基于星座图方差的QPSK基带信号码元速率估计方法

基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中一种基于星座图方差的四进制相移键控qpsk(quadrative phase-shift keying)基带信号码元速率估计方法。本发明可用于在信号处理领域中,实现利用星座图方差估计qpsk基带信号的码元速率。


背景技术：

2.数字信号处理中码元速率也称为符号速率，是识别数字信号的基本参数之一。在合作通信中，接收端通常可以从导频中获得这一信息，进而对信号进行正确的抽样判决。然而在非合作通信中，码元速率通常是无法直接得到的，需要在接收机端进行有效的估计，因此，码元速率的估计在非合作通信中有着重要地位。现有技术中基于小波分析的方法，利用小波分析可以同时获得时域和频域信息的特点，将小波变换与自相关函数结合，并利用快速傅里叶变换和插值算法对码元速率进行估计。该类方法估计精度较高，但需要进行复杂的连续小波变换和插值运算，时间复杂度高，且该方法没有考虑带限滤波器的影响，应用范围具有一定限制性。此外，现有技术中基于循环平稳特征的方法，计算信号的循环自相关函数，提取信号的循环平稳特征，实现对信号的码元速率估计。
3.成都老鹰信息技术有限公司在其申请的专利文献“一种基于小波变换的数字基带信号码元速率估计方法”(专利申请号202211251389.8申请公布号cn 115622841 a)中公开了一种基于小波分析的码元速率估计方法。该方法利用小波分析可以同时获得时域和频域信息的特点，分析多进制数字基带波形的波变换系数模值序列的双边功率谱，通过在码元速率的整数倍处检测出离散谱线，实现对数字基带信号的码元速率估计。该方法将截获的待估计码元速率的数字基带信号定义为截获信号，选取与截获信号在码元跳变处的瞬时幅度特性相似的小波，对截获信号进行连续小波变换，计算小波变换系数的模值序列的双边功率谱，分析多进制数字基带波形的波变换系数模值序列的双边功率谱，通过在码速率的整数倍处检测出离散谱线，实现数字基带信号的码元速率估计。该方法虽然估计精度高，但是，该方法仍然存在的不足之处是：该方法依靠码元速率整数倍处的离散谱线估计码元速率，较高信噪比下离散谱线易受噪声干扰，且基于小波变换的方法均假设信号经过矩形脉冲成型滤波器，并通过平坦衰落信道后被接收端获取，但实际中为了提高频带利用率，通常采用带限脉冲成型滤波器，例如升余弦脉冲成型滤波器和根升余弦脉冲成型滤波器，基于小波变换的方法没有考虑带限滤波器的影响，应用范围具有一定局限性。
4.kumar s等人在其发表的论文“blind symbol rate estimation by exploiting cyclostationary features in wavelet domain.”(2016international conference onadvances in computing,communications and informatics(icacci)ieee,2016.)中提出了一种基于循环平稳特征的码元速率估计方法。该方法对信号进行离散小波消噪，计算信号的循环自相关函数，提取信号在小波域的循环平稳特征，构建相同循环频率不同延时的循环自相关特征向量，确定循环频率搜索区间，使得特征向量范数最大的频率为码元速率。该方法利用循环平稳特征提取码元速率信息，估计精度较高。但是，该方法仍然存在的
不足之处是：该方法需要选择合适的循环频率区间来搜索码元速率，且循环自相关函数的计算需要需要使用较多样本点进行循环自相关计算，并构造大维度的特征向量，计算复杂度高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，用于解决现有技术没有考虑带限滤波器的影响，应用范围具有一定限制性的问题，以及使用较多样本点进行循环自相关计算，并构造大维度的特征向量，计算复杂度高的问题。
6.实现本发明目的的基本思路是，本发明利用星座图能够反映多种类型信号所携带信息，且不受带限滤波器影响的特点，可以应用于使用升余弦成型滤波器的多种调制类型基带信号的码元速率估计，克服了现有技术中基于小波变换的方法没有考虑带限滤波器的影响，应用范围具有一定限制性的不足。此外，本发明利用qpsk基带信号星座图能够反应采样点信息的特点，计算均值残差图的总方差，确定采样不变点，需要计算的均值残差图总方差次数为一个码元周期内采样点个数，且方差的计算时间复杂度低，克服了现有技术中基于循环平稳特征的方法需要大量样本点进行循环自相关计算，并构造大规模特征向量，计算复杂度高的不足，使得本发明具有灵活性高，可应用于多种类型信号的优点。
7.实现本发明目的的具体步骤如下：
8.步骤1，将qpsk离散基带信号序列中的每个采样点作为起始点，得到不同长度的基带信号序列；
9.步骤2，将每个基带信号序列转换成二维散点图像，得到该基带信号序列对应的一个由四个象限组成的星座图；
10.步骤3，计算每个星座图的每个象限中星座点同相分量和正交分量的均值，将该星座图中该象限的二者均值作为该象限星座点均值；
11.步骤4，计算每个星座图中每个象限中星座点的均值残差点值；
12.步骤5，计算每个均值残差图的总方差：
13.步骤6，从所有总方差值对应的采样点中选出满足采样不变点条件的两个相邻采样点作为采样不变点；
14.步骤7，利用采样不变点估计qpsk基带信号的码元速率。
15.本发明与现有技术相比具有以下优点：
16.第一，本发明利用采样不变点估计qpsk基带信号的码元速率，不受带限滤波器影响，可应用于使用带限成型滤波器的基带信号的码元速率估计，克服了现有技术中基于小波变换的方法没有考虑带限滤波器的影响，应用范围具有一定限制性的不足，使得本发明具有灵活性高，可应用于多种类型信号的优点。
17.第二，本发明利用均值残差图的总方差确定采样不变点，需要计算的均值残差图总方差次数为一个码元周期内采样点个数，且方差的计算时间复杂度低，克服了现有技术中基于循环平稳特征的方法需要使用较多样本点进行循环自相关计算，并构造大维度的特征向量，计算复杂度高的不足，使得本发明具有计算复杂度低、工程应用价值高的优点。
附图说明
18.图1为本发明的流程图；
19.图2为本发明的仿真实验的星座图；
20.图3为本发明仿真实验的均值残差图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
22.参照图1，对本发明实施例的实现步骤做进一步的描述。
23.步骤1，将qpsk离散基带信号序列中的每个采样点作为起始点，得到不同长度的基带信号序列；
24.正交调制方式下，数字调制方式为四进制相移键控(qpsk)的基带信号分为同相分量和正交分量，设qpsk基带信号的同相分量和正交分量均为长度为n＝100的离散序列，序列中的每个元素为基带信号的采样点值，设序列中采样点的下标为i＝0，1，2...100。分别截取基带信号序列中采样点下标从i到100的序列，得到不同起始采样点下截取得到的不同长度的基带信号序列。
25.步骤2，将每个基带信号序列转换成二维散点图像，得到该基带信号序列对应的一个由四个象限组成的星座图；
26.所述星座图的横坐标表示qpsk基带信号同相分量，纵坐标表示qpsk基带信号正交分量。将基带信号的同相分量和正交分量分别作为横坐标数值和纵坐标数值，转换成具有四个象限的二维散点星座图。
27.步骤3，计算每个星座图的每个象限中星座点同相分量和正交分量的均值，将该星座图中该象限的二者均值作为该象限星座点均值；
28.分别对不同长度基带信号序列的星座图中每个象限的同相分量和正交分量计算均值，组合二者均值得到星座点均值。
29.步骤4，按照下式，计算每个星座图中每个象限中星座点的均值残差点值：
[0030][0031][0032]
其中，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的同相分量的均值残差值，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的正交分量的均值残差值，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的同相分量，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的正交分量，表示第k个星座图的第i个象限中所有星座点同相分量的均值，表示第k个星座图的第i个象限中所有星座点正交分量的均值，将四个象限中所有均值残差点组成均值残差图。
[0033]
步骤5，计算每个均值残差图的总方差：
[0034]
将星座图四个象限的均值残差点组合起来，得到均值残差图。分别计算均值残差图中四个象限内星座点的方差，星座点的方差为同相分量的方差加上正交分量的方差。对均值残差图四个象限的方差求和，得到均值残差图的总方差。
[0035]
步骤6，确定采样不变点：
[0036]
从所有均值残差图的总方差值对应的起始采样点中选出满足采样不变点条件的两个相邻起始采样点作为采样不变点。
[0037]
所述采样不变点条件是指满足下述条件之一的情形：
[0038]
条件1：所有总方差值中的最小总方差值对应的采样点；
[0039]
条件2：总方差值与最小总方差值的差值小于阈值的采样点；所述阈值根据经验设置。
[0040]
步骤7，利用采样不变点估计qpsk基带信号的码元速率。
[0041]
将采样不变点间包含的采样点个数作为一个码元周期内的采样点个数，将采样频率设置为载波频率的5～8倍，用采样频率除以一个码元周期内的采样点个数，得到码元速率。
[0042]
下面结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步的说明。
[0043]
1.仿真实验条件：
[0044]
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为intel(r)core(tm)i5-10210ucpu，主频为1.60ghz，内存12gb。
[0045]
本发明的仿真实验的软件平台为：windows 10操作系统和visual studio 2019软件。
[0046]
本发明仿真实验所使用的数字信号调制方式为四进制相移键控qpsk，基带信号序列长度为20000，调制信号幅度为100v，载波频率为2khz，根升余弦成型滤波器阶数为16，滚降系数为0.25，低通滤波器阶数为12阶，调制信号码元速率为2000buad，接收信号采样频率为16khz，一个码元周期内采样点个数为8，假设接收端已将时域高频数字信号下变频到时域基带信号，下变频后的基带信号分为同相分量和正交分量，分别为长度为10000的离散信号序列。
[0047]
2.仿真内容及其结果分析：
[0048]
本发明仿真实验是采用本发明将不同起始采样点下截取的9个不同长度的qpsk基带信号序列转换为相应的9个不同星座图，通过生成的每个星座图对应的均值残差图，计算均值残差图的总方差，确定采样不变点，进行码元速率估计。
[0049]
图2为9个不同起始采样点下截取得到的基带信号序列的星座图，图2中的横坐标表示基带信号同相分量采样点幅度值，单位为v，纵坐标表示基带信号正交分量采样点幅度值，单位为v。其中图2(a)为本发明仿真实验中的起始采样下标为0的星座图，图2(b)为本发明仿真实验中的起始采样下标为1的星座图,图2(c)为本发明仿真实验中的起始采样下标为2的星座图，图2(d)为本发明仿真实验中的起始采样下标为3的星座图，图2(e)为本发明仿真实验中的起始采样下标为4的星座图，图2(f)为本发明仿真实验中的起始采样下标为5的星座图，图2(g)为本发明仿真实验中的起始采样下标为6的星座图，图2(h)为本发明仿真实验中的起始采样下标为7的星座图，图2(i)为本发明仿真实验中的起始采样下标为8的星座图。
[0050]
由图2可以看出，不同起始采样点下截取得到的qpsk基带信号的星座图分散程度不同，起始采样点下标为0和8时星座图相似，且各象限星座点最为聚集。
[0051]
图3为9个不同起始采样点下截取得到的基带信号序列的均值残差图，图3中的均
值残差图由对应起始采样点下星座图四个象限的均值残差图组合而成，横坐标表示基带信号各象限同相分量采样点幅度值的均值残差点值，单位为v，纵坐标表示基带信号各象限正交分量采样点幅度值的均值残差点值，单位为v，其中图3(a)为本发明仿真实验中的起始采样下标为0的均值残差图，图3(b)为本发明仿真实验中的起始采样下标为1的均值残差图，图3(c)为本发明仿真实验中的起始采样下标为2的均值残差图，图3(d)为本发明仿真实验中的起始采样下标为3的均值残差图，图3(e)为本发明仿真实验中的起始采样下标为4的均值残差图，图3(f)为本发明仿真实验中的起始采样下标为5的均值残差图，图3(g)为本发明仿真实验中的起始采样下标为6的均值残差图，图3(h)为本发明仿真实验中的起始采样下标为7的均值残差图，图3(i)为本发明仿真实验中的起始采样下标为8的均值残差图。
[0052]
由图3可以看出，不同起始采样点下截取的基带信号星座图各象限的星座点分散程度不同，均值残差图放大了星座点的分布情况。
[0053]
表1为9个不同起始采样点下截取的基带信号序列对应的均值残差图各象限的方差和总方差，分别对图3中均值残差图的四个象限中星座点求方差，各象限星座点方差为同相分量方差和正交分量方差之和。各均值残差图总方差为均值残差图四个象限方差之和。
[0054]
表1.仿真实验中本发明不同起始采样点下均值残差图的总方差
[0055][0056][0057]
结合表1可以看出，起始采样点下标为0时，均值残差图总方差最小，起始采样点下标为8时，均值残差图总方差与总方差最小值相差小于阈值0.1，则下标为0和下标为8的采样点为采样不变点。采样不变点间包含的采样点个数为8，则一个码元周期内采样点个数为8。已知载波频率为2khz，采样频率设置为载波频率的5～8倍，采样频率设置为16khz，采样频率除以一个码元周期内采样点个数，估计得到码元速率为2000buad。

技术特征：
1.一种基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，其特征在于，利用qpsk基带信号星座图生成均值残差图，计算均值残差图的总方差，确定采样不变点；该码元速率估计方法的步骤包括如下：步骤1，将qpsk离散基带信号序列中的每个采样点作为起始点，得到不同长度的基带信号序列；步骤2，将每个基带信号序列转换成二维散点图像，得到该基带信号序列对应的一个由四个象限组成的星座图；步骤3，计算每个星座图的每个象限中星座点同相分量和正交分量的均值，将该星座图中该象限的二者均值作为该象限星座点均值；步骤4，计算每个星座图中每个象限中星座点的均值残差点值；步骤5，计算每个均值残差图的总方差：步骤6，从所有总方差值对应的采样点中选出满足采样不变点条件的两个相邻采样点作为采样不变点；步骤7，利用采样不变点估计qpsk基带信号的码元速率。2.根据权利要求1所述的基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，其特征在于，步骤2中所述星座图的横坐标表示qpsk基带信号同相分量，纵坐标表示qpsk基带信号正交分量。3.根据权利要求1所述的基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，其特征在于，所述步骤4中所述每个星座图中每个象限中星座点的均值残差点值是由下式得到的：所述步骤4中所述每个星座图中每个象限中星座点的均值残差点值是由下式得到的：其中，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的同相分量的均值残差值，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的正交分量的均值残差值，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的同相分量，表示第k个星座图的第i个象限中第j个星座点的正交分量，表示第k个星座图的第i个象限中所有星座点同相分量的均值，表示第k个星座图的第i个象限中所有星座点正交分量的均值，将四个象限中所有均值残差点组成均值残差图。4.根据权利要求1所述的基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，其特征在于，步骤5中所述计算每个均值残差图的总方差指的是，对每个均值残差图中每个象限所有星座点值求方差后，再对四个象限所有方差值求和，得到每个均值残差图的总方差值。5.根据权利要求1所述的基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，其特征在于，步骤6中所述采样不变点条件是指满足下述条件之一的情形：条件1：所有总方差值中的最小总方差值对应的采样点；条件2：总方差值与最小总方差值的差值小于阈值的采样点；所述阈值根据经验设置。6.根据权利要求1所述的基于星座图方差的qpsk基带信号码元速率估计方法，其特征在于，步骤7中所述利用采样不变点估计qpsk基带信号的码元速率指的是，将采样不变点间包含的采样点个数为一个码元周期内的采样点个数，用采样频率除以一个码元周期内的采
样点个数，得到码元速率。

技术总结
本发明公开了一种基于星座图方差的QPSK基带信号码元速率估计方法，其步骤为：获取不同长度的基带信号序列；获取不同长度基带信号序列对应的星座图；计算星座图各象限星座点均值；获取各星座图的均值残差图；计算每个均值残差图的总方差；确定采样不变点；估计QPSK基带信号的码元速率。本发明利用均值残差图的总方差确定采样不变点，计算的均值残差图总方差次数为一个码元周期内采样点个数，利用采样不变点估计QPSK基带信号的码元速率，规避了带限滤波器的影响，可应用于使用带限成型滤波器的基带信号的码元速率估计。本发明具有灵活性高，计算复杂度低、工程应用价值高的优点。工程应用价值高的优点。工程应用价值高的优点。


技术研发人员：张向东 刘美玲 丁鑫 任顺平
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/23