CN102694570B - 一种大频偏条件下扩频通信系统自动频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大频偏条件下扩频通信接收系统载波频率自动控制方法。现有方法无法在大频偏情况下，依靠自动频率控制环路完成载波频偏的纠正。本发明首先对经过频谱搬移之后的I/Q两路码片准基带数据分别进行循环解扩；对循环解扩后的相邻节拍数据进行延迟共轭叉积鉴频，将鉴频输出经环路滤波器之后送到数控振荡器中以调整本地载波频率；最终利用对环路滤波器输出的鉴频结果做方差来判定环路的收敛状况。本发明方法可以准确快速可靠的完成载波频偏的纠正，可纠正的载波频偏范围大，适合正交调幅方式的扩频通信系统。

Description

一种大频偏条件下扩频通信系统自动频率控制方法

技术领域

本发明属扩频通信技术领域，具体涉及一种扩频通信接收系统在大频偏条件下的自动频率控制方法。

背景技术

扩频通信技术具有抗干扰、抗噪声、抗多径衰落、低功率谱密度下工作、保密性好等优点，因此广泛应用于军事和民用通信领域，当然也包含移动通信业务。在移动通信业务中，若发射系统和（或）接收系统载体具有较高的机动性，则会引发较大的多普勒频移，造成发射系统和接收系统间载波频率偏差过大，从而无法正常解调。常用的载波恢复方法有自动频率控制（AFC）环路，锁相环（PLL）等。其中自动频率控制环路主要用来纠正较大频偏，经过自动频率控制处理之后的残留频偏纠正以及载波相位跟踪则由锁相环完成。

自动频率控制环是一种带反馈的误差闭环控制系统，包括数字鉴频器、数字环路滤波器和数控振荡器等部分。其中，鉴频器的鉴频范围决定自动频率控制环理论上能纠正的最大频偏范围。针对扩频通信系统，鉴频器利用解扩后存在残留频差的I/Q路信息进行运算，产生控制信号对数控振荡器的输出频率进行控制和调节。从电路结构上分，鉴频器主要有三种：延迟叉积型鉴频器、相乘微分型鉴频器和离散傅里叶变换型鉴频器。其中延迟叉积型鉴频器因结构简单、效果良好而得到广泛应用。通常，延迟叉积型鉴频器的鉴频范围为[-R_s/10,+R_s/10]，这里R_s代表系统码元速率。在某些应用场合中，为扩大系统频偏纠正范围，常规做法是在延迟叉积型鉴频器之前，先使用四项鉴频器(FQFD)进行频率牵引，其牵引能力理论上可达[-R_s/4,+R_s/4]；又或者是采用改进后的延迟共轭叉积型鉴频方法，其纠正的频偏范围理论上可达[-R_s/2,+R_s/2]。但是对于某些高速移动通信场合，系统发射机与接收机载体处于相对高速运动状态，载波的多普勒频移偏差值可达到码元速率R_s的数倍，此时上述常规的自动频率控制方法无法完成载波频偏的纠正。

发明内容

本发明的目的就是克服现有的自动频率控制方法对于大频偏纠正能力的不足，针对扩频通信系统，提出一种新颖有效的自动频率控制方法，在同样的接收门限下，可纠正的频偏范围可接近[-R_c/2,+R_c/2]，其中R_c为扩频系统中的码片速率，R_c=M×R_s，M为扩频因子。本发明方法可适用于正交幅度调制，并带有前导序列的扩频通信接收系统。

步骤（1）将经过正交解调，完成频谱搬移后仍存在残留频差的两路准基带前导序列码元扩频后的码片数据序列I_chip(n)和Q_chip(n)进行解扩，计算 $I\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{chip}}\left(n\right)\×{\mathrm{PN}}_I\left(n\right)$ 和 $Q\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{chip}}\left(n\right)\×{\mathrm{PN}}_Q\left(n\right),$ 其中PN_I(n)是接收机本地产生的I路扩频码序列，PN_Q(n)是接收机本地产生的Q路扩频码序列，N表示扩频码周期。

步骤（2）经过一个码片间隔时钟T_c=1/R_c，计算

$I(m+1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{chip}}(n+1)\×{\mathrm{PN}}_I\left[(n+1)\mathrm{mod}N\right)]$

$Q(m+1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{chip}}(n+1)\×{\mathrm{PN}}_Q\left[(n+1)\mathrm{mod}N\right)]$

即采用滑动窗方式选择N点码片数据，同时对本地产生的扩频码序列进行循环移位，然后进行解扩运算，得到新的解扩后的码元数据I(m+1)和Q(m+1)。

步骤（3）计算第一中间变量u1(m)和第二中间变量u2(m)

u1(m)=I(m+1)×I(m)+Q(m+1)×Q(m)

u2(m)=-Q(m+1)×I(m)+I(m+1)×Q(m)

根据第一中间变量u1(m)和第二中间变量u2(m)计算鉴频输出u3(m)

$u3\left(m\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arctan \left(\frac{u2\left(m\right)}{u1\left(m\right)}\right)$

重复执行步骤（1）至步骤（3），则每个码片时钟将产生一个鉴频输出。

步骤（4）计算计算环路滤波后的输出Acc(m)和估算的频差Δf(m)

Acc(m)=Acc(m-1)+u3(m)×G1

Δf(m)=Δf(m-1)+G3×[G2×u3(m)+Acc(m)]

依据Δf(m)的数值，修正数控振荡器输出的本地载波频率f_NCO(m)=f_d+Δf(m)，其中，f_d为标称载波频率，环路增益参数G1,G2,G3应根据码元速率、残留频偏大小、环路噪声指标等具体要求设置合适的数值。

步骤（5）取K个Δf值：{Δf(1),Δf(2),...,Δf(K)},计算其方差Var(Δf)，K为正整数，由系统前导序列长度决定。设定一门限δ，若方差Var(Δf)<δ，表明自动频率控制环路收敛；否则重复步骤(1)～(5)，直到环路收敛。门限δ依据后续锁相环路捕捉带宽设定。

本发明可以准确快速可靠的完成扩频通信系统中载波频偏纠正，可纠正的载波频偏范围大，适合于正交幅度调制的扩频系统。

具体实施方式

步骤（1）将经过正交解调，完成频谱搬移后仍存在残留频差的准基带前导序列码元扩频后的码片数据I_chip/Q_chip进行解扩，计算 $I\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{chip}}\left(n\right)\&times;{\mathrm{PN}}_I\left(n\right)$ 和 $Q\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{\mathrm{chip}}\left(n\right)\&times;{\mathrm{PN}}_Q\left(n\right),$ 其中PN_I/Q是接收机本地产生的I/Q路扩频码序列。

步骤（2）经过一个码片间隔时钟T_c=1/R_c，计算

$I(m+1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{chip}}(n+1)\&times;{\mathrm{PN}}_I\left[(n+1)\mathrm{mod}N\right)]$

$Q(m+1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{\mathrm{chip}}(n+1)\&times;{\mathrm{PN}}_Q\left[(n+1)\mathrm{mod}N\right)]$

即采用滑动窗方式选择N点码片数据，同时对本地产生的扩频码序列进行循环移位，然后进行解扩运算，得到新的解扩后的码元数据I(m+1)和Q(m+1)。

步骤（3）计算u1(m)=I(m+1)×I(m)+Q(m+1)×Q(m)

u2(m)=-Q(m+1)×I(m)+I(m+1)×Q(m)

$u3\left(m\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\arctan \left(\frac{u2\left(m\right)}{u1\left(m\right)}\right)$

重复执行步骤（1）和步骤（2），则每个码片时钟将产生一个鉴频输出u3。

步骤（4）计算Acc(m)=Acc(m-1)+u3(m)iG1

Δf(m)=Δf(m-1)+G3×[G2×u3(m)+Acc(m)]

依据Δf的数值，修正数控振荡器输出的本地载波频率f_NCO(m)=f_d+Δf(m)，其中，f_d为标称载波频率，参数G1,G2,G3应根据码元速率、残留频偏大小、环路噪声指标等具体要求设置合适的数值。

步骤（5）取K个Δf值：{Δf(1),Δf(2),...,Δf(K)},计算其方差Var(Δf)，K为正整数，根据系统前导序列长度适当取值。设定一门限δ，若方差Var(Δf)<δ，表明该自动频率控制环路收敛；否则重复步骤(1)～(5)，直到环路收敛。门限δ依据后续锁相环路捕捉带宽设定。

Claims (1)

1.一种大频偏条件下扩频通信系统自动频率控制方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

步骤（1）将经过正交解调，完成频谱搬移后仍存在残留频差的两路准基带前导序列码元扩频后的码片数据序列I_chip(n)和Q_chip(n)进行解扩，计算 $I\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{chip}}\left(n\right)\&times;{\mathrm{PN}}_I\left(n\right)$ 和 $Q\left(m\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{\mathrm{chip}}\left(n\right)\&times;{\mathrm{PN}}_Q\left(n\right),$ 其中PN_I(n)是接收机本地产生的I路扩频码序列，PN_Q(n)是接收机本地产生的Q路扩频码序列，N表示扩频码周期；

步骤（2）经过一个码片间隔时钟T_c=1/R_c，计算

$I(m+1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_{\mathrm{chip}}(n+1)\&times;{\mathrm{PN}}_I\left[(n+1)\mathrm{mod}N\right)]$

$Q(m+1)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{\mathrm{chip}}(n+1)\&times;{\mathrm{PN}}_Q\left[(n+1)\mathrm{mod}N\right)]$

即采用滑动窗方式选择N点码片数据，同时对本地产生的扩频码序列进行循环移位，然后进行解扩运算，得到新的解扩后的码元数据I(m+1)和Q(m+1)，其中R_c为扩频系统中的码片速率；

步骤（3）计算第一中间变量u1(m)和第二中间变量u2(m)

u1(m)=I(m+1)×I(m)+Q(m+1)×Q(m)

u2(m)=-Q(m+1)×I(m)+I(m+1)×Q(m)

根据第一中间变量u1(m)和第二中间变量u2(m)计算鉴频输出u3(m)

$u3\left(m\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\arctan \left(\frac{u2\left(m\right)}{u1\left(m\right)}\right)$

重复执行步骤（1）至步骤（3），则每个码片时钟将产生一个鉴频输出；

步骤（4）计算环路滤波后的输出Acc(m)和估算的频差Δf(m)

Acc(m)=Acc(m-1)+u3(m)×G1

Δf(m)=Δf(m-1)+G3×[G2×u3(m)+Acc(m)]

依据Δf(m)的数值，修正数控振荡器输出的本地载波频率f_NCO(m)=f_d+Δf(m)，其中，f_d为标称载波频率，参数G1,G2,G3均表示环路增益；

步骤（5）取K个Δf值：{Δf(1),Δf(2),...,Δf(K)},计算其方差Var(Δf)，K为正整数，由系统前导序列长度决定；设定一门限δ，若方差Var(Δf)<δ，表明自动频率控制环路收敛；否则重复步骤(1)～(5)，直到环路收敛，门限δ依据后续锁相环路捕捉带宽设定。