CN106302296A - 高动态窄带信号频率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了高动态窄带信号频率跟踪方法，包括复数匹配滤波、位定时同步、帧同步、初始频偏；对获得的频偏进行累加，当累加频偏大于预设的频偏值时，调整复数匹配滤波器的中心频点；处理后的滤波器的中心频率到达预设值，进行频率跟踪和补偿后的信号进入锁相环模块进行精确环路锁定。该方法提高了接收机高动态窄带信号的解调性能，加快了跟踪速度和精度。

Description

高动态窄带信号频率跟踪方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种频率跟踪方法，尤其涉及一种高动态窄带信号频率跟踪方法。

背景技术

在卫星通信系统中，接收机需要对接收的卫星信号进行解调以获取有用的传输信息。当卫星通信终端的运动速度很慢或为零时，多普勒效应产生的频移和变化率较小，对接收机的性能影响不大，采用传统的频偏估计算法就可以解决；但在高动态的应用背景下，多普勒频移和多普勒变化率大，尤其对于窄带信号，影响更大，甚至导致整个系统的接收性能恶化。这时就需要跟踪速度快且精度也能满足要求的频率跟踪方法。

FFT算法是一种离散傅氏变换(DFT)的高效算法，称为快速傅立叶变换(FastFourier Transform)，它根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，因为它的高效和简化运算被广泛用于数字系统中。Gardner算法是一种非面向判决的定时误差检测算法，独立于载波相位估计，只需要每个符号两个采样点即可实现误差检测。Gardner算法有两个特点：1)每个符号两个采样点，且以码元速率输出误差信号；2)估计算法是独立于载波相位的，即可以在载波相位同步之前，进行定时误差估计。

传统捕获跟踪方法多采用锁相环，但是锁相环的跟踪范围小，很难满足高动态的应用环境。采用锁频环时，跟踪范围大，但是精度不高，采用锁频环结合锁相环的方式可以解决部分问题，但是针对窄带信号，在频偏加速度很大，甚至存在频偏加加速度的时候，还是不能满足系统的频率跟踪要求。

中国专利CN 103197334公开了一种高动态低信噪比下导航信号的跟踪系统及方法。所述系统包括：两个多普勒剥离模块、两个解扩模块、两个积分清除模块、两个频率鉴别模块、两个锁频环滤波模块、两个锁频环数控振荡器NCO模块、两个相位鉴别模块、两个相位旋转模块、两个锁相环数控振荡器NCO模块、一个相位估计值求和模块、一个相位估计值求差模块、一个和路滤波器、一个差路滤波器、一个滤波结果求和模块、一个滤波结果求差模块、两上锁频环相位累加模块、两个锁相环相位累加模块、两个频率再生模块。该方法虽然能实现快速跟踪，但结构复杂，对硬件资源消耗大。

发明内容

本发明在于提供了一种高动态窄带信号频率跟踪方法，以克服现有技术的在高动态下对窄带信号定位慢、精度不高，跟踪不准的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种高动态窄带信号频率跟踪方法，包括以下步骤：

1)将接收到的数字基带信号进行复数匹配滤波；所述用于匹配滤波的滤波器的中心频点根据判定条件可调，初始时不调整；

2)经过步骤1)滤波后的信号进行定时同步和帧同步；

3)利用步骤2)的独特码信息进行初始频偏估计，然后将频偏值补偿到捕获的信号上；所述频偏估计采用FFT频偏估计算法，；

4)经过步骤3)处理后的信号进行锁频环路跟踪，即所述信号先与已知独特码共轭相乘去掉调制信息，再对信号进行分段；所述分段后的信号分别经过鉴频器，然后对获得频率值取平均,接着进入二阶环路滤波器得到频率误差，将当前获得的频率误差和上一次步骤4)获得的频偏取平均值后再传送给NCO进行频率偏差补偿，每次进一个符号都重复此步骤，并记录每次计算获得的频率偏差；

5)对步骤3)或步骤4)获得的频偏进行累加，当累加频偏大于预设的频偏值时，调整复数匹配滤波器的中心频点；

6)经过步骤5)处理后的信号的中心频率若到达预设值，所述信号进入锁相环模块进行精确环路锁定。

优选的，所述步骤1)中调整滤波器的中心频点的判定条件为：对获得的频率偏差进行累加，当所述频偏累加值大于预设的频偏值时进行调整；否则，不进行调整。

优选的，所述步骤1)中采用的复数匹配滤波器为平方根升余弦滚降成型滤波器，其中滚降系数为0.35，阶数为49。

优选的，所述步骤2)的具体步骤采用Gardner环的方式计算出每个符号的最佳采样值，所述最佳采样值的每个符号用8个样点表示，然后对信号进行8倍抽取，获取在最佳采样点位置的一帧数据。

优选的，所述步骤2)还包括利用每帧信号中间插入的长度L＝128的独特码进行帧同步。

优选的，所述步骤3)只在初始时执行一次。

优选的，所述步骤4)的分段方法为将所述独特码分段，每段包含N个数据，取N个数据的M种不同组合的数据进行M次鉴频，对得到的M组频率值取平均，其中N≤32，M≤N。

进一步的，其特征在于，所述N＝2M。

优选的，所述步骤1)或5)的滤波器的中心频点调整方法为：

当频偏累加值超过的最大频偏值Fh，则使用当前的频偏累加值与上一次的滤波器进行混频，使其中心频率移动到所需位置；当频偏累加值不超过Fh，则仍使用上一次混频后的滤波器系数。

本发明还提供了一种锁频环模块，按照信号处理顺序依次包括乘法器、分段模块、数字振荡器(NCO)、鉴频器、取平均模块、二阶环路滤波器；

所述分段模块对经过乘法器后的信号进行分段处理；

所述取平均模块对经过鉴频器的信号获取的频率值进行平均处理；

所述数字振荡器(NCO)对前级二阶环路滤波的信号的频率偏差进行补偿。

本发明的有益效果是：

(1)当频偏较大时的窄带基带信号进入前级的匹配滤波器时会滤除较多有效信号，导致信号较差甚至变形，影响解调性能的问题。根据估计的频偏累加值来判定是否调整匹配滤波器的中心频点可以有效解决这一问题。

(2)在锁频环之前增加FFT频偏估计模块，可以降低进入锁频环模块的信号的残留频偏。

(3)当频偏加速度较大时，使用较长的独特码进行频率跟踪，跟踪速度不够快；对捕获后提取出的独特码进行分段处理，可以加快跟踪速度，锁频之后再取平均，可以提高跟踪精度。

附图说明

图1为本发明的频率跟踪方法的流程图；

图2为本发明的改进锁频环的实现框图；

图3为本发明的复数滤波器中心频点调整的实现框图；

图4为本发明的频偏跟踪仿真曲线图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明所提出的技术方案，下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步阐述。

一种高动态窄带信号频率跟踪方法,，如图1至图3所示，该方法由以下步骤实现：

1)将接收到的数字基带信号进行复数匹配滤波；所述用于匹配滤波的滤波器的中心频点根据判定条件可调，初始时不调整；

2)经过步骤1)滤波后的信号进行定时同步和帧同步；

3)利用步骤2)的独特码信息进行初始频偏估计，所述频偏估计采用FFT频偏估计算法，将频偏值补偿到捕获的信号上；

4)经过步骤3)处理后的信号进行锁频环路跟踪，即所述信号先与步骤2)中的已知独特码共轭相乘去掉调制信息，再对信号进行分段；所述分段后的信号分别经过鉴频器，然后对获得频率值取平均，接着进入二阶环路滤波器得到频率误差，所述频率误差放入缓存，然后对当前获得的频偏误差和上一次步骤4)所获得的频率误差取平均后再送给NCO进行频率偏差补偿，每次进一个符号都重复此步骤，并记录每次计算获得的频率偏差；

5)对步骤3)或4)获得的频偏进行累加，当累加频偏大于预设的频偏值时，调整复数匹配滤波器的中心频点；

6)经过步骤5)处理后的信号的中心频率若到达预设值时，所述信号进入锁相环模块进行精确环路锁定。

下面以卫星通信船载终端为例，对本发明提出的技术方案做进一步阐述。

(1)卫星信号经过卫星天线和射频模块转换为基带信号后，经过AD采样获取数字基带信号，信号为连续信号；

(2)数字基带信号首先经过49阶的复数匹配滤波器，滤波器的系数与发送端的滤波器系数相同，采用平方根升余弦滚降成型滤波器，滚降系数为0.35；

(3)对滤波后的信号进行定时同步，采用Gardner环的方式，计算出每个符号的最佳采样值(一个符号用8个样点表示)，然后对信号进行8倍抽取，获取位置在最佳采样点的一帧数据。这时，利用每帧信号中间插入的长度L＝128的独特码进行帧同步，即与已知的独特码序列做相关运算，捕获帧头的起始位置，然后取出插入在信号的独特码字段；

(4)利用长度L＝128的独特码信息来进行初始频偏估计，频偏估计算法采用FFT算法，估计初始频偏f₀，计算出sin(2πf₀t)和cos(2πf₀t)之后，与捕获到的信号进行复数乘法，即将频偏值补偿到捕获的信号上，这一步骤只在初始时执行一次；

(5)接着信号进入改进的锁频环模块，锁频环模块包括乘法器、分段模块、数字振荡器(NCO)、鉴频器、取平均模块、二阶环路滤波器。首先对取出的独特码字段进行分段，设每段有N＝32个数据，对这N＝32个数据取M＝16种不同组合的数据进行M＝16次鉴频(如d1～d31与d2～d32共轭相乘后可以获得一组数据，d1～d30与d3～d32共轭相乘后可以获得一组数据，以此类推，可以获得16组数据)，对得到的M＝16组频率值取平均，然后送入二阶环路滤波模块后，再经过NCO(数字振荡器)频偏补偿，与步骤(4)中的频偏补偿方法相同，接着再继续取下一段数据，如此循环执行。其中N的取值越小，对多普勒加速度跟踪速度越快。M的取值越大，跟踪精度越高，但取值也不能太大，取值太大会降低跟踪速度，所以在仿真时，需要根据实际情况对N和M的值取一个均衡；

(6)将获得的频偏值存储后，对信号进行补偿，且将每次频偏值累加，如果频偏累加值超过的最大频偏值Fh(如在信息速率为4.8kbps情况下，Fh＝500Hz)，则使用当前的频偏累加值与上一次的滤波器得到的频偏累加值进行混频，使其中心频率移动到所需位置；如果没有超过Fh，则仍使用上一次混频后的滤波器系数；

(7)频率跟踪及补偿后的信号送入锁相环模块进行精确锁定，完成频率的快速跟踪处理流程。

对本发明的频偏跟踪进行仿真，频率跟踪曲线如图4所示：原始频率和锁定频率在50s后高度吻合，且频率误差在50s以内便稳定在0HZ附近。在相同的帧结构及高动态仿真条件下，本发明与传统方法相比，Eb/N0可以提高1dB左右。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将接收到的数字基带信号进行复数匹配滤波；所述用于匹配滤波的滤波器的中心频点根据判定条件可调，初始时不调整；

2)经过步骤1)滤波后的信号进行定时同步和帧同步；

3)利用步骤2)的独特码信息进行初始频偏估计，然后将频偏值补偿到捕获的信号上；所述频偏估计采用FFT频偏估计算法；

4)经过步骤3)处理后的信号进行锁频环路跟踪，即所述信号先与步骤2)中的已知独特码共轭相乘去掉调制信息，再对信号进行分段；所述分段后的信号分别经过鉴频器，然后对获得频率值取平均，接着进入二阶环路滤波器得到频率误差，将当前获得的频率误差和上一次步骤4)获得的频偏取平均值后再传送给NCO进行频率偏差补偿，每次进一个符号都重复此步骤，并记录每次计算获得的频率偏差；

5)对步骤3)或步骤4)获得的频偏进行累加，当累加频偏大于预设的频偏值时，调整复数匹配滤波器的中心频点；

6)经过步骤5)处理后的信号的中心频率若到达预设值时，所述信号进入锁相环模块进行精确环路锁定。

2.根据权利要求1所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)中调整滤波器的中心频点的判定条件为：对获得的频率偏差进行累加，当所述频率偏差累加值大于预设的频偏值时进行调整；否则，不进行调整。

3.根据权利要求1所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)中采用的复数匹配滤波器为平方根升余弦滚降成型滤波器，其中滚降系数为0.35，阶数为49。

4.根据权利要求1所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤2)的具体步骤为采用Gardner环的方式计算出每个符号的最佳采样值，所述最佳采样值的每个符号用8个样点表示，然后对信号进行8倍抽取，获取在最佳采样点位置的一帧数据。

5.根据权利要求4所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤2)还包括利用每帧信号中间插入的长度L＝128的独特码进行帧同步。

6.根据权利要求1所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤3)只在初始时执行一次。

7.根据权利要求1所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤4)的分段方法为将所述独特码分段，若每段包信号含N个数据，取N个数据的M种不同组合的数据进行M次鉴频，对得到的M组频率值取平均，其中N≤32，M≤N。

8.根据权利要求7所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述N＝2M。

9.根据权利要求1所述的高动态窄带信号频率跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)或5)的滤波器的中心频点调整方法为：

当频偏累加值超过的最大频偏值Fh，则使用当前的频偏累加值与上一次的滤波器进行混频，使其中心频率移动到所需位置；当频偏累加值不超过Fh，则仍使用上一次混频后的滤波器系数。

10.一种锁频环模块，其特征在于，按照信号处理顺序依次包括乘法器、分段模块、数字振荡器(NCO)、鉴频器、取平均模块、二阶环路滤波器；

所述分段模块对经过乘法器后的信号进行分段处理；

所述取平均模块对经过鉴频器的信号获取的频率值进行平均处理；

所述数字振荡器(NCO)对前级二阶环路滤波的信号的频率偏差进行补偿。