CN104486288B - 一种适用于pcm/fm遥测接收机的载波频偏抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法。使用本发明能够实现较好的频偏抑制，且结构简单，计算量较小。本发明利用成型后码元的统计特点，通过鉴频后的信号进行直方图估计，实现正负码元对应的调制频率估计，进而对其取平均得到载波频偏的估计值，将鉴频后的信号减去该载波频偏估计值从而达到抑制载波频偏的效果，且受噪声影响较小，可适用于大频偏及正负码元数目不等情况，计算量小，实现简单，易于实时实现。

Description

一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法

技术领域

本发明涉及遥测信号调制技术领域，具体涉及一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法。

背景技术

PCM/FM是遥测信号中国际上常用的一种调制方式，许多文献都对其展开了大量研究，其本质为连续相位频率调制(CPFSK)。由IRIG遥测标准可知，测控中常用的调制指数为0.707。由于PCM/FM信号是调频信号，在遥测信号接收过程中，接收机与发射机间的载波频率偏移以及两者相对运动引入的多普勒频移在频域上很难与调制信号所区分。因此，遥测信号接收机必须对载波频偏进行抑制，以此增加后续码元判决、码同步的正确率和准确率。

传统的遥测信号接收机采用低解调门限的锁相调频法进行接收。这是利用锁相环中，环路锁定时，压控振荡器可在一定范围内自动跟踪载波频偏变化。只要信号落入锁相环接收带宽内，接收机就可以正确接收。但此法需要增加中频滤波器带宽，接收灵敏度会受损失。

现有的遥测信号接收机采用中频采样和全数字解调方法，为了抑制载波频偏，郑立岗等提出了一种基于二阶数字锁相环的频偏抑制方法，利用数字锁相环的高通特性，滤除缓变的低频载波频偏。但这种方法在滤除载波频偏的同时，也丢失了调频信号的低频信息；同时，环路带宽随着频偏变化率的增大而增大，造成了有效信息的丢失大大增加；由于结构较为复杂，使用FPGA实现困难。陈大海等提出了一种采用滑窗最大最小值法对鉴频后信号进行包络检测，以此减去载波频偏所带来的幅度调制。此方法较之二阶数字锁相法而言，算法较为简单，能适应更大频偏变化率，但由于采取滑窗算法，在计算过程中不断采取移位操作，使得计算量较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法，能够实现较好的频偏抑制，且结构简单，计算量较小。

本发明的适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法，包括如下步骤：

步骤1，将经AD采样、下变频、鉴频后的信号进行平均分段，每段内含有相同数目的采样点，其中，每段内的采样点个数大于64N，其中，N为码元采样点数；

步骤2，在每段内利用直方图进行频偏估计：

步骤2.1，将段内鉴频结果按采样点数值I的大小排序，获得区间[I_min，I_max]；

步骤2.2，将所允许的频偏范围[f_min，f_max]与[I_min，I_max]进行一一对应，获得频偏估计所需精度的1/3对应在[I_min，I_max]中的数值I_bin；

步骤2.3，在[I_min，I_max]区间画直方图：以I_min+n·I_bin为各直方图子区间的区间中心值，直方图子区间长度为I_bin；以各直方图子区间中包含的采样点个数N_bin为直方图高度；其中，n＝0,1,2,…,n_max，其中，为向下取整；

步骤2.4，将N_bin值大于的直方图子区间依次取出，称为多采样点区间；对多采样点区间中各直方图子区间的区间中心值依次进行差分，获得差分值序列，得到最大差分值在差分值序列中的序号x，则多采样点区间中第x个区间中心值即为上、下区间的分界点，包括分界点在内的多采样点区间内前半部分直方图子区间所组成的区间范围称为下区间，后半部分直方图子区间组成的区间范围称为上区间；

步骤2.5，分别对上、下区间内所有区间中心值求和取平均；对上、下区间的平均结果再次求平均，所得平均值即为频偏估计结果；

步骤3，从鉴频信号中减去频偏估计结果，即可获得频偏抑制后信号。

有益效果：

本发明解决了目前遥测信号接收机中因载波频偏而多普勒频移难以估计的问题，采用直方图法进行包络检测对载波频偏进行估计，受噪声影响较小，可适用于大频偏及正负码元数目不等情况，且不需要进行滑窗运算，减少了比较次数，计算量小，实现简单，易于实时实现。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为含有频偏的鉴频结果。

图3为采用本发明方法进行频偏估计的结果示意图。

图4为采用本发明方法去频偏后的估计结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法。

PCM/FM遥测信号接收机所接收到的信号经过AD采样、下变频、鉴频后输出结果的表达式为：

其中，θ(n)是信号下变频至基带后的鉴相结果，k_f为PCM/FM信号的调制指数，T_s为采样周期，m(n)为PCM码元信号，Δω(n)为载波频偏信号。由式(1)可以看出，载波频偏所带来的误差相当于对理想解调输出进行了幅度调制。因此，可将载波频偏抑制问题转化为幅度包络的检测。现有技术中的滑窗法就是采用了此种思路，通过滑窗算法估计信号的幅度包络从而进行载波频偏抑制。

本发明利用成型后码元的统计特点，通过鉴频后的信号进行直方图估计，实现正负码元对应的调制频率估计，进而对其取平均得到载波频偏的估计值，将鉴频后的信号减去该载波频偏估计值从而达到抑制载波频偏的效果。采用直方图对信号进行载波频偏抑制的基本流程如图1所示：对鉴频后信号平均分段，使得每段内含有相同数目的采样点；在每段内统计采样点数值的最大值和最小值并作出直方图，利用直方图分别求取正包络区间及负包络区间，分别求得正、负包络平均值，再对正、负包络平均值二者求平均，则可得到信号的包络检测值。

其中，各段内的采样点个数需满足一定要求。当段内采样点数目取的太少时，包络检测值误差将增大，频偏抑制效果变差：假设每个码元采样点为N，由于PCM码流中连续1或0的数目不能超过64，故而在每段内所含码元数目需超过64，即每段内采样点数需超过64*N。而当段内采样点数目取太多时，虽然检测误差减小了，但包络检测值与真实频偏之间的时延将增大，同样造成频偏抑制效果变差。因此，必然存在一个中间值，使得包络检测值与真实频偏之间的均方误差最小，即最佳分段长度。

具体的对每段中的采样信号数据的计算过程是：

(1)对于段内m个码元，每个码元有N个采样点数，则段内共有m*N个鉴频结果。将m*N个鉴频结果按采样点数值I大小排序，获得区间[I_min，I_max]，以及采样点数值的最大值I_max及最小值I_min；

(2)由估计精度及计算量大小进行综合分析，将信号数据依照频偏估计所需精度的1/3进行分区：首先将所允许的频偏范围[f_min，f_max]与[I_min，I_max]进行一一对应，将频偏估计所需精度的1/3在频偏范围[f_min，f_max]的位置对应在[I_min，I_max]中，获得对应的数值I_bin；然后以(I_min+n·I_bin)(n＝0,1,2,…,n_max，其中， 为向下取整)为直方图各子区间的区间中心值来划分直方图子区间，直方图子区间长度为I_bin；以各直方图子区间中包含的采样点个数N_bin为直方图高度；

(3)将N_bin值大于的直方图子区间依次取出，令为多采样点区间。对多采样点区间中各直方图子区间的区间中心值依次进行差分，获得差分值序列，即多采样点区间中的第j+1个区间中心值减去第j个区间中心值，获得第j个差分；最大差分值在差分值序列中所在位置对应的多采样点区间中的区间中心值即为上、下区间即正、负包络区间的分界点，如第x个差分为最大差分值，则多采样点区间中第x个区间中心值即为上、下区间的分界点。其中，包括分界点在内的多采样点区间内前半部分直方图子区间所组成的区间范围称为下区间(负包络区间)，后半部分直方图子区间组成的区间范围称为上区间(正包络区间)；

(4)对上、下区间的区间中心值分别求和取平均；

(5)对所求得的上下区间平均结果再次求平均，作为频偏估计结果。

(6)由于载波频偏一般而言变化缓慢，从鉴频信号中减去频偏估计结果，就可以得到频偏抑制后信号。

下面给出一个具体实施例。

仿真设置为给定码速率为2Mbps，采样率为32MHz，设置调制指数为0.7，信噪比为10dB。选取20000个码元数量进行仿真，对码元采用的成型滤波器为滚降系数为0.7的20阶平方根升余弦滤波器。仿真添加的固定频偏为200kHz，正弦变化的载波频偏的幅度为50kHz，变化频率为800Hz。

对鉴频后的数据进行分段处理，每段内含有100个码元，由于每个码元有16个采样点，则有1600个鉴频结果。图2表示为含有频偏的鉴频结果示意图。由图中可明显看出，由于频偏的加入，使得鉴频结果不再关于零电平对称。

将鉴频结果排序统计采样点的最大值I_max及最小值I_min，在此处仿真中，最大值为1.7591最小值为-0.9139。根据最大值和最小值，按照频偏估计精度的1/3取值，仿真中设置频偏估计精度为10kHz，由频偏的频率范围对应至采样点数值范围[I_min，I_max]所得的对应数值I_bin，则对应至直方图中每个区间大小I_bin取值为0.1/3。由此可得到81个直方图子区间，每个区间的中心值分别为-0.9139、-0.8806、-0.8472……1.7194、1.7528。

统计计算落在各个直方图子区间中的采样点个数，取出大于平均点数加1的直方图子区间，在仿真中为1600/81+1，向上取整为21，以所取出来的22个直方图子区间为多采样点区间。本仿真中所取得的22个直方图子区间的区间中心值分别为-0.7806、-0.7472、-0.7139……1.6194、1.6528。对多采样区间内的区间中心值依次进行差分，即以多采样点区间中的第二个区间中心值减去第一个区间中心值为第一个差分值，第三个区间中心值减去第二个区间中心值为第二个差分值……以此得到21个差分值，在本次仿真中，所得到的差分值为0.0333、0.0333、0.0333……0.1333、1.6333、0.0333……0.0333、0.0333，求得差分最大值为1.6333，差分最大值位于第11个差分值处，在多采样点区间中，以包括第11个直方图子区间在内的左边的直方图子区间作为下区间也就是负包络区间，第11个直方图子区间右边的直方图子区间作为上区间即正包络区间。在本仿真中第1至第11个bin区间作为下区间也就是负包络区间，第12至第22个区间为上区间即正包络区间。

分别将上下区间中所含所有区间中心值求和取平均，本仿真中，将第1至第11个直方图子区间的区间中心值进行求和，除以11后即为下区间平均值。以同样的方法求得上区间平均值。本仿真中所得的下区间平均值为-0.5988，上区间平均值为1.4861。再对所得上、下区间的平均结果求和取平均，也就是将上、下区间平均结果相加后除以2，求得频偏结果。本仿真中所得的频偏结果为0.4437。图3为使用本发明方法进行频偏估计的结果示意图。可以看出，在10dB的情况下，频偏估计结果与实际频偏比较而言也较为理想。

从鉴频结果中将频偏估计结果减去可得到去频偏后结果。如图4所示，由图易于看出在去频偏后，鉴频结果重新关于零电平对称。

对不同信噪比下信号使用本发明对不同信噪比下的鉴频后码元估计后的误码率如表1所示。可以看出，使用本发明方法对频偏有很好的抑制效果。

表1有频偏信号及使用本发明去频偏后信号的判决误码率

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将经AD采样、下变频、鉴频后的信号进行平均分段，每段内含有相同数目的采样点，其中，每段内的采样点个数大于64N，其中，N为码元采样点数；

步骤2，在每段内利用直方图进行频偏估计：

步骤2.1，将段内鉴频结果按采样点数值I的大小排序，获得区间[I_min，I_max]；

步骤2.2，将所允许的频偏范围[f_min，f_max]与[I_min，I_max]进行一一对应，获得频偏估计所需精度的1/3对应在[I_min，I_max]中的数值I_bin；

步骤2.3，在[I_min，I_max]区间画直方图：以I_min+n·I_bin为各直方图子区间的区间中心值，直方图子区间长度为I_bin；以各直方图子区间中包含的采样点个数N_bin为直方图高度；其中，n＝0,1,2,…,n_max，其中， 为向下取整；

步骤2.4，将N_bin值大于的直方图子区间依次取出，称为多采样点区间，其中，m为段内码元个数；对多采样点区间中各直方图子区间的区间中心值依次进行差分，获得差分值序列，得到最大差分值在差分值序列中的序号x，则多采样点区间中第x个区间中心值即为上、下区间的分界点，包括分界点在内的多采样点区间内前半部分直方图子区间所组成的区间范围称为下区间，后半部分直方图子区间组成的区间范围称为上区间；

步骤2.5，分别对上、下区间内所有区间中心值求和取平均；对上、下区间的平均结果再次求平均，所得平均值即为频偏估计结果；

步骤3，从鉴频信号中减去频偏估计结果，即可获得频偏抑制后信号。