[發(fā)明專利]基于隨機共振預處理的多普勒頻移估計方法

有效

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• 申請日: 2010-04-23
• 公開（公告）號: CN101841350A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發(fā)明（設計）人: 李贊;吳利平;華清;司江渤
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B1/707
• 分類號: H04B1/707;H04L25/02
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發(fā)明屬于無線通信技術領域，是一種無線信道參數(shù)的估計方法，適合用于高復雜性和高動態(tài)特性的無線通信信道。

背景技術

短波/超短波(HF/VHF)通信是最早的無線電波通信方式。該通信方式利用電離層散射、離散E層反射、流星余跡和大氣波導等多種信道進行無線傳輸，通信覆蓋范圍可達2000公里以上，在遭遇惡劣自然災害、軍事打擊、社會技術故障和恐怖襲擊所導致的通信基礎設施大面積中斷和損壞的情況下，也能提供國家最低限度的預警和應急通信保障。此外，HF/VHF通信還具有電子對抗能力強、抗毀性強和保密性高等顯著特點，與衛(wèi)星通信構成了超遠距離通信體系。在現(xiàn)代通信中，HF/VHF通信系統(tǒng)被廣泛應用于地面、海洋和空中等軍用和民用通信中，是最低限度應急通信系統(tǒng)的重要組成部分。然而由于HF/VHF信道的傳輸特性，各種廣播、雷達無線電干擾比較嚴重，而且受到多徑效應、信道衰落、受晝夜、季節(jié)、氣候等因素的影響，且無線電波在遠距離傳播過程中衰落比較嚴重，噪聲比較大，所以接收信號非常微弱，且常常容易被各種噪聲所淹沒，甚至會出現(xiàn)信號功率小于噪聲功率，即低信噪比條件的情況。

在短波/超短波通信中，由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收機的信號會發(fā)生相互間的干擾，這些波稱為多徑波。由于移動臺和基站的相對運動，每個多徑波都經(jīng)歷了明顯的頻移過程，從而引起的接收機信號頻移稱為多普勒頻移。現(xiàn)有多普勒效應示意圖如圖1，當移動臺以恒定速率v在長度為d、端點為X和Y的路徑上運動時，收到來自遠端信號源S發(fā)出的信號。無線電波從源S出發(fā)，在X點與Y點分別被移動臺接收時所走的路徑差為：

Δl＝dcosθ＝vΔtcosθ，????????????(1)

式中，Δt是移動臺從X運動到Y所需的時間，θ是X和Y與入射波的夾角。假設移動臺和源端距離很遠，則可以假設X、Y處的θ是相同的。所以，由路程差造成的接收信號相位變化值為：

由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移f_d為：

由此可以看出，多普勒頻移與移動臺的運動速度有關，還與移動臺的運動方向和無線電波入射方向之間的夾角有關。若移動臺朝向入射波方向運動，則多普勒頻移為正，即接收頻率上升；若移動臺背向入射波方向運動，則多普勒頻移為負，即接收頻率下降。由上可見，當頻率增高，移動速度加快時，多普勒效應很明顯。

信道的多普勒頻移是信道參數(shù)變化快慢的標志，因此要求移動終端應能實時地估計出多普勒頻移，并根據(jù)多普勒頻移來動態(tài)地調整系統(tǒng)參數(shù)和進行補償，以獲得最佳的接收性能。此外，多普勒頻移估計在信道測量、資源分配、越區(qū)切換和功率控制等方面也發(fā)揮著重要作用。由于無線信道的復雜和高動態(tài)變化的傳輸特性，各種廣播、雷達無線電干擾比較嚴重，接收信號容易被各種噪聲所淹沒，嚴重影響到多普勒頻移估計的準確性。因此極低信噪比情況下的多普勒頻移估計成為制約通信系統(tǒng)接收性能的瓶頸問題，對該問題的研究在無線通信領域中具有極其重大的意義。

現(xiàn)有的多普勒頻移估計方法通常可分為兩類：基于電平通過率LCR的估計和基于相關函數(shù)COV的估計。LCR方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但抗噪聲性能較差；COV方法雖說估計性能優(yōu)于LCR方法，但計算復雜度較高。因此為了提高LCR方法的抗噪聲性能，許多改進算法被提出來，例如基于DFT頻域濾波的DANS方法。雖然這些方法估計性能在一定程度有所改善，但在極低信噪比情況下，上述方法得出的多普勒頻移估計值與理論值之間的偏差仍然較大，不利于HF/VHF通信系統(tǒng)接收性能的提高與信息的有效傳輸。因此針對HF/VHF通信的低信噪比情況，尋求一種既可靠又有效的方法對多普勒頻偏進行估計就顯得尤為必要。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，將非線性科學中的隨機共振引入到接收信號預處理中，提出了一種新穎的基于隨機共振預處理的多普勒頻移估計方法，以提高系統(tǒng)的抗噪聲性能，降低多普勒頻移估計值與理論值之間的偏差，提高在低信噪比情況下HF/VHF通信系統(tǒng)的接收性能和保障信息的有效傳輸。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是：針對HF/VHF通信中低信噪比情況下的多普勒頻移估計的要求，將非線性科學中的隨機共振技術引入到接收信號的預處理中，將隨機共振技術與電平通過率估計方法相結合，具體步驟如下：

(1)利用蒙特卡羅實驗仿真方法，得到最佳采樣頻率與輸入信噪比的擬合曲線圖，利用該曲線圖確定最佳采樣頻率為：