CN105388500A - Cpfsk信号载波跟踪精度的提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，通过下述技术方案予以实现：重采样单元对CPFSK信号进行降速率处理；鉴频支路、MSD判决反馈支路以及MSD+TPC判决反馈支路同时对降速率后的CPFSK信号进行多普勒信息提取；多普勒分析器对三个支路提取的多普勒信息进行分析，得到多普勒的精确估计值；环路滤波器对多普勒估计值进行滤波后送入载波NCO，载波NCO根据载波频率和多普勒估计值产生本地载波；下变频器利用本地载波，对中频信号进行数字下变频，实现环路对载波的精确跟踪。本发明利用三个支路同时进行多普勒信息提取，根据不同应用场景选择合适的多普勒分析算法，能够在低信噪比下对多普勒精确估计，提高CPFSK信号的载波跟踪精度。

Description

CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域的载波跟踪技术，尤其涉及一种宽带数字接收机中，提高连续相位频移键控(ContinuousPhraseFrequencyShiftKey,CPFSK)信号载波跟踪精度的方法。

背景技术

连续相位频移键控CPFSK属于连续相位调制(CPM)的特例，具有频带利用率高、带外衰减快、包络恒定等特点，在现代通信中得到了非常广泛的应用。传统的CPM信号通常采用差分鉴频的方式进行解调，虽然这种方式结构简单，且对因多径衰落造成的幅度和相位方面的失真有较强的抗干扰能力。但该方式存在较大的“门限效应”，解调性能较差。

随着CPFSK调制数据传输速率和作用距离的不断提高，为了提升解调性能，WilliamP.Osbome等针对CPFSK信号的解调提出了MSD技术。当接收到一个符号时，并不立即进行判决，而是在多个符号长度内将接收到的信号波形与本地存储的波形进行相关运算，以此来判决符号。美国在靶场先进遥测计划中将MSD技术和Turbo乘积码(TPC)技术相结合，增强遥测系统的性能。理论上，采用这两项技术的遥测系统在误码率为10^-7的条件下，相比原系统可以获得近9dB的信道增益。在采用MSD技术对CPFSK信号进行解调的系统中，当归一化的频偏达到5％时，性能将损失约3.6dB；当归一化的频偏达到7％时，性能将损失约7.5dB。由此可见，在进行解调处理之前，对载波进行精确跟踪是非常有必要的。

现有方法常常采用由鉴频器、环路滤波器和载波NCO等模块组成的锁频环来进行载波频率跟踪。锁频环结构简单，复杂度低，可以实现频率的实时估计。但是，该方法用于对CPFSK信号进行载波跟踪时，对数据源的’1’，’0’等概特性有严格要求；并且在低信噪比下跟踪误差较大。王西夺等人提出了一种把译码与跟踪结合起来进行载波跟踪的方法。该方法采用MSD与TPC组合，能够在低信噪比下获得多普勒的精确估计。但是，由于MSD+TPC组合延时较大，该方法不能对多普勒进行实时估计，环路稳定性差，跟踪精度不能满足MSD解调要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有的CPFSK信号载波跟踪方法存在的不足之处，提供一种提高CPFSK信号载波跟踪精度的方法，保证载波跟踪环路的稳定性及低信噪比下的跟踪精度。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，其结构包括：下变频器1、重采样单元2、鉴频支路3、MSD判决反馈支路4、MSD+TPC判决反馈支路5、多普勒分析器6、环路滤波器7和载波NCO8，其特征在于：数字中频信号经过下变频器1处理后送入重采样单元2，重采样单元2对接收的CPFSK信号进行任意比降采样，把采样速率降低为符号速率的整数倍；鉴频支路3利用鉴频器对降采样后的CPFSK信号进行频率检测，得到包含多普勒频移的CPFSK信号频率值；MSD判决反馈支路4先后利用MSD单元和CPFSK调制单元，对降采样后的CPFSK信号进行判决和再调制，再利用去调制单元以再调制信号的共轭信号与经过延时后的CPFSK信号相乘，得到仅反映多普勒频移的单频信号；MSD+TPC判决反馈支路5先后利用MSD单元、TPC译码单元、TPC编码单元和CPFSK调制单元对降采样后的CPFSK信号进行判决、译码、再编码和再调制，再利用去调制单元以再调制信号的共轭信号与经过延时后的CPFSK信号相乘，得到仅反映多普勒频移的单频信号；多普勒分析器6对上述三个支路提取的多普勒信息进行分析，得到多普勒估计值；环路滤波器7对多普勒估计值进行滤波；载波NCO8根据滤波后的多普勒估计值，调整本地载波的频率和相位；下变频器1利用载波NCO8产生的本地载波对中频接收信号进行数字下变频，实现环路对载波的精确跟踪。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

本发明利用鉴频支路、MSD判决反馈支路以及MSD+TPC判决反馈支路同时对信号中存在的多普勒频移进行检测，对数据源的’1’，’0’等概特性没有依赖性，能够对动态多普勒进行实时估计，并且可针对不同应用场景，最大限度减小多普勒的估计误差，在低信噪比下保证载波精确跟踪。

附图说明

图1是本发明CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法原理示意图。

图2是图1中的重采样单元的原理示意图。

图3是图1中的鉴频支路的原理示意图。

图4是图1中的MSD判决反馈支路的原理示意图。

图5是图1中的MSD+TPC判决反馈支路的原理示意图。

图6是图1中的多普勒分析器的原理示意图。

图中：1下变频器、2重采样单元、3鉴频支路、4MSD判决反馈支路、5MSD+TPC判决反馈支路、6多普勒分析器、7环路滤波器、8载波NCO。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

参阅图1。采用CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法的CPFSK信号接收机系统包括：下变频器1、重采样单元2、鉴频支路3、MSD判决反馈支路4、MSD+TPC判决反馈支路5、多普勒分析器6、环路滤波器7和载波NCO8等。其中，数字中频信号经过下变频器1处理后送入重采样单元2，重采样单元2对接收的CPFSK信号进行任意比降采样，把采样速率降低为符号速率的整数倍；鉴频支路3、MSD判决反馈支路4和MSD+TPC判决反馈支路5同时对降采样后的CPFSK信号进行多普勒信息提取；多普勒分析器6对上述三个支路提取的多普勒信息进行分析，得到多普勒估计值；环路滤波器7对多普勒估计值进行滤波；载波NCO8根据滤波后的多普勒估计值，调整本地载波的频率和相位；下变频器1利用载波NCO8产生的本地载波对中频接收信号进行数字下变频，实现环路对载波的精确跟踪。

根据本发明，CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，具体步骤包括：

1.任意比降采样：参阅图2，重采样单元以CPFSK信号作为输入，首先利用累加器对输入进行累加，然后在使能信号有效时对累加结果进行采样得到输出信号，同时对累加器清零，接着循环这个过程，完成对输入信号的任意比降采样操作。重采样单元把CPFSK信号的采样速率降低为符号速率的D倍，此时的符号a_k对应CPFSK信号s(n)表示为：

式中，θ₀表示调制信号的初始相位，h表示调制指数，f_d表示多普勒频移，R_s表示符号速率。

2.多普勒信息提取：鉴频支路、MSD判决反馈支路以及MSD+TPC判决反馈支路同时对经过降采样处理后的CPFSK信号进行多普勒信息提取，三个支路对多普勒的估计值分别用f_d1，f_d2和f_d3表示。

参阅图3，鉴频支路包括顺次串联的低通滤波器、下采样器和鉴频器，其中，鉴频器对CPFSK信号进行频率检测，获得频率值f_dis，由CPFSK信号本身的频率和信号中存在的多普勒频移两部分组成。不同符号对应的频率值f_dis取值不同，频率值f_dis表示为：

式中的a_k表示频率值f_dis对应的符号。

参阅图4。MSD判决反馈支路利用MSD单元对CPFSK信号s(n)进行判决，得到符号a_k，再通过CPFSK调制单元对判决结果进行再调制，输出调制信号s′(n)：

式中，θ₁为再调制信号的初始相位；去调制单元以再调制信号s′(n)的共轭信号作为反馈信号s_re(n)：

接着对CPFSK信号做延时操作，使一个符号a_k对应的延迟信号与该符号a_k对应的反馈信号对齐，即s(n)与s_re(n)对齐；然后两信号相乘，得到单频信号sc_d2(n)，其频率等于接收信号中存在的多普勒频移值：

参阅图5，MSD+TPC判决反馈支路利用MSD单元和TPC译码单元对CPFSK信号进行解调和译码，再利用TPC编码单元和CPFSK调制单元对译码结果进行再编码和再调制。去调制单元以再调制信号的共轭信号作为反馈信号，与经过延迟后的CPFSK信号相乘，得到单频信号sc_d3(n)，单频信号sc_d3(n)的频率等于接收信号中存在的多普勒频移值：

3.多普勒分析：参阅图6，多普勒分析器对鉴频支路、MSD判决反馈支路和MSD+TPC判决反馈支路提取的多普勒信息进行分析，首先，利用单频信号sc_d2(n)和单频信号sc_d3(n)得到多普勒频率估计值f_d2和f_d3；然后，利用f_d2的值辅助多普勒分析器对鉴频支路输出频率值f_dis进行分析，消除CPFSK信号频率的干扰，得到多普勒估计值f_d1；接着，利用预测滤波器对MSD+TPC判决反馈支路的多普勒估计值f_d3进行滤波，利用当前时刻之前的多普勒变化趋势对当前时刻的多普勒频移进行有效预测，得到多普勒预测值f′_d3；最后，根据当前信号所处的应用场景，选择合适的多普勒分析算法对多普勒估计值f_d1，f_d2和多普勒预测值f′_d3进行处理，输出当前接收的CPFSK信号中存在的多普勒的精确估计值其中，对单频信号进行多普勒估计可以选择L&R算法、Fitz算法、改进的FFT算法、叉积鉴频算法或者其它对单频信号进行频率检测的方法；预测滤波器可以选择卡尔曼滤波器来实现；多普勒分析算法可以采用比例分析法，分析得到的多普勒估计值表示为：

式中，α,β,γ为可设置的比例因子，取值范围为[0,1]，且α+β+γ＝1。该算法复杂度低，可以根据实际场景选择比例因子。当多普勒变化较快时，α≥β≥γ；当对跟踪精度要求较高时，α≤β≤γ。

4.基于载波跟踪环结构完成载波跟踪：环路滤波器对多普勒估计值进行滤波，滤波结果送入载波NCO；载波NCO根据多普勒估计值调整本地载波的频率和相位；下变频器利用本地载波对接收信号进行数字下变频，实现环路对载波的精确跟踪。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，其特征在于包括如下步骤：

任意比降采样：采用重采样单元对任意速率CPFSK信号进行任意比降采样，把CPFSK信号的采样速率降低为符号速率的整数倍；

多普勒信息提取：通过鉴频支路、MSD判决反馈支路以及MSD+TPC判决反馈支路对经过降采样处理后的CPFSK信号进行多普勒信息提取；

多普勒分析：采用多普勒分析器对上述三个支路提取的多普勒信息进行分析，首先，分别利用MSD判决反馈支路和MSD+TPC判决反馈支路的多普勒信息得到多普勒估计值；然后，利用MSD判决反馈支路对应的多普勒估计值辅助鉴频支路去除CPFSK信号本身频率的干扰，得到鉴频支路对应的多普勒估计值；接着，利用预测滤波器对MSD+TPC判决反馈支路的多普勒估计值进行滤波；最后，根据当前信号所处的应用场景，选择合适的多普勒分析算法对鉴频支路、MSD判决反馈支路的多普勒估计值以及MSD+TPC判决反馈支路的滤波输出结果进行处理，得到当前时刻存在的多普勒的精确估计值；

基于载波跟踪环结构完成载波跟踪：通过环路滤波器对多普勒估计值进行滤波，滤波结果送入载波数字控制振荡器NCO；载波NCO根据多普勒估计值，调整本地载波的频率和相位；下变频器利用本地载波对接收信号进行数字下变频，实现环路对载波的精确跟踪。

2.如权利要求1所述的CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，其特征在于：在鉴频支路中，利用鉴频器对CPFSK信号进行频率检测，得到包含多普勒频移的CPFSK信号频率值f_dis。

3.如权利要求1所述的CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，其特征在于：在MSD判决反馈支路中，利用MSD单元对CPFSK信号进行判决，再通过CPFSK调制单元对判决结果进行再调制；去调制单元以再调制信号的共轭信号作为反馈信号，与经过延时后的CPFSK信号相乘，得到仅反映多普勒频移的单频信号sc_d2(n)。

4.如权利要求1所述的CPFSK信号载波跟踪精度的提高方法，其特征在于：在MSD+TPC判决反馈支路中，先后利用MSD单元和TPC译码单元对CPFSK信号进行解调和译码，再利用TPC编码单元和CPFSK调制单元对译码结果进行再编码和再调制；去调制单元以再调制信号的共轭信号作为反馈信号，与经过延时后的CPFSK信号相乘，得到仅反映多普勒频移的单频信号sc_d3(n)。

5.一种采用权利要求1所述方法的CPFSK信号载波跟踪系统，包括：下变频器(1)、重采样单元(2)、鉴频支路(3)、MSD判决反馈支路(4)、MSD+TPC判决反馈支路(5)、多普勒分析器(6)、环路滤波器(7)和载波NCO(8)，其特征在于：数字中频信号通过下变频器(1)输入重采样单元(2)，重采样单元(2)对接收的CPFSK信号进行任意比降采样，把采样速率降低为符号速率的整数倍，鉴频支路(3)、MSD判决反馈支路(4)和MSD+TPC判决反馈支路(5)同时对降采样后的信号进行多普勒信息提取；通过多普勒分析器(6)对上述三个支路提取的多普勒信息进行分析，得到多普勒估计值；经环路滤波器(7)对多普勒估计值进行滤波，滤波结果送入载波数字控制振荡器NCO(8)；载波NCO(8)根据滤波后的多普勒估计值，调整本地载波的频率和相位；下变频器(1)利用载波NCO(8)产生的本地载波对中频接收信号进行数字下变频。

6.如权利要求5所述的CPFSK信号载波跟踪系统，其特征在于：多普勒分析器对鉴频支路、MSD判决反馈支路和MSD+TPC判决反馈支路提取的多普勒信息进行分析，首先，利用单频信号sc_d2(n)和sc_d3(n)得到多普勒频率估计值f_d2和f_d3；然后，利用f_d2的值辅助多普勒分析器对鉴频支路输出频率值f_dis进行分析，消除CPFSK信号频率的干扰，得到多普勒估计值f_d1；接着，利用预测滤波器对MSD+TPC判决反馈支路的多普勒估计值f_d3进行滤波，利用当前时刻之前的多普勒变化趋势对当前时刻的多普勒频移进行有效预测，得到多普勒预测值f′_d3；最后，根据当前信号所处的应用场景，选择合适的多普勒分析算法对多普勒估计值f_d1，f_d2和多普勒预测值f′_d3进行处理，输出当前接收的CPFSK信号中存在的多普勒的精确估计值

7.如权利要求5所述的CPFSK信号载波跟踪系统，其特征在于：重采样单元以CPFSK信号作为输入，首先利用累加器对输入进行累加，然后在使能信号有效时对累加结果进行采样得到输出信号，同时对累加器清零，接着循环这个过程，完成对输入信号的任意比降采样操作。

8.如权利要求5所述的CPFSK信号载波跟踪系统，其特征在于：MSD判决反馈支路由MSD单元、CPFSK调制单元、延时模块和去调制单元组成，其中，MSD单元对CPFSK信号s(n)进行判决，得到符号a_k，再通过CPFSK调制单元对判决结果进行再调制，输出调制信号s′(n)：

$s^{\′}\left(n\right)=\exp ({\mathrm{j\θ}}_1+a_{k}j\mathrm{\π}h\frac{n}{D}),n=1,2,...,D$

式中，θ₁为再调制信号的初始相位；去调制单元以再调制信号s′(n)的共轭信号作为反馈信号s_re(n)：

$s_{re}\left(n\right)=\exp (-{\mathrm{j\θ}}_1-a_{k}j\mathrm{\π}h\frac{n}{D}),n=1,2,...,D$

接着对CPFSK信号做延时操作，使一个符号a_k对应的延迟信号与该符号a_k对应的反馈信号对齐，即s(n)与s_re(n)对齐；然后两信号相乘，得到单频信号sc_d2(n)，其频率等于接收信号中存在的多普勒频移值：

${\mathrm{sc}}_{d2}\left(n\right)=\exp \left(j\right({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)+2{\mathrm{j\πf}}_{d2}\frac{n}{{\mathrm{DR}}_s}),n=1,2,...,D.$

9.如权利要求5所述的CPFSK信号载波跟踪系统，其特征在于：多普勒分析器对单频信号进行多普勒估计选择L&R算法、Fitz算法、改进的FFT算法、叉积鉴频算法或者其它对单频信号进行频率检测的方法；预测滤波器选择卡尔曼滤波器来实现。

10.如权利要求6所述的CPFSK信号载波跟踪系统，其特征在于：多普勒分析算法采用比例分析法，分析得到的多普勒估计值表示为：

${\tilde{f}}_d={\mathrm{\αf}}_{d1}+{\mathrm{\βf}}_{d2}+{\mathrm{\γf}}_{d3}^{\′},$

式中，α,β,γ为可设置的比例因子，取值范围为[0,1]，且α+β+γ＝1。该算法复杂度低，可以根据实际场景选择比例因子。当多普勒变化较快时，α≥β≥γ；当对跟踪精度要求较高时，α≤β≤γ。