CN105680905B - 一种适用于任意调制度的fm、pm信号载波捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，该方法首先对输入的数字基带信号进行降采样滤波，得到降采样后的数字基带信号；然后将该数字基带信号分别与多组设定的本地载波进行混频，实现基带信号的频谱搬移；再对每个频谱搬移支路信号进行FFT变换，计算各谱线的功率并分区搜索谱线峰值，存储搜索结果；完成若干次搜索后再进行频点验证，排除噪声干扰，得到真实信号谱线；最后对得到的真实信号谱线进行对称性判决，确定捕获结果。该方法通过频谱搬移提高频率分辨率，并对整个捕获范围按频率进行分区搜索峰值，通过多次捕获统计找出真实信号，可在低信噪比的环境下实现微弱信号的搜索，适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获。
Description
技术领域
本发明涉及测控系统载波捕获技术领域，特别涉及一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法。
背景技术
整星测试中，通常使用Cortex基带处理机完成对卫星遥测信号和测距信号的接收解调。在实际测试过程，Cortex的稳定性不尽如人意，时常会出现无法正常启动、自校异常开环等问题，且长时间开机后测量数据不准确，需进行关机冷却，很大程度上影响了测试的自动化水平，降低测试效率、影响整星测试进度；另一方面，Cortex造价昂贵，不利于地面设备成本控制。因此，亟需一种“可靠，安全，实用，稳定”的替代方案，以满足跟踪子系统测试要求。
在微波测控系统中，遥测或遥控信号与测距信号叠加后以调相(PM)或调频(FM)的方式对载波进行调制。为恢复原始信号，接收机需要对接收信号进行载波捕获，传统的FFT捕获算法收调相或调频的调制指数影响，调制指数较大时，在接收信号频谱内主载波功率低于副载波功率，此时传统方法通过搜索频谱峰值确定载波频率，会导致载波误捕。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，该方法通过频谱搬移提高频率分辨率，并对整个捕获范围按频率进行分区搜索峰值，通过多次捕获统计找出真实信号，可在低信噪比的环境下实现微弱信号的搜索，适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，包括以下步骤：
(1)、对输入的数字基带数据进行降采样和滤波，得到采样率为FD的数字基带信号；
(2)、将降采样后的数字基带信号输入到M个频谱搬移支路，采用M个本地载波分别对每个支路中的数字基带信号进行混频，得到M路频谱搬移信号；M为整数；
(3)、分别对M路频谱搬移信号进行N点FFT变换，并计算所述FFT变换结果中每个频点的能量，记录MN个频点的能量和频率；N为整数；
(4)、将步骤(3)得到的MN个频点按照频率降序排列，并将排序后的MN个频点均匀划分为Z个频率区，每个频率区内包括L个频点；然后在每个频率区内进行频点能量峰值搜索，保留能量降序排列中的前P个频点，记录所述P个频点的能量和频率值；Z、L和P均为设定的整数；
(5)、重新获取N点数字基带数据，重复步骤(1)～(4)，得到另一组频点能量峰值搜索结果；在进行V次频点能量峰值搜索后，得到V组频点能量峰值搜索结果，其中：在第z个频率区内，第v次搜索得到的第p个频点的频率为F′(v,p,z)，且能量为E′(v,p,z)，v＝1、2、...、V，p＝1、2、...、P，z＝1、2、...、Z；V为设定的整数；
(6)、对Z个频率区内的V次谱线峰值搜索结果进行频点验证，判断各频率区内是否存在信号，如果存在信号则确定信号的频点，作为存在信号的频率区的输出频点；
(7)、经过步骤(6)的频点验证后，如果有Z′个频率区具有输出频点，且第z′个具有输出频点的频率区内具有Sz′个输出频点，则记录所述频率区内Sz′个输出频点的总能量和每个输出频点的频率，以及每个输出频点在频率矩阵Fz中的行号，其中：将第z′个具有输出频点的频率区内的Sz′个输出频点的总能量记为E0(z′)，将所述频率区内的第m个输出频点的频率记为f0(m,z′)，并将所述频点在频率矩阵Fz中的行号记为V0(m,z′)，其中，m＝1、2、...、Sz′，z′＝1、2、...、Z′，Z′和Sz′为正整数；
(8)、采用最小二乘线性回归算法计算每个具有输出频点的频率区的频率估计值，以及多普勒变化率，作为当前时刻确定的Z′个频点的频率和多普勒变化率，并将每个所述频率区的总能量作为各所述频点的能量；其中，第z′个频点的频率为festimate(z′)、多普勒变化率为β(z′)、能量为E0(z′)，z′＝1、2、...、Z′；
(9)、根据频点能量、多普勒变化率对步骤(8)确定的Z′个频点进行筛选，对筛选后的频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率；
(10)、将步骤(9)得到的载波能量与设定的捕获门限进行比较，其中：若载波能量大于或等于捕获门限，则认为捕获成功，输出载波频率作为捕获频率；若载波能量小于捕获门限，否则认为捕获失败，重新进行捕获。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(2)中，第j个频谱搬移支路的本地载波频率设定为j＝0,1,...,M-1，N为设定FFT变换点数。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(3)中，第j个频谱搬移支路的第k个频点的能量E(j,k)＝|X(j,k)|2，X(j,k)为第j个支路中频谱搬移信号FFT变换结果中的第k个值；所述频点对应的频率为F(j,k)：
其中：相邻频点间的频差j＝0,1,...,M-1，k＝0、2、…、N-1。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(6)中，对第z个频率区进行频点验证，z＝1、2、...、Z，具体验证过程如下：
(6a)、将第z个频率区内V次谱线峰值搜索结果形成频率矩阵Fz：
其中，v＝1、2、...、V，p＝1、2、...、P；
(6b)、将频率矩阵Fz第1行的第p个频点F′(1,p,z)与第2行～第V行的频点分别进行比较，在每行中选取0～1个频点，然后将选取的频点归为一组，并将组内各频点的能量求和作为该组的总能量，即：在p＝1、2、...、P时，分别执行如下操作，选取与频点F′(1,p,z)归为一组的频点：
在第2行的P个频点F′(2,1,z)～F′(2,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
在第3行的P个频点F′(3,1,z)～F′(3,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
依次类推，在第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
然后将从第2行～第V行选取的频点和F′(1,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6c)、将频率矩阵Fz第2行的第p个频点F′(2,p,z)与第3行～第V行的频点分别进行比较，在每行中选取0～1个频点，然后将选取的频点归为一组，并将组内各频点的能量求和作为该组的总能量，即：在p＝1、2、...、P时，分别执行如下操作，选取与频点F′(2,p,z)归为一组的频点：
在第3行的P个频点F′(3,1,z)～F′(3,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
在第4行的P个频点F′(4,1,z)～F′(4,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
依次类推，在第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
然后将从第3行～第V行选取的频点和F′(2,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6d)、依次类推，将频率矩阵Fz第V-1行的第p个频点F′(V-1,p,z)与第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)进行比较，查找与F′(V-1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点与F′(V-1,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6e)、在步骤(6b)～(6d)查找到的多组频点中，如果存在Mz组的频点个数大于设定值S，则进行如下判断：
如果Mz＝0，则判断第z个频率区内无信号，其输出频点数为0；
如果Mz≥1，则判断第z个频率区内存在信号，并在Mz组频点中选取总能量最大的一组频点作为第z个频率区的输出频点。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(8)中，第z′个具有输出频点的频率区的频率估计值为festimate(z′)、多普勒变化率为β(z′)，z′＝1、2、...、Z′；festimate(z′)和β(z′)具体计算过程如下：
(8a)、根据如下公式计算第z′个具有输出频点的频率区的多普勒变化率β(z′)：
其中，
(8b)、根据如下公式计算第z′个具有输出频点的频率区的频率估计值festimate(z′)：
其中，
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(9)中，将当前时刻的Z′个频点按能量降序排列，选取所述排列后的前Zth个频点，对所述前Zth个频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(9)中，将当前时刻的Z′个频点按能量降序排列，选取所述排列后的前Zth个频点，然后根据多普勒变化率从所述Zth个频点中剔除噪声，得到ZS个真实信号频点，然后对所述ZS个真实信号频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，根据多普勒变化率从所述Zth个频点中剔除噪声，具体实现过程如下：
(9a)、将选取的Zth个频点按照能量降序排列；
(9b)、将每个频点与后续频点的多普勒变化率作差，根据得到的差值对各频点进行分组，具体实现过程如下：
将第1个频点的多普勒变化率分别与第2～Zth个频点的多普勒变化率作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将进行对比的频点与第1个频点归为一组；
将第2个频点的多普勒变化率分别与第1个和第3～Zth个频点的多普勒变化率作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将进行对比的频点与第2个频点归为一组；
依次类推，将第Zth个频点的多普勒变化率与第1～Zth-1个频点的多普勒变化率作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将进行对比的频点与第Zth个频点归为一组；
(9c)、在步骤(9b)得到的各组频点中，选取频点个数最多的一组频点作为真实信号频谱；如果存在多组频点的频点个数均为最多，则在频点个数最多的多组频点中，保留能量和最大的一组频点，作为剔除噪声后的真实信号频点。
上述的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，在步骤(9)中，对一组频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率，具体判决过程如下：
(a)、将进行对称性判决的频点按能量降序排列，然后将每个频点与之后的各频点进行能量对比，如果两个对比频点之间的能量差小于设定门限值ΔEth，则在所述两个频点之间增加一个频点，其中：新增频点的频率为两个对比频点的频率均值，且新增频点的能量为两个对比频点的能量和；
(b)、步骤(a)在原始频点组中插入新增频点后，频点组中共有Ko个频点，将所述Ko个频点按照能量降序排列；
(c)、将步骤(b)降序排列后的各频点进行频率对比，其中：依次选取每个频点作为基准频点，然后将所述基准频点与后续各频点依次进行频率对比，如果后续频点与基准频点之间的频率差小于设定的频差门限Δfth，则后续频点与基准频点归为一组；
(d)、经过步骤(c)的处理后，得到多个频点分组，选择频点个数最多的一个分组中的基准频点作为对称中心频点，并将所述对称中心频点的能量和频率作为载波能量和载波频率。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明在传统的FFT捕获算法的基础上作了改进，对整个捕获范围按频率进行分区搜索峰值，通过多次捕获统计找出真实信号，可在低信噪比的环境下实现微弱信号的搜索；
(2)、本发明针对FFT的栅栏效应，采用频谱搬移技术，提高频率精度、减少信号能量损失，确保频谱对称性；
(3)、本发明基于验证后得到的真实谱线进行频谱对称判决，适用于任意调制度下的主载波捕获，并可以降低由噪声干扰、杂波干扰以及通道非线性等因素导致的误捕概率。
附图说明
图1a～1h分别为调制频率为20KHz、80KHz、140KHz、200KHz、280KHz、320KHz、380KHz、440KHz时FM调制信号的频谱；
图2a～2h分别为调制相位为0.5rad、0.75rad、1rad、1.25rad、1.5rad、1.75rad、2rad、2.25rad时PM调制信号的频谱；
图3为本发明的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法的原理框图；
图4为本发明将MN个频点依次划分为Z个频率区的示意图；
图5为本发明对信号分量进行频谱对称性判决的处理流程图；
图6为实施例中PM信号载波捕获概率曲线；
图7为实施例中FM信号载波捕获概率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
(一)、本发明原理推导
在微波统一测控系统调制体制中，遥测或遥控信号与测距信号叠加后以调相(PM)或调频(FM)的方式对载波进行调制。该载波调制的调制指数会影响载波的频谱分布，从而影响接收机进行载波捕获的捕获方式和捕获结果。
以下通过理论推导和仿真处理，分析载波调制指数对载波频谱的影响：
遥测或遥控信号与测距信号叠加后以调相(PM)或调频(FM)的方式对载波进行调制，调制后的载波信号表达式如下所示：
其中：A为载波信号幅度；fc为载波频率；fd为载波多普勒；β为多普勒变化率，单位是Hz/s；θ0为载波初始相位；为调制相位，对于调相方式对于调频方式其中：
上式中：m(t)为遥测或遥控信号；分别为遥测或遥控信号调制频偏参数、相偏参数；分别为测距信号组的调制频偏参数、相偏参数；fi为测距信号频率；φi为测距信号初始相位，i＝1,2,...R，R为测距信号个数；
发射信号经过无线或有线信道传播会引入噪声，通常可认为该信道为高斯白噪声信道，则接收机接收到的信号可表示为：
上式中，n(t)为加性高斯白噪声。对于数字接收机而言，需要将接收到的射频模拟信号变为中频模拟信号，再经过AD采样后得到数字中频信号才能进行数字化解调。模拟下变频器产生频率为fc-fIF的本地射频载波与接收到的射频信号进行混频并滤波，去除了载波，保留载波多普勒，得到模拟中频信号RIF(t)：
上式中，fIF为中频载波频率。模拟中频信号RIF(t)还包含载波多普勒信息和调制信号以及限带高斯白噪声信号。经过AD采样量化后，得到数字中频信号RIF(n)：
式中，Ts为采样时间间隔，fI'F为数字采样频谱搬移后的数字中频载波频率。对数字中频信号RIF(n)进行数字下变频和低通滤波，得到数字基带信号的I支路信号I(n)、Q支路信号Q(n)：
对I、Q支路基带信号做离散傅立叶变换，得到调制信号的频谱图。
如图1a～1h所示分别为调制频率为20KHz、80KHz、140KHz、200KHz、280KHz、320KHz、380KHz、440KHz时FM调制信号的频谱，给出了不同调制度下单一测距音对载波的调制频谱图；图2a～2h所示分别为调制相位为0.5rad、0.75rad、1rad、1.25rad、1.5rad、1.75rad、2rad、2.25rad时PM调制信号的频谱。从图中可以看出，当调制指数越大，中心谱线对应的载波信号功率越小，其他谱线对应的测距信号能量越多。当调制指数大到一定值时，主载波功率会低于副载波功率，在这种情况下，无法通过现有的搜索频谱峰值的方法确定载波频率，而必须通过频谱的对称性进行主载波频率判断。
另外由于噪声或栅栏效应的影响，信号的频谱对称性难于得到保证。常规的频谱对称中心法判决往往认为噪声是均匀分布的，事实上不尽然。当噪声较大时，将严重干扰信号频谱对称中心，导致载波误捕。此外，杂波干扰、信道稳定性以及通道非线性都会导致载波误捕概率增大。因此，本发明采用“频率分区验证+频谱对称判决”的载波搜索方法，通过频率分区验证真实频率分量来减少外界干扰的影响，并基于信号谱线对称的特征定位主载波。
(二)、本发明的载波捕获方法
本发明的载波捕获方法的原理框图如图3所示，其处理流程如下：首先对接收到的模拟中频信号进行AD转换、数字下变频和降采样滤波，得到数字基带信号；然后将该数字基带信号分别与多组设定的本地载波进行混频，实现基带信号的频谱搬移；再对每个频谱搬移支路信号进行FFT变换，计算各谱线的功率并分区搜索谱线峰值，存储搜索结果；完成若干次搜索后再进行频点验证，排除噪声干扰，得到真实信号谱线；最后对得到的真实信号谱线进行对称性判决，确定捕获结果。
基于以上的处理流程，本发明的适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法的具体步骤如下：
(1)、降采样滤波
本发明首先对经AD转换和数字下变频后的基带信号，进行降采样和滤波，将该基带信号的采样率降为FD，即降采样时间间隔对应的频率搜索范围为如果忽略噪声，则降采样后的基带信号的同相支路信号I(n)和正交支路信号Q(n)的数学表达式为：
(2)、频谱搬移
为了提高基带信号的频谱分辨率，降低FFT变换时栅栏效应导致的能量损失，本发明将降采样滤波后的数字基带信号分别与多组设定的本地载波进行混频，实现基带信号的频谱搬移，然后再对各频谱搬移支路信号进行FFT变换。
在第j个频谱搬移支路中，实现混频的本地载波频率设定为j＝0,1,...,M-1，M为设定的频谱搬移支路个数，N为设定FFT变换点数，FD为设定的降采样频率。利用该本地载波信号对降采样后的基带信号进行混频，得到频谱搬移后的同相支路信号I'(n)和正交支路信号Q'(n)为：
其中，fd'＝fd-fj，j＝0,1,...,M-1。通过以上公式实现M路频谱搬移，从而使得N点FFT变换后的频率分辨率提高了M倍，即得到的频率分辨率提高为Δf'：
(3)、统计MN个频点的能量和频率
在对各频谱搬移支路进行FFT变换后，分别对每个支路中的N点FFT变换结果进行取模平方运算，得到每个频点的能量。记录MN个频点的能量和相应的频率，其中：第j个频谱搬移支路的第k个频点的能量E(j,k)＝|X(j,k)|2，X(j,k)为第j个支路中频谱搬移信号FFT变换结果中的第k个值；该频点对应的频率为F(j,k)：
其中：相邻频点间的频差j＝0,1,...,M-1，k＝0、2、…、N-1。
式(11)表明，MN个频点覆盖的频率范围为相邻频点间的频率间隔为
(4)、分区搜索谱线峰值
将步骤(3)统计得到的MN个频点按照对应的频率由到依次排列，即MN个频点的频率依次为 并如图4所示，将这MN个频点依次划分为Z个频率区，每个频率区内包括L个频点，Z和L均为设定的整数。
然后在每个频率区内进行频点能量峰值搜索，保留能量较大的P个频点，记录这能量峰值P个频点的能量和频率值，并按照能量由大到小的顺序排列。
(5)、统计V组搜索结果
重新获取N点基带信号数据，重复步骤(1)～(4)，得到另一组谱线峰值搜索结果。进行V次谱线峰值搜索后，得到V组谱线峰值搜索结果，其中，在第z个频率区内，第v次搜索得到的第p个频点的频率为F′(v,p,z)，且能量为E′(v,p,z)，v＝1、2、...、V，p＝1、2、...、P，z＝1、2、...、Z；
(6)、频点验证
分别在Z个频率区对V次谱线峰值搜索结果进行频点验证，判断每个频率区内是否存在信号，如果存在信号则确定信号的频点，作为该频率区内的输出频点，并确定该输出频点的能量。
在第z个频率区内的，对频率矩阵Fz进行频率比较，选取1组输出频点，其中所述频率矩阵在z＝1、2、...、Z时，分别执行步骤(6a)～(6d)，确定第z个频率区的输出频点：
(6a)、将频率矩阵Fz第1行的第p个频点F′(1,p,z)与第2行～第V行的频点分别进行比较，在每行中选取0～1个频点，然后将选取的频点归为一组，并将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；在p＝1、2、...、P时，分别执行如下操作，选取与频点F′(1,p,z)归为一组的频点：
在第2行的P个频点F′(2,1,z)～F′(2,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
在第3行的P个频点F′(3,1,z)～F′(3,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
依次类推，在第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
然后将从第2行～第V行选取的频点和F′(1,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6b)、将频率矩阵Fz第2行的第p个频点F′(2,p,z)与第3行～第V行的频点分别进行比较，在每行中选取0～1个频点，然后将选取的频点归为一组，并将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；在p＝1、2、...、P时，分别执行如下操作，选取与频点F′(2,p,z)归为一组的频点：
在第3行的P个频点F′(3,1,z)～F′(3,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
在第4行的P个频点F′(4,1,z)～F′(4,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
依次类推，在第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
然后将从第3行～第V行选取的频点和F′(2,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6c)、依次类推，将频率矩阵Fz第V-1行的第p个频点F′(V-1,p,z)与第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)进行比较，查找与F′(V-1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点与F′(V-1,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6d)、在步骤(6a)～(6c)中查找到的多组频点中，存在Mz组的频点个数大于设定值S，其中：
如果Mz＝0，则判断第z个频率区内无信号，其输出频点数为0；
如果Mz≥1，则在Mz组的频点中，选取总能量最大的一组频点作为第z个频率区的输出频点。
经过上述判断后，如果共有Z′个频率区具有输出频点，且第z′个具有输出频点的频率区内具有Sz′个输出频点，则记录该频率区内Sz′个输出频点的总能量和每个输出频点的频率，以及每个输出频点在频率矩阵Fz中的行号，其中：将第z′个具有输出频点的频率区内的Sz′个输出频点的总能量记为E0(z′)，将该频率区内的第m个输出频点的频率记为f0(m,z′)，并将该频点在频率矩阵Fz中的行号记为V0(m,z′)，其中，m＝1、2、...、Sz′，z′＝1、2、...、Z′，Z′和Sz′为正整数，1≤V0(m,z′)≤V；
(7)、频率估计
通常情况下发射机与接收机存在一次加速相对运动，从而产生多普勒变化率，而FFT运算得到的频率并非当前时刻的载波多普勒，需要通过不同时刻捕获的频率来估计当前时刻的频率。由于多普勒频率是线性变化的，可以用“最小二乘线性回归”算法估计出当前时刻频率。
其中，第z′个具有输出频点的频率区的频率估计值festimate(z′)和多普勒变化率β(z′)的具体计算过程如下：
(7a)、根据如下公式计算第z′个具有输出频点的频率区的多普勒变化率β(z′)：
其中，
(7b)、根据如下公式计算第z′个具有输出频点的频率区的频率估计值festimate(z′)：
其中，
(8)、信号频谱对称性判决
步骤(7)完成频率估计后，得到当前时刻的Z′个频点的频率、多普勒变化率，以及各频点能量。其中，第z′个频点的频率为festimate(z′)、多普勒变化率为β(z′)、能量为E0(z′)，z′＝1、2、...、Z′。
为了降低计算复杂度，本发明选取能量降序排列中前Zth个频点区进行信号频谱对称性判决，在本实施例中设定Zth＝16。而且在噪声或干扰严重的情况下，选取的Zth个频点中可能存在噪声，则需要通过统计多普勒变化率来剔除噪声。
其中，在选取的Zth个频点中剔除噪声的具体实现步骤如下：
(8a)、将选取的Zth个频点按照能量降序排列；
(8b)、将每个频点与其他频点的多普勒变化率作差，根据得到的差值对各频点进行分组，具体实现过程如下：
将第1个频点的多普勒变化率分别与其余频点的多普勒变化率分别作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将该频点与第1个频点归为一组；
将第2个频点的多普勒变化率分别与其余频点的多普勒变化率分别作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将该频点与第2个频点归为一组；
依次类推，将第Zth个频点的多普勒变化率与其余频点的多普勒变化率分别作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将该频点与第Zth个频点归为一组；
(8c)、在步骤(8b)得到的各组频点中，选取频点个数最多的一组频点作为真实信号频谱；如果存在多组频点的频点个数均为最大，则在频点个数最多的多组频点中，保留能量和最大的一组频点，作为剔除噪声后的真实信号分量。
如果剔除噪声后的信号分量包括ZS个频点，将各频点按能量降序排列，其中：将第s个频点的能量记为E'o(s)、频率记为fo'(s)，s＝1、2、...、ZS，ZS为正整数。然后根据如图5所示的频谱对称性判决流程，对信号分量的ZS个频点进行对称性判决处理，得到载波能量和载波频率，具体判决过程如下：
(a)、在进行对称性判决的一组频点中，将每个频点与之后的各频点进行能量对比，如果两个对比频点之间的能量差小于设定门限值ΔEth，则在所述两个频点之间增加一个频点，其中：新增频点的频率为两个对比频点的频率均值，且新增频点的能量为两个对比频点的能量和；
(b)、步骤(a)在原始频点组中插入新增频点后，频点组中共有Ko个频点，将所述Ko个频点按照能量降序排列；
(c)、将步骤(b)降序排列后的各频点进行频率对比，其中：依次选取每个频点作为基准频点，然后将所述基准频点与后续各频点依次进行频率对比，如果后续频点与基准频点之间的频率差小于设定的频差门限Δfth，则后续频点与基准频点归为一组；
(d)、经过步骤(c)的处理后，得到多个频点分组，选择频点个数最多的一个分组中的基准频点作为对称中心频点，并将所述对称中心频点的能量和频率作为载波能量和载波频率。
(9)、捕获判决
步骤(8)完成对称判决后，将得到的载波能量与设定的捕获门限进行比较，其中：其中：若载波能量大于或等于捕获门限，则认为捕获成功，输出载波频率作为捕获频率；若载波能量小于捕获门限，否则认为捕获失败，重新进行捕获。
实施例：
为了验证本发明的载波捕获方法的性能，本实施例通过Matlab软件平台对在不同调制度下的FM和PM信号的捕获概率进行了仿真分析。其中，设定降采样率FD＝2MHz，FFT点数N＝65536，捕获验证次数V＝8，频谱搬移组数M＝3，频率分区数Z＝768，每个频率区包含频点数每个区保留峰值个数P＝4，则每个区频率跨度为：
可见，每个分区频率范围较小，而副载波频率较大，各个副载波和主载波均会落在不同的频率区内。分区搜索峰值后能够保留主要频谱的完整对称性。在不考虑处理时延的前提下，总得捕获时间为：
为简化分析，仿真中仅使用单一测距音对载波进行调制，测距音频率为100kHz。图6、图7给出了不同调制度下捕获概率与载噪比的曲线图。仿真结果表明本文所提的捕获方法具有良好的性能。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、对输入的数字基带数据进行降采样和滤波，得到采样率为FD的数字基带信号；
(2)、将降采样后的数字基带信号输入到M个频谱搬移支路，采用M个本地载波分别对每个支路中的数字基带信号进行混频，得到M路频谱搬移信号；M为整数；
(3)、分别对M路频谱搬移信号进行N点FFT变换，并计算所述FFT变换结果中每个频点的能量，记录MN个频点的能量和频率；N为整数；
(4)、将步骤(3)得到的MN个频点按照频率降序排列，并将排序后的MN个频点均匀划分为Z个频率区，每个频率区内包括L个频点；然后在每个频率区内进行频点能量峰值搜索，保留能量降序排列中的前P个频点，记录所述P个频点的能量和频率值；Z、L和P均为设定的整数；
(5)、重新获取N点数字基带数据，重复步骤(1)～(4)，得到另一组频点能量峰值搜索结果；在进行V次频点能量峰值搜索后，得到V组频点能量峰值搜索结果，其中：在第z个频率区内，第v次搜索得到的第p个频点的频率为F′(v,p,z)，且能量为E′(v,p,z)，v＝1、2、...、V，p＝1、2、...、P，z＝1、2、...、Z；V为设定的整数；
(6)、对Z个频率区内的V次谱线峰值搜索结果进行频点验证，判断各频率区内是否存在信号，如果存在信号则确定信号的频点，作为存在信号的频率区的输出频点；
(7)、经过步骤(6)的频点验证后，如果有Z′个频率区具有输出频点，且第z′个具有输出频点的频率区内具有Sz′个输出频点，则记录所述频率区内Sz′个输出频点的总能量和每个输出频点的频率，以及每个输出频点在频率矩阵Fz中的行号，其中：将第z′个具有输出频点的频率区内的Sz′个输出频点的总能量记为E0(z′)，将所述频率区内的第m个输出频点的频率记为f0(m,z′)，并将所述频点在频率矩阵Fz中的行号记为V0(m,z′)，其中，m＝1、2、...、Sz′，z′＝1、2、...、Z′，Z′和Sz′为正整数；
(8)、采用最小二乘线性回归算法计算每个具有输出频点的频率区的频率估计值，以及多普勒变化率，作为当前时刻确定的Z′个频点的频率和多普勒变化率，并将每个所述频率区的总能量作为各所述频点的能量；其中，第z′个频点的频率为festimate(z′)、多普勒变化率为β(z′)、能量为E0(z′)，z′＝1、2、...、Z′；
(9)、根据频点能量、多普勒变化率对步骤(8)确定的Z′个频点进行筛选，对筛选后的频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率；
(10)、将步骤(9)得到的载波能量与设定的捕获门限进行比较，其中：若载波能量大于或等于捕获门限，则认为捕获成功，输出载波频率作为捕获频率；若载波能量小于捕获门限，否则认为捕获失败，重新进行捕获。
2.根据权利要求1所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(2)中，第j个频谱搬移支路的本地载波频率设定为j＝0,1,...,M-1，N为设定FFT变换点数，FD为设定的降采样频率。
3.根据权利要求2所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(3)中，第j个频谱搬移支路的第k个频点的能量E(j,k)＝|X(j,k)|2，X(j,k)为第j个支路中频谱搬移信号FFT变换结果中的第k个值；所述频点对应的频率为F(j,k)：
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其中：相邻频点间的频差j＝0,1,...,M-1，k＝0、2、…、N-1。
4.根据权利要求1所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(6)中，对第z个频率区进行频点验证，z＝1、2、...、Z，具体验证过程如下：
(6a)、将第z个频率区内V次谱线峰值搜索结果形成频率矩阵Fz：
其中，v＝1、2、...、V，p＝1、2、...、P；
(6b)、将频率矩阵Fz第1行的第p个频点F′(1,p,z)与第2行～第V行的频点分别进行比较，在每行中选取0～1个频点，然后将选取的频点归为一组，并将组内各频点的能量求和作为该组的总能量，即：在p＝1、2、...、P时，分别执行如下操作，选取与频点F′(1,p,z)归为一组的频点：
在第2行的P个频点F′(2,1,z)～F′(2,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
在第3行的P个频点F′(3,1,z)～F′(3,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
依次类推，在第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)中，查找与F′(1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
然后将从第2行～第V行选取的频点和F′(1,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6c)、将频率矩阵Fz第2行的第p个频点F′(2,p,z)与第3行～第V行的频点分别进行比较，在每行中选取0～1个频点，然后将选取的频点归为一组，并将组内各频点的能量求和作为该组的总能量，即：在p＝1、2、...、P时，分别执行如下操作，选取与频点F′(2,p,z)归为一组的频点：
在第3行的P个频点F′(3,1,z)～F′(3,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
在第4行的P个频点F′(4,1,z)～F′(4,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
依次类推，在第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)中，查找与F′(2,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点；
然后将从第3行～第V行选取的频点和F′(2,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6d)、依次类推，将频率矩阵Fz第V-1行的第p个频点F′(V-1,p,z)与第V行的P个频点F′(V,1,z)～F′(V,P,z)进行比较，查找与F′(V-1,p,z)的频差小于设定门限Δfth的频点，在所述查找的频点中选取能量最大的1个频点与F′(V-1,p,z)归为一组，将组内各频点的能量求和作为该组的总能量；
(6e)、在步骤(6b)～(6d)查找到的多组频点中，如果存在Mz组的频点个数大于设定值S，则进行如下判断：
如果Mz＝0，则判断第z个频率区内无信号，其输出频点数为0；
如果Mz≥1，则判断第z个频率区内存在信号，并在Mz组频点中选取总能量最大的一组频点作为第z个频率区的输出频点。
5.根据权利要求1所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(8)中，第z′个具有输出频点的频率区的频率估计值为festimate(z′)、多普勒变化率为β(z′)，z′＝1、2、...、Z′；festimate(z′)和β(z′)具体计算过程如下：
(8a)、根据如下公式计算第z′个具有输出频点的频率区的多普勒变化率β(z′)：
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其中，
(8b)、根据如下公式计算第z′个具有输出频点的频率区的频率估计值festimate(z′)：
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</mrow>
其中，Δf'为频率分辨率，
6.根据权利要求1所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(9)中，将当前时刻的Z′个频点按能量降序排列，选取所述排列后的前Zth个频点，对所述前Zth个频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率。
7.根据权利要求1所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(9)中，将当前时刻的Z′个频点按能量降序排列，选取所述排列后的前Zth个频点，然后根据多普勒变化率从所述Zth个频点中剔除噪声，得到ZS个真实信号频点，然后对所述ZS个真实信号频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率。
8.根据权利要求7所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：根据多普勒变化率从所述Zth个频点中剔除噪声，具体实现过程如下：
(9a)、将选取的Zth个频点按照能量降序排列；
(9b)、将每个频点与后续频点的多普勒变化率作差，根据得到的差值对各频点进行分组，具体实现过程如下：
将第1个频点的多普勒变化率分别与第2～Zth个频点的多普勒变化率作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将进行对比的频点与第1个频点归为一组；
将第2个频点的多普勒变化率分别与第1个和第3～Zth个频点的多普勒变化率作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将进行对比的频点与第2个频点归为一组；
依次类推，将第Zth个频点的多普勒变化率与第1～Zth-1个频点的多普勒变化率作差，如果得到的差值小于设定的门限值βth，则将进行对比的频点与第Zth个频点归为一组；
(9c)、在步骤(9b)得到的各组频点中，选取频点个数最多的一组频点作为真实信号频谱；如果存在多组频点的频点个数均为最多，则在频点个数最多的多组频点中，保留能量和最大的一组频点，作为剔除噪声后的真实信号频点。
9.根据权利要求1～8之一所述的一种适用于任意调制度的FM、PM信号载波捕获方法，其特征在于：在步骤(9)中，对一组频点进行对称性判决，得到载波能量和载波频率，具体判决过程如下：
(a)、将进行对称性判决的频点按能量降序排列，然后将每个频点与之后的各频点进行能量对比，如果两个对比频点之间的能量差小于设定门限值ΔEth，则在所述两个频点之间增加一个频点，其中：新增频点的频率为两个对比频点的频率均值，且新增频点的能量为两个对比频点的能量和；
(b)、步骤(a)在原始频点组中插入新增频点后，频点组中共有Ko个频点，将所述Ko个频点按照能量降序排列；
(c)、将步骤(b)降序排列后的各频点进行频率对比，其中：依次选取每个频点作为基准频点，然后将所述基准频点与后续各频点依次进行频率对比，如果后续频点与基准频点之间的频率差小于设定的频差门限Δfth，则后续频点与基准频点归为一组；
(d)、经过步骤(c)的处理后，得到多个频点分组，选择频点个数最多的一个分组中的基准频点作为对称中心频点，并将所述对称中心频点的能量和频率作为载波能量和载波频率。
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