CN108055221A - Cpfsk信号载波频率捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种CPFSK信号载波频率捕获方法，旨在提供一种能够对CPFSK信号的载波频率进行精确估计的捕获方法。本发明通过下述技术方案予以实现：采用顺次串联的下变频器(1)、重采样单元(2)、频谱调整单元(3)、频率估计单元(4)和多普勒计算单元(5)组成CPFSK信号接收机频率捕获系统；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；频谱调整单元(3)改变CPFSK信号的频谱特征；频率估计单元4对频谱调整后的CPFSK信号的两个频点进行估计；多普勒计算单元(5)利用两个频点的频率值计算出多普勒估计结果，完成载波频率的捕获。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信领域的频率捕获技术，尤其涉及一种宽带数字接收机中，对连续相位频移键控(ContinuousPhraseFrequencyShiftKey,CPFSK)信号的载波频率进行捕获的方法。
背景技术
连续相位频移键控CPFSK调制是一种包络恒定的调制方式，属于连续相位调制(CPM)的特例。它产生的调制信号具有相位连续、包络恒定等特点，具有频带利用率高、带外衰减快、包络恒定、频谱主瓣能量集中、旁瓣滚降衰减快，在现代通信中得到了非常广泛的应用。
CPFSK信号属于非线性调制，有记忆特性，传统的CPM信号通常采用差分鉴频的方式进行解调，当前信号状态不但与当前的码元有关，与过去的码元也有关，因此传统的载波频率捕获方法已经不再适用。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。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。
现有的载波频率跟踪方法包括传统的锁频环、王西夺等人提出的结合译码与跟踪的载波跟踪方法等。这些载波频率跟踪方法有一个共同点：可跟踪的多普勒范围有限，并在一定程度上与跟踪的性能互相限制。所以，针对多普勒范围较大的应用场景，需要首先对载波频率进行捕获，减小多普勒范围，再通过载波频率跟踪环路进行精确跟踪。
发明内容
本发明的目的是针对现有的CPFSK信号载波频率捕获方法存在的不足之处，提供一种能够获得精确的频率捕获结果的CPFSK信号载波频率捕获的方法，保证CPFSK接收机的载波频率捕获精度。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种CPFSK信号载波频率捕获方法，具有如下技术特征：采用顺次串联的下变频器1、重采样单元2、频谱调整单元3、频率估计单元4和多普勒计算单元5组成CPFSK信号接收机系统；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；频谱调整单元3改变CPFSK信号的频谱特征；频率估计单元4对频谱调整后的CPFSK信号的两个频点进行估计；多普勒计算单元5利用两个频点的频率值计算出多普勒估计结果，完成载波频率的捕获。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
本发明针对CPFSK信号特征设计CPFSK信号频率捕获系统，采用顺次串联的下变频器1、重采样单元2、频谱调整单元3、频率估计单元4和多普勒计算单元5。方法中的捕获处理参数可根据CPFSK信号的符号速率、调制指数等参数以及应用场景中的多普勒范围、信噪比等参数进行设置，可满足不同情况下的CPFSK信号载波频率的捕获需求，并能够在低信噪比下保证载波频率捕获精度。
附图说明
图1是本发明CPFSK信号载波频率捕获方法原理示意图。
图2是图1中的重采样单元的原理示意图。
图3是图1中的频率估计单元的原理示意图。
图中：1下变频器、2重采样单元、3频谱调整单元、4频率估计单元、5多普勒计算单元。
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。根据本发明采用采用顺次串联的下变频器1、重采样单元2、频谱调整单元3、频率估计单元4和多普勒计算单元5组成CPFSK信号接收机系统；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；频谱调整单元3改变CPFSK信号的频谱特征；频率估计单元4对频谱调整后的CPFSK信号的两个频点进行估计；多普勒计算单元5利用两个频点的频率值计算出多普勒估计结果，完成载波频率的捕获。
CPFSK信号载波频率捕获方法，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采样频率fcic，表示为：
式中，h表示接收CPFSK信号的调制指数，h′表示CPFSK信号进行频谱调整后的调制指数，fdm表示最大多普勒频移绝对值，Rs表示符号速率。用ai表示CPFSK符号，ai＝±1,i＝1,2,3...，降采样之后，第k个符号ak对应CPFSK信号随时间t变化的表达式s(t)为：
式中，θ0表示调制信号的初始相位，π表示圆周率，fd表示瞬时多普勒频移，T表示一个符合的持续时间，T＝1/Rs。
2.频谱调整：不同调制指数h对应的CPFSK信号频谱不同，进行频率捕获的难度也不相同。频谱调整单元对CPFSK信号进行幂运算，相当于改变信号的调制指数，从而获得更容易进行频率捕获的频谱特征。例如：针对工程中常见的CPFSK信号系统中采用的调制指数h＝0.7的CPFSK信号，在频谱中，两个频率成分对应的频点的功率与周围频点相近，直接进行频率捕获难度较大，这时可以对信号进行3次方运算，得到调整后信号s′(t)：
从表达式中可以看出，s′(t)相当于调制指数为3h＝2.1的CPFSK信号，瞬时多普勒频移变为3fd。观察s′(t)的频谱可以发现，有两个对称的频点的功率明显高于周围频点，从而减小了频率捕获的难度。
3.频率估计：参阅图3。频率估计单元先后对完成频谱调整后的CPFSK信号进行快速傅氏变换FFT变换和非相干积分，FFT变换长度定义为Nfft点，非相干积分长度定义为Nuncoh点，从而得到频谱信息，然后进行频点搜索，获得CPFSK信号两个频点位置，分别定义为i1和i2，进而得到对应两个频点的频率值f1和f2。
非相干积分模块对快速傅氏变换FFT变换后的信号的功率进行累加，抵消部分噪声。频点搜索模块首先对一次捕获得到的Nfft个非相干积分结果进行最大值搜索，得到一个频点位置i1，然后在距离该位置一定保护距离fint之外再次搜索最大值，得到另一个频点的位置i2。由CPFSK信号的频谱特性可知，非相干积分结果的最大值和次大值很可能在同一个频点附近，设置保护距离可以帮助寻找第二频点位置，保护距离fint＝αh′Rs，其中α为比例因子，取值范围为(0,1)，α可以根据CPFSK信号参数及应用场景参数进行设置。频率估计单元找到频点位置i1和i2后，可利用以下频率计算公式得到两个频点对应的频率值fn,n＝1,2。
4.多普勒计算：多普勒计算单元根据频率估计单元得到的两个频点的频率值f1和f2，计算出接收的CPFSK信号中存在的多普勒频移fd：
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 (8)
1.一种CPFSK信号载波频率捕获方法，具有如下技术特征：采用顺次串联的下变频器(1)、重采样单元(2)、频谱调整单元(3)、频率估计单元(4)和多普勒计算单元(5)组成CPFSK信号接收机系统；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；频谱调整单元(3)改变CPFSK信号的频谱特征；频率估计单元4对频谱调整后的CPFSK信号的两个频点进行估计；多普勒计算单元(5)利用两个频点的频率值计算出多普勒估计结果，完成载波频率的捕获。
2.如权利要求1所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，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。
3.如权利要求2所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，其特征在于：重采样单元把CPFSK信号的采样速率降低为采样频率fcic：
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式中，h为接收CPFSK信号的调制指数，h′为CPFSK信号进行频谱调整后的调制指数，fdm为最大多普勒频移绝对值，Rs表示符号速率。
4.如权利要求1所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，其特征在于：频谱调整单元对CPFSK信号进行幂运算，改变信号的调制指数，获得频率捕获的频谱特征。例如：针对工程中常见的CPFSK信号系统中采用的调制指数h＝0.7的CPFSK信号，在频谱中，两个频率成分对应的频点的功率与周围频点相近，直接进行频率捕获难度较大，这时可以对信号进行3次方运算，调整后信号相当于调制指数为2.1的CPFSK信号，其频谱中存在两个峰值明显的频点，便于进行频率捕获。
5.如权利要求1所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，其特征在于：频率估计单元先后对完成频谱调整后的CPFSK信号进行快速傅氏变换FFT变换和非相干积分，然后进行频点搜索，获得CPFSK信号两个频点位置i1和i2，进而得到对应两个频点的频率值f1和f2。
6.如权利要求5所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，其特征在于：频点搜索模块首先对一次捕获得到的非相干积分结果进行最大值搜索，得到一个频点位置i1，然后在距离该位置一定保护距离fint之外再次搜索最大值，得到另一个频点的位置i2。
7.如权利要求6所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，其特征在于：频率估计单元找到频点位置i1和i2后，利用以下频率计算公式得到两个频点对应的频率值fn，n＝1，2
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式中，fcic为重采样后的采样频率，Nfft为FFT长度，in表示FFT得到的CPFSK信号的两个频点的位置，n＝1，2。
8.如权利要求7所述的CPFSK信号载波频率捕获方法，其特征在于：多普勒计算单元根据频率估计单元得到的两个频点的频率值f1和f2，计算出接收的CPFSK信号中存在的多普勒频移fd：
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式中，h为接收CPFSK信号的调制指数，h′为CPFSK信号进行频谱调整后的调制指数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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