[发明专利]一种用于太赫兹通信的频偏估计方法

说明书

本发明公开的一种用于太赫兹通信的频偏估计方法，属于通信信号处理领域。本发明将基带信号上变频到太赫兹频段，经功率放大器放大后由天线发送到无线信道；天线收到信号通过低噪声放大器后进行模拟正交混频处理并滤除高频成分；根据接收机和发射机的相对运动速度，对传输过程中产生的频偏进行预估；根据预估频偏设计低通滤波器，对滤除高频成分的后的信号滤波；对滤波后的信号做降采样处理，并进行平方去调制和快速傅里叶变换，通过搜索最大谱峰的位置找到对应频偏，实现在低信噪比、低采样率条件下大动态范围的频偏估计；进行载波补偿，使接收端本地载波频率和接收端天线收到信号的载波频率保持动态同步。本发明能够降低信号处理难度和硬件开销。

技术领域

本发明涉及一种频偏估计的方法，特别涉及一种在太赫兹频段下的低信噪比、低采样率频偏估计方法，属于通信信号处理领域。

背景技术

太赫兹波的频段在0.1～10THz，波长在30μm～3mm之间，是介于微波与红外之间的电磁波，其频率比现有微波通信要高出l～4个数量级。太赫兹通信具有带宽资源丰富，传输速率高，传输干扰小等特点，适应了未来通信系统中高速无线传输的应用需求，然而高传输速率也增大了信号处理的难度。

在无线通信过程中，由于信号发射端和接收端之间的相对运动以及卫星时钟和接收机晶振的频率漂移等原因，接收信号的载波频率将随着时间而不断变化，尤其当信号调制在太赫兹频段的载波上时，过高的载波频率会产生几兆到几十兆赫兹的多普勒频偏，远远高于现有通信过程中产生的频偏。由于太赫兹波的大气衰减较强，所以太赫兹频段通信目前只适用于卫星间、星地间及地面间短距离的宽带移动通信。在卫星通信中，若载波频率为0.1～10THz，则产生的多普勒频偏为几兆甚至数十兆赫兹，并且频偏大小随着载波频率的增加呈线性增长。若用传统数字信号处理的方式处理接收到的调制信号，根据奈奎斯特采样定理，对解调后的基带信号进行采样，需要设计大带宽滤波器，并且采样率将高达数十GHz，从硬件设计以及信号处理实时性的角度考虑都很难实现。另外，在远距通信(比如卫星通信)、遮挡以及强干扰等条件下，接收信号的信噪比极低，因此无论在太赫兹通信还是现有的微波通信中，研究低信噪比条件下的载波频偏估计均具有非常重要的现实意义。

1994年，Michael P.Fitz(“Further Results in the Fast Estimation of aSingle Frequency”)通过将不同延迟的自相关相位进行加权平均来提取频率，但算法的频率估计范围受限于参与计算的最大自相关延迟,当该算法应用在太赫兹频段时，会产生相对较大的频偏，利用此算法已无法进行纠正。2005年，Noels N，Stee ndam H，moeneclaey M(“Carrier phase and frequency estimation for pilot-symbol assistedtransmission bounds and algorithm”)提出了基于等间隔导频符号设置的半扫盲频偏估计方法，估计精度得到进一步提高，但存在信噪比门限较高的问题。2006年，Brain D，RonanF(“Design of forth order digital PLLs using filter prototype”)用Butterworth等低通滤波器原型设计了一种带宽为20MHz的数字锁相环，进行频偏的捕捉，然而在信号带宽为数十GHz的太赫兹通信中，用传统的数字信号处理方法会存在采样率过大无法实现的问题，所以该方法已不再适用。以上频偏估计的方法应用于太赫兹高速通信中时，都存在采样率过高，硬件难以实现以及低信噪比下不适用等问题。

发明内容

本发明公开的一种用于太赫兹通信的频偏估计方法要解决的技术问题为：太赫兹通信系统产生的高载波频偏以及采样率高导致的信号处理难度提高、硬件开销过大的问题。实现在低信噪比、低采样率条件下的大动态范围的频偏估计，降低太赫兹通信系统信号处理难度和硬件开销。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。