閆哲，許華

未知衰落信道中MPSK信號(hào)的非數(shù)據(jù)輔助載波頻率估計(jì)方法?

閆哲1，許華2

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077）

未知衰落信道中的MPSK信號(hào)的非數(shù)據(jù)輔助載波頻率估計(jì)是通信參數(shù)估計(jì)中的復(fù)雜問(wèn)題，目前尚缺乏有效的針對(duì)性研究成果。針對(duì)該問(wèn)題，提出采用先補(bǔ)償信道影響，再去調(diào)制，然后進(jìn)行非衰落信道單頻信號(hào)頻率估計(jì)的方法。該方法比進(jìn)行頻率和信道沖激響應(yīng)聯(lián)合估計(jì)的方法簡(jiǎn)潔和高效，而且解決了聯(lián)合估計(jì)中難以有效去調(diào)制的問(wèn)題。通過(guò)和非衰落信道的頻率估計(jì)結(jié)果對(duì)比，表明其估計(jì)性能的下降小于3dB，能很好地滿足應(yīng)用需要。

未知衰落信道；MPSK信號(hào)；頻率估計(jì)；最大似然；非數(shù)據(jù)輔助

1 引言

移動(dòng)通信、戰(zhàn)場(chǎng)短波／超短波通信等無(wú)線通信方式都是典型的衰落信道，在衰落信道中通信信號(hào)的載波頻率估計(jì)一直都是通信對(duì)抗偵察、頻譜監(jiān)測(cè)及非合作接收領(lǐng)域中的重要研究?jī)?nèi)容，但由于衰落信道的復(fù)雜性，當(dāng)前欠缺簡(jiǎn)單實(shí)用的衰落信號(hào)載波頻率估計(jì)方法，特別是未知衰落信道條件下的載波頻率估計(jì)方法。從目前國(guó)內(nèi)外已有的研究成果看，無(wú)論是在選擇性衰落信道還是平坦衰落信道條件下，得到衰落信道的最優(yōu)頻率估計(jì)總體來(lái)說(shuō)都需要信道的先驗(yàn)知識(shí)（少數(shù)不需要信道信息的算法在性能上都會(huì)有較明顯的下降），而這些信道信息在沒(méi)有數(shù)據(jù)輔助的實(shí)際工作條件下是難以準(zhǔn)確得到的，如果先驗(yàn)信息不匹配（準(zhǔn)確），就會(huì)造成算法估計(jì)性能的嚴(yán)重下降。

目前，可對(duì)未知衰落信道進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男诺烂ぞ饧夹g(shù)已較為成熟，非衰落信道的頻率估計(jì)技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。據(jù)此，本文針對(duì)未知衰落信道條件下的MPSK信號(hào)的情況，嘗試采用“獨(dú)立于載波偏差的信道衰落補(bǔ)償+去調(diào)制+非衰落信道的頻率估計(jì)算法”的模式進(jìn)行處理，首先利用獨(dú)立于載波偏差的信道盲均衡補(bǔ)償信道衰落得到?jīng)]有衰落或者衰落很小的信號(hào)樣本，然后去調(diào)制得到載頻分量，再利用非衰落信道的單頻信號(hào)頻率估計(jì)算法進(jìn)行準(zhǔn)確的頻率估計(jì)。仿真分析發(fā)現(xiàn)，這種處理方法可有效解決未知衰落信道中MPSK信號(hào)的非數(shù)據(jù)輔助載波頻率估計(jì)問(wèn)題，可操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)單實(shí)用。

2 衰落信道頻率估計(jì)模型及算法分析

在平坦衰落信道條件下（即非頻率選擇性衰落信道）［1，2］，其信號(hào)模型為

式中，Δfd為頻率偏差，T為符號(hào)周期，a（k）表示衰落過(guò)程，習(xí)慣上將a（k）建模為零均值的高斯過(guò)程，L表示觀察數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，θ為相位，通常去調(diào)制之后θ為固定值，否則為變化量。

而頻率選擇性信道（一般等效為多徑信道）［3-5］其信號(hào)模型表示為

其中：

式中，h=［h（1），h（2），…，h（M-1）］是信道響應(yīng)，M為信道記憶長(zhǎng)度，｛an；-M+1＜n＜N-1｝為數(shù)據(jù)序列。

經(jīng)典的周期圖法是單頻信號(hào)在高斯白噪聲信道下的最大似然估計(jì)，文獻(xiàn)［4］推廣了多徑信道下的周期圖表達(dá)式：

要想通過(guò)式（5）得到頻率值，必須已知信道基本參數(shù)Γ，即衰落信道條件下的頻率估計(jì)方難以與信道（包括信噪比和衰落參數(shù)）獨(dú)立［1］，也就是需要信道的先驗(yàn)知識(shí)才能得到最佳的估計(jì)結(jié)果。但是在實(shí)際工作中，信道的先驗(yàn)知識(shí)通常難以得到。文獻(xiàn)［3］采用了頻率和信道沖激響應(yīng)聯(lián)合估計(jì)的方式處理對(duì)未知衰落信道的非數(shù)據(jù)輔助載波頻率估計(jì)問(wèn)題，其運(yùn)算過(guò)于復(fù)雜，并不實(shí)用。文獻(xiàn)［2］給出了一種在平坦衰落信道下，不依賴于信道衰落參數(shù)的頻率估計(jì)方法：

可以看出，式（6）實(shí)際上是相關(guān)序列平方的傅里葉變換，然后再進(jìn)行峰值搜索，傅里葉變換可以有效地使用FFT來(lái)進(jìn)行處理。這種方法可操作性較強(qiáng)，但是通過(guò)該算法和文獻(xiàn)［1］算法在快衰落條件下的性能比較我們可以看出，其估計(jì)性能出現(xiàn)了明顯的下降，這就是避開(kāi)信道參數(shù)影響引入的性能代價(jià)。

另外，上述可針對(duì)未知衰落信道的頻率估計(jì)方法都是針對(duì)單頻信號(hào)，并沒(méi)有考慮MPSK信號(hào)的去調(diào)制問(wèn)題。若要對(duì)未知衰落特性的MPSK信號(hào)進(jìn)行去調(diào)制處理，本身又是一個(gè)難以解決的復(fù)雜問(wèn)題（而針對(duì)非衰落信道的MPSK信號(hào)去調(diào)制處理，可簡(jiǎn)單地采用M次方或者模2π／M方法）?？傮w來(lái)說(shuō)，目前還未見(jiàn)直接針對(duì)知衰落信道中MPSK信號(hào)的非數(shù)據(jù)輔助載波頻率估計(jì)問(wèn)題的解決方案。

3 基于信道盲補(bǔ)償?shù)奈粗ヂ湫诺垒d波頻率估計(jì)方法

由上一節(jié)分析可得，衰落信道的頻率估計(jì)算法實(shí)際上是將信道衰落的補(bǔ)償和頻率估計(jì)統(tǒng)一考慮，那么算法中不可避免地需要包含對(duì)信道的估計(jì)、補(bǔ)償和頻率估計(jì)的過(guò)程，造成了整個(gè)頻率過(guò)程的復(fù)雜繁瑣。那么，我們可以嘗試從另外一個(gè)角度入手，將信道衰落的補(bǔ)償和頻率估計(jì)分開(kāi)處理，即先進(jìn)行信道補(bǔ)償，得到?jīng)]有衰落的信號(hào)樣本，然后再進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單成熟的噪聲信道的頻率估計(jì)，這樣的處理過(guò)程顯得清晰而且簡(jiǎn)單得多。

該頻率估計(jì)方法的處理過(guò)程如圖1所示。下面對(duì)上述處理過(guò)程所涉及的信道補(bǔ)償、去調(diào)制處理和非衰落信道的頻率估計(jì)問(wèn)題分別進(jìn)行分析說(shuō)明。

3.1 信道補(bǔ)償

衰落信道對(duì)信號(hào)的影響表現(xiàn)為引入了碼間串?dāng)_，即本次接收的碼元符號(hào)受到了前后若干個(gè)碼元符號(hào)的影響，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)矢量a（k）和信道沖激響應(yīng)h進(jìn)行卷積，即

上式同式（3）。信道補(bǔ)償?shù)淖饔镁褪且サ鬶的影響，也就是去掉本次接收碼元存在的碼間干擾。通常我們可以采用將接收信號(hào)通過(guò)一個(gè)特定設(shè)計(jì)的沖激響應(yīng)為W的濾波器，使得

式中，r（k）是由接收符號(hào)r（k）組成的矢量。

由于針對(duì)未去調(diào)制的MPSK信號(hào)，那么θk為可變；其中θ0為固定初相。為了得到信道補(bǔ)償濾波器的沖激響應(yīng)，可采用信道盲均衡算法。首先本文處理的樣本對(duì)象存在著載波頻偏和相偏，所以必須采用對(duì)載波偏差不敏感的信道盲均衡算法。當(dāng)前針對(duì)具有常模特性的MPSK信號(hào)對(duì)載波偏差不敏感的信道均衡算法中，常模盲均衡算法由于具有簡(jiǎn)單易用性和魯棒性，是應(yīng)用最廣泛的一種。常模算法由Godard在文獻(xiàn)［6］中提出，其代價(jià)函數(shù)為

得到的均衡器系數(shù)自適應(yīng)迭代公式為

其中，當(dāng)p=2時(shí)為常模算法（CMA）。但是單純的常模算法并不能滿足這里的性能需求。一段較短的數(shù)據(jù)通過(guò)均衡器不能使這種Bussgang類均衡器收斂到最優(yōu)的狀態(tài)，且通常用于頻率估計(jì)的信號(hào)樣本也不可能有足夠的數(shù)據(jù)集使此類均衡器收斂到最佳（通常使CMA均衡器收斂到最佳需要幾千個(gè)符號(hào)）。本文采用基于“數(shù)據(jù)重用”的常模盲均衡算法解決這個(gè)問(wèn)題。業(yè)已證明，將一段相同的短數(shù)據(jù)重復(fù)通過(guò)Bussgang類盲均衡器可以使均衡器收斂到較準(zhǔn)確的均衡器系數(shù)。這種基于數(shù)據(jù)重用思想的盲均衡方法被證明在一定條件下可以達(dá)到和盲均衡一段連續(xù)的長(zhǎng)數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)乃?，即收斂速度和收斂后的剩余誤差基本相同。通過(guò)對(duì)一段數(shù)據(jù)樣本的數(shù)據(jù)重用常模盲均衡處理就能夠補(bǔ)償信道衰落的影響，從而得到衰落很小信號(hào)樣本進(jìn)行非衰落信道的頻率估計(jì)。

數(shù)據(jù)重用方法采用的數(shù)據(jù)重用方式有逆時(shí)序數(shù)據(jù)矢量循環(huán)重用方法和時(shí)序數(shù)據(jù)矢量循環(huán)重用方法兩種，可分別表示為

和

文獻(xiàn)［7］對(duì)這種數(shù)據(jù)重用常模算法的誤收斂和最佳收斂特性進(jìn)行了分析，其結(jié)論顯示當(dāng)數(shù)據(jù)樣本量大于均衡器長(zhǎng)度的5倍以上時(shí)產(chǎn)生誤收斂的概率較?。划?dāng)數(shù)據(jù)樣本量大于M（Q+1）（M為調(diào)制階數(shù)，Q為信道階數(shù)）時(shí)，均衡器能夠達(dá)到最優(yōu)收斂。雖然當(dāng)信道階數(shù)較高時(shí)，最優(yōu)收斂需要的數(shù)據(jù)量較大，但是當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到一定程度之后，其最小均方誤差曲線的下降將變得非常緩慢，總體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)量達(dá)到均衡器長(zhǎng)度的10倍時(shí)，絕大多數(shù)情況下都能實(shí)現(xiàn)較好的收斂效果。

3.2 去調(diào)制

在非數(shù)據(jù)輔助條件下，MPSK信號(hào)的去調(diào)制通常采用兩種方法：第一種是M次方處理，應(yīng)用最廣泛；另外一種是模2π／M。由于M次方的方法放大了噪聲（QPSK的4次方處理會(huì)引入12 dB的噪聲代價(jià)），使估計(jì)的方差增大，所以M次方法比模2π／M法的估計(jì)方差大；但是模2π／M法在小信噪比條件下時(shí)是有偏估計(jì)，而M次方的方法是無(wú)偏的。

假設(shè)前后兩個(gè)符號(hào)的相位差為δk，使用M次方的方法去調(diào)制得到：

式中，M（θk-θk-1）是2π的整數(shù)倍，M（Vk-Vk-1）為噪聲項(xiàng)。使用模2π／M法去調(diào)制則為

式中，Ni為噪聲項(xiàng)。

雖然兩種方法對(duì)fd大小的理論限制是：｜fd｜＜1／（2MT），但實(shí)際中“模2π／M法”的可估計(jì)范圍小得多，而M次方的方法的可估計(jì)范圍大致等于理論值。因此，總體來(lái)說(shuō)，針對(duì)MPSK信號(hào)的M次方去調(diào)制方法更有效。

3.3 非衰落信道頻率估計(jì)

文獻(xiàn)［8］利用接收信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R（k）的復(fù)角度差估計(jì)頻率，即

上述算法（M＆M算法）的頻率捕獲范圍為ΔfT＜1，在盲估計(jì)條件下的頻率捕獲范圍為ΔfT＜1／M，比最大似然的L＆R算法［9］的有效估計(jì)范圍大得多；而估計(jì)效果根據(jù)文獻(xiàn)［8］給出的仿真結(jié)果，只比L＆R算法有微小的下降；另外，與M＆M算法具有相同頻率估計(jì)范圍的文獻(xiàn)［11］中的算法雖然在性能上更好，但實(shí)現(xiàn)稍顯繁瑣。因此，本文在仿真中采用了M＆M算法進(jìn)行非衰落信道的頻率估計(jì)。

3.4 基于信道盲均衡的未知衰落信道載波頻率估計(jì)的步驟小結(jié)

第一步：原始信號(hào)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)重用；

第二步：將重用之后的數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)載波偏差不敏感的信道均衡器；

第三步：取信道均衡器最后輸出的信號(hào)樣本為頻率估計(jì)信號(hào)樣本；第四步：對(duì)頻率估計(jì)信號(hào)樣本進(jìn)行去調(diào)制處理；第五步：對(duì)去調(diào)制之后的信號(hào)樣本進(jìn)行非衰落信道的頻率估計(jì)，得出頻率值。

4 仿真分析

衰落信道的頻率估計(jì)算法不但運(yùn)算量比較大，而且在相同信噪比下的估計(jì)性能明顯劣于非衰落信道下算法的估計(jì)性能。為了驗(yàn)證本文方法的可行性和效果，我們采用了如圖2所示的仿真過(guò)程。

其中信號(hào)樣本為QPSK，估計(jì)樣本長(zhǎng)度為240個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，設(shè)定衰落信道的沖激響應(yīng)為

非衰落信道的頻率估計(jì)算法采用文獻(xiàn)［8］提出的M＆M頻率估計(jì)算法。本文方法中采用符號(hào)率等補(bǔ)償CMA均衡器，設(shè)定均衡器的長(zhǎng)度為21T（其中T為符號(hào)周期），均衡器初始化方法為：中心抽頭初始化為1+j0，其余抽頭初始化為0+j0，均衡器CMA的步長(zhǎng)設(shè)為λ=0.01；數(shù)據(jù)重用10次，去調(diào)制方法為四次方；非衰落信道的頻率估計(jì)方法為M＆M算法。不同信噪比下估計(jì)均值和方差的性能對(duì)比如圖3和圖4所示。

通過(guò)圖3可以看出，非衰落信道的頻率估計(jì)在9 dB左右實(shí)現(xiàn)了估計(jì)均值的無(wú)偏，本文方法則在11 dB左右實(shí)現(xiàn)了估計(jì)均值的無(wú)偏。通過(guò)圖4可以看出，非衰落信道的頻率估計(jì)在大約12 dB時(shí)達(dá)到了正常的估計(jì)方差，而本文方法則是在14 dB達(dá)到了正常的估計(jì)方差；另外，本文方法的估計(jì)方差比非衰落信道的頻率估計(jì)方法略高，平均惡化在2 dB左右。

因此，在上述仿真的衰落信道下，本文給出的頻率估計(jì)算法比沒(méi)有經(jīng)過(guò)衰落信道的頻率估計(jì)算法性能只有小于3 dB的下降，不但實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且性能完全能滿足實(shí)大部分實(shí)際應(yīng)用的需要。

另外，上述仿真中采用了240個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的估計(jì)樣本，這已能夠滿足絕大部分的應(yīng)用需求，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法在短數(shù)據(jù)符號(hào)下的性能情況，本文仿真了采用100個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的估計(jì)樣本的情況，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，只采用100個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的相對(duì)性能比采用240個(gè)符號(hào)的相對(duì)性能有略微的下降。但總體來(lái)看，在只采用100個(gè)估計(jì)樣本的情況下，本文給出的頻率估計(jì)算法比沒(méi)有經(jīng)過(guò)衰落信道的頻率估計(jì)算法性能下降也只有3 dB左右。

分析可得，信道補(bǔ)償?shù)臍埩粽`差是噪聲性能下降的主要原因，如果采用更優(yōu)的信道補(bǔ)償方法就能夠得到更好的估計(jì)效果。我們只是簡(jiǎn)單地利用分?jǐn)?shù)倍均衡器取代仿真中采用的符號(hào)率均衡器，就能獲得大約0.5 dB的性能提升。因此，如何更好地補(bǔ)充信道影響，是提高本文方法估計(jì)性能的一個(gè)研究方向。

5 小結(jié)

本文利用將信道衰落的補(bǔ)償和頻率估計(jì)分別處理，即先進(jìn)行信道補(bǔ)償，得到?jīng)]有衰落的信號(hào)樣本，然后再采用相對(duì)簡(jiǎn)單成熟的噪聲信道的頻率估計(jì)方法得到頻率值的處理模式，大大簡(jiǎn)化了未知衰落信道中MPSK信號(hào)的非數(shù)據(jù)輔助載波頻率估計(jì)問(wèn)題的解決過(guò)程。另外，在信道補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，針對(duì)數(shù)據(jù)量較少不能使信道均衡器收斂的問(wèn)題，采用了數(shù)據(jù)重用的常模盲均衡算法加以解決。仿真顯示，本文方法比沒(méi)有信道衰落的頻率估計(jì)性能下降在3 dB以內(nèi)（如果改進(jìn)信道補(bǔ)償方法，其估計(jì)性能還將明顯提升），該方法操作簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，本方法已經(jīng)應(yīng)用到非合作短波解調(diào)設(shè)備中。

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YAN Zhe was born in Hancheng，Shaanxi Province，in 1980. He received the B.S.degree from Electronic Engineering Institute in 2002.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research direction is communication signal processing.

許華（1976—），男，湖北宜昌人，2005年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為空軍工程大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、盲信號(hào)處理。

XU Hua was born in Yichang，Hubei Province，in 1976.He received the Ph.D.degree in 2005.He is now an associate professor.His research interests include blind signal processing and communication signal processing.

Email：xuhuamail＠126.com

Non-Data-aided Carrier Frequency Estimation Method for MPSK Signal in Unknown Fading Channel

YAN Zhe1，XU Hua2
（1.National Key Laboratory of Mechatronic Engineering and Control，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Telecommunication Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

The non-data-aided（NDA）carrier frequency estimation of MPSK signal in unknown fading channel is a complicated problem in the field of communication parameter estimation and there is no research result for this problem at present.Themethod proposed in this paper is that the fading channel effects are compensated firstly and then themodulation ofMPSK is removed，and finally the frequency estimation is only performed for unfading single frequency signal.Thismethod ismore simple and efficient than the method which uses joint frequency and channel impulse response estimation，and furthermore it ismuchmore convenient to removemodulation for MPSK signal.Comparison with the frequency estimation research of non-fading channel demonstrates that the estimation performance decreases less than 3dB and thismethod can satisfymost application requirements.

unknown fading channel；MPSK signal；frequency estimation；MLE；non-data-aided

TN914.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.007

閆哲（1980—），男，陜西韓城人，2002年于解放軍電子工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為北京理工大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理技術(shù)；

1001-893X（2011）10-0029-06

2011-05-03；

2011-07-15