CN112714088A

CN112714088A - 动态多普勒频偏估计方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN112714088A
Application number: CN202011537514.2A
Authority: CN
Inventors: 张兆维; 殷俊; 相雪; 池淼; 乐倩; 唐子轩; 陈苏南; 惠静
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2021-04-27

Abstract

本发明公开了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法、装置及存储介质，旨在解决解决低信噪比和高动态环境下的载波多普勒频偏的检测问题。其包括：对预处理后的扩频码元信号进行快速傅里叶变换和非相干累积处理，获得扩频码元信号累积结果；从扩频码元信号累积结果中选取有效元素，进而修正扩频码元信号累积结果；利用预设的滑动窗口在修正后的扩频码元信号累积结果上进行滑动，获得多个子窗口，并找出最大子窗口；根据最大子窗口的有效元素的序号平均值计算多普勒频偏估计。本发明能够排除更多的噪声元素并将多个信号元素累积起来，提高了多普勒频偏的检测概率。

Description

动态多普勒频偏估计方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法、装置及存储介质，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着航天技术的发展，航天器的飞行距离越来越远，甚至超过太阳系范围，而且航天器的飞行速度也越来越快。目前，航天通信面临以下两个问题：(1)通信距离的增大会造成很大的路径损耗，从而严重降低接收信号的信噪比；(2)通信载体的高速(超过第三宇宙速度16.7km/s)和高加速度(可达几百g，g＝9.8m/s2)运动使得信号载波频率产生很大的多普勒频偏。为了恢复信号，接收端的载波解调必须补偿多普勒频偏，而补偿多普勒频偏的关键就在于如何准确地估计出多普勒频偏的数值。因此，低信噪比和高动态场景下载波多普勒频偏估计就成为航天通信的核心技术之一。

当前，航天通信(尤其是测控通信)的信号主要采用扩频体制且速率较低，在此情形下，载波多普勒频偏估计方法主要分为以下两类：滑动相关和快速傅里叶变换(fastFourier transform,FFT)。滑动相关方法首先将频率搜索范围划分为若干个小间隔，然后通过不断地调整本地频率并与接收信号进行相关处理，直至相关值超过估计门限；在多普勒变化范围很大的情况下，滑动相关估计方法需要搜索的次数过多，进而导致估计时间很长。FFT方法首先将接收到的码元信号从时域转换到频域，然后在频域上进行最大似然搜索得到频域谱峰，是当前应用最为广泛的方法，但是，在低信噪比和高动态场景下，FFT方法受到很多限制，降低了多普勒频偏的估计性能。

通过研究发现，低信噪比要求长时间信号累积以提高信号能量；而高加速度引起的能量扩散问题严重限制了信号累积效果。因此，在低信噪比和高动态环境下，如何提高载波多普勒频偏的检测概率就成为一个极富挑战性的技术难题。

发明内容

为了解决低信噪比和高动态环境下的载波多普勒频偏的检测问题，本发明提出了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法、装置及存储介质，在部分扩频码元信号的基础上，利用滑动窗口进行信号累积，能够抑制低信噪比和高动态场景下长时间信号累积导致的能量扩散问题，提高多普勒频偏的检测概率。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法，包括如下步骤：

获取多个扩频码元信号，并对其进行预处理；

基于预处理后的扩频码元信号进行快速傅里叶变换和非相干累积处理，获得扩频码元信号累积结果；

根据扩频码元信号累积结果中的有效元素修正扩频码元信号累积结果；

利用预设的滑动窗口在修正后的扩频码元信号累积结果上进行滑动处理，获得多个子窗口；

根据修正后的扩频码元信号累积结果计算每个子窗口的大小，获得最大子窗口；

根据最大子窗口的有效元素的序号平均值计算多普勒频偏估计。

结合第一方面，进一步的，所述预处理包括解扩处理和离散化采样处理。

结合第一方面，进一步的，所述预处理后的扩频码元信号为

其中，x^[i]表示第i个预处理后的扩频码元信号，

表示第i个预处理后的扩频码元信号的第n段，i＝1,2...,L，L为扩频码元信号总数，n＝0,1,...,N-1，N为扩频码元信号长度；

的表达式如下：

其中，a为扩频码元信号的振幅，b表示比特速率为r_b的二进制码元数据信息，f_d表示第i个扩频码元上的多普勒初始频偏，f_s表示扩频码元信号的采样频率，f_a表示多普勒加速度，

为第i个扩频码元信号的初始相位，w_n表示均值为0、方差为σ²的高斯白噪声。

结合第一方面，进一步的，获得扩频码元信号累积结果的具体操作如下：

对每一个预处理后的扩频码元信号进行N_f点的快速傅里叶变换，则第i个预处理后的扩频码元信号x^[i]对应的N_f点频域向量为：

I^[i]＝fft(x^[i]) (2)

其中，I^[i]表示x^[i]对应的N_f点频域向量，

表示I^[i]中的第m个频域元素，fft(·)表示N_f点的复数快速傅里叶变换，m＝0,1,2,...,N_f-1，N_f≥N；

基于每个预处理后的扩频码元信号的N_f点频域向量，对L个预处理后的扩频码元信号进行非相干累积，获得扩频码元信号累积结果：

其中，I_c表示扩频码元信号累积结果，

I_c,m表示扩频码元信号第m个累计值，|·|表示取绝对值；

I_c,m的表达式为：

结合第一方面，进一步的，扩频码元信号累积结果的修正过程如下：

从扩频码元信号累积结果中选取N_c个有效元素：

其中，e₀表示扩频码元信号累积结果中序号为0的有效元素，e_p表示扩频码元信号累积结果中的第p个有效元素，N_c为扩频码元信号累积结果中有效元素的数量，N_c≥1；

利用有效元素修正扩频码元信号累积结果，获得多个修正后的扩频码元信号累积值，具体公式如下：

其中，

表示第m个修正后的扩频码元信号累积值，e表示有效元素集合，

利用修正后的扩频码元信号累积值组成修正后的扩频码元信号累积结果

结合第一方面，进一步的，预设的滑动窗口的宽度为：

其中，L_win表示滑动窗口的宽度。

结合第一方面，进一步的，子窗口大小的计算公式如下：

其中，s_q表示第q个子窗口的大小，L_win表示滑动窗口的宽度，

表示第m个修正后的扩频码元信号累积值，q＝0，1,...,N_f-L_win-1，N_f为快速傅里叶变换点数。

结合第一方面，进一步的，多普勒频偏估计的计算过程如下：

根据最大子窗口计算其有效元素的序号平均值，计算公式如下：

其中，

表示最大子窗口的有效元素的序号平均值，λ_max表示最大子窗口的序号，

表示最大子窗口中有效元素的个数，

表示最大子窗口，e表示扩频码元信号累积结果中的有效元素集合；

根据

计算多普勒频偏估计，计算公式如下：

其中，

表示多普勒频偏估计，f_s表示扩频码元信号的采样频率。

第二方面，本发明提出了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行本发明第一方面所述方法的步骤。

第三方面，本发明提出了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面所述方法的步骤。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法、装置及存储介质，通过快速傅里叶变换和非相干累积获得扩频码元信号累积结果，然后从扩频码元信号累积结果中选取部分较大元素作为有效元素，从而排除更多的噪声元素；本发明在修正后的扩频码元信号累积结果上进行滑动处理，进而将多个信号元素累积起来，有效地提高信号累积增益，从而提高了多普勒频偏的检测概率。

与现有技术相比，本发明的多普勒频偏估计时间较短、信号累积增益高、估计结果准确度高，能够有效抑制低信噪比和高动态场景下长时间信号累积导致的能量扩散问题，更适合低信噪比和高动态环境下的载波多普勒频偏估计。

附图说明

图1为本发明一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中利用滑动窗口获得子窗口的示意图；

图3为本发明实施例中多普勒频偏检测概率的仿真结果对比图；

图4为本发明实施例中FFT方法下多普勒频偏估计结果仿真图；

图5为本发明实施例中本发明方法下多普勒频偏估计结果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1、获取多个扩频码元信号，并对其进行预处理。

设航天通信的信号接收端接收到L个扩频码元信号，对所有扩频码元信号进行解扩处理和离散化采样处理，得到预处理后的扩频码元信号。

记第i个预处理后的扩频码元信号

其中，

表示第i个预处理后的扩频码元信号的第n段，i＝1,2...,L，n＝0,1,...,N-1，N为扩频码元信号长度，N＝f_s/r_b，f_s表示扩频码元信号的采样频率，r_b为比特速率。

的表达式如下：

其中，a为扩频码元信号的振幅，b表示比特速率为r_b的二进制码元数据信息，f_d表示第i个扩频码元上的多普勒初始频偏，f_a表示多普勒加速度，

步骤2、基于预处理后的扩频码元信号进行快速傅里叶变换和非相干累积处理，获得扩频码元信号累积结果；具体操作如下：

步骤201、对每一个预处理后的扩频码元信号进行N_f点的快速傅里叶变换，则第i个预处理后的扩频码元信号x^[i]对应的N_f点频域向量为：

I^[i]＝fft(x^[i]) (12)

其中，I^[i]表示第i个预处理后的扩频码元信号x^[i]对应的N_f点频域向量，

表示I^[i]中的第m个频域元素，fft(·)表示N_f点的复数快速傅里叶变换，m＝0,1,2,…,N_f-1，N_f≥N。

步骤202、基于每个预处理后的扩频码元信号的N_f点频域向量，对L个预处理后的扩频码元信号进行非相干累积，获得扩频码元信号累积结果I_c，I_c的计算公式如下：

其中，|·|表示取绝对值。

扩频码元信号累积结果中包括多个扩频码元信号累计值，因此，I_c可以表示为

其中，I_c,m表示扩频码元信号第m个累计值，I_c,m的表达式为：

步骤3、根据扩频码元信号累积结果中的有效元素修正扩频码元信号累积结果；具体操作如下：

步骤301、比较扩频码元信号累积结果中的N_f个扩频码元信号累计值的大小，人工设置扩频码元信号累积结果的有效元素个数N_c，根据仿真实验，N_c的取值范围是N_f的10％～50％；从扩频码元信号累积结果中选取N_c个较大的元素(即扩频码元信号累计值)作为有效元素，然后按照大小顺序生成有效元素集合

具体的：

其中，e₀表示扩频码元信号累积结果中序号为0的有效元素，即I_c中数值最大的扩频码元信号累计值，e_p表示扩频码元信号累积结果中的第p个有效元素，N_c为扩频码元信号累积结果中有效元素的数量，1≤N_c＜N_f。

步骤302、利用有效元素修正扩频码元信号累积结果，获得多个修正后的扩频码元信号累积值，具体公式如下：

其中，

表示第m个修正后的扩频码元信号累积值。

根据公式(16)获得修正后的扩频码元信号累积结果

记为：

利用公式(16)修正后，I_c中不在有限元素集合内的点设置为0，在有效元素内的点保持不变，从而可以排除更多的噪声元素。

步骤4、利用预设的滑动窗口在修正后的扩频码元信号累积结果上进行滑动处理，获得多个子窗口。本发明构造了一个滑动窗口，其宽度为L_win，宽度的表达式为：

利用滑动窗口在修正后的扩频码元信号累积结果

上进行滑动，可以得到多个子窗口，第q个子窗口的表达式如下：

其中，

表示第q个子窗口，

表示位于

中的

的第q个修正后的扩频码元信号累积值，q＝0，1,...,N_f-L_win-1。

在本发明实施例中，运用有效元素排除更多的噪声元素，然后利用窗口将扩散的信号能量重新累积起来，获得的子窗口如图2所示。

步骤5、根据修正后的扩频码元信号累积结果计算每个子窗口的大小，进而获得最大子窗口。

本发明中子窗口大小的计算公式如下：

其中，s_q表示第q个子窗口的大小。

从所有子窗口

中筛选出最大子窗口，具体如下：

其中，

表示最大子窗口。

步骤6、根据最大子窗口的有效元素的序号平均值计算多普勒频偏估计，具体操作如下：

步骤601、根据最大子窗口计算其有效元素的序号平均值，计算公式如下：

其中，

表示最大子窗口中有效元素的个数，

是通过上述步骤计算得到的，在不同的数据分布下，

的值可能不同。

步骤602、根据

计算多普勒频偏估计，计算公式如下：

其中，

表示多普勒频偏估计。

本发明还提出了一种基于部分滑动窗口的动态多普勒频偏估计装置，包括处理器及存储介质；其中，存储介质用于存储指令；处理器用于根据所述指令进行操作以执行本发明的动态多普勒频偏估计方法的步骤。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明的动态多普勒频偏估计方法的步骤。

本发明实施例中给出了一个具体的对比实验，来验证本发明的效果：

对比实验参数如下：以空间飞行器测控为例，信号载波频率f_c＝30GHz，飞行器运动速度和加速度的最大值分别为18×10³m/s和180g(g＝9.8m/s²)。根据运动速度和加速度可以得到多普勒及其加速度的最大值分别为1.8MHz和176kHz/s。扩频C/A码长度为2046且码率为10.23Mcp/s，码元二进制数据速率为5kb/s，采样频率f_s＝10.23MHz，码元信号初始相位

多普勒估计可容忍误差门限θ＝10×10³Hz，FFT点数N_f＝2048，累积周期长度L＝400，有效元素个数N_c＝150，信噪比范围SNR＝a²/σ²∈[-33,-41]dB。

在对比实验中，分别利用本发明方法、滑动窗口方法、FFT方法、短时傅里叶方法进行多普勒频偏估计，获得的多普勒频偏检测概率如图3所示，从图3可以看出，短时傅里叶方法通常要求较高的信噪比条件，因此其检测概率随信噪比的下降而急剧下降；FFT方法在长时间累积过程中会出现严重的能量扩散问题，进而导致检测概率下降；传统的滑动窗口方法考虑了所有的噪声元素，但是其检测概率仍然不如本发明方法。本发明方法在估计过程中排除了更多的噪声元素，然后将信号能量累积起来，提高了信号累积增益，从而显著地提高多普勒频偏检测概率。

图4是FFT方法下多普勒频偏估计结果仿真图，图5是本发明方法下多普勒频偏估计结果仿真图，通过对比图4和图5可以看出，本发明方法将三个信号元素累积到一个子窗口，使其成为最大的子窗口从而纠正了原先的最大噪声元素(图中最大元素为噪声元素)，因此本发明的多普勒频偏估计结果更加准确可靠。

综上所述，相比于传统多普勒频偏估计方法，本发明方法排除了更多的噪声元素并将多个信号元素累积起来，有效地提高信号累积增益，更适合低信噪比和高动态环境下的载波多普勒频偏估计。

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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。