CN112491431A - 支持高动态的载波跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持高动态的载波跟踪方法及系统，包括：对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；对同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；对累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；将频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对相位差和频率差进行估算；将卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整本地振荡器与接收信号同频同相。本发明有利于提高系统稳定性。

Description

支持高动态的载波跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种支持高动态的载波跟踪方法及系统。

背景技术

随着北斗三号全球卫星导航系统正式开通，卫星再一次成为大众热点。实际上，近些年，不仅譬如北斗、GPS等导航领域有很大的发展，卫星数据传输领域上也有高速的发展。这里，需求较大的部分是卫星与地面站之间的通信，数据率在某些情况下能达到20Gbps。同时，非静止卫星是高速移动的，在某些情况下，卫星与地面站之间有着很大的相对速度、加速度甚至加加速度。

在上述卫星高速移动的情况下，地面站接收到的卫星信号就包含较大的多普勒频移以及其变化率。传统的载波跟踪环路多为基于锁相环技术的二阶、三阶跟踪环路。所述二阶、三阶锁相环在收发两端频率差较小、相对速度较小以及噪声干扰强度较小的情况下可以实现有效的载波跟踪。如果采用传统的二阶锁相环应用于载波跟踪环路，在大频率斜升情况下，即频率变化率超过二阶锁相环固有频率的平方时，存在较大的稳定相差，因此二阶锁相环在频率变化率很大时，譬如频率变化率大于20KHz/s，是根本无法实现载波跟踪的。同样，如果采用传统的三阶锁相环，也有类似的限制，而且分析很复杂，并存在稳定性差的问题。

因此，传统的二阶、三阶锁相环都无法在高动态环境下实现对信号稳定有效的载波跟踪，进而接收机无法正确地解调出数据信号。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中接收机无法在高动态环境下实现稳定有效的信号跟踪的问题，从而提供一种在高动态环境下实现稳定有效的信号跟踪的支持高动态的载波跟踪方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的一种支持高动态的载波跟踪方法，包括：步骤S1：对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；步骤S2：对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；步骤S3：对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；步骤S4：对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；步骤S5：将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算；步骤S6：将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整所述本地振荡器与接收信号同频同相。

在本发明的一个实施例中，对接收的数字中频信号进行处理的方法为：将输入的数字中频信号与本地数字振荡器相乘产生同相的基带信号和正交的基带信号。

在本发明的一个实施例中，对所述同相的基带信号进行处理的方法为：将所述同相的基带信号与本地Gold码生成器相乘，产生解扩后的同相信号。

在本发明的一个实施例中，对所述正交的基带信号进行处理的方法为：将所述正交的基带信号与本地Gold码生成器相乘，产生解扩后的正交信号。

在本发明的一个实施例中，对解扩后的同相信号进行处理的方法为：将解扩后的同相信号输入到第一积分器得到累加的同相信号。

在本发明的一个实施例中，对解扩后的正交信号进行处理的方法为：将解扩后的正交信号输入到第二积分器得到累加的正交信号。

在本发明的一个实施例中，对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别的方法为：将所述累加的同相信号和所述累加的正交信号送入鉴频器，鉴别出频率差；将所述累加的同相信号和所述累加的正交信号送入鉴相器，鉴别出相位差。

在本发明的一个实施例中，所述鉴相器采用四象限反正切鉴别器。

在本发明的一个实施例中，所述鉴频器采用点积叉积法。

本发明还提高了一种支持高动态的载波跟踪系统，包括：第一处理模块，用于对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；第二处理模块，用于对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；第三处理模块，用于对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；鉴别模块，用于对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；估算模块，用于将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算；调整模块，用于将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整所述本地振荡器与接收信号同频同相。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的支持高动态的载波跟踪方法及系统，利用成熟的鉴频鉴相技术为卡尔曼滤波器提够可靠的观测量，同时充分利用卡尔曼滤波器内部的观测矩阵和测量矩阵的对称性，大大减少乘法计算的次数，并且缩短了反馈时间，并利用环路滤波器来滤除环路噪声缩短收敛时间，提高系统稳定性；另外，本发明结合了传统的鉴频鉴相器，卡尔曼滤波器，环路滤波器而形成一个有机整体，实现对高动态低信噪比的接收信号稳定有效的跟踪，从而使接收机能在高动态大噪声的环境下也能正常解调信号。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明支持高动态的载波跟踪方法的结构框图；

图2是本发明卡尔曼滤波算法迭代流程图

图3是本发明环路滤波器示意图；

图4为第一组相位差和频率差示意图；

图5为第二组相位差和频率差示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种支持高动态的载波跟踪方法，包括：步骤S1：对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；步骤S2：对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；步骤S3：对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；步骤S4：对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；步骤S5：将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算；步骤S6：将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整所述本地振荡器与接收信号同频同相。

本实施例所述支持高动态的载波跟踪方法，所述步骤S1中，对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号，采用这种同相与正交的双支路的载波跟踪环与单支路的载波跟踪环相比，可以更准确的提高相位差，进而提高更准确的频率差；所述步骤S2中，对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号，解扩的信号由于存在1023的扩频因子，信噪比提升60dB，更有利于对相位差和频率差的鉴别；所述步骤S3中，对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号，累加后的信号相当于滤掉接收信号中的部分高频噪声，进一步有利于对相位差和频率差的鉴别；所述步骤S4中，对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差，用两个鉴别器提供相位差和频率差的卡尔曼滤波器，与只提供一个相位差的卡尔曼滤波器相比，可以使卡尔曼滤波模块输出更准确的相位差估计和频率差估计；所述步骤S5中，将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算，不但处理过程简单，而且计算量最小，不但减少计算的次数，而且缩短了反馈时间；所述步骤S6中，将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整所述本地振荡器与接收信号同频同相，利用所述环路滤波器可以滤除环路噪声，缩短收敛时间，提高系统稳定性。

所述步骤S1中，对接收的数字中频信号进行处理的方法为：将输入的数字中频信号与本地数字振荡器相乘产生同相的基带信号和正交的基带信号。具体地，将输入的数字中频信号与本地数字振荡器相乘产生基带的同相信号I和正交信号Q。

所述步骤S2中，对所述同相的基带信号进行处理的方法为：将所述同相的基带信号与本地Gold码生成器相乘，产生解扩后的同相信号。具体地，将基带的同相信号I与本地Gold码相乘，得到解扩的同相信号。

对所述正交的基带信号进行处理的方法为：将所述正交的基带信号与本地Gold码生成器相乘，产生解扩后的正交信号。具体地，将基带的正交信号Q与本地Gold码相乘，得到解扩的正交信号。

所述步骤S3中，对解扩后的同相信号进行处理的方法为：将解扩后的同相信号输入到第一积分器得到累加的同相信号。具体地，将解扩后的同相信号输入到第一累加器产生累加的同相信号Ip。所述第一积分器是数字积分器或者数字累加器。

对解扩后的正交信号进行处理的方法为：将解扩后的正交信号输入到第二积分器得到累加的正交信号。具体地，将解扩后的正交信号输入到第二累加器产生累加的正交信号Qp。所述第二累加器是数字积分器或数字累加器。

所述步骤S4中，对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别的方法为：将所述累加的同相信号和所述累加的正交信号送入鉴频器，鉴别出频率差；将所述累加的同相信号和所述累加的正交信号送入鉴相器，鉴别出相位差，进一步有利于对相位差和频率差的鉴别。

具体地，将积分后的同相信号Ip和正交信号Qp输入到鉴相器模块，可以得到载波信号与本地信号的相位差。所述鉴相器采用四象限反正切鉴别器，其输出为相位差θ_e＝arctan2(Qp/Ip)，输出范围为(-π，π]，这种鉴别器在高信噪比时线性非常好，并且不受信号幅度限制。

将积分后的同相信号Ip和正交信号Qp输入到鉴频器模块，可以得到载波信号与本地信号的频率差。所述鉴频器采用点积叉积法，其优点是精度高，并且不受信号幅度限制。

所述点积叉积法的具体方法为：

第一步：先计算向量R(n)＝Ip(n)+j*Qp(n)与向量R(n-1)＝Ip(n-1)+j*Qp(n-1)的点积叉积P_dot和P_cross，因为如下

可以得到相位差的差值。

同时，

P_dot和P_cross分别等于：

P_dot＝Ip(n)Ip(n-1)+Qp(n)Qp(n-1) (2)

P_cross＝Ip(n)Qp(n-1)-Qp(n)Ip(n-1) (3)

其中，Ip(n)，Qp(n)为时刻n时Ip和Qp值，Ip(n-1)，Qp(n-1)为时刻n-1时Ip和Qp值。

结合(1)(2)(3)式可知，通过P_dot和P_cross可以求出频率。

第二步：利用四象限反正切鉴别器，并采用式(4)来求出频率差。

其中，T(n)表示采样点时刻n，其采样值为Ip(n)，Qp(n)；T(n-1)表示采样点时刻n-1，其采样值为Ip(n-1)，Qp(n-1)。

所述步骤S5中，将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量的方法为：将所述鉴频器的输出结果f_e乘以2π变成角度差ω_e，并输入到卡尔曼滤波器，同时鉴相器的输出结果θ_e也输入到卡尔曼滤波器中，这两个结果构成卡尔曼滤波器的观测向量

所述卡尔曼滤波器中状态向量选为x_k＝[θ_e ω_e α]^T，θ_e表示载波与本振信号的相位差，单位rad；ω_e表示载波与本振信号的频率差，等于2πf_e，单位rad/s；α表示载波频率变化率，单位rad/s²。卡尔曼滤波的状态方程为：

卡尔曼滤波的观测方程为：

其中，X_k为上述的时刻k状态向量，X_k-1为时刻k-1状态向量，T_s为积分器积分时间。W_k为系统噪声向量

Z_k为上述观测向量

V_k为观测噪声向量

同时，定义

为状态转移矩阵，

为观测矩阵。

假设系统噪声和观测噪声的统计特性满足：

其中，Q_k为系统过程噪声W_k的协方差矩阵，在本发明中为非对角阵；R_k为观测噪声V_k的协方差矩阵，在本发明中为非对角阵。

确定状态方程和观测方程之后，就可以按照卡尔曼滤波的迭代过程进行处理，具体流程为：

(a)计算先验估计值

(b)计算先验估计误差的协方差矩阵

(c)计算卡尔曼滤波增益K_k

(d)计算最优估计值

(e)计算后验估计误差的协方差矩阵P_k

上述迭代流程(a)-(e)为卡尔曼滤波器的核心部分，如图2所示，每更新一次观测数据，用此流程更新一次估计。

本发明中的卡尔曼滤波器采用最基本的卡尔曼滤波算法，其处理过程简单，计算量最小。

所述步骤S6中，将上述卡尔曼滤波器的输出向量的相位差接入到环路滤波器，该环路滤波器的设计为低通滤波器，其框图如图3所示，其传递函数为：

最终，将环路滤波器的输出反馈到本地振荡器，生成与接收信号的同频同相的信号。

本发明环路滤波器采用两个1阶数字低通滤波器的级联，其在相位差收敛和滤除噪声上起很大作用，极大缩短了系统的收敛时间并且提高了系统容忍噪声的门限。

本发明完成了对高动态低信噪比信号的载波跟踪；完成了对频率变化率为20KHz/s和载干比为37dB·Hz的信号载波跟踪；完成了对频率变化率为30KHz/s和载干比为55dB·Hz的信号载波跟踪。

下面举例验证本发明所述的技术方案：

在接收信号有3.3KHz的初始频率差并其频率加速度为20KHz/s的情况下，在FPGA仿真的环境下验证本发明。如图4所示，在经过载波调整之后，相位差逐渐趋近于0，最终相位差和频率差都在0附近。

在接收信号有4.9KHz的初始频率差并其频率加速度为30KHz/s的情况下，在FPGA仿真的环境下验证本发明。如图5所示，在经过载波调整之后，相位差逐渐趋近于0，最终相位差和频率差都在0附近。

实施例二

基于同一发明构思，本实施例提供了一种支持高动态的载波跟踪系统，其解决问题的原理与所述支持高动态的载波跟踪方法类似，重复之处不再赘述。

本实施例所述的支持高动态的载波跟踪系统包括：

第一处理模块，用于对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；

第二处理模块，用于对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；

第三处理模块，用于对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；

鉴别模块，用于对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；

估算模块，用于将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算；

调整模块，用于将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整所述本地振荡器与接收信号同频同相。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于，包括：

步骤S1：对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；

步骤S2：对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；

步骤S3：对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；

步骤S4：对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；

步骤S5：将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算；

步骤S6：将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整本地振荡器与接收信号同频同相。

2.根据权利要求1所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：对接收的数字中频信号进行处理的方法为：将输入的数字中频信号与本地数字振荡器相乘产生同相的基带信号和正交的基带信号。

3.根据权利要求1所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：对所述同相的基带信号进行处理的方法为：将所述同相的基带信号与本地Gold码生成器相乘，产生解扩后的同相信号。

4.根据权利要求1所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：对所述正交的基带信号进行处理的方法为：将所述正交的基带信号与本地Gold码生成器相乘，产生解扩后的正交信号。

5.根据权利要求1所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：对解扩后的同相信号进行处理的方法为：将解扩后的同相信号输入到第一积分器得到累加的同相信号。

6.根据权利要求1所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：对解扩后的正交信号进行处理的方法为：将解扩后的正交信号输入到第二积分器得到累加的正交信号。

7.根据权利要求1所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别的方法为：将所述累加的同相信号和所述累加的正交信号送入鉴频器，鉴别出频率差；将所述累加的同相信号和所述累加的正交信号送入鉴相器，鉴别出相位差。

8.根据权利要求7所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：所述鉴相器采用四象限反正切鉴别器。

9.根据权利要求7所述的支持高动态的载波跟踪方法，其特征在于：所述鉴频器采用点积叉积法。

10.一种支持高动态的载波跟踪系统，其特征在于，包括：

第一处理模块，用于对接收的数字中频信号进行处理产生同相的基带信号和正交的基带信号；

第二处理模块，用于对所述同相的基带信号进行处理得到解扩后的同相信号，对所述正交的基带信号进行处理得到解扩后的正交信号；

第三处理模块，用于对解扩后的同相信号进行处理得到累加的同相信号，对解扩后的正交信号进行处理得到累加的正交信号；

鉴别模块，用于对所述累加的同相信号与累加的正交信号进行鉴别得到频率差以及相位差；

估算模块，用于将所述频率差和相位差作为卡尔曼滤波器的观测量，建立相位和频率的状态方程和观测方程，并对所述相位差和频率差进行估算；

调整模块，用于将所述卡尔曼滤波器输出经环路滤波器反馈到本地载波生成器，以调整所述本地振荡器与接收信号同频同相。

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