CN107741594A - 一种高动态条件下接收机的信号接收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高动态条件下的信号接收装置，包括：模数转换器、数字下变频器(DDC)、快速傅立叶变换模块、信噪比判断模块、噪声产生器、延迟锁定环(DLL)、锁相环(PLL)、锁频环(FLL)、环路开关模块、多普勒变化速度计算模块、解调解扩相关运算模块，同时该发明还提供了一种高动态条件下的信号接收装置信号接收方法；该装置和该方法能够保证接收机在高动态条件下的正常信号接收；同时提升接收机捕获跟踪性能，并在不改变传统接收机结构的情况下，提升接收机信号接收能力。

Description

一种高动态条件下接收机的信号接收方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术，尤其涉及一种高动态条件下接收机的信号接收方法。
背景技术
高动态环境即接收机进行PVT(位置position、速度Velocity、时间time)解算的环境处于高速度(不低于8km/h)、高加速度(不低于20g)、或者高加加速度(不低于2g)的运动当中。在此条件下，一般的接收机无法满足要求，因为高速率带来50KHz以上的载波多普勒频移，从而导致一般接收机的载波环路失锁，无法解调出导航电文；并且高动态带来的多普勒频率大范围抖动，要求加宽环路带宽，降低工作信噪比，其代价降低环路跟踪精度；同时它也使伪随机码产生动态时延，导致码环失锁，因此，针对这种场景，接收机必须优化捕获跟踪算法。
飞机、卫星等高速移动体的应用与服务范围越来越大，但它们在高动态下的信号捕获仍存在问题。在高动态条件下，接收机接收载波信号具有较大的多普勒频偏以及很高的多普勒变化率，影响了信号的有效捕获。为了完成大动态直扩信号的捕获，必须准确、快速地捕获多普勒频率及其变化率和伪码相位。
DLL即Delay Lock Loop延迟锁定环，主要是用于产生一个精准的时间延迟delay，且这个延迟不随外界条件如温度、电压的变化而改变，这个delay是对输入信号的周期做精确的等分出来的。
而PLL即Phase lock loop锁相环，主要是根据一个输入时钟产生出一个与输入时钟信号的倍/除频时钟，其中倍频时钟和输入、输出时钟是最主要的应用。
FLL即Frequency lock loop锁频环，实质上就是动态运用的自动频率微调电路，用于频率精确跟踪。
在接收机中，锁频环(FLL)产生一个正弦载波，并保持其频率和接收的载波频率一致，代替锁相环作为跟踪滤波器来跟踪卫星等大动态参数目标，或相位急剧变化的信号。延迟锁定环(DLL)使码相位的初始估计值更加精确，并跟踪未来的变化。锁相环(PLL)在信号捕获之后，负责精确的相位跟踪。
在高动态环境中，由于载体的动态变化范围大，信号能量、频率等迅速变化，使得所发射信号的信噪比变化范围，多普勒频移，一次变化率，甚至二次变化率都比较大，这就带来了如下具体问题。
1)高动态使伪码产生动态时延和码片宽度变化，使得接收机的码延时锁定环容易失锁，而且重新捕获时间长；同时对于测距信号，无法正确估计码延时，影响测距精度。
2)高动态使载波信号产生较大的多普勒频移，若使接收机的载波锁相环能够保持锁定，就必须增加环路滤波器的带宽。这样会使宽带噪声窜入，当噪声电平增加到超过环路门限时，就会使载波跟踪失锁；若不增加载波锁相环的环路带宽，则载波多普勒频移常常会超过锁相环的捕获带，这样也不能保证对载波的可靠捕获和跟踪。
3)伪码跟踪失锁以及载波跟踪失锁也使调制数据无法恢复。
发明内容
本发明的技术方案的目的在于提供一种在不改变传统接收机结构的情况下，提升接收机信号接收能力高动态条件下接收机的信号接收方法。
本发明的技术方案是提供了一种高动态条件下的信号接收装置，包括：模数转换器、数字下变频器(DDC)、快速傅立叶变换模块、信噪比判断模块、噪声产生器噪声产生器噪声产生器、延迟锁定环(DLL)、锁相环(PLL)、锁频环(FLL)、环路开关模块、多普勒变化速度计算模块、解调解扩相关运算模块，其特征在于：
模数转换器用于将接收的下行模拟信号进行模数转换；
数字下变频器用于将AD采样后的高频信号变为中频信号，以便于接收机的信号处理基带进行处理；
快速傅立叶变换模块用于将数字下变频器(DDC)下变频后的中频信号进行傅立叶变换，傅立叶变换将中频信号由时域变换到频域，中频信号的频域特性也体现其噪声特性，将送入信噪比判断模块进行分析；
信噪比判断模块用于分析快速傅立叶变换模块变换后的频域信号信噪比，判断信噪比大小；
噪声产生器根据信噪比判断模块的判断结果决定是否往信号中注入噪声，通过注入噪声能够控制中频信号的信噪比变化范围；
延迟锁定环(DLL)用于估计中频信号初始码相位，并预测未来变化，将估计结果提供给锁相环(PLL)和锁频环(FLL)做参考；
锁相环(PLL)用于中频信号载波相位的跟踪，实现中频信号的捕获，将捕获的中频信号送入多普勒变化速度计算模块用于计算中频信号的多普勒变化速度；
锁频环(FLL)用于中频信号载波频率的跟踪，实现中频信号的捕获，将捕获的中频信号送入多普勒变化速度计算模块用于计算中频信号的多普勒变化速度；
多普勒变化速度计算模块用于计算载波的多普勒变化速度，并且判断是否变化速度大于多普勒捕获门限，将判断结果送往环路开关模块；
环路开关模块用于接收多普勒变换速度计算模块的判断结果，依据结果控制锁相环、锁频环和延迟锁定环的环路工作状态；
解调解扩相关运算模块用于计算多普勒变换速度分析后的对跟踪后的信号进行解调解扩，以获得载波中调制的信息。
本发明还提供了一种为高动态条件下接收机的信号接收方法，其具体包括以下步骤：
步骤1、模数转换器对下行卫星遥测信号进行采样，将下行遥测信号变为数字信号，并送入数字下变频器(DDC)；
步骤2、数字下变频器(DDC)对采样信号进行数字下变频，得到数字中频信号，将数字中频信号送入快速傅立叶变换模块；
步骤3、对数字中频信号进行快速傅立叶变换，将时域信号变为频域信号；将频域信号送入信噪比判断模块；
步骤4、信噪比判断模块判断信号的信噪比大小；如果扩频信号信噪比大于5dB，则打开伪噪声产生器，人为加入噪声降低信噪比；如果扩频信号信噪比小于5dB，则关闭伪噪声产生器；
步骤5、锁频环(FLL)确定一定的工作带宽开始工作，以适应多普勒动态变化，延迟锁定环(DLL)为捕获提供初始码相位；锁频环(FLL)完成初步捕获后，将捕获信号送入多普勒变化速度计算模块，计算多普勒变化速度；
步骤6、多普勒变化速度计算模块根据多普勒变化速度，重新计算并选取锁频环(FLL)环路带宽；
步骤7、多普勒速度计算模块实时计算多普勒变化速度，如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，那么跳转至步骤5，否则，如果多普勒变化速率小于3kHz/s，环路开关控制模块控制锁相环(PLL)环路开始工作，进入步骤8；
步骤8、锁相环(PLL)环路开始工作；此时将锁相环(PLL)取环路带宽Bn_FLL＝2Hz，频率捕获由粗捕进入精捕；
步骤9、锁相环(PLL)环路捕获到信号后，送入多普勒变化速度计算模块计算多普勒变化速度；
步骤10、如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，那么环路开关控制模块关闭锁相环(PLL)环路，并且设置新的锁频环(FLL)环路带宽，然后跳转至步骤5，否则，多普勒变化速度小于于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，进入步骤9。
进一步地，在步骤5中，在环路闭合前，取环路带宽Bn_FLL＝20Hz
本发明的有益效果在于：
(1)保证接收机在高动态条件下的正常信号接收；
(2)提升接收机捕获跟踪性能；
(3)在不改变传统接收机结构的情况下，提升接收机信号接收能力。
附图说明
图1为高动态条件下接收机的信号接收结构示意图；
图2为高动态条件下接收机的信号接收流程示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图1-2和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，该实施例提供了一种高动态条件下的信号接收装置，该信号接收装置包括：模数转换器、数字下变频器、快速傅立叶变换模块、信噪比判断模块、噪声产生器、延迟锁定环DLL、锁相环PLL、锁频环FLL、环路开关模块、多普勒变化速度计算模块、解调解扩相关运算模块。
模数转换器(Analog to Digital Converter)用于将接收的下行模拟信号进行模数转换；
数字下变频器(DDC，Digital Down Converter)用于将AD采样后的高频数字信号变为中频信号，以便于接收机的信号处理基带进行处理；
快速傅立叶变换模块(FFT，Fast Fourier Transform Algorithm)：用于将数字下变频器DDC下变频后的信号进行傅立叶变换，傅立叶变换可以将信号由时域变换到频域，信号的频域特性也体现其噪声特性，将送入信噪比判断模块进行分析；
信噪比判断模块用于分析快速傅立叶变换模块变换后的频域信号信噪比，判断信噪比大小；
噪声产生器根据信噪比判断模块的判断结果决定是否往信号中注入噪声，通过注入噪声可以控制信号的信噪比变化范围；
延迟锁定环(DLL)用于估计信号初始码相位，并预测未来变化，将估计结果提供给锁相环(PLL)和锁频环(FLL)做参考；
锁相环(PLL)用于信号载波相位的跟踪，实现信号的捕获，将捕获信号送入多普勒变化速度计算模块用于计算信号的多普勒变化速度；
锁频环(FLL)用于信号载波频率的跟踪，实现信号的捕获，将捕获信号送入多普勒变化速度计算模块用于计算信号的多普勒变化速度；并且辅助延迟锁定环(DLL)环路，以消除码多普勒，使码的估计误差主要是热噪声；
多普勒变化速度计算模块用于计算载波的多普勒变化速度，并且判断是否变化速度大于多普勒捕获门限，将判断结果送往环路开关模块；
环路开关模块用于接收多普勒变换速度计算模块的判断结果，依据结果控制锁相环、锁频环和延迟锁定环的环路工作状态；
解调解扩相关运算模块用于计算多普勒变换速度分析后的对跟踪后的信号进行解调解扩，以获得载波中调制的信息。
如图2所示，该实施例还提供了一种为高动态条件下接收机的信号接收方法，其具体包括以下步骤：
步骤1、模数转换器对下行卫星遥测信号进行采样，将下行遥测信号变为数字信号，并送入数字下变频器(DDC)；
该实施例中，接收机采集的信号是下行的卫星遥测信号，模数转换器将模拟的遥测信号转换为数字信号，然后数字信号送入数字下变频器(DDC)。
步骤2、数字下变频器(DDC)对采样信号进行数字下变频，得到数字中频信号，将数字中频信号送入快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform Algorithm)模块；
该实施例中，步骤1中采集的遥测信号经过步骤2的变频后得到的数字中频信号。
步骤3、对数字中频信号进行快速傅立叶变换，将时域信号变为频域信号；将频域信号送入信噪比判断模块；
该实施例中，利用DSP对数字中频信号做1024点FFT(快速傅立叶变换，FastFourier Transform Algorithm)，将时序信号变为频域信号，并将频域信号送入信噪比判断模块。
步骤4、信噪比判断模块判断信号的信噪比大小；如果信噪比较大，如扩频信号信噪比大于5dB，则打开伪噪声产生器，人为加入噪声降低信噪比；如果信噪比较小，如扩频信号信噪比小于5dB，则关闭伪噪声产生器，避免恶化接收信号信噪比；如此可使信号适应能量的高动态变化；同时将信号送入DLL、FLL和PLL环路以进行捕获跟踪。
该实施例中，信噪比判断模块先在有用信号两边各取2段频谱带宽，每段带宽约为总带宽的1/20，取4段中能量最小的一段代表背景噪声；再在有用信号带宽内均匀取4段频谱带宽，每段带宽约为总带宽的1/20，取4段中能量最小的一段减去前面获得的背景噪声能量来代表有用信号的功率。比较信号能量和背景噪声能量就能比较准确地估计出接收信号的信噪比，根据该信噪比估计值判决捕获时是否需要打开噪声产生器，如果信噪比大于5dB，则打开噪声产生器，如信噪比小于5dB，则关闭噪声产生器。最后信噪比判断模块将信号送入DLL、FLL和PLL环路以进行捕获跟踪。
步骤5、锁频环(FLL)确定一定的工作带宽开始工作，以适应多普勒动态变化，延迟锁定环(DLL)为捕获提供初始码相位，此时尽管频率测量误差比较大，但响应较快，能够使迅速实现初步捕获，达到锁相环(PLL)闭合需要的条件；锁频环(FLL)完成初步捕获后，将捕获信号送入多普勒变化速度计算模块，计算多普勒变化速度；
该实施例中，在环路闭合前，取较大的环路带宽Bn_FLL＝20Hz，此时尽管频率测量误差比较大，但响应较快，能够迅速达到锁相环(PLL)闭合需要的条件；大约经过1s，环路收敛，锁频环(FLL)环路完成初步捕获，将捕获后的信号送入多普勒变化速度计算模块计算多普勒变化速度。
步骤6、多普勒变化速度计算模块根据多普勒变化速度，重新计算并选取锁频环(FLL)环路带宽；
该实施例中，合适的FLL环路带宽能够使信号频率更快更准的被捕获，所以，多普勒变化速度计算模块计算多普勒变化速度后，会根据多普勒变化速度更新FLL环路带宽。
步骤7、多普勒速度计算模块实时计算多普勒变化速度，如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限，如3kHz/s，那么跳转至步骤5，否则，认为多普勒变化速度较小，如多普勒变化速率小于3kHz/s，环路开关控制模块控制PLL环路开始工作，进入步骤8；
该实施例中，多普勒速度计算模块会实时计算多普勒变化速度，多普勒变化速度表示卫星与地面之间的相对距离变化速度，多普勒变化速度越大，那么信号的动态变化越大，信号越难以捕捉，随时可能失锁。设计中，如果多普勒变化速度大于设置的多普勒变化速度捕获门限(3kHz/s)，那么会重新选取FLL环路带宽，选择FLL环路带宽Bn_FLL＝20Hz，进入步骤5，以较大的频率误差为代价重新对信号进行捕获。如果多普勒变化速度小于设置的多普勒变化速度捕获门限(3kHz/s)，说明星相对地距离变化速度不是很快，此时可以利用PLL进行精确捕获，即环路开关控制模块控制PLL环路开始工作，进入步骤8；
步骤8、步骤7已判断出环路已经闭合，频率跟踪已经收敛，所以锁相环(PLL)环路开始工作；此时将锁相环(PLL)取较小环路带宽(Bn_FLL＝2Hz)，频率捕获由粗捕进入精捕，此时频率的测量精度较高。
该实施例中，环路开关控制模块控制锁相环(PLL)环路开始工作，由于此时环路已经闭合，锁频环(FLL)取较小的环路带宽Bn_FLL＝2Hz，以获得对频率的高精度估计，对于实例中设计的3阶环路，最大的3σ均方频率测量误差为0.066Hz，最大的由于多普勒加速度引起的动态误差为0.002Hz，此时频率的测量精度较高。
步骤9、锁相环(PLL)环路捕获到信号后，送入多普勒变化速度计算模块计算多普勒变化速度；
该实施例中，锁相环(PLL)将捕获到的信号送入多普勒变化速度计算模块计算多普勒变化速度；
步骤10、如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限，那么环路开关控制模块关闭锁相环(PLL)环路，并且设置新的锁频环(FLL)环路带宽，然后跳转至步骤5，否则，多普勒变化速度较小，进入步骤9。
该实施例中，如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，则说明星地距离变化速度较快，此时锁相环会因为跟踪不上动态变化较大的信号而失锁，所以环路开关控制模块关闭锁相环(PLL)环路，并且设置新的锁频环(FLL)环路带宽为Bn_FLL＝2Hz，随后跳转至步骤5重新开始信号捕获；如果多普勒变化速度小，进入步骤9继续对信号进行高精度捕获。
本说明书所介绍的高动态条件下接收机的信号接收方法适用于信号能量和频率动态变化大的情况下信号的捕获和跟踪，可有效提升接收机的接收性能和可靠性。本发明中的一些未能细说技术内容为本行业技术人员所熟知。本发明的保护范围不止于此范例，而在于本发明的所采用高动态条件下信号接收的设计思路。

Claims (3)

1.一种高动态条件下的信号接收装置，包括：模数转换器、数字下变频器(DDC)、快速傅立叶变换模块、信噪比判断模块、噪声产生器噪声产生器噪声产生器、延迟锁定环(DLL)、锁相环(PLL)、锁频环(FLL)、环路开关模块、多普勒变化速度计算模块、解调解扩相关运算模块，其特征在于：
模数转换器用于将接收的下行模拟信号进行模数转换；
数字下变频器用于将AD采样后的高频信号变为中频信号，以便于接收机的信号处理基带进行处理；
快速傅立叶变换模块用于将数字下变频器(DDC)下变频后的中频信号进行傅立叶变换，傅立叶变换将中频信号由时域变换到频域，中频信号的频域特性也体现其噪声特性，将送入信噪比判断模块进行分析；
信噪比判断模块用于分析快速傅立叶变换模块变换后的频域信号信噪比，判断信噪比大小；
噪声产生器根据信噪比判断模块的判断结果决定是否往信号中注入噪声，通过注入噪声能够控制中频信号的信噪比变化范围；
延迟锁定环(DLL)用于估计中频信号初始码相位，并预测未来变化，将估计结果提供给锁相环(PLL)和锁频环(FLL)做参考；
锁相环(PLL)用于中频信号载波相位的跟踪，实现中频信号的捕获，将捕获的中频信号送入多普勒变化速度计算模块用于计算中频信号的多普勒变化速度；
锁频环(FLL)用于中频信号载波频率的跟踪，实现中频信号的捕获，将捕获的中频信号送入多普勒变化速度计算模块用于计算中频信号的多普勒变化速度；
多普勒变化速度计算模块用于计算载波的多普勒变化速度，并且判断是否变化速度大于多普勒捕获门限，将判断结果送往环路开关模块；
环路开关模块用于接收多普勒变换速度计算模块的判断结果，依据结果控制锁相环、锁频环和延迟锁定环的环路工作状态；
解调解扩相关运算模块用于计算多普勒变换速度分析后的对跟踪后的信号进行解调解扩，以获得载波中调制的信息。
2.一种为高动态条件下接收机的信号接收方法，其具体包括以下步骤：
步骤1、模数转换器对下行卫星遥测信号进行采样，将下行遥测信号变为数字信号，并送入数字下变频器(DDC)；
步骤2、数字下变频器(DDC)对采样信号进行数字下变频，得到数字中频信号，将数字中频信号送入快速傅立叶变换模块；
步骤3、对数字中频信号进行快速傅立叶变换，将时域信号变为频域信号；将频域信号送入信噪比判断模块；
步骤4、信噪比判断模块判断信号的信噪比大小；如果扩频信号信噪比大于5dB，则打开伪噪声产生器，人为加入噪声降低信噪比；如果扩频信号信噪比小于5dB，则关闭伪噪声产生器；
步骤5、锁频环(FLL)确定一定的工作带宽开始工作，以适应多普勒动态变化，延迟锁定环(DLL)为捕获提供初始码相位；锁频环(FLL)完成初步捕获后，将捕获信号送入多普勒变化速度计算模块，计算多普勒变化速度；
步骤6、多普勒变化速度计算模块根据多普勒变化速度，重新计算并选取锁频环(FLL)环路带宽；
步骤7、多普勒速度计算模块实时计算多普勒变化速度，如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，那么跳转至步骤5，否则，如果多普勒变化速率小于3kHz/s，环路开关控制模块控制锁相环(PLL)环路开始工作，进入步骤8；
步骤8、锁相环(PLL)环路开始工作；此时将锁相环(PLL)取环路带宽Bn_FLL＝2Hz，频率捕获由粗捕进入精捕；
步骤9、锁相环(PLL)环路捕获到信号后，送入多普勒变化速度计算模块计算多普勒变化速度；
步骤10、如果多普勒变化速度大于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，那么环路开关控制模块关闭锁相环(PLL)环路，并且设置新的锁频环(FLL)环路带宽，然后跳转至步骤5，否则，多普勒变化速度小于于多普勒变化速度捕获门限3kHz/s，进入步骤9。
3.根据权利要求1所述的一种为高动态条件下接收机的信号接收方法，其特征在于：在步骤5中，在环路闭合前，取环路带宽Bn_FLL＝20Hz。
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