介绍频偏的概念、频偏产生的原因、频偏对信号的影响及频偏 估计和补偿的重要性的基础上，一般性地讨论频率同步技术的基本原理及其性 能评价指标。然后论文结合t d s c d m a 通信系统接收信号质量的评价指标体 系，讨论了频偏估计和补偿的准确性对实际通信系统的影响。 论文首先系统分析和比较了高斯加性白噪声信道条件下的频偏估计问题。 针对f i t z 估计算法、l r e 估计算法和最大似然估计算法的分析和比较表明，在 最大似然近似下的频偏估计算法有计算速度快、运算量小及在低信噪比时性能 较好等优点，但由于相位累加会导致相位模糊，使得算法都存在估计范围的限 制，且估计性能和估计范围存在相互作用，性能提升会导致估计范围下降，反 之亦然。为了进一步改进频偏估计性能，论文提出了一种基于信号相位差的频 偏估计算法。相关研究表明，通过有效利用两组观测信号样本，基于信号相位 差的频偏估计算法可以在中高信噪比条件下大幅度改善频偏估计性能。论文将 相位差算法应用于实际的t d s c d m a 的矢量信号分析处理，相关结果表明， 相位差算法是一种可以满足实际系统需求的有效频偏估计技术方案。 最后论文讨论了衰落信道条件下的频偏估计问题。与高斯白噪声信道不同， 乘性衰落信道对信号会带来直接的影响。高斯加性白噪声信道条件下的频偏估 计算法不能直接应用。k f 与m k f 估计算法、u m m v 估计算法和n l s 估计算 法的分析和比较表明，除n l s 算法外，其余算法需要利用信道信息来减小衰落 对估计的影响。而n l s 算法虽然性能较好，但无封闭解，实用性较差。在此基 础上，论文将相位差算法应用到衰落信道条件下，相关研究表明，衰落信道条 件下相位差算法同样可以获得较好的频偏估计性能。此外，论文讨论了一类基 于参考衰落补偿的频偏估计方案，通过在接收端产生与合适的参考衰落信道来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 补偿实际信道衰落对频偏估计的不利影响。研究结果表明，在合理选择信道参 数的情况下，参考补偿算法能改善估计性能。 关键字：t d s c d m a ；频偏；相位差；最大似然；同步 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a b s t r a c t i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ef r e q u e n c yo f f s e ta l w a y se x i s t s b e t w e e nc a r t i e rf r e q u e n c ya n dl o c a lr e f e r e n c e ，c a u s e db yt h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c e b e t w e e nt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra n di m p a c to ft h ed o p p l e rs h i f t t h e r e f o r e ，t o e n s u r et h er e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n ，t h ef r e q u e n c yb e t w e e nt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r m u s tb es y n c h r o n i z e d t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t e c h n i q u e s b a s e d o nt h e r e q u i r e m e n t s o ft d s c d m as y s t e m ，t h ef r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sf o rt d s c d m as y s t e ma led i s c u s s e d f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g ea b o u tf r e q u e n c yo f f s e t ，t h es o u r c eo fi t ，t h e i m p a c to nt h es i g n a lc a u s e db yf r e q u e n c yo f f s e ta n dt h ei m p o r t a n c eo ff r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o n a lei n t r o d u c e d b a s e do nw h i c h ，t h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h ec r i t e r i o n o ft h e i rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na r eg e n e r a l l yd i s c u s s e d t h e n ，t h ei m p a c to nt h e p r a c t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a u s e db yt h ep r e c i s i o no ff r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o ni sa l s od i s c u s s e d ，c o n s i d e r i n gt h e c r i t e r i o no fs i g n a l q u a l i t ye v a l u a t i o ni nt d s c d m as y s t e m s e c o n d l y , t h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m si na w g n c h a n n e la r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t so fa n a l y s i sa n dc o m p a r i n ga m o n gt h e f i t z a l g o r i t h m ，l r ea l g o r i t h ma n dt h em o s tl i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h ms h o wt h a t t h ea l g o r i t h m sb a s e do nt h em o s tl i k e l i h o o dm e t h o dh a v et h ea d v a n t a g e so fl o w c o m p u t a t i o n a ll o a d ，f a s tc o m p u t i n gs p e e da n dg o o dp e r f o r m a n c e i nl o ws n r c o n d i t i o n h o w e v e r , t h e ya l s oh a v ec o n s t r a i n t o ne s t i m a t i o nr a n g ec a u s e db yt h e a c c u m u l a t i o no ft h es i g n a lp h a s e m o r e o v e r , t h e r ee x i s t sm u t u a le f f e c tb e t w e e n a c c u r a c ya n de s t i m a t i o nr a n g e t h ei n c r e a s eo fe s t i m a t i o na c c u r a c yw o u l d c a u s et h e d e c l i n eo ft h ee s t i m a t i o nr a n g e ，v i c ev e r s a t op r o m o t et h ep e r f o r m a n c eo f f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sap h a s e d i f f e r e n c eb a s e df r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a t ，b ye f f e c t i v e l yu t il i z i n gt w o g r o u p so fs i g n a ls a m p l e s ，t h ep h a s ed i f f e r e n c ea l g o r i t h mc a nl a r g e l yp r o m o t et h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 p e r f o r m a n c eo ff r e q u e n c ye s t i m a t i o ni nt h eh i g hs n rc o n d i t i o n i na d d i t i o n ，t h e p h a s ed i f f e r e n c ea l g o r i t h mi si m p l e m e n t e di nt h ev e c t o rs i g n a la n a l y s i so fp r a c t i c a l t d s c d m as y s t e m ，w h i c hi n d i c a t e st h a ti tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f p r a c t i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a f t e r w a r d s ，t h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m si nf a d i n gc h a n n e la r e d i s c u s s e d d i f f e r e n tf r o ma w g nc h a n n e l ，t h e f a d i n gp r o c e s sb r i n g s t h e m u l t i p l i c a t i v ei n t e r f e r e n c et ot h es i g n a l t h ea l g o r i t h m si na w g nc h a n n e la r en o l o n g e rs u i t a b l ef o rf a d i n gc h a n n e l t h ea n a l y s i so nk f , m k f , u m m va n dn l s a l g o r i t h ms h o w st h a ta l la l g o r i t h mn e e dt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c eo ft h ef a d i n g c h a n n e lb yu s i n gt h ec h a n n e l i n f o r m a t i o n ，e x p e c tn l sa l g o r i t h m h o w e v e r , a l t h o u g ht h en l sa l g o r i t h mh a sag o o dp e r f o r m a n c e ，i td o e sn o th a v eac l o s ef o r m s o l u t i o n ，w h i c hw o u l dr e q u i r el a r g ec o m p u t a t i o nl o a d b a s e do nw h i c h ，w ea p p l yt h e p h a s ed i f f e r e n c ea l g o r i t h mt ot h ef a d i n gc h a n n e l t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tg o o d p e r f o r m a n c ec a na l s ob eo b t a i n e dv i ap h a s ed i f f e r e n c ea l g o r i t h m a d d i t i o n a l l y , a f a d i n gr e f e r e n c ec o m p e n s a t i o nb a s e da l g o r i t h m ，w h i c hc a nr e d u c et h ei n t e r f e r e n c e c a u s e db yt h ec h a n n e l ，i sp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o ns h o w st h a ti tc a np r o m o t et h e p e r f o r m a n c eo ff f e q u e n c ye s t i m a t i o ni ft h ep a r a m e t e r sa r ep r o p e r l yc h o s e n k e yw o r d ：t d s c d m a ，f r e q u e n c yo f f s e t , p h a s ed i f f e r e n c e ，m o s tl i k e l i h o o d ， s y n c h r o n i z a t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对现有的高斯白噪声信道下的频偏估计算法进行了仿真分析，为工程中 算法的选择提供了参考依据。 2 本文的相位差算法在高信噪比下能大幅提升频偏估计的性能。 3 将相位差算法在t d s c d m a 系统进行了实现，验证了算法在实际中的 可行性。 4 对现有的衰落信道下的频偏估计算法进行了仿真分析，为衰落信道下的 频偏估计算法的选择提供了参考。 5 将相位差算法应用于衰落信道下，分析表明其仍然能改善估计性能。 学位论文作者签名： 日期：凡 4 一 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者笋名：彳 l 日期：a 卵罩6 指导老师签名：淳沁氟 日期：a 口口昂6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1t d s c d m a 系统概述 移动通信技术在过去2 0 年得到了高速的发展，经历了从模拟到数字，从基 本语音通话到高速数据传输的发展过程。移动通信的最终目标是实现任何人可 以在任何地点、任何时间与其它任何人进行任何方式的通信。 目前世界主流的第三代移动通信技术包括欧洲、日本提出的w - c d m a 、美 国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) y 大标准。t d s c d m a 作为中国提出的第三代移动 通信标准( 简称3 g ) ，该标准将智能天线、同步c d m a 和软件无线电( s d r ) 等技术融于其中。自1 9 9 8 年正式向国际电联i t u 提交以来，已经历经十来年 的时间，完成了标准的专家组评估、i t u 认可并发布、与3 g p p ( 第三代伙伴项 目) 体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使 t d s c d m a 标准成为第一个由中国提出，以我国知识产权为主的、被国际上广 泛接受和认可的无线通信国际标准，这是我国电信史上重要的里程碑【2 】。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都采用频分双工( f d d ) 模式【3 】，而时分双工( t d d ) 技 术由于本身固有的特点突破了f d d 技术的很多限制，其系统的上下行可工作于 同一频段，不需要大段的连续对称频段。基站端的发射机可以根据在上行链路 获得的信号来估计下行链路的多径信道的特性，便于使用智能天线等先进技术。 同时能够简单方便地适应于3 g 传输上下行非对称数据业务的需要，提高系统 频谱利用率。而t d s c d m a 系统正是采用时分双- i - ( t d d ) 、t d m a c d m a 多 址方式。 t d s c d m a 在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等 方面有独特优势【4 1 ，包括： 1 工作在t d d 模式下，系统可以根据不同的业务类型来灵活地调调整上 下行转换点，便于提供非对称业务； 2 使用了智能天线技术，可以极大地降低多址干扰、提高系统容量、提 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 高接收灵敏度、降低发射功率和降低无线基站成本； 3 使用联合检测和同步c d m a 技术可以抑制多用户干扰，提高系统容量 和频谱利用率； 4 可以使用软件无线电，通过加载不同软件来实现不同的硬件功能，可 以降低成本，便于系统维护及升级。 1 2t d s c d m a 系统的物理信道及其结构 t d s c d m a 系统中，同步需要用到上下行导频信道的上下行导频码以及 m i d a m b l e 码，我们首先了解t d s c d m a 系统的物理信道及其结构。 t d s c d m a 系统的物理信道采用4 层结构：系统帧号、无线帧、子帧、时 隙码【5 】【6 】。3 g p p 定义的一个t d m a 帧长度为l o m s 。t d s c d m a 为实现快速 功率控制和定时提前较准以及采用新技术( 智能天线等) ，将l o m s 的帧分成两个 结构完全相同的子帧，子帧的帧长为5m s ，其结构如图1 1 所示： 无线帧f 1 0 m s ) 一三亩 匝 臣互曰二二二二二二圆 1 2 1 帧结构 图卜1t d - s c d m a 的帧组成结构 每个子帧由三个特殊时隙上行导频( d w p t s ) 、保护间隔( g p ) 和上行导频 ( u p p t s ) 禾i 7 个常规时隙( t s 0 t s 6 ) 构成，d w p t s 和u p p t s 分别用作下行同步 和上行同步，不承载用户数据【6 1 。d w p t s 的时隙包括两部分：6 4c h i p s 的下行 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 同步码和3 2 c h i p s 的保护间隔，u p p t s 的时隙包括1 2 8 c h i p s 的上行同步码和 3 2 c h i p s 的保护间隔。g p 用作上行同步过程中的传播时延保护，共9 6 c h i p s ；常 规时隙( t s 0 t s 6 ) 用作传送用户数据和控制信息，t s 0 固定的用作下行时隙发送 广播信息与控制信息，t s l 固定的用作上行时隙。其他的常规时隙( t s 2 t s 6 ) 可以根据需求配置成上行或下行以支持非对称性业务，常规时隙的时隙结构分 成了四个域，两个数据域、一个训练序y t j ( m i d a m b l e ) 域和一个用作时隙保护的 保护间隔。t d s c d m a 系统物理帧结构如图1 2 所示。 t s 。上 t s l 十t s 2 千t s 3 十 t s 4j r t s 5i t s 6 上li l ， 9 6 c h i p s g p p p t s 1 1 m 。3 l o l i b 嘲l 、 9 6 c h i p s d a t af i e l d lm i d a m b l e d a t af i e l d 2g p 3 5 2 c h i p s 14 4 c h i p s 3 5 2 c h i p s1 6 c h i p s 图卜2t d s c d m a 系统的帧结构 上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个转换点分开。在下行时隙和 上行时隙间，一个特殊间隔作为上行和下行的转换点。在每个5 m s 的子帧中， 有两个转换点。可以通过分配下行和上行时隙的数目来工作于对称和不对称模 式。任何配置至少要有一个时隙( 时隙o ) 必须分配给下行，至少一个时隙( 时 隙1 ) 必须分配给上行。对支持多频点的小区，同一u e 所占用的上下行时隙 在同一频点，可以对称或不对称地分配上下行链路，如图1 3 所示。 a 上行下行对称分配 工 图雾 ttjj r上上 b 上, 1 7 下行不对称分配 图卜3t d - s c d m a 系统对称与非对称信道分配 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2t d s c d m a 中用于同步的码组 在t d s c d m a 系统中有两组重要的码组用于频率同步，上下行导频时隙 的上下行同步码( s y n c _ d c s y n cu l ) 和业务时隙的训练序歹l j ( m i d a m b l e 码) 。 1 2 2 1 上下行导频时隙及同步 石5 ( s y n c _ d l s y n c - u l ) 在t d s c d m a 系统中，每个子帧中的下行导频时隙( d w p t s ) 是作为下行 导频和同步设计的。该时隙由长度为6 4 c h i p 的s y n c d l 和长为3 2 c h i p 的保护 间隔组成 6 1 ，其时隙结构如图1 4 所示： 7 5 u s g p ( 32 c h i p s )s v n c _ d l ( 6 4 c h i p s ) 图卜4 下行导频时隙结构示意图 下行同步码序列用以标识小区，在下行导频时隙( d w p t s ) 发射，它同时起 到了导频和下行同步的作用。将d w p t s 放在单独的时隙，一个是便于下行同 步的迅速获取，同时，也可以减小对其它下行信号的干扰。在t d s c d m a 系 统中使用独立的d w p t s 的原因是要蜂窝和移动环境下解决t d d 系统的小区搜 索问题。当邻近小区使用相同的载频，移动状态下的用户在一个小区交汇区域 开机时，因为d w p t s 的特殊设计，其存在于没有其他信号干扰的单独时隙， 能够保证用户的终端快速捕获下行导频信号，完成小区搜索过程。 每个子帧中的u p p t s 是为建立上行同步设计的，当u e 处于空中登记和随 机接入状态时，它将首先发射u p p t s 。该时隙由长为1 2 8 c h i p 的s y n cu l 和 长为3 2 c h i p 的保护间隔组成。其时隙结构如图1 - 5 所示： 1 l z ) p s r s y n c u l ( 12 8 c h i p s )g p ( 3 2 c h i p s ) 图1 - 5 上行导频时隙结构示意图 s y n c u l 是组p n 码，用户在接入过程中区分不同的u e 。整个系统有 2 5 6 个不同的s y n cu l ，分成3 2 组，每组8 个。因为码组是由基站确定，所 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以8 个s y n cu l 对基站和已获得下行同步的u e 来说都是已知的。当u e 要 建立上行同步时，将从8 个已知的s y n cu l 中随机选择1 个，并根据估计的 定时和功率值在u p p t s 中发射。 上行同步码序列为随机接入的特征信号，在上行导频时隙( u p p t s ) 发射， 在随机接入和切换过程中用于建立u e 和基站之间的初始同步。在t d dc d m a 系统中，u p p t s 处于单独时隙的原因是当用户终端在初始发射信号时，其初始 发射功率是用开环控制确定的，而且初始发射时间是估算的，因而同步和功控 都比较粗略。如果此接入信号和其他业务码道混在一起，会对工作中业务码道 带来较大干扰。同时由于u p p t s 的使用，基站通过检测到的u p p t s ，可以给 出定时提前和功率调整的反馈信息。 1 2 2 2 训练序歹t l ( m i d a m b l e 码) 训练序列即m i d a m b l e 码，用于接收端的信道估计，也可用作频率同步， 位于时隙的中央，长度是1 4 4 。相同小区相同时隙的不同用户使用的m i d a m b l e 码由同一基本m i d a m b l e 码派生得到。 一个时隙中各个部分的发射功率必须一致，即m i d a m b l e 码部分的发射功 率和与数据部分的发射功率和必须一致【o j 。图1 - 6 表示了m i d a m b l e 码在一个 b u r s t 中的位置。 图卜6 业务时隙结构示意图 m i d a m b l e 码除了用户信道估计以外，功率控制和同步调整的作用，还可用 于频率同步。m i d a m b l e 码是通过循环移位产生，t d s c d a m 标涮6 1 中给出了 其详细的产生过程。 1 3 同步技术概述 在通信系统中，同步技术是非常关键的一项技术，是决定通信系统好坏的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 最重要的环节之一。同步的好坏直接决定了整个系统的性能，在实际中，大量 的工作都围绕同步技术展开。 简单的讲，通信就是信号通过发射机调制到一定的频率上通过信道发送出 去，接收机接收到信号，将数据恢复出来。通信系统的接收同步要求接收机必 须具有或达到与发射机一致的参数标准，例如收发两端时钟的一致，收发两端 载波频率和相位的一致，收发两端帧和复帧的一致等。同步技术就是对这些参 数进行准确的估计和校正。 在大多的通信系统中，都需要几个不同层次的同步：码元同步，载波频率 和相位同步和帧同步【7 j 。 码元同步就是要求接收机需要准确地知道接收码元的到达时间和结束时 间。为恢复发送端以符号间隔传送的符号序列，接收机必须以符号间隔为周期 对解调器输出进行抽样判决。由于通信信号受到的信道和多径时延是未知的， 在接收端必须采取符号同步装置即符号同步器来确定最佳的采样时刻。很明显， 正确的判决严格依赖于采样脉冲时刻的准确度。码元同步通常可以分开环和闭 环两类，开环同步是直接从接收数据流中直接护恢复得到发射机的数据时钟副 本，而闭环是通过比较本地信号和接收信号，是本地数据时钟锁定在接收信号 上r 刀。 帧同步是建立在码元同步基础上的一种同步。帧同步的任务是把那些由若 干码元组成的字、旬的起始时刻识别出来。其实帧同步脉冲的频率是很容易从 位同步脉冲通过分频得到，但每个帧的起始时刻，即帧同步脉冲的相位是不能 直接从位同步脉冲中得到，这也是帧同步所需要解决的问题。通常帧同步采用 插入特征值的方法，即在数据中插入帧标记。帧标记是是周期性地插入数据流 中的一个或一组特殊比特。接收机在插入间隔中将接收数据与已知比特模式进 行相关运算来达到帧同步【7 j 。 对于载波和相位同步，在早期同步电路的核心都是采用锁相环的结构来提 取接收信号中的频率和相位信息，用以生成本振信号从而达到频率和相位的同 步，其基本结构如图1 7 所示。但是采用锁相环方法容易出现假锁的情况，同 时其捕获的时间较长。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 鉴相器 图1 - 7 锁相环基本结构 随着通信技术的不断发展，目前通信系统中大都采用数字化接收机，其采 样信号的时钟和本地载波通常独立，由此带来了发射机和接收机的定时误差， 载波的频差，相差。对于此类信号，我们通常可以在d s p 中采用软件的方法来 消除。因此在数字接收机中，我们通常采用快速的估计算法来估算出频差和相 位差等再对其进行相应的补偿以达到同步的目的，如图1 8 所示。另外，采用 软件无线电的方法可以快速地更新算法，还可以增加系统的稳定性。 接收机 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 i i i ： 采样 图卜8 数孚接收机框图 目前快速的频偏估计算法是研究的重点，在1 9 6 6 年，a j v i t e r b i 8 】提出来 一种经典的基于最大似然的频率估算方法。在上世纪8 0 年代，l e f r a n k s 9 】对 数字信号的载波频率和相位估计进行了详细的研究。这两项研究为后来的频偏 估计研究奠定了基础。 目前完全遵照最大似然的频偏估计算法没有封闭解，必须预先知道频偏的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 大致范围，同时其计算可以看作是对输入序列做f f t 变换，运算量非常大，在 实际中使用受限。实用的最大似然方法是在最大似然估计意义下的近似估计算 法。此类近似最大似然估计算法中有代表性的算法大致有：m i c h a e lp f i t z 等人 【1 0 】【在1 9 9 1 年提出的近似估计算法，称为f i t z 算法以及m a r c ol u i s e ，r u g g e r o r e g g i a n n i n i 等人【l2 j 在1 9 9 5 年提出的最大似然频偏估计方法，称l r e 算法。这 些算法都能在一定信噪比下接近克拉美罗限，有较好的估计性能和相对较低的 计算复杂度，但在估计频偏的同时无法估计出载波的相位。最近，h u af u 等人 列提出了最大似然频偏与相位估计方法，简称m l 算法，解决了这一问题，其 利用了信号的相位信息参与估计，在估计出频偏的可以同时估计出相位。 在衰落的条件下上述算法的性能会急剧下降，因此在衰落条件下的频偏估 计有不同的估计方法。但其估计的方法也以最大似然估计最为普遍，其中有代 表性的算法有：w e n y ik u o 等人【1 4 j 在1 9 9 7 年提出了适用于平坦衰落信道条件 下的最大似然频偏估计方法和其近似算法，简称k f 算法，但此算法假设知道 信道的衰落信息，在实际使用中不适用；m m o r e l l i 等人【1 5 】在此基础上提出了 改进算法，简称m k f 算法，该算法可以估计出信道的衰落信息，同时增加了 k f 算法的估计范围；除此之外，还有o b e s s o n 等人【l6 j 提出的u m m v 算法和采 用非线性最小二乘法的n l s 算法。以及x i n gc h e n ，w e i l i n gw u 等人【1 。7 】中提出 了利用对序列进行信道估计来，减小衰落对频偏估计影响的方法。 前人的这些研究为本文提供了很好的研究基础，本文就在此基础上，提出 了一种基于相位差的频偏估计方法。 1 4 论文主要内容与主要结论 本文主要对频率同步技术进行了深入的研究。频率同步技术在数字接收机 中就是对信号的频偏的估计和补偿问题。 1 本文首先介绍了频偏的概念、产生的原因以及对信号的影响，仿真分 析了频偏估计和补偿的重要性，还介绍了频偏估计的一般原理、估计性能的评 价体系以及t d s c d m a 信号质量评估指标。 2 接下来对高斯白噪声信道下的现有频偏估计算法的特点及性能进行了 研究和比较。在最大似然近似下的频偏估计算法有计算速度快、运算量小及在 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 低信噪比时性能较好等优点。但在高信噪比时性能不好，同时由于计算时对相 位的累加导致了相位模糊，使得算法都存在估计范围的限制，估计范围增加会 导致估计性能的下降，反之亦然。在此基础上，本文提出了基于相位差的频偏 估计算法。该算法采用初估计和精估计相结合的方法，利用前后信号的相位的 差值计算出初始估计的残留误差。相关研究表明，通过有效利用两组观测信号 样本，基于信号相位差的频偏估计算法可以在中高信噪比条件下大幅度改善频 偏估计性能。 3 论文将相位差算法应用于实际的t d s c d m a 的矢量信号分析处理中， 相关结果表明，相位差算法是一种可以满足实际系统需求的有效频偏估计技术 方案。 4 论文接着分析了衰落条件下的现有算法的特点及性能，将相位差算法 应用于衰落条件下，相关研究表明，衰落信道条件下相位差算法同样可以获得 较好的频偏估计性能。另外，还提出了基于参考的算法，该算法在接收端模拟 信道的特点产生参考的衰落信息来消除信道衰落的影响，进而简化衰落信道条 件下的频偏估计问题。 5 本文中对比分析了的各频偏估计算法，为数字接收机中频率同步的应 用提供了算法的选择。同时仿真表明本文提出的相位差方法具有较好的性能， 能超过通常频偏估计的克拉美罗限，有相对简单的计算复杂度。并在 t d s c d m a 系统中验证了其实际的可行性。此算法可以应用于其他采用软件无 线电的通信系统中，尤其是要求频率同步非常准确的通信设备中，例如信号矢 量分析仪等测量仪表。另外，相位差算法为设计合适的导频序列来提高频偏估 计的性能提供了参考。 1 5 论文章节安排 本论文主要针对t d s c d m a 系统下的频率同步技术进行了研究。本论文 分为五章，结构安排如下： 第一章为概述，介绍了论文研究背景，t d s c d m a 的特点及物理信道的结 构和同步技术的原理及发展现状。 第二章介绍了频偏的概念和频偏产生的原因和对信号的影响，仿真分析了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 频偏估计和补偿的重要性，介绍了频偏估计的般原理、估计性能的评价体系 以及t d s c d m a 信号质量评估指标。 第三章分析了在高斯白噪声信道下的频率同步算法的特点以及性能，提出 了一种基于相位差的频偏估计算法，仿真分析了算法的性能特点，同时将该算 法在t d s c d m a 实际系统中进行了实现，给出了其实际系统中的性能结果。 第四章分析并研究了衰落信道条件下现有的频率同步算法，将相位差算法 应用于衰落条件下，并提出了基于参考的算法。另外，仿真对比了各算法的性 能。 第五章是结论与展望，总结本文所做的工作，提出了在论文完成过程中的 一些经验和体会，未来的研究工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章频率同步技术概述 频率同步技术简单的讲就是要使发送端和接收端的频率同步。频率同步技 术在通信系统中是不可缺少的部分，其性能的好坏直接决定了该通信系统的好 坏。要了解频率同步技术，首先我们要理解频偏的概念、频偏产生的原因、频 偏对信号的影响及频偏估计和补偿的重要性。频偏估计就是要通过一定的算法 来估计出频偏，而找到合适的评价体系来衡量算法的好坏对研究和改进算法是 必要的。因此，本章介绍了频偏估计的一般原理以及算法性能的评价体系。本 章的内容是分析各频偏估计算法的特点以及评价其性能的基础，只有深入认识 这些理论才能更好理解和研究频偏估计的问题。 2 1 频偏的概念 在无线通信系统中，由于发送设备和接收设备间的频差，以及客户端设备 移动所带来的多谱勒频移等影响，使得载波频率与本地晶振的频率之间存在着 频率偏移，简称为频偏( f r e q u e n c yo f f s e t ) 。如图2 1 所示，如果发送端的载波 中心频率为t ，接收端要正确接收信号其中心频率应该也为c ，而由于上述原 因其中心频率为c ，与发送端的频率差值为c c = 乃，局就为频偏。 f cf 卑c 频率 图2 - 1 频偏示意图 又如图2 - 2 所示，发射端将基带信号调制到中心频率c 上，信号通过信道 传输时由于多普勒频移的影响引入了频偏局。，在接收端下变频的时候由晶振的 影响引入频偏为c ：，经过下变频的基带信号就存在频偏乃= 乃。- i - 局：。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 r 一 i 调制后的射频信号 基带信号 i !； f c f i f 。1 f d 2f d l + f d 2 j i i ； ； i 一： 图2 - 2 频偏产生示意图 下面通过简单的模型来描述频偏在信号上的反映，如图2 3 所示： s o s j 。qs ( t j 一 下变频 l 上变频 7 ￥ 一 f , t 2 ，0 0 2 r 。 i j d l 。6 0 l 图2 - 3 频偏对信号的影响 发送信号s ( k r , ) 在发射机经上变频后经过信道传输时，我们理想化信道没 有其他的干扰，只带来了乃。的频偏和相位偏差吼。，在接收机下变频引入频偏 为其频偏为局：，并带来了相位偏差吼：，其反映在接收信号上为： ，( 红) = s ( 红) e 巾疵正乃l + 乃2 + 岛2 1 = s c k t ，) e m 厩l 乃+ s o ( 2 1 ) 其中，i 为采样时间，o o 称为初始相位，乘性因子e 朋疵l 尼+ 岛就是频偏对信号 带来影响。 从式( 2 1 ) 可以看出，频偏可以看作是信号相位的瞬时角速度，如图2 4 所 示。频率同步技术就是要估算出频偏并进行补偿，以保证发送端和接收端有相 同的频率以保证数据的可靠传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 伊。 蹩彰 稿 从隰、 艨厂卧。 &彩 鞫稠f 辫自w ，o 毪只曩r - 带翱，群t o 魄 图2 4 频偏在信号相位上的反映 2 。2 频偏估计的重要性 通过前一节我们了解到了频偏的概念和其对信号的影响。由于频偏的存在， 信号受到了一个乘性的影响，这个影响在接收机上是不能忽略的。频偏对通信 系统来说有多大的影响，我们通过信号的星座图和误码率可以有一个直观的认 识。 在通信系统中，通常将数字信号在复平面中表示，以直观地表现信号以及 信号之间的关系，也就是通常称为的星座图。星座图是信号在信号矢量空间的 分布，对于判断数字信号的误码率和观察频偏的影响有非常直观的作用。 以q p s k 调制为例分析频偏估计不准确对信号星座图的影响。式( 2 1 ) 可以 改写为： ，忙) = s ( 七) c o s c z 刀圮b + 0 0 ) + j s ( k ) s i n ( 2 n k t ，f e + o o )( 2 2 ) 可以得出r 亿) 在信号矢量空间的位置为： s ( k ) c o s ( 2 x k t ，f d + o o 工s ( k ) s i n ( 2 n k t , f a + 吼) 】 设置频偏只r = 0 0 0 0 5 ，初始相位o o = 0 3 ，仿真结果如图2 5 所示。在 没有频偏日和初始相位配时，从信号的星座中可以看出相位是正确的。而在 信号受到频偏和初始相位的影响时，信号受到了一个乘性的干扰，使信号的相 位发生了旋转。其中如果初始相位带来了一个固定的相位旋转，并不随时间变 化。从仿真结果中，我们可以直观的了解到频偏对信号的相位带来的影响是破 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 坏性的，是不可忽略的。 芷 山 a 无频偏和初始相位b 有频偏和初始相位 c 有频偏无初始相位 d 无频偏有初始相位 图2 5 频偏对信号的影响在星座图上的反映 f r e q u e n c yo f f s e tf di nh z 图2 - 6 频偏对误码率影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 下面我们通过仿真分析频偏对误码率的影响，在设置初始相位o o = 0 1 ， s n r = 2 0 d b 时，仿真得出的误码率与频偏的曲线如图2 - 6 所示。仿真表明如果 信号频偏增大到一定程度后便会出