一种适应于IEEE 802.15.4k标准的高精度频偏估计算法*

叶晓青 罗炬锋 邱云周 朱元萍 黄河笑

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海，200050；2.上海物联网有限公司，上海，201899；3.上海开放大学理工学院，上海，200433)

引 言

IEEE 802.15.4k[1]标准面向低成本、远距离和关键基础设施监控网络(Low energy critical infrastructure monitoring,LECIM)设计，其物理层支撑直接序列扩频(Direct sequency spread spectrum,DSSS)通信和频移键控(Frequency-shift keying,FSK)通信，其中DSSS具有发射功率低、抗干扰性强等优点，常用于低信噪比应用环境[2]。实际数字通信中，晶振的频率漂移将引起接收性能恶化，而噪声的干扰会极大地影响接收端频偏估计的精度，因此如何在极低信噪比环境下实现频偏估计是无线通信系统中的关键技术。

IEEE 802.15.4k标准定义2或4字节的前导码(Preamble)用于同步[3]，接收机利用已知的前导码来完成捕获和数据辅助的频偏估计。基于数据辅助[4]的载波频偏估计方法主要分为时域和频域两大类，而基于时域的频偏估计方法又分为基于信号差分的相位和基于自相关函数的相位两类，前者有经典的Kay和L&R算法[5-6]，后者有Fitz和M&M等[7-8]，其中M&M基于自相关序列的辐角差分估计频偏，估计范围广但信噪比门限较高，文献[9]也从自相关辐角估计的角度提出相应的算法。文献[10]也给出了一种基于自相关函数加权平均的方法，可扩展估量范围但无法降低信噪比门限。基于频域的频偏估计方法主要借助于快速傅里叶变换(Fast Fourier transformation,FFT)[11]。在FFT基础上进行二次插值可以提高其精度，但仅适用于特定的频偏，无法满足随机频偏下的估计精度要求[12]，文献[13]针对超高速的移动宽带中的Doppler频移提出了相应的频率偏移的计算方法。……