CN113253313A - 一种改进pmf-fft系统多普勒频率估计精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进PMF‑FFT系统多普勒频率估计精度的方法，对匹配滤波器的输出进行一倍补零，然后做2N点的傅里叶运算，选取频域信号幅度的峰值的频域位置坐标，通过Quinn算法判断插值方向，计算谱线插值搬移的移动量，最后计算得出多普勒频率估计值，降低频偏估计误差。

Description

一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法
技术领域
本发明涉及GPS卫星导航处理技术领域，尤其涉及一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法。
背景技术
扩频技术具有抗干扰、抗多径、保密性好、定时测距准确、码分多址等优点，在目前的GNSS中得到了广泛的应用。对于扩频接收机接收到的信号在高动态环境中有一个很大的多普勒频率偏移及其变化率，传统的滑动相关法，频率并行搜索法和码相位并行捕获法由于捕获时间长，高实时性能和硬件复杂性和不能适应大多普勒频移和其他缺点不再适用，目前多采用分段匹配滤波(PMF)和快速傅里叶变换(FFT)相结合的PMF-FFT算法。
然而，由于FFT变换中的栅栏效应，该方法不能准确估计多普勒频移，导致多普勒频率估计误差较大。针对这些问题，提出了使用窗函数和改进窗函数来克服这些问题，进一步提高频率估计的精度；同时还提出了PMF-FFT和频谱校正相结合的采集算法三频点线性拟合两轮并行搜索方法以及IPMF-FFT(改进的PMF-FFT)等。基于伪码并行-多普勒两轮串行搜索的方法和基于FFT精细频偏估计的二次采集算法可以解决多普勒频偏估计精度的问题，但这种方法与PMF-FFT算法一样，要实现多点FFT运算需要更多的硬件资源。上述方法的改进效果不是很明显，且频偏估计误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，降低频偏估计误差。
为实现上述目的，本发明提供了一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，包括以下步骤：
对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果；
对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标；
基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值；
计算所述谱线幅值阈值和和实际信号频率偏差的估计值，得到多普勒频率估计值。
其中，对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果，包括：
通过接收端接收对应的中频信号，并对所述中频信号进行载波分离后，得到零中频信号；
对所述零中频信号进行滤波和降采样后，将得到的结果输入对应的多个部分匹配滤波器中，结合本地伪码进行计算，得到第一数量个的匹配滤波结果。
其中，对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标，包括：
对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，得到第二数量个的所述匹配滤波结果；
第二数量个的所述匹配滤波结果做点数为第二数量个的傅里叶变换运算，得到频域信号，同时获取所述频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标。
其中，基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值，包括：
基于所述频域信号的峰值相邻两个频率采样点处的谱线，计算Quinn算法插值方向判断参数及对应的判断方向；
对所述频域位置坐标相邻两个频率采样点的谱线幅值进行比较，将数值大的一个所述谱线幅值作为谱线幅值阈值。
其中，基于所述频域信号的峰值相邻两个频率采样点处的谱线，计算Quinn算法插值方向判断参数及对应的判断方向，包括：
基于所述频域信号的峰值相邻两个频率采样点处的谱线，计算出两个Quinn算法插值方向判断参数；
若两个所述Quinn算法插值方向判断参数均大于0，则表示Quinn算法插值方向向右进行；
若两个所述Quinn算法插值方向判断参数中任一个或两个都小于或等于0，则表示Quinn算法插值方向向左进行。
本发明的一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果；对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标；基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值；计算所述谱线幅值阈值和和实际信号频率偏差的估计值，得到多普勒频率估计值，降低频偏估计误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法的流程图。
图3是本发明提供的PMF-FFT系统在不同信噪比的加性高斯白噪声条件下系统幅频响应曲线。
图4是本发明提供的PMF-FFT系统多普勒频率估计误差曲线。
图5是本发明提供的算法改进后的均方频率误差。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1和图2，本发明提供一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，包括以下步骤：
S101、对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果。
具体的，设接收端接收到的中频信号为：
Figure BDA0003035074680000041
式中，Ps为信号功率，d(t)为导航电文平均值，c(t)为PN码电平值，Ts为采样间隔，τ为码延迟，fIF为中频频率，fd为多普勒频率，
Figure BDA0003035074680000042
为载波相位，n(t)为信号传输过程中叠加的噪声。
载波剥离后，得到的零中频信号为:
Figure BDA0003035074680000043
其中，PN(m)为伪码序列，fs为信号的采样频率，fd为多普勒频移，
Figure BDA0003035074680000044
为相位偏移。
假定伪码已经同步，系统的归一化幅频响应为:
Figure BDA0003035074680000045
式中，L代表伪码的长度，Tc为码元宽度。k的取值为从0到N-1。|p(k)|的峰值与预设的门限值进行比较以判断捕获的成败。
可以将上式写成两部分，即
S(wd,k)＝S1(wd)S2(wd,k)
Figure BDA0003035074680000046
Figure BDA0003035074680000047
式中，wd＝πfd/fs，P为分段滤波器的个数，N为相关长度，K为傅里叶变换的点数。S1(wd)是由部分匹配滤波器的相关累计造成的，随着多普勒频移的增大，相应的FFT输出结果也会随着下降。当N＝1时，S1(wd)最大值为1，这实质上就是去掉了部分匹配滤波器。对于S2(wd,k)，当
Figure BDA0003035074680000051
时，S2(wd,k)取最大值。此时也是系统幅频响应S(wd,k)的最大值，设定一个门限与K个FFT输出值比较，如果第k个FFT输出值超过门限，则说明伪码已经初步对准，从而得到多普勒频移的估计值
Figure BDA0003035074680000052
要使输出的幅值最大，则有
Figure BDA0003035074680000053
k＝K N fd/fs。当k不是整数时，由于FFT变换是整数运算，因此只能按四舍五入取k＝int[K N fd/fs]，相应的，这也使得信号的多普勒频移量只能以临近的谱线值频率代替。
部分匹配滤波器第n段PMFn的输出为
Figure BDA0003035074680000054
S102、对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标。
具体的，对得到的第一数量个(n)点的部分匹配滤波器输出结果x(n)进行一倍补零，补零数量为n，得到第二数量个(2n)的匹配滤波结果；对一倍补零后的结果做点数为2N的傅里叶变换运算，得到频域信号X(K)，选取所述频域信号幅度的峰值|X(k0)|，k0为峰值对应的频域位置坐标。
S103、基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值。
具体的，通过计算Quinn算法插值方向判断参数，判断插值方向：
Figure BDA0003035074680000055
其中，X(m-1)和X(m+1)为k0左右两个频率采样点m-1和m+1处的谱线，
则r为：
Figure BDA0003035074680000056
当r＝+1时，表示Quinn算法插值方向向右进行，r＝-1时表示Quinn算法插值方向向左进行。
比较k0左右两边的两个频率采样点，m+1和m-1处的谱线幅值|X(m+1)|和|X(m-1)|，选取|X(m+1)|和|X(m-1)|的较大者|X(m)|，得到谱线幅值阈值。
S104、计算所述谱线幅值阈值和和实际信号频率偏差的估计值，得到多普勒频率估计值。
具体的，计算所述谱线幅值阈值(估计频率)和和实际信号频率偏差的估计值δ：
Figure BDA0003035074680000061
最后得到多普勒频率估计值
Figure BDA0003035074680000062
为：
Figure BDA0003035074680000063
具体仿真结果参阅图3、图4和图5。为了验证上述改进算法的性能，系统仿真采用的码长为20460，匹配滤波器的个数为110，做128点的FFT变换。图3为PMF-FFT系统在不同信噪比的加性高斯白噪声条件下系统幅频响应曲线。由图3可以看出，PMF-FFT系统能够在低信噪比捕获信号的条件下，随着多普勒频移的近一步增大，系统的输出会逐渐下降，同时，在没有做相应补偿的情况下，系统会存在扇贝损失。系统的频率误差可以表示为Δfd＝fd-k×fs/KN，k为FFT变换的点数，具体具体如图4所示。多普勒频率估计误差仅与谱线的位置k有关，没有做相应的补偿，受噪声影响也较小，因此估计的多普勒频率误差较大，最大误差达一个频率分辨率，约为500Hz。通过图5可以得出，经过算法改进后，均方频率误差比原有算法的均方频率误差要小，即通过算法改进后，频率估计误差变小。通过Quinn算法校正后，在原算法的基础上，提高了系统的频率估计精度。
1.本发明是改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，针对PMF-FFT伪码捕获算法在高动态环境下出现的扇贝损失和多普勒频偏估计精度不足的问题，对算法进行优化；
2.Quinn算法是利用相位信息进行插值的，并且在信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差较小时，其左右两边的谱线的相位差位180°，因此不容易出现插值方向的错误，避免了出现误差激增的问题；
3.通过改进算法，较好的克服了栅栏效应和分段积累所造成的积累损失，使得多普勒频率的估计误差精度有了较大的提高。
有益效果
PMF-FFT系统能够在低信噪比捕获信号的条件下，随着多普勒频移的近一步增大，系统的输出会逐渐下降，同时，在没有做相应补偿的情况下，系统会存在扇贝损失。多普勒频率估计误差仅与谱线的位置k有关，没有做相应的补偿，受噪声影响也较小，因此估计的多普勒频率误差较大，最大误差达一个频率分辨率，约为500Hz。本文提出使用Quinn算法进行补偿改进，Quinn算法不容易出现插值方向错误，避免出现误差激增问题，并且均方频率误差比原有算法的均方频率误差要小，即通过算法改进后，频率估计误差变小，解决了多普勒频率估计精度不足的问题，提高了PMF-FFT系统的性能。
本发明的一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果；对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标；基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值；计算所述谱线幅值阈值和和实际信号频率偏差的估计值，得到多普勒频率估计值，降低频偏估计误差。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果；
对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标；
基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值；
计算所述谱线幅值阈值和和实际信号频率偏差的估计值，得到多普勒频率估计值。
2.如权利要求1所述的改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，其特征在于，对获取的中频信号进行载波分离，并将得到的零中频信号进行预处理后，输入多个部分匹配滤波器中进行处理，得到第一数量个的匹配滤波结果，包括：
通过接收端接收对应的中频信号，并对所述中频信号进行载波分离后，得到零中频信号；
对所述零中频信号进行滤波和降采样后，将得到的结果输入对应的多个部分匹配滤波器中，结合本地伪码进行计算，得到第一数量个的匹配滤波结果。
3.如权利要求1所述的改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，其特征在于，对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，并对补零后的结果进行傅里叶运算，得到频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标，包括：
对第一数量个的所述匹配滤波结果进行一倍补零，得到第二数量个的所述匹配滤波结果；
第二数量个的所述匹配滤波结果做点数为第二数量个的傅里叶变换运算，得到频域信号，同时获取所述频域信号幅度的峰值及对应的频域位置坐标。
4.如权利要求1所述的改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，其特征在于，基于所述频域信号幅度的峰值及对应的所述频域位置坐标，得到Quinn算法的判断方向及对应的谱线幅值阈值，包括：
基于所述频域信号的峰值相邻两个频率采样点处的谱线，计算Quinn算法插值方向判断参数及对应的判断方向；
对所述频域位置坐标相邻两个频率采样点的谱线幅值进行比较，将数值大的一个所述谱线幅值作为谱线幅值阈值。
5.如权利要求4所述的改进PMF-FFT系统多普勒频率估计精度的方法，其特征在于，基于所述频域信号的峰值相邻两个频率采样点处的谱线，计算Quinn算法插值方向判断参数及对应的判断方向，包括：
基于所述频域信号的峰值相邻两个频率采样点处的谱线，计算出两个Quinn算法插值方向判断参数；
若两个所述Quinn算法插值方向判断参数均大于0，则表示Quinn算法插值方向向右进行；
若两个所述Quinn算法插值方向判断参数中任一个或两个都小于或等于0，则表示Quinn算法插值方向向左进行。
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