NO.1 论文简介
在空空高速移动通信场景中，信道呈现时频双衰落特性，信道相干时间小，尤其在高速机动时，相干时间的典型值仅为数十微秒。常规的频偏估计算法隐含要求的前导序列长度远小于相干时间，为了适应这一要求可以采用不超过相干时间的短前导序列进行频偏估计，但是前导序列长度变短将导致估计精度显著下降，典型算法的残余频偏在数千赫兹范围内波动，远大于信号正确解调的要求（数百赫兹），致使系统性能急剧下降甚至失效。在这种通信系统中，若前导序列长度大于相干时间，则前导信号经历非平稳时频双衰落，此时信道的准静态假设不再成立，前导结构特性不再保持，频偏和信道参数高度耦合在一起，因此通常采用频偏和信道联合估计方案。这类方法用于高速移动场景、精度较高，但算法的运算复杂，涉及高维矩阵求逆或二维网格搜索，难以直接用于工程实践。总之，在高速移动场景中，多普勒频偏变化快，相干时间小。当前导长度小于相干时间时，常规频偏估计算法估计精度不足；而当前导长度大于相干时间时，频偏估计算法与信道估计耦合，复杂度高难以工程实现。因此需要进一步针对高速移动场景下的频偏估计开展研究工作。
NO.2 主要贡献
空空高速移动场景下飞行平台通信信号的多普勒频率范围大且变化快。针对现有频偏估计和跟踪算法难以兼顾估计精度和工程可实现性的难题，本文提出了低复杂度的新型高精度频偏估计和跟踪算法。首先，针对多普勒频偏理论模型表达式过于复杂难以计算的难题，本算法将其中的复杂表达式采用高阶多项式进行近似，提出了适用于高速移动通信场景的线性化多普勒频偏模型；然后，基于此模型将相邻的频偏初始估计值的时空联系用线性方程进行表征，创造性地将频偏估计和跟踪问题划归为超定线性方程组的求解问题；最后，利用经典的最小二乘理论优化求解超定线性方程，最大限度地抑制估计噪声，显著提高频偏估计精度。仿真结果表明，该算法在初始频偏估计的基础上大幅提升了估计性能。本算法的频偏跟踪采用前馈补偿方案，系统稳定性和时效性比基于锁相环的反馈补偿方案更优。本算法对频偏初始估计的具体算法并无限制，只要求该算法满足前导小于相干时间的要求即可，因而适用范围较广。
NO.3 研究结论
根据本文的算法设计，仿真结果表明该算法估计的残余频偏相对于经典算法大幅降低，当信噪比大于5dB时，残余频偏的均方根误差控制在100Hz范围内。针对该算法求解过程中存在的数值稳定性问题，本文给出了相应的工程可实现方法。该算法对粗频偏估计算法并无限制，适用范围较广。该算法采用前馈补偿频偏跟踪方法，与传统的锁相环反馈跟踪方法相比，提高了系统的稳定性和时效性。
NO.4 论文资助
国家自然科学基金专项项目（62341111）
NO.5 作者介绍
张 欣（1978—），男，西安电子科技大学博士研究生，
E-mail：xinzhang0424@163.com。
E-mail：jdli@mail.xidian.edu.cn。
·引用格式·
张欣, 李建东. 空空高速移动通信信号的频偏估计和跟踪算法(2024) [J/OL]. 西安电子科技大学学报, [2024-03-13]. https://doi.org/10.19665/j.issn1001-2400.20240304
· 原文链接 ·
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https://link.cnki.net/doi/10.19665/j.issn1001-2400.20240304
编辑：许瀚樱
校对：杨 薇
审核：牛姗姗
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