孫錦華 王雪梅 吳小鈞

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短突發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輔助載波同步的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)

孫錦華*①王雪梅①吳小鈞②

①(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)②(長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院 西安 710064)

對(duì)于短突發(fā)通信系統(tǒng)，基于時(shí)域相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)輔助的頻率估計(jì)方法中導(dǎo)頻位置、導(dǎo)頻數(shù)目對(duì)載波頻率估計(jì)精度和估計(jì)范圍有很大的影響，該文提出一種具有較高估計(jì)精度的基于相關(guān)函數(shù)和的頻率估計(jì)算法，并推導(dǎo)出該算法的理論估計(jì)方差。通過分析導(dǎo)頻位置對(duì)估計(jì)范圍和估計(jì)精度的影響，提出一種可變間距數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)(VDPM)設(shè)計(jì)方案，即根據(jù)系統(tǒng)估計(jì)精度和估計(jì)范圍的要求選擇合適的導(dǎo)頻間距。理論分析和仿真結(jié)果表明VDPM幀結(jié)構(gòu)可以靈活地兼顧估計(jì)精度和估計(jì)范圍的要求，基于相關(guān)函數(shù)和的頻率估計(jì)算法僅利用很短的導(dǎo)頻符號(hào)就能達(dá)到較高的估計(jì)精度，適合在短突發(fā)通信系統(tǒng)中應(yīng)用。

短突發(fā)通信；導(dǎo)頻符號(hào)；載波同步；幀結(jié)構(gòu)

1 引言

2 信號(hào)模型

圖1 VDPM數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

假定到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)為經(jīng)過高斯白噪聲信道傳輸?shù)膯屋d波突發(fā)信號(hào)，理想的時(shí)間同步信息可以通過導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)獲得，所以通過匹配濾波器和采樣之后的等效基帶信號(hào)可以表示為

3 頻率估計(jì)算法及其理論估計(jì)方差

影響DA同步精度與范圍的因素主要有導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)于導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的估計(jì)算法[7]，而導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又需要根據(jù)系統(tǒng)要求及估計(jì)算法所能達(dá)到的同步精度和范圍進(jìn)行綜合權(quán)衡。因此需要研究估計(jì)算法的理論界，即參數(shù)無偏估計(jì)時(shí)估計(jì)方差的克拉美羅界(CRB)。下面針對(duì)VDPM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)推導(dǎo)基于相關(guān)函數(shù)和頻率估計(jì)算法的理論估計(jì)方差。

為了簡(jiǎn)化式(5)，令

其中

對(duì)式(6)歸一化可得

4 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 VDPM數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的4種情況

表1 4種導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的估計(jì)范圍及特點(diǎn)

注：4-PM1：用相鄰導(dǎo)頻計(jì)算互相關(guān)；4-PM2：用間隔導(dǎo)頻計(jì)算互相關(guān)。

5 理論分析與仿真結(jié)果

5.1 頻偏對(duì)QPSK調(diào)制信號(hào)的影響

5.2 幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針對(duì)本文給出的時(shí)域相關(guān)函數(shù)和的頻率估計(jì)算法，導(dǎo)頻的位置、數(shù)目會(huì)影響載波頻率的估計(jì)精度和估計(jì)范圍，即頻率估計(jì)范圍和頻率估計(jì)方差分別滿足式(3)和式(10)。

其次，確定可以選擇的幀結(jié)構(gòu)方案。對(duì)于確定的導(dǎo)頻開銷，可以估算出不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的估計(jì)范圍。根據(jù)表1可以看出，PP結(jié)構(gòu)的頻率估計(jì)范圍最小，PM結(jié)構(gòu)次之，4-PM1結(jié)構(gòu)最大，在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度一定的情況下，這3種結(jié)構(gòu)的估計(jì)范圍就確定了，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度過長(zhǎng)，即使4-PM1結(jié)構(gòu)估計(jì)范圍也不會(huì)很大，所以這3種結(jié)構(gòu)的使用受到導(dǎo)頻間距固定的限制。

綜上所述，采用VDPM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，可以通過靈活地設(shè)置導(dǎo)頻間距達(dá)到調(diào)整估計(jì)范圍、改善估計(jì)精度或使用較少導(dǎo)頻開銷的要求。

5.3 誤碼率性能

6 結(jié)論

針對(duì)短突發(fā)通信系統(tǒng)中導(dǎo)頻位置影響頻率估計(jì)精度和估計(jì)范圍的問題，本文基于相關(guān)函數(shù)和頻率估計(jì)算法對(duì)不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的估計(jì)范圍和估計(jì)精度進(jìn)行理論分析，并提出了一種具有靈活適用性的VDPM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。通過仿真驗(yàn)證了VDPM導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)能夠很靈活地兼顧頻率估計(jì)范圍和估計(jì)精度的要求，對(duì)短突發(fā)通信中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的變化能夠靈活地調(diào)整導(dǎo)頻間距，以滿足系統(tǒng)的需要；同時(shí)也驗(yàn)證了基于相關(guān)函數(shù)和的頻率估計(jì)算法僅利用很短的導(dǎo)頻符號(hào)就可以達(dá)到很高的估計(jì)精度，因此比較適合短突發(fā)傳輸系統(tǒng)。

圖3 不同頻偏對(duì)QPSK信號(hào)BER性能的影響

圖4 不同導(dǎo)頻開銷下的估計(jì)誤差均方根

圖5 的BER性能曲線

圖6 的BER性能曲線

圖7 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)BER性能影響曲線

圖8 不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)PD結(jié)構(gòu)的誤比特率性能

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孫錦華： 女，1979年生，博士，副教授，研究方向?yàn)闊o線通信數(shù)據(jù)傳輸與突發(fā)信號(hào)處理.

王雪梅： 女，1987年生，碩士生，研究方向?yàn)檩d波同步算法.

吳小鈞： 男，1972年生，博士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)通信.

Pilot Design of Data-aided Carrier Synchronization for Short Burst Transmission

Sun Jin-hua①Wang Xue-mei①Wu Xiao-jun②

①(,,’710071,)②(,’,’710064,)

For short burst communication systems, the position and the number of pilot symbols have a great impact on frequency estimation accuracy and estimation range in time-domain correlation frequency estimation algorithm. So a frequency estimation algorithm with a high frequency estimation accuracy based on the summation of the entire cross correlation is proposed, and its theoretical estimation variance is derived. By analyzing the impact of the pilot position on estimation accuracy and estimation range, a scheme of Variable-spaced Preamble Middle (VDPM) frame structure is proposed which can choose the distance of pilot blocks according to estimation accuracy and estimation range. Theoretical analysis and simulation results show that the frame structure can satisfy the requirements of frequency estimation range and estimation accuracy, and the estimation algorithm can achieve high estimation accuracy with a few pilot symbols, hence it is suit for short burst communication system.

Short burst communication; Pilot symbol; Carrier synchronization; Frame structure

TN927

A

1009-5896(2014)03-0669-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00509

2013-04-16收到，2013-11-08改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(60902039, 61271175)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(K50511010014, K5051201043, CHD2011JC088)和長(zhǎng)安大學(xué)基礎(chǔ)研究支持計(jì)劃資助課題

孫錦華 jhsun@xidian.edu.cn