文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)07-103-04
相對基于鎖相環(huán)的載波同步方法，基于前向估計(jì)的載波同步方法結(jié)構(gòu)簡單，能夠直接從信號中估計(jì)載波的頻率和相位，是目前研究的熱點(diǎn)。隨著近年來前向載波參數(shù)估計(jì)算法的發(fā)展，此類算法廣泛應(yīng)用于采用突發(fā)傳輸模式的時(shí)分多址系統(tǒng)中，并在連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中也得到了越來越多的關(guān)注[1]。
基于前向結(jié)構(gòu)的MPSK載波相位盲估計(jì)是一項(xiàng)經(jīng)典的研究工作。VETERBI A J和VETERBI A M提出的非線性估計(jì)算法(V&V)可以對MPSK信號載波相位進(jìn)行盲估計(jì)[2]。參考文獻(xiàn)[3]則根據(jù)最大似然準(zhǔn)則推導(dǎo)了具有對稱星座的信號的載波相位估計(jì)的一般形式。以上算法都是首先通過非線性方法去除信號中攜帶的調(diào)制信息，從而估計(jì)信號的相位。由于非線性運(yùn)算的使用，在低信噪比條件下上述算法的估計(jì)性能不佳。
針對低信噪比信號的接收處理，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL(Jet Propulsion Laboratory)針對深空通信與測控提出了天線組陣的概念，希望通過多個(gè)獨(dú)立天線的協(xié)同接收完成對同一微弱信號的接收。其中在載波恢復(fù)方面，JPL提出了載波組陣的概念,提出利用多個(gè)天線協(xié)同接收能夠減少環(huán)路信噪比并提高環(huán)路穩(wěn)態(tài)性能[4]。但是，JPL只是針對深空通信特殊的信號體制進(jìn)行分析，沒有考慮多個(gè)天線條件下信號參數(shù)的前向估計(jì)問題。事實(shí)上，天線組陣系統(tǒng)是一種典型的單輸入多輸出(SIMO)系統(tǒng)，近幾年也有文獻(xiàn)對SIMO信道下的參數(shù)估計(jì)問題進(jìn)行研究，但僅限于信噪比估計(jì)方面[5-6]。在先期的研究中,筆者針對SIMO信道下MPSK信號的載波頻率及相位估計(jì)的CRLB進(jìn)行了研究[7]，發(fā)現(xiàn)在非數(shù)據(jù)輔助方式下，多天線協(xié)同接收同一信號能夠有效改善低信噪比條件下信號頻率及相位估計(jì)的性能，為開展SIMO信道下信號載波恢復(fù)算法的研究提供理論基礎(chǔ)。
在參考文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，提出了一種利用加權(quán)最小二乘解算的SIMO信道下MPSK信號的載波相位盲估計(jì)方法。首先利用最大似然準(zhǔn)則，將SIMO信道下的相位估計(jì)問題建模為多維求極值問題。為了有效降低算法的計(jì)算量，對其進(jìn)一步簡化得到該問題的加權(quán)最小二乘解算方法。與傳統(tǒng)的單天線信號相位估計(jì)方法不同，本方法綜合利用了多路接收信號去除信號中攜帶的調(diào)制信息對載波相位估計(jì)的影響。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的算法具有比傳統(tǒng)方法更加精確的估計(jì)性能，特別是在低信噪比條件下其估計(jì)性能較現(xiàn)有方法有明顯改善，為低信噪比下的信號相位盲估計(jì)提供了新的思路。
3 算法仿真
利用Monte Carlo方法對文中提出的SIMO信道下載波相位估計(jì)算法性能進(jìn)行評估。為了評估所提出算法性能，考查相位估計(jì)的均方根誤差以及估計(jì)均值。仿真實(shí)驗(yàn)中采用四天線模型，即L=4，信號相位分別為：θ={9°,18°,20°,15°}。在本節(jié)的仿真中，各路輸入信號信噪比相同，取值范圍為：-10 dB~20 dB。單天線信號的仿真性能通過參考文獻(xiàn)[2]中提到的V&V算法得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)行10 000次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出，同時(shí)為了統(tǒng)計(jì)方便，選取第2副天線信號相位估計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。
實(shí)驗(yàn)一 考查不同觀測長度以及不同天線個(gè)數(shù)下算法的性能。這里采用QPSK信號，數(shù)據(jù)碼元總數(shù)分別選取K=50以及K=500。圖1、圖2中給出本文算法在采用兩天線和四天線時(shí)的相位估計(jì)性能，并將其與單天線V&V算法[2]以及DA方式相位估計(jì)的CRLB進(jìn)行比較。從圖1可以看出，在低信噪比下，隨著天線個(gè)數(shù)的增多，相位估計(jì)的均方根誤差逐步減小，并逐步向CRLB界靠近。從圖2中的估計(jì)均值性能可以看出，隨著天線數(shù)的增加，提出的算法能夠有效提高相位無偏估計(jì)的有效區(qū)域，相對于單天線V&V算法，雙天線無偏估計(jì)的信噪比門限大概降低了約2 dB，四天線降低了約4 dB。同時(shí)由圖1、2中可以看出提出的算法在K=500以及K=50都具有很好的性能，表明該算法不僅適用于連續(xù)數(shù)據(jù)模式，也可以用于突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式。
實(shí)驗(yàn)二 考察算法在不同信號調(diào)制方式下的性能。信號調(diào)制方式分別采用BPSK、QPSK、8PSK，觀測數(shù)據(jù)碼元長度K=50。從圖3可以看出，本算法對BPSK、QPSK、8PSK都能夠有效降低相位估計(jì)的均方根誤差。從圖4中的估計(jì)均值性能可以看出，提出的算法能夠有效提高不同調(diào)制方式信號相位無偏估計(jì)的有效區(qū)域。文中算法采用四天線時(shí)，BSPK信號無偏估計(jì)的信噪比門限較V&V算法大概降低了約2 dB，QPSK降低了約4 dB，8PSK則降低了大約5 dB。
針對SIMO信道下的MPSK信號相位估計(jì)問題，本文通過對SIMO信道下MPSK信號相位最大似然估計(jì)的簡化，提出了一種利用加權(quán)最小二乘解算的多信號相位聯(lián)合盲估計(jì)算法。該算法充分利用多路信號間承載的相同數(shù)據(jù)信息，去除了數(shù)據(jù)對載波相位估計(jì)的影響，同時(shí)避免了多維最大化問題的求解，具有較小的計(jì)算量。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法能夠有效提高M(jìn)PSK信號載波相位估計(jì)性能，特別是在低信噪比條件下，相位估計(jì)性能提升明顯；同時(shí)，該算法能夠有效降低相位無偏估計(jì)的信噪比門限。就QPSK信號而言，該算法采用雙天線時(shí)無偏估計(jì)的信噪比門限相對于單天線V&V算法大概降低了約2 dB，四天線降低了約4 dB。本文算法特別適用于低信噪條件下短突發(fā)MPSK信號相位精確估計(jì)。
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