CN106603451B - 一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，是对高动态低信息速率的扩频信号进行频率锁定以及捕获的一种有效的方法。低信息速率高动态扩频信号产生的多普勒频偏以及多普勒频偏变化率非常大，使得扩频信号的捕获及跟踪的难度提高了。本方法通过平方法将高动态扩频接收信号进行去调制，去除扩频码的影响，然后利用延时自相关的方法获得频偏和频偏变化率，辅助高动态扩频信号的捕获。极大的提高了低信息速率高动态扩频信号的可接收频偏及频偏变化率范围，使高速及超高速飞行器等平台能够建立抗干扰能力强的扩频通信链路。

Description

一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计 方法

技术领域

本发明涉及一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，属于扩频通信技术领域。

背景技术

扩频信号的多普勒频移是由接收机和发射机之间在两者连线上的相对运动引起的。由于多普勒效应，接收机实际接收信号的中心频率一般不再等于信号被发射时的标称频率。

在高动态下，要考虑运动载体的速度、加速度，这是通信过程中载波存在多普勒频移的原因。卫星通信中一般采用Costas环路或平方环等结构的锁相环(PLL)同步环路。这类PLL同步环路工作在低信噪比条件下时，同步性能较好，但若是跟踪高动态信号(大多普勒频移范围和变化率)，则要看跟踪环路带宽是否足够，而PLL环路变宽后，其对输入噪声的消除能力将会变差，跟踪精度降低。高动态下，还可能出现输入信号和本地信号的频差超出PLL同步带，造成环路失锁的情况。

目前高动态下的解决方案：一种是为接收机提供惯性导航系统的速率辅助，提供多普勒频移的先验知识，使接收机可以正常工作；另外一种是研究频率估计算法，并将算法嵌入到载波环路内，使其更适合高动态环境下扩频信号的跟踪和接收。可以采用锁频环和锁相环相结合的方法，先通过FLL的频率跟踪，较快的消除大部分多普勒频移的影响，再转用PLL环路精确跟踪相位，当动态增强时，再用FLL跟踪，重复这个过程，并使环路在动态性变换时可以自动实现FLL和PLL跟踪方式的切换。因此，载波跟踪被分为频率跟踪和相位跟踪两部分，锁相环PLL直接跟踪载波相位，通过载波鉴相器提取并输出相位的误差信号，而锁频环FLL直接跟踪载波频率，通过载波鉴频器输出多普勒频移的误差信号，选用的锁频环和锁相环的种类要由鉴频器和鉴相器的特性来决定。本发明为解决低信息速率扩频系统中的高动态多普勒问题提供了解决的新思路。

现有延迟自相关技术只是对线性调频信号进行捕获，与本发明的适用系统不同。或者采用了延迟共轭相乘算法消除数据位跳变的影响来估计PN码相位，与本发明的原理及用途不同。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，提出了在扩频接收系统中，利用平方去调制法和延时自相关的方法获得高动态环境下的大多普勒频偏和频偏变化率。从而解决了高速高动态扩频接收系统中由于多普勒频偏及频偏变化率大引起的扩频捕获难的问题。

本发明解决的技术方案为：一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，包括步骤如下：

(1)首先，将本地载波e^j2πfct与s(t)相乘进行下变频，然后滤波去除高频分量f_c，得到基带信号s₁(t)。

s(t)为接收到的高动态扩频信号，如下：

式中，c(t)为伪码，d(t)为数据符号，f₀为s(t)的起始频偏，f_c为s(t)的载波频率，m为频率变化率，t表示时间。

得到基带信号s₁(t)，如下：

(2)利用平方法消除扩频信号s₁(t)的数据和扩频码的影响，得到r₁(t)，如下：

(3)将r₁(t)进行延时自相关，得到r₁(t)的延时子相关函数R(τ)。

设信号s(t)观测时间为T，对信s(t)号进行离散采样，采样间隔为Δt，采样点数为2N。将r₁(t)离散化得到r₁(n)，r₁(n)分为两个长度相等的序列，r₂(n)对应前N点，r₃(n)对应后N点。它们具有相同的频偏变化率和不同的起始频偏。r₂(n)的起始频偏为f₀，r₃(n)的起始频偏为延时T/2后起始频偏f₁，表示为

得到R(τ)的离散化表示R(n,τ)：

R(n,τ)＝e^{j4π(ΔfNΔt)} (5)

式中，Δf＝f₁-f₀，对R(n,τ)做N点FFT估计出Δf，N为正整数，则频偏变化率m的粗略估计值为：

式中，τ＝T/2；

先由上式(6)计算出m

(4)再构造出中间变量x(n)：

对x(n)进行FFT，估计出扩频信号s(t)的起始频偏估计值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过对低信息速率高动态扩频信号进行平方法去除数据及扩频码的影响以及延时自相关获得多普勒频偏及频偏变化率的方法，提高了对低信息速率高动态扩频通信系统的多普勒频偏及频偏变化率的适应范围。本发明为高动态扩频接收提供了一种新的思路和方法。

(2)本发明相比于传统的多普勒频偏捕获算法，本发明的复杂度较低，降低了工程实现的难度。

(3)本发明通过对低信息速率高动态扩频信号进行平方法去除数据的影响以及延时自相关方法获得多普勒频偏及频偏变化率的方法，提高了对低信息速率高动态扩频通信系统的多普勒频偏及频偏变化率的适应范围。

(4)本发明提高了低信息速率高动态扩频通信系统的多普勒频偏适应范围。

(5)本发明提高了低信息速率高动态扩频通信系统的多普勒频偏变化率适应范围。

(6)本发明简化了多普勒频偏捕获算法，工程实现的复杂性降低了。

附图说明

图1本发明多普勒频偏变化率估计原理图；

图2本发明扩频接收系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，如图1所示

(1)首先经过AD采样，得到扩频信号s(t)，设扩频信号s(t)的载波频率为10MHz，扩频码速率为10.23Mbps，信息速率为10kbps，起始频偏f₀优选为-170KHz≤f₀≤170KHz(以100KHz为例)，频偏变化率m优选为10KHz≤m≤7MHz(以200KHz/s为例)，采样频率为70M Hz。

(2)将本地载波e^j2πfct与s(t)相乘进行正交下变频，得到基带信号s₁(t)。

(3)对基带信号s₁(t)进行平方，消除数据和扩频码的影响，得到r₁(t)。

对信号r₁(t)进行降采样，得到r₁(n)，采样率fs为700KHz，采样点数为2N＝16384点，采样间隔为Δt＝1/fs，观测时间T＝16384*Δt。r₁(n)分为两个长度相等的序列，r₂(n)对应前N点，r₃(n)对应后N点。延迟时间τ＝T/2。

对r₂(n)和r₃(n)进行自相关运算，对自相关结果R(n,τ)做N点FFT。得到频谱估计值最大点为28，对应的频率Δf＝2392.575Hz，然后通过计算得到频偏变化率的估计值m为204.14KHz/s。

(4)再将得到的频偏变化率的估计值m代入式(7)，构造出中间变量x(n)，然后对x(n)进行FFT，即可得到f₀，也就是扩频信号s(t)的起始频偏估计值99.97KHz。

由此可以看出本发明通过计算可以准确估计出频偏和频偏变化率，频偏变化率的偏差精度在3％以下，频偏的偏差达到0.03％以下，估计非常准确，能够实现航天领域高动态扩频通信系统的载波捕获与跟踪，以尤其适应航天中高速飞行器使用，例如：超音速的飞行器。

本发明的技术应用示例如下：

一个扩频接收系统的组成原理框图如图2所示。扩频信号过AD采样后进入FPGA处理，经过正交下变频，载波跟踪，伪码捕获后完成解扩解调，然后经过位同步、译码后获得输出信号。

具体的实现如下：

1)数字正交下变频

将接收通道过来的扩频信号s(t)进行数字正交下变频，变为基带信号s₁(t)。

2)载波捕获与跟踪

根据本发明的方法，将基带信号s₁(t)进行平方，去除数据和扩频码影响，得到r₁(t)。

然后根据本发明的方法，进行延时自相关得到多普勒频偏f₀及频偏变化率估计值m。将此结果用于调整载波DDS对载波进行跟踪，同时用于调整伪码时钟。

3)伪码捕获与跟踪

通过码环，将本地产生的伪码相位和接收信号伪码相位对齐，对扩频信号进行解扩处理。

4)位同步

位同步模块用来实现本地时钟和解调数据的精确同步。

5)译码

将位同步后的数据根据系统规定的编码方式进行译码，即可得到数据。

本发明是对高动态低信息速率的扩频信号进行频率锁定以及捕获的一种有效的方法。低信息速率高动态扩频信号产生的多普勒频偏以及多普勒频偏变化率非常大，使得扩频信号的捕获及跟踪的难度提高了。本方法通过平方法将高动态扩频接收信号进行去调制，去除扩频码的影响，然后利用延时自相关的方法获得频偏和频偏变化率，辅助高动态扩频信号的捕获。极大的提高了低信息速率高动态扩频信号的可接收频偏及频偏变化率范围，使高速及超高速飞行器等平台能够建立抗干扰能力强的扩频通信链路。

Claims (1)

1.一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，其特征在于：通过对低信息速率高动态扩频信号进行平方法去除数据及扩频码的影响以及延时自相关获得多普勒频偏及频偏变化率的方法，提高了对低信息速率高动态扩频通信系统的多普勒频偏及频偏变化率的适应范围，低信息速率条件下，频偏适应范围为-170KHz～170KHz，频偏变化率范围为10KHz～7MHz，辅助码环进行伪码捕获和跟踪，步骤如下：

(1)首先，将本地载波e^j2πfct与s(t)相乘进行下变频，然后滤波去除高频分量f_c，得到基带信号s₁(t)；

s(t)为接收到的高动态扩频信号，如下：

式中，c(t)为伪码，d(t)为数据符号，f₀为s(t)的起始频偏，f_c为s(t)的载波频率，m为频率变化率，t表示时间；

得到基带信号s₁(t)，如下：

(2)利用平方法消除扩频信号s₁(t)的数据和扩频码的影响，得到r₁(t)，如下：

(3)将r₁(t)进行延时自相关，得到r₁(t)的延时子相关函数R(τ)，如下：

设信号s(t)观测时间为T，对信s(t)号进行离散采样，采样间隔为Δt，采样点数为2N，将r₁(t)离散化得到r₁(n)，r₁(n)分为两个长度相等的序列，r₂(n)对应前N点，r₃(n)对应后N点，N的最佳取值为8192；它们具有相同的频偏变化率和不同的起始频偏；r₂(n)的起始频偏为f₀，r₃(n)的起始频偏为延时T/2后起始频偏f₁，表示为

得到R(τ)的离散化表示R(n,τ)：

R(n,τ)＝e^{j4π(ΔfNΔt)} (5)

式中，Δf＝f₁-f₀，对R(n,τ)做N点FFT估计出Δf，则频偏变化率m的粗略估计值为：

式中，τ＝T/2；

先由上式(6)计算出m

(4)再构造出中间变量x(n)：

对x(n)进行FFT，估计出扩频信号s(t)的起始频偏估计值；

所述步骤(4)构造出中间变量x(n)，对x(n)进行FFT，估计出扩频信号s(t)的起始频偏估计值，具体步骤如下：

(1)将r₁(t)的离散化表示为r₁(n)：

(2)将r₁(n)与

相乘，得到中间变量x(n)：

(3)对x(n)进行FFT，即可得到f₀，也就是扩频信号s(t)的起始频偏估计值m；

通过上述计算，准确估计出频偏和频偏变化率，频偏变化率的偏差精度在3％以下，频偏的偏差达到0.03％以下，估计非常准确，能够实现航天领域高动态扩频通信系统的载波捕获与跟踪，适应航天中高速飞行器使用，通过码环，将本地产生的伪码相位和接收信号伪码相位对齐，对扩频信号进行解扩处理，实现捕获与跟踪。

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