CN103634255A - 快速估算msk信号载波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种快速估算MSK信号载波的方法，旨在提供一种能在测控系统中更准确快速的对MSK信号载波频率进行估算的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先对来自测控系统的MSK测控信号，经模/数转换器A/D采样后转换为数字信号输入FPGA。FPGA将该数字信号与本地数字控制振荡器NCO的输出信号相乘，再经过数字低通滤波器滤除高频分量，对残留信号进行平方处理和快速傅立叶变换FFT，查找出幅度值最大的两个频率点，再经过最大值有效验证算法，对提取出的两个频率点进行是否有效的判断，有效则保留，无效则剔除，最后根据保留下的有效频率点计算出载波频率的估算值送入MSK接收机模块完成MSK信号的解调。

Description

快速估算MSK信号载波的方法

技术领域

本发明涉及一种测控系统中MSK信号快速载波估算的方法。

背景技术

最小频移键控（MSK)调制是一种二进制连续相位的恒包络相位调制,MSK信号是一种相位连续、包络恒定,占用带宽最小的二进制正交2FSK信号,因其频带利用率高,带外辐射小,被广泛地利用在数字通信系统中。

在目前通常采用MSK信号体制工作的一些测控系统中，MSK信号的解调一般采用差分数字解调算法，在接收机处理过程中当每个符号的采样点数大于5时，该算法解调性能已经接近MSK的最佳解调性能，并且此算法对频偏和相差有一定的容忍度。所以当载波多普勒变化较小时，采用差分数字解调算法可不必对载波频率进行估算。

然而，在无线通信系统中，由于多普勒频移和振荡器的不稳定等因素，使得接收信号的载波和本地载波有时存在较大偏差，此偏差的存在会严重影响MSK解调器的性能。在应用过程中发现，由于载波多普勒太大，变化率太快，会直接导致接收机接收解调性能下降，系统误码率增加。在应用过程中还发现，相对较大的载波多普勒频率，当调制的信息速率相对低速时，此时如果不对载波频率进行估算，接收机采用同样的接收解调算法，接收解调性能较最佳解调性能有所下降。所以为了使MSK接收机实现最佳MSK接收解调性能，对MSK信号载波进行估算是必要的。

发明内容

本发明的任务是针对现有技术测控系统中存在的上述不足之处，提供一种能够正确快速估算MSK信号载波的方法，尤其是能够准确快速的对测控系统中MSK信号进行载波估算的方法，以解决在测控系统中由于载波多普勒太大，变化率太快，导致接收机接收解调性能下降，系统误码率增加的问题。

本发明解决其技术问题通过以下措施予以实现：首先对来自测控系统的MSK测控信号，经模/数转换器A/D采样后转换为数字信号输入FPGA，FPGA将该数字信号与本地数字控制振荡器NCO的输出信号相乘，再经过数字低通滤波器滤除高频分量后，对残留信号进行平方处理，然后对平方后的数字信号S'(t)²进行快速傅立叶FFT变换，在FFT输出信号中查找出幅度值最大的两个频率点f_O1、f_O2，加入最大值有效验证算法，利用MSK信号特点，根据 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right.$ 公式推导得出MSK调制信息频率f_s=|f_O1-f_O2|，再对提取出的两个频率点进行是否有效的判断，有效则保留，无效则剔除，最后根据保留下的有效频率点计算出载波频率的估算值，再把估算的载波频率值送入MSK接收机模块完成MSK信号的解调。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明利用MSK的信号特点对载波信号进行准确快速的估算。相比未进行载波估算的接收机，在相同的信噪比下，加入了载波估算模块的MSK接收机其性能能够更加接近MSK最佳接收解调性能。在应用过程中，在FPGA内进行信号处理时可以改变快速傅里叶变换(FFT)计算的采样率及分辨率以适应不同的最大多普勒频率及动态变化率。

本发明采用的载波估算方法相比一般扩频信号载波频率估算方法，针对MSK信号的频谱特点提出了幅度值最大频率点是否有效的判决条件，提高了载波频率估算的可靠性，避免出现错误的载波频率估算值被预置到接收模块中，导致接收机无法正常工作的情况。解决了测控系统载波多普勒太大，变化率太快，易导致接收机接收解调性能下降，系统误码率增加的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明MSK信号载波估算模块的电路原理框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，来自测控系统的MSK测控信号通过模/数转换器A/D采样电路转换为数字信号后输入FPGA，输入FPGA的数字信号可表示为 $S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\±\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+f_s/4)t\right],d_k=1\\ \±\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0-f_s/4)t\right],d_k=-1\end{array}\right.,$ 其中d_k为调制信息，f₀为接收信号载波频率，f_s为调制信息频率。

在FPGA中，输入的数字信号S(t)与本地数字控制振荡器NCO输出的本地载波信号F_nco相乘后，经过数字低通滤波器滤除高频分量，滤波后的数字信号可以表示为 $S^{\′}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\±\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\right],d_k=1\\ \±\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\right],d_k=-1\end{array}\right.,$ 其中Δf＝f₀-f_nco。接下来在FPGA内部对滤波后的数字信号S'(t)进行平方处理，平方后的数字信号表示为 $S^{\′}{\left(t\right)}^2=\left\{\begin{array}{c}{\cos }^2\left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\right]=\frac{1}{2}\{1+\cos [4\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\left]\right\}\\ {\cos }^2\left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\right]=\frac{1}{2}\{1+\cos [4\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\left]\right\}\end{array}\right.,$ 其中Δf＝f₀-f_nco，Δf即为所求的多普勒频率值。从平方后的数字信号S'(t)²的公式分析可以得出，平方去除了因调制信息引起的频率变化，而平方后的数字信号S'(t)²只包含了2种单一正弦信号分量。然后对平方后的数字信号S'(t)²信号进行FFT变换，注意做FFT变换时根据系统中最大多普勒频率及动态变化率选取合适的采样率及分辨率。FFT变换后从FFT的输出信号中提取出幅度值最大的两个频率点，分别为 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right..$

利用f_O1、f_O2计算可得出接收多普勒频率值Δf＝(f_O1+f_O2)/4，从而计算出接收载波频率f₀＝Δf+f_nco。

为了验证提取出的两个频率点f_O1、f_O2的正确性，加入最大值有效验证算法。FFT变换后提取出的幅度值最大的两个频率点f_O1和f_O2，根据 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right.$ 公式推导可得出|f_O1-f_O2|＝f_s，其中f_s为MSK调制信息频率，为已知条件。总结验证频率点正确与否的判决条件如下：对两个最大频率点f_O1，f_O2做减法运算，求模后，其差值应该等于调制信息频率f_s。如果符合上诉判决条件，则保留频率点值，不符合，则剔除。

最后保留下来的正确的频率点值f_O1，f_O2，根据计算公式 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right.$ 两式相加可得出Δf＝(f_O1+f_O2)/4，Δf即为多普勒频率值，然后利用公式f₀＝Δf+f_nco可计算出接收信号的载波频率，最后把估算的载波频率值f₀送入MSK接收机模块完成MSK信号的解调。

Claims (8)

1.一种快速估算MSK信号载波的方法，具有如下技术特征：首先对来自测控系统的MSK测控信号，经模/数转换器A/D采样后转换为数字信号输入FPGA，FPGA将该数字信号与本地数字控制振荡器NCO的输出信号相乘，再经过数字低通滤波器滤除高频分量后，对残留信号进行平方处理，然后对平方后的数字信号S'(t)²进行快速傅立叶FFT变换，在FFT输出信号中查找出幅度值最大的两个频率点f_O1、f_O2，加入最大值有效验证算法，根据 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right.$ 公式推导得出MSK调制信息频率f_s=|f_O1-f_O2|，再对提取出的两个频率点进行是否有效的判断，有效则保留，无效则剔除，最后根据保留下的有效频率点计算出载波频率的估算值，再把估算的载波频率值送入MSK接收机模块完成MSK信号的解调。

2.按权利要求1所述的快速估算MSK信号载波的方法，其特征在于，MSK测控信号经A/D采样后转换为数字信号的表达式为

$S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\±\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0+f_s/4)t\right],d_k=1\\ \±\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0-f_s/4)t\right],d_k=-1\end{array}\right.,$

式中d_k为调制信息，f₀为接收信号载波频率。

3.按权利要求1所述的快速估算MSK信号载波的方法，其特征在于，滤波后的数字信号 $S^{\′}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\±\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\right],d_k=1\\ \±\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\right],d_k=-1\end{array}\right.,$ 其中Δf为接收多普勒频率值。

4.按权利要求1所述的快速估算MSK信号载波的方法，其特征在于，NCO产生的本地载波信号表达式为F_nco＝cos(2πf_ncot)，由A/D采样电路转换输入FPGA的数字信号S(t)与NCO输出信号F_nco相乘后，再经过数字低通滤波器滤除高频分量，余下的残留信号可表达为 $S^{\′}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\±\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\right],d_k=1\\ \±\cos \left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\right],d_k=-1\end{array}\right..$

5.按权利要求1所述快的速估算MSK信号载波的方法，其特征在于，平方后的数字信号为 $S^{\′}{\left(t\right)}^2=\left\{\begin{array}{c}{\cos }^2\left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\right]=\frac{1}{2}\{1+\cos [4\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}+f_s/4)t\left]\right\}\\ {\cos }^2\left[2\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\right]=\frac{1}{2}\{1+\cos [4\mathrm{\π}(\mathrm{\Δf}-f_s/4)t\left]\right\}\end{array}\right.,$ 即平方后的信号包含了2种单一正弦信号分量，且平方后的数字信号S'(t)²与调制信息d_k无关。

6.按权利要求1所述的快速估算MSK信号载波的方法，其特征在于，FFT变换后提取出频谱中幅度值最大的两个频率点，分别为 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right.;$ 利用f_O1、f_O2计算可得出接收多普勒频率值Δf=(f_O1+f_O2)/4,从而计算出接收载波频率f₀=Δf＋f_nco。

7.按权利要求1所述的快速估算MSK信号载波的方法，其特征在于，验证幅度值最大的频率点正确与否的判决条件是：对幅度值最大的两个频率点f_O1、f_O2做减法运算，求模后，其差值等于调制信息频率f_s。

8.按权利要求1所述的估算MSK信号载波的方法，其特征在于，最后保留下来的正确频率点值f_O1和f_O2，根据计算公式 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{O1}=2(\mathrm{\Δf}+f_s/4)\\ f_{O2}=2(\mathrm{\Δf}-f_s/4)\end{array}\right.$ 两式相加可得出接收机的多普勒频率值Δf=(f_O1+f_O2)/4，然后利用公式f₀=Δf+f_nco计算出接收信号的载波频率，最后将载波频率f₀送入MSK接收机模块完成MSK信号的解调。

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