CN113093238A - 载波数控振荡器及其优化方法、导航接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载波数控振荡器及其优化方法、导航接收机，其中载波数控振荡器的优化方法包括：获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值；根据所述数字中频信号信噪比和所述输出频率测量值设置所述载波数控振荡器的内部参数，以得到与所述内部参数对应的信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率，得到优化性能参数；当所述优化性能参数预设优化条件，将所述内部参数确定为参数优化值。既能避免因内部参数相对过大导致的资源浪费，同时更能避免因内部参数相对不足导致的信号质量下降，可以减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，特别涉及一种载波数控振荡器及其优化方法、导航接收机。
背景技术
载波数控振荡器（NCO）是导航接收机中数字信号处理的关键部分。借助载波数控振荡器，接收机可以剥离数字中频信号中包括多普勒频移在内的载波，将信号下变频到基带，以便进一步得到原始的导航数据电文。载波数控振荡器的位宽和深度决定了数字中频信号在载波剥离时的信噪比损耗和频率精度，影响原始导航电文可恢复的准确性。载波数控振荡器的寄存器容量有限，相关技术中载波数控振荡器的实现方法通常是设置载波数控振荡器的位宽和深度尽可能大，但是会造成过多资源损耗和信号质量受损。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种载波数控振荡器及其优化方法、导航接收机、计算机可读存储介质，能够减少信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
根据本发明的第一方面实施例的载波数控振荡器的优化方法，获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值；根据所述数字中频信号信噪比和所述输出频率测量值设置所述载波数控振荡器的内部参数，以得到与所述内部参数对应的信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率；根据所述数字中频信号信噪比、所述信号混频后信噪比、所述输出频率测量值和所述深度优化值输出信号频率得到优化性能参数；当所述优化性能参数预设优化条件，将所述内部参数确定为参数优化值。
根据本发明实施例的载波数控振荡器的优化方法，至少具有如下有益效果：获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值，设置载波数控振荡器的内部参数，得到信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率，再根据已知数据计算优化性能参数。该方法与以往将数控振荡器的内部参数设置为恒定值不同，优化得到的内部参数是基于信噪比环境和频率精度要求动态变化的，既能避免因内部参数相对过大导致的资源浪费，同时更能避免因内部参数相对不足导致的信号质量下降，可以有效解决载波数控振荡器的内部参数设置不合理的问题，可以减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
根据本发明的一些实施例，所述内部参数包括位宽和深度，动态调整载波数控振荡器的位宽和深度，能减小中频信号信噪比损耗和频率精度误差，有效提升信号质量，还能减少载波数控振荡器只读存储器的存储容量与实际需求不平衡、不对等导致的资源浪费。
根据本发明的一些实施例，根据所述数字中频信号信噪比和所述信号混频后信噪比得到所述数字中频信号信噪比损耗；根据所述输出频率测量值和所述深度优化值输出信号频率得到所述载波数控振荡器的输出频率精度。根据上述数据计算出所述数字中频信号信噪比损耗和输出频率精度，根据内部参数下的优化性能进行计算和评估，判断改内部参数下的载波数控振荡器的优化性能是否达到预设优化条件，不符合优化要求则重新调整数控振荡器的位宽和深度。
根据本发明的一些实施例，当所述数字中频信号信噪比损耗小于或等于位宽评估参数并且所述输出频率精度小于或等于深度评估参数，将所述内部参数确定为参数优化值。当数字中频信号因混频产生的信噪比损耗和载波数控振荡器输出频率精度在可控范围内，则该条件下的数控振荡器内部参数满足优化条件，将所述内部参数确定为参数优化值。预设优化条件，包括评估位宽与深度优化效果的评估参数，根据计算得出的数字中频信号信噪比损耗和输出频率精度与优化效果评估函数对比判断是否达到优化效果，能得出相对较好的内部参数，当符合预设优化条件，即将内部参数设置为参数优化值。
根据本发明的一些实施例，所述位宽包括幅值量化位宽，所述深度包括ROM地址字长。动态调整载波数控振荡器的幅值量化位宽和ROM地址字长能减少信噪比的损耗，提升信号质量，减少因数控振荡器只读存储器的存储容量与实际需求不平衡、不对等导致的资源浪费。
根据本发明的一些实施例，周期性获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值。动态调整位宽和深度，在动态信噪比环境与动态频率要求也能较好地应对，提升载波数控振荡器对不同环境和需求的适应能力。
根据本发明的一些实施例，当所述优化性能参数未满足预设优化条件，调整所述载波数控振荡器的内部参数，直至与调整后的所述内部参数对应的优化性能参数满足所述预设优化条件，将所述调整后的内部参数确定为参数优化值。优化性能参数未满足预设优化条件时，调整内部参数，直至对应的优化性能参数满足所述预设优化条件，在调整中选取适宜的载波数控振荡器的位宽和深度，提升资源的利用效率，提升信号质量，减少载波数控振荡器只读存储器的存储容量与实际需求不平衡、不对等导致的资源浪费。
根据本发明的第二方面实施例的载波数控振荡器，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的优化方法。
根据本发明实施例的载波数控振荡器，至少具有如下有益效果：能够在尽量减小信噪比损耗和频率误差的前提下减少资源的浪费，提升信号质量，减小信噪比损耗，减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
根据本发明的第三方面实施例的导航接收机，包括如第二方面所述的载波数控振荡器。
根据本发明实施例的导航接收机，至少具有如下有益效果：能够提升信号质量，适应复杂的动态信噪比环境与动态频率要求，减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
根据本发明的第四方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面所述的优化方法。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中摘要附图要与说明书附图的其中一幅完全一致：
图1为本发明一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图；
图2为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图；
图3为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图；
图4为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图；
图5为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图；
图6为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图；
图7是本发明验证载波数控振荡器位宽优化结果图；
图8是本发明的载波数控振荡器位宽优化与传统载波数控振荡器模型的对比结果；
图9是本发明验证载波数控振荡器深度优化结果图；
图10是本发明的载波数控振荡器深度优化与传统载波数控振荡器模型的对比结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
载波数控振荡器（NCO）是导航接收机中数字信号处理的关键部分，数控振荡器的位宽和深度决定了数字中频信号在载波剥离时的信噪比损耗和频率精度，影响原始导航电文可恢复的准确性。
数控振荡器通常有三种实现方案:计算法、查找表法和CORDIC法。计算法的实现方式依赖软件计算完成，通常因计算量过大阻碍转化效率，因此一般实际应用中无法采用这种方式；而CORDIC 算法是利用旋转坐标来推导当前相位值，需要用到多种复杂运算，实现硬件电路较为困难，对硬件要求较高，运算速度可能因硬件性能不足而降低。在工程实现数控振荡器时，简单有效的常规方法是查找表法：数控振荡器输出信号的幅值存储在只读存储器中，通过相位累加改变地址信息，读取信号幅值。查找表对硬件与软件要求较为平衡，运算简单，运行速度较高，适合在扩频通信系统中使用，通常用于卫星导航接收机中。
针对载波数控振荡器的位宽与深度设置不合理导致资源过多损耗或信号质量下降的现状，且对动态信噪比环境与动态频率要求缺少同等应对能力的缺陷，本发明设计了一种载波数控振荡器的优化方法。优化得到的位宽和深度是基于信噪比环境和频率精度要求动态变化的，既能减少因位宽与深度相对过大导致的资源浪费，同时能减少因位宽与深度相对不足导致的信号质量下降，可以有效解决载波数控振荡器的位宽与深度设置不合理的问题。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
参照图1，图1为本发明一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图，载波数控振荡器的优化方法包括但不仅限于步骤S100至步骤S130。
步骤S100，获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值；
步骤S110，根据数字中频信号信噪比和输出频率测量值设置载波数控振荡器的内部参数，以得到与内部参数对应的信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率；
步骤S120，根据数字中频信号信噪比、信号混频后信噪比、输出频率测量值和深度优化值输出信号频率得到优化性能参数；
步骤S130，当优化性能参数预设优化条件，将内部参数确定为参数优化值。
可以理解的是，载波数控振荡器的优化方法包括，获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值，其中数字中频信号信噪比为环境信噪比参数，载波数控振荡器可以是处于一个动态信噪比环境，设置载波数控振荡器的内部参数，优化得到的内部参数是基于信噪比环境和频率精度要求动态变化的，影响原始导航电文可恢复的准确性。得到与内部参数对应的信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率，再根据数字中频信号信噪比、信号混频后信噪比、输出频率测量值和深度优化值输出信号频率得到优化性能参数，当优化性能参数预设优化条件，将内部参数确定为参数优化值。动态设置的内部参数能减少因位宽与深度相对过大导致的资源浪费，同时能减小因位宽与深度相对不足导致的信号质量下降，可以有效解决载波数控振荡器的内部参数设置不合理的问题。
可以理解的是，载波数控振荡器的内部参数包括位宽和深度，数控振荡器的位宽和深度决定了数字中频信号在载波剥离时的信噪比损耗和频率精度，影响原始导航电文可恢复的准确性。动态调整载波数控振荡器的位宽和深度，能够减小中频信号信噪比损耗和频率精度误差，有效优化信号质量。
参照图2，图2为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图，步骤S120包括但不仅限于步骤S200。
步骤S200,根据所述数字中频信号信噪比和所述信号混频后信噪比得到所述数字中频信号信噪比损耗；
根据所述输出频率测量值和所述深度优化值输出信号频率得到所述载波数控振荡器的输出频率精度。
可以理解的是，对于不同的输入信噪比环境和频率精度要求，调整位宽与深度使
其符合优化原则,模型表达式如下所示，当数字中频信号因混频产生的信噪比损耗和载波
数控振荡器输出频率精度在可控范围内，则该条件下的数控振荡器参数满足优化原则，如
式(1)、式(2)所示。式中，
为数字中频信号信噪比，
为信号混频后信噪比，f0为深
度优化值输出信号频率，
为载波数控振荡器输出频率稳定测量值，当信号频率达到
时不能随地址字长的增长进一步优化，
和
是分别评估位宽与深度优化效果的评
估参数。
位宽和深度决定了数字中频信号在载波剥离时的信噪比损耗和频率精度，根据动态信噪比环境和动态频率需求动态调整载波数控振荡器的位宽和深度，相较于常规的实现方式，本发明实施例具有更好的信号质量，
参照图3，图3为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图，步骤S130包括但不仅限于步骤S300。
步骤S300，当数字中频信号信噪比损耗小于或等于位宽评估参数，输出频率精度小于或等于深度评估参数，将内部参数确定为参数优化值。
可以理解的是，如式(1)、式(2)所示，
为预设的位宽评估参数，
为预设的深度
评估参数，信噪比损耗越小说明信号质量损失越小，输出频率精度越小说明频率变化越小，
频率精度在可控范围内，优化得到的位宽和深度是基于信噪比环境和频率精度要求动态变
化的，既能减小因位宽与深度相对过大导致的资源浪费，同时更能减小因位宽与深度相对
不足导致的信号质量下降，根据优化性能参数的优化评估结果动态调整位宽和深度，使信
噪比损耗和和载波数控振荡器输出频率精度在可控范围内，则该条件下的数控振荡器内部
参数满足优化原则，则将该条件下的内部参数确定为参数优化值，节省载波数控振荡器的
寄存器内存，同时能较好地解决载波数控振荡器的位宽与深度设置不合理的问题。
可以理解的是，位宽包括幅值量化位宽，深度包括ROM地址字长，通过合理设置幅值量化位宽和ROM地址字长能减小信噪比损耗，载波数控振荡器寄存器容量有限，并不适用将位宽和深度尽可能设置较大。根据数字中频信号信噪比和输出频率测量值调整幅值量化位宽和ROM地址字长，尽量减小信噪比损耗和频率误差，使载波数控振荡器能有较好的优化性能，减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
参考图4，图4为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图，步骤S100包括但不仅限于步骤S400。
步骤S400，周期性获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值。
可以理解的是，本发明载波数控振荡器的优化方法可以是涉及给定干扰和动态范围下的载波数控振荡器的优化方法，载波数控振荡器所处的环境的信噪比参数和频率精度常常是会动态变化的，若只在初始时获取一次数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值，可能会因为后期的环境信噪比参数和频率精度变化，而对优化性能参数的计算、评估出现误差，而影响对优化性能评估的结果。本实施例提出的周期性获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值，能较好地适应环境信噪比参数和频率精度变化的变化，在环境动态变化的情况下也能灵活地调节载波数控振荡器的位宽和深度，适应多变的环境，有效减少信噪比损耗和频率误差，提升信号传输的质量，减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
参考图5，图5为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图，步骤S130包括但不仅限于步骤S500。
步骤S500，当优化性能参数未满足预设优化条件，调整载波数控振荡器的内部参数，直至与调整后的内部参数对应的优化性能参数满足预设优化条件，将调整后的内部参数确定为参数优化值。
可以理解的是，在根据数字中频信号信噪比和输出频率测量值设置了载波数控振荡器的内部参数，对该参数下的载波数控振荡器的优化性能参数进行计算、评估，但该参数下的载波数控振荡器的优化性能参数未满足预设条件，可以是，当数字中频信号信噪比损耗大于位宽评估参数，或输出频率精度大于深度评估参数；对载波数控振荡器的位宽和深度进行调整，到调整后的内部参数对应的优化性能参数满足预设优化条件，再将调整后的内部参数确定为参数优化值。位宽和深度的设置往往不是一次设置就能使载波数控振荡器的优化性能参数达到优化条件的，在未满足优化条件的情况下，可以是一次调节内部参数，也可以是多次调节，使调节后的参数对应的载波数控振荡器的优化性能参数能满足预设优化条件即可，再把调整后的内部参数确定为参数优化值。本实施例能提升载波数控振荡器的灵活性，能适应各种不同的环境的信噪比参数和频率精度，提升信号传输质量，减少信号频率误差，减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
在一实施例中，本发明还提供了一种载波数控振荡器，存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的载波数控振荡器的优化方法。能够有效提升信号传输质量，减少信噪比损耗，降低频率传输误差，减少因信号处理能力与信号质量需求不平衡导致的资源浪费或信号质量损耗。
在一实施例中，本发明还提供了一种导航接收机，包括了上述的载波数控振荡器，借助载波数控振荡器，导航接收机可以离数字中频信号中包括多普勒频移在内的载波，将信号下变频到基带，以便进一步得到原始的导航数据电文，合理设置载波数控振荡器的位宽和深度，能有效减小信噪比损耗，提升信号传输频率精度，提高原始导航电文可恢复的准确性。
参考图6，图6为本发明另一个实施例提供的载波数控振荡器的优化方法的流程图。
可以理解的是，载波数控振荡器的优化方法包括，获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值，根据数字中频信号信噪比和输出频率测量值设置载波数控振荡器的内部参数，以得到与内部参数对应的信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率；根据数字中频信号信噪比、信号混频后信噪比、输出频率测量值和深度优化值输出信号频率得到优化性能参数；当优化性能参数预设优化条件，将内部参数确定为参数优化值。当优化性能参数未满足预设优化条件，调整载波数控振荡器的内部参数，直至与调整后的内部参数对应的优化性能参数满足预设优化条件，将调整后的内部参数确定为参数优化值。
参考图7，图7是本发明验证载波数控振荡器位宽优化结果图。
在不同数字中频信号信噪比的环境下，对于载波数控振荡器的位宽进行了多次调整，100次实验得到了如图6所示的不同信噪比下的幅值量化位宽优化值。
图8是本发明的载波数控振荡器位宽优化与传统载波数控振荡器模型的对比结果，相比传统数控振荡器模型，本发明的位宽优化后的信噪比损耗更小，信号传输质量得到了有效地提升。
图9是本发明验证载波数控振荡器深度优化结果图，图10是本发明的载波数控振荡器深度优化与传统载波数控振荡器模型的对比结果，相比于传统模型本发明在较多的频率下都做到了频率误差更更小，频率传输精度更高，有效地提升了信号传输的质量。
此外，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S130、图2中的方法步骤S200、图3中的方法步骤S300、图4中的方法步骤S400、图5中的方法步骤S500。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘（DVD）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，包括：
获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值；
根据所述数字中频信号信噪比和所述输出频率测量值设置所述载波数控振荡器的内部参数，以得到与所述内部参数对应的信号混频后信噪比和深度优化值输出信号频率；
根据所述数字中频信号信噪比、所述信号混频后信噪比、所述输出频率测量值和所述深度优化值输出信号频率得到优化性能参数；
当所述优化性能参数预设优化条件，将所述内部参数确定为参数优化值。
2.根据权利要求1所述的载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，所述内部参数包括位宽和深度。
3.根据权利要求2所述的载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，所述根据所述数字中频信号信噪比、所述信号混频后信噪比、所述输出频率测量值和所述深度优化值输出信号频率得到优化性能参数，包括：
根据所述数字中频信号信噪比和所述信号混频后信噪比得到所述数字中频信号信噪比损耗；
根据所述输出频率测量值和所述深度优化值输出信号频率得到所述载波数控振荡器的输出频率精度。
4.根据权利要求3所述的载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，所述当所述优化性能参数预设优化条件，将所述内部参数确定为参数优化值，包括：
当所述数字中频信号信噪比损耗小于或等于位宽评估参数，并且所述输出频率精度小于或等于深度评估参数，将所述内部参数确定为参数优化值。
5.根据权利要求2所述的载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，所述位宽包括幅值量化位宽，所述深度包括ROM地址字长。
6.根据权利要求1所述的载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，所述获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值，包括：
周期性获取数字中频信号信噪比和载波数控振荡器的输出频率测量值。
7.根据权利要求1所述的载波数控振荡器的优化方法，其特征在于，所述当所述优化性能参数预设优化条件，将所述内部参数确定为参数优化值，包括：
当所述优化性能参数未满足预设优化条件，调整所述载波数控振荡器的内部参数，直至与调整后的所述内部参数对应的优化性能参数满足所述预设优化条件，将所述调整后的内部参数确定为参数优化值。
8.一种载波数控振荡器，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的优化方法。
9.一种导航接收机，其特征在于，包括有如权利要求8所述载波数控振荡器。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至7中任意一项所述的优化方法。
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