CN108241143B - 基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法 - Google Patents

基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法，包括采用欠采样方式采集中频信号并转换成数字信号；对该数字信号功率统计；对功率进行增益解码求得增益控制参数；对输入的雷达中频信号进行增益处理；生成功率控制标志；设定Costas环的本振频率；提取功率控制标志，将数字信号变频成基带，求得基带的误差电压；捕获基带信号；根据误差电压生成对应的频率控制字和环路误差；判定并输出的锁定信号；对锁定信号有效性判定并传输频率控制字；DDS信号发生器生成数字频率合成信号，并由DA转换模块将该数字频率合成信号转换成模拟信号，带通滤波器输出所需带宽的中频信号。本发明具有结构简单、测量准确、跟踪可靠、扩展性能良好等优点。

Description

基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法
技术领域
本发明涉及无线信息传输技术领域，尤其是基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法。
背景技术
雷达系统是用于探测目标的存在并用于测量目标的位置和位移，通常，雷达系统设计为：测量特定距离范围内的距离，测量特定扫描区域内的距离，以特定精度测试距离，以及针对特定方向测量距离。通过雷达天线产生电磁辐射，探测目标位置和位移。随着雷达技术不断发展，高速、高带宽作为无线信息传输的必然趋势，雷达系统的天线在传播雷达信号时，由于多普勒效应，雷达信号很容易产生频率偏差。与此同时，在传输过程中，雷达信号受传播环境的影响，使得雷达信号的相位噪声较大。因此，为了使雷达信号满足频率和相位噪声要求，需要对输入的雷达信号进行测频，并对该频率的信号进行跟踪，降低输入输出的频率偏差，提高雷达信号的抗噪能力。
目前，传统的雷达信号带宽测频方法采用载波同步测量和相位求导的方式，其中，载波同步是在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡，供给解调器作相干解调用。当接收信号中包含离散的载频分量时，在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波。分离出的本地相干载波频率必然与接收信号载波频率相同。但是，为了使相位也相同，可能需要对分离出的载波相位作适当的调整。若接收信号中没有离散载波分量，则接收端需要用较复杂的方法从信号中提取载波。因此，在这些接收设备中需要有载波同步电路，以提供相干解调所需要的相干载波，相干载波必须与接收信号的载波严格地同频同相。如此一来，使得载波同步测量的带宽较小。另外，带宽测频采用相位求导的方式，如专利申请号为“201410131426.0”名称为“C波段捷变频雷达信号帧收方法”，该专利通过对高速ADC采集输出的数字信号进行串并转换，进而得到M个并行输出。通过对并行输出进行信道化滤波，将捷变频雷达瞬间带宽均匀划分成M个子带信道，每一个子带信道输出为该信道的I和Q正交量，提取每一个子带信道输出包络和瞬时相位。当C波段捷变频雷达信号的中频载波捷变到Fn时，提取相位差，得到了粗测相位差和精测相位差。通过对瞬时相位进行求导得到瞬时频率。该I和Q正交量、粗测相位差、精测相位差和瞬时测频得到的中频载波捷变频率Fn信号，需要进行参数估计。受输入信号的信噪比以及系统采样频率的影响，瞬时相位变化较大。如此一来，使得相位求导方式的带宽测频方法输出精度较低。
因此，急需要提出一种雷达信号测频和跟踪输出方法，实现高精度带宽信号频率测量，降低输入输出频率偏差，降低雷达信号的相位噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法，主要解决现有技术中存在的雷达信号测频精度低，测频带宽小等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法，所述基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置包括依次连接的模拟增益控制模块、AD采集模块、FPGA增益控制模块和跟踪滤波输出模块。所述FPGA增益控制模块包括与AD采集模块连接的数字增益模块，分别与数字增益模块连接的四路并联的Costas环，与Costas环连接的比较判决模块，以及与比较判决模块连接的DDS信号发生器，所述DDS信号发生器与跟踪滤波输出模块连接；所述跟踪滤波输出模块包括依次连接的DA转换模块和带通滤波。所述Costas环包括并联的I支路和Q支路，分别与I支路和Q支路连接的鉴相器，以及与鉴相器连接的环路滤波器。
所述实现方法包括以下步骤：
步骤S01，将雷达中频信号输入至模拟增益控制模块，并由AD采集模块采用欠采样的方式采集该雷达中频信号，将该雷达中频信号转换成数字信号。
根据AD采集模块欠采样公式求得欠采样后的数字信号中心频率fIF，其公式为：
Figure BDA0001530690830000031
其中，fc为雷达中频信号频率，fs为AD采集模块的采样频率。
步骤S02，根据中心频率fIF按照下列公式求得对应的频率控制字DIF：
Figure BDA0001530690830000032
其中，W为控制字位宽。
步骤S03，数字增益模块接收AD采集模块转换的数字信号，并对该数字信号进行t个时钟周期的功率统计；所述数字信号由数个在所述t个时钟周期内的单音信号组成，求得每一单音信号的功率并与预设在AD采集模块内的不同符号位对应的最小功率预定值进行一一对比。求得统计的功率对应的增益控制参数，执行步骤S04，同时，数字增益模块输出功率控制标志，执行步骤S05。
步骤S04，数字增益模块将增益控制参数传递至模拟增益控制模块，用于形成模拟增益闭环控制，以实现后续中频雷达信号的高功率信号衰减和低功率信号放大；再由AD采集模块采集和转换成数字信号，重复步骤S03，实现功率控制标志连续输出。
步骤S05，根据中心频率fIF和中频雷达信号的信号带宽，依次设定四路并联的Costas环的本振频率。四路并联的Costas环连续提取功率控制标志，对AD采集模块输出的数字信号进行变频成基带，并由鉴相器求得该基带的误差电压ud(t)，其表达式为：
ud(t)＝Q(t)sgn[I(t)]-I(t)sgn[(Q(t)] ③
其中，I(t)为经I支路变频后的频率信号，Q(t)为经Q支路变频后的频率信号。
步骤S06，利用环路滤波器对经所述I支路和Q支路变频后的基带信号进行时钟周期为t的捕获，并由所述环路滤波器进行闭环频率跟踪。四路并联的Costas环根据所在Costas环回路的误差电压ud(t)生成对应的频率控制字D和环路误差。依次判定四路并联的Costas环的环路误差与预设在比较判决模块内判决值的数值大小，
若环路误差小于判决值，则该路Costas环输出的锁定信号为1；否则，该路Costas环输出的锁定信号为0。
步骤S07，比较判决模块接收四路Costas环输出的锁定信号，并对锁定信号有效性判定；
如果任一Costas环输出的锁定信号为1时，则该路Costas环输出有效，并将该路Costas环的频率控制字D传输至DDS信号发生器。
如果任意两路Costas环同时输出的锁定信号为1时，则判定该两路Costas环的误差电压ud(t)大小，并选择误差电压ud(t)小的Costas环的频率控制字D作为输出。
否则，比较判决模锁定失败，并输出中心频率fIF对应的频率控制字DIF。
步骤S08，DDS信号发生器接收由比较判决模块传输的频率控制字，并生成数字频率合成信号；由DA转换模块将该数字频率合成信号转换成模拟信号，并经带通滤波器输出所需带宽的中频信号。
具体地，所述步骤S03中，数字增益模块进行功率统计，所述统计的功率为在t个时钟周期内数字信号的幅度平方和的平均值。
进一步地，所述单音信号的功率P表达式为：
Figure BDA0001530690830000041
其中，A为单音信号的幅度。
优选地，所述t为214。
进一步地，所述步骤S02中，AD采集模块的采样频率为100MHz。
更进一步地，所述步骤S02中，AD采集模块将雷达中频信号转换成16bit的数字信号。
优选地，所述环路滤波器为二阶滤波结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙的设置模拟增益控制模块、AD采集模块、FPGA增益控制模块和跟踪滤波输出模块，并通过数字增益模块进行功率统计，将增益控制参数传递给模拟增益控制模块，实现输入的雷达中频信号进行增益处理，进而，完成增益实时闭环控制，以满足AD采集模块采样线性要求，降低采用区域外的信号干扰，提高AD采集模块采样效率。另外，通过功率控制AD采集模块转换的数字信号最高位为符号位，以保证Costas环频率测量准确性，实现快速测频。
(2)本发明的AD采集模块采用欠采样的方式进行雷达中频信号采集，由奈奎斯特定理可知，采用频率必须高于输入频率最高频率的2倍时，才能无失真地恢复原始信号或者完整地保留信息。由于雷达中频信号占用的带宽较窄，采用欠采样的方式，可有效解决传统测频中存在的频谱混叠的问题，进而，大大减少了处理工作量，降低AD采集模块投入成本。
(3)本发明的数字增益模块通过对AD采集模块转换的数字信号进行平方累加，统计该雷达中频信号的功率，一方面，为了模拟增益控制模块提供闭环控制的增益控制参数，以满足实时采样要求。另一方面，抑制信号噪声小的雷达中频信号，减少Costas环采集锁定工作量。
(4)本发明采用四路并联的Costas环，利用鉴相器和环路滤波器提取载频，无需对接收的数字信号做平方运算便能快速得到载频输出。在保证信号跟踪带宽的同时也能缩短锁定时间，实现百微妙级的快速测频和跟踪。与传统的跟踪方法相比，明显缩短了跟踪时间，保证了雷达中频信号输出响应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的模拟增益控制模块结构框图。
图3为快速测频和跟踪输出的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图3所示，本发明提供了一种基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法，实现快速、高精度带宽信号频率测量，降低输入输出频率偏差，保证雷达中频信号输出，降低雷达信号的相位噪声。该装置包括依次连接的模拟增益控制模块、100MHz的AD采集模块、FPGA增益控制模块和跟踪滤波输出模块。其中，所述FPGA增益控制模块包括与AD采集模块连接的数字增益模块，分别与数字增益模块连接的四路并联的Costas环，与Costas环连接的比较判决模块，以及与比较判决模块连接的DDS信号发生器，所述DDS信号发生器与跟踪滤波输出模块连接。所述跟踪滤波输出模块包括依次连接的DA转换模块和带通滤波。所述Costas环包括并联的I支路和Q支路，分别与I支路和Q支路连接的鉴相器，以及与鉴相器连接的环路滤波器。
以70HMz雷达中频信号为例，说明该装置的实现方法包括以下步骤：
第一步，将70HMz雷达中频信号输入至模拟增益控制模块，并由AD采集模块采用100MHz欠采样的方式采集该雷达中频信号，将该雷达中频信号转换成16bit的数字信号。
根据AD采集模块欠采样公式求得欠采样后的数字信号中心频率fIF，其公式为：
Figure BDA0001530690830000061
其中，fc为雷达中频信号频率，取值为70MHz，fs为AD采集模块的采样频率，取值为100MHz，由公式①求得数字信号的中心频率fIF为30MHz。
第二步，根据中心频率fIF按照公式②求得对应的频率控制字DIF：
Figure BDA0001530690830000071
其中，W为控制字位宽，取值为32。
第三步，数字增益模块接收AD采集模块转换的16bit数字信号，并对该数字信号进行214个时钟周期的功率统计，该功率为16bit数字信号进行214个时钟周期的平方累加的平均值。所述数字信号由数个在所述214个时钟周期内的单音信号组成，求得每一单音信号的功率并与预设在AD采集模块内的不同符号位对应的最小功率预定值进行一一对比。所述任一单音信号的功率P表达式为：
Figure BDA0001530690830000072
A为单音信号的幅度，单音信号不同符号位对应的最小幅度为2n，n为大于等于0小于等于14的自然数。如果单音信号的功率P大于2n小于2n+1，则判断该单音信号的符号位为15-n，增益控制放大系数为(14-n)×3dB，将增益放大系数转换成对应的增益控制参数采用传统的增益解码电路，并将增益解码电路得到增益控制参数传递至模拟增益控制模块、用于形成模拟增益闭环控制。并执行第四步，同时，数字增益模块输出功率控制标志，此时，功率控制标志为1，进而，实现模拟增益控制模块实时闭环增益控制，使输入至AD采集模块的雷达中频信号满足采样线性要求。并执行第五步；
第四步，数字增益模块将增益控制参数传递至模拟增益控制模块，用于形成模拟增益闭环控制，以实现后续中频雷达信号的高功率信号衰减和低功率信号放大，中频雷达信号增益范围为-10dB～35dB，通过增益处理，使输入的雷达中频信号满足AD采集模块的线性采集要求。再由AD采集模块采集和转换成数字信号，重复第四步，实现功率控制标志连续输出，
第五步，根据中心频率30MHz和中频雷达信号的信号带宽为400kHz，依次设定四路并联的Costas环的本振频率，四路Costas环的本振频率分别为29.85MHz、29.95MHz、30.05MHz和31.05MHz，低通滤波器的带宽为2MHz。四路并联的Costas环连续提取功率控制标志，对AD采集模块输出的数字信号进行变频成基带，并由鉴相器求得该基带的误差电压ud(t)，其表达式为：
ud(t)＝Q(t)sgn[I(t)]-I(t)sgn[(Q(t)] ④
其中，I(t)为经I支路变频后的频率信号，Q(t)为经Q支路变频后的频率信号。
第六步，利用环路滤波器对经所述I支路和Q支路变频后的基带信号进行时钟周期为214的捕获，并由二阶的环路滤波器进行闭环频率跟踪。四路并联的Costas环根据所在Costas环回路的误差电压ud(t)生成对应的频率控制字D和环路误差；依次判定四路并联的Costas环的环路误差与预设在比较判决模块内判决值的数值大小，若环路误差小于判决值，则该路Costas环输出的锁定信号为1；否则，该路Costas环输出的锁定信号为0。
其中，该二阶环路滤波器特性公式为：
Figure BDA0001530690830000081
其中，x(n)表示频率输入信号，y(n)为频率输出信号，c1和c2为均为滤波系统，。在第一阶频率测量中，滤波系统c1、c2分别为2-7、2-14。在频率跟踪的第二阶段，跟踪信号带宽为25kHz，滤波系统c1、c2分别为2-7、2-17。
第七步，比较判决模块接收四路Costas环输出的锁定信号，并对锁定信号有效性判定：(1)若任一Costas环输出的锁定信号为1时，则该路Costas环输出有效，并将该路Costas环的频率控制字D传输至DDS信号发生器。(2)若其中两路Costas环同时输出的锁定信号为1时，则判定该两路Costas环的误差电压ud(t)大小，并选择误差电压ud(t)小的Costas环的频率控制字D作为输出。(3)其他情况时，比较判决模锁定失败，并输出中心频率fIF对应的频率控制字DIF。
第八步，DDS信号发生器接收由比较判决模块传输的频率控制字，并生成数字频率合成信号；由DA转换模块将该数字频率合成信号转换成模拟信号，并经带通滤波器输出所需带宽的中频信号。
本发明巧妙地采用增益控制参数闭环控制模拟增益控制模块，满足AD采集模块线性采集要求的同时，确保数字信号有且只有最高位为符号位，提高Costas环频率测量准确性。另外，通过采用四路并联的Costas环，在保证信号跟踪带宽的同时可以减少锁定时间，实现百微妙级的快速测频和跟踪。不仅如此，本发明通过改变中心频率实现频率范围为1MHz～70MHz、带宽为400kHz的信号测频与跟踪，其测频与跟踪的范围较广，具有良好的扩展性能，适用于较宽的中频雷达信号跟踪。综上所述，本发明具有结构简单、测量准确、跟踪可靠、扩展性能良好等优点，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在无线信息传输技术领域具有广阔的市场前景和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置的实现方法，其特征在于，所述基于Costas环的快速测频和跟踪输出装置包括依次连接的模拟增益控制模块、AD采集模块、FPGA增益控制模块和跟踪滤波输出模块；所述FPGA增益控制模块包括与AD采集模块连接的数字增益模块，分别与数字增益模块连接的四路并联的Costas环，与Costas环连接的比较判决模块，以及与比较判决模块连接的DDS信号发生器，所述DDS信号发生器与跟踪滤波输出模块连接；所述跟踪滤波输出模块包括依次连接的DA转换模块和带通滤波；所述Costas环包括并联的I支路和Q支路，分别与I支路和Q支路连接的鉴相器，以及与鉴相器连接的环路滤波器；
所述实现方法包括以下步骤：
步骤S01，将雷达中频信号输入至模拟增益控制模块，并由AD采集模块采用欠采样的方式采集该雷达中频信号，将该雷达中频信号转换成数字信号；
根据AD采集模块欠采样公式求得欠采样后的数字信号中心频率fIF，其公式为：
Figure FDA0001530690820000011
其中，fc为雷达中频信号频率，fs为AD采集模块的采样频率；
步骤S02，根据中心频率fIF按照下列公式求得对应的频率控制字DIF：
Figure FDA0001530690820000012
其中，W为控制字位宽；
步骤S03，数字增益模块接收AD采集模块转换的数字信号，并对该数字信号进行t个时钟周期的功率统计；所述数字信号由数个在所述t个时钟周期内的单音信号组成，求得每一单音信号的功率并与预设在AD采集模块内的不同符号位对应的最小功率预定值进行一一对比；求得统计的功率对应的增益控制参数，执行步骤S04，同时，数字增益模块输出功率控制标志，执行步骤S05；
步骤S04，数字增益模块将增益控制参数传递至模拟增益控制模块，用于形成模拟增益闭环控制，以实现后续中频雷达信号的高功率信号衰减和低功率信号放大；再由AD采集模块采集和转换成数字信号，重复步骤S03，实现功率控制标志连续输出；
步骤S05，根据中心频率fIF和中频雷达信号的信号带宽，依次设定四路并联的Costas环的本振频率；四路并联的Costas环连续提取功率控制标志，对AD采集模块输出的数字信号进行变频成基带，并由鉴相器求得该基带的误差电压ud(t)，其表达式为：
ud(t)＝Q(t)sgn[I(t)]-I(t)sgn[(Q(t)] ③
其中，I(t)为经I支路变频后的频率信号，Q(t)为经Q支路变频后的频率信号；
步骤S06，利用环路滤波器对经所述I支路和Q支路变频后的基带信号进行时钟周期为t的捕获，并由所述环路滤波器进行闭环频率跟踪；四路并联的Costas环根据所在Costas环回路的误差电压ud(t)生成对应的频率控制字D和环路误差；依次判定四路并联的Costas环的环路误差与预设在比较判决模块内判决值的数值大小，
若环路误差小于判决值，则该路Costas环输出的锁定信号为1；否则，该路Costas环输出的锁定信号为0；
步骤S07，比较判决模块接收四路Costas环输出的锁定信号，并对锁定信号有效性判定；
如果任一Costas环输出的锁定信号为1时，则该路Costas环输出有效，并将该路Costas环的频率控制字D传输至DDS信号发生器；
如果任意两路Costas环同时输出的锁定信号为1时，则判定该两路Costas环的误差电压ud(t)大小，并选择误差电压ud(t)小的Costas环的频率控制字D作为输出；
否则，比较判决模锁定失败，并输出中心频率fIF对应的频率控制字DIF；
步骤S08，DDS信号发生器接收由比较判决模块传输的频率控制字，并生成数字频率合成信号；由DA转换模块将该数字频率合成信号转换成模拟信号，并经带通滤波器输出所需带宽的中频信号。
2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S03中，数字增益模块进行功率统计，所述统计的功率为在t个时钟周期内数字信号的幅度平方和的平均值。
3.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，所述单音信号的功率P表达式为：
Figure FDA0001530690820000031
其中，A为单音信号的幅度。
4.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，所述t为214。
5.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S02中，AD采集模块的采样频率为100MHz。
6.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S02中，AD采集模块将雷达中频信号转换成16bit的数字信号。
7.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，所述环路滤波器为二阶滤波结构。
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