CN113542173A - 基于自动频率控制的载波频偏抑制方法、系统、介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自动频率控制的载波频偏抑制方法、系统、介质及设备，包括：步骤1：根据下变频后的正交I、Q信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位；步骤2：计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度，求出平均估计值；步骤3：根据平均估计值计算调频波频率摆动的幅度；步骤4：根据计算得到的调频波频率摆动的幅度，修改本地载波频率值。本发明通过滑窗两头的瞬时相位求出平均估计值，从而修正本地载波频率值，实现载波频偏抑制，适用性强且抗干扰能力强，能够适应较大频偏变化率。

Description

基于自动频率控制的载波频偏抑制方法、系统、介质及设备

技术领域

本发明涉及无线电监测技术领域，具体地，涉及一种基于自动频率控制的载波频偏抑制方法、系统、介质及设备。

背景技术

在无线通信系统中，自动频率控制的主要作用是使本地载波信号的频率与接收信号的频率保持同步，特别是在发射信号出现不稳定情况时也能保持稳定接收，从而提高抗干扰能力。为此，就需要在自动频率控制中研究一种有效的载波频偏抑制方法，目前已有的载波频偏抑制方法有基于二阶数字锁相环的频偏抑制方法，滑窗最大最小值法和滑窗平均值法。基于二阶数字锁相环的频偏抑制方法主要存在有用信号的低频分量被滤除、FPGA实现时硬件资源被消耗较多等缺点。滑窗最大最小值法虽然易于FPGA实现，能够适应较大频偏变化率，适用性较强等优点，但抗干扰能力弱。滑窗平均值法具有计算量小、易于FPGA实现等优点，且抗干扰能力强，估计值更逼近真实值，已有的滑窗平均值法实现自动频率控制框图如图1所示，是在数字鉴相后进行数字鉴频，然后采用正负分离判决后累加平均的方法计算频偏估计值，具体实现步骤如下：

第一步，数字鉴相即从下变频后的I(n)、Q(n)求出当前状态的瞬时相位

第二步，数字鉴频即计算相邻状态的相位差：

第三步，对

采用正负分离判决后累加平均的方法计算出平均估计值y(n)，具体实现框图如图2所示：

选择合适的“+”判决门限和“-”判决门限，大于“+”判决门限的值时频偏值在累加器(+)中累加，小于“-”判决门限的值时频偏值在累加器(-)中累加。最后，当达到累加深度时才进行平均值的计算。

专利文献CN102647382A(申请号：CN201110039291.1)公开了一种联合估计方法及装置，其中方法包括：对接收到的数据进行时间间隔抽样，得到与本地同步序列长度相同的接收数据序列；按照预设的第一滑动窗，将所述本地同步序列与所述接收数据序列进行时域相关运算，得到相关运算结果，所述相关运算结果为n×m的数组，其中，n为定时搜索范围的长度，也就是指滑动窗滑动的范围值，m与整数倍频偏的搜索范围相关，所述数组的每一列对应一个整数倍频偏值；搜索所述相关运算结果中的最大值，利用所述最大值分别得到整数倍频偏的估计值和粗定时值。然而该专利的已有的滑窗平均值法需要较多的存储空间以及累加过程中的位数扩展的不确定性，浪费FPGA资源，不便于工程实现。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于自动频率控制的载波频偏抑制方法、系统、介质及设备。

根据本发明提供的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法，包括：

步骤1：根据下变频后的正交I、Q信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位；

步骤2：计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度，求出平均估计值；

步骤3：根据平均估计值计算调频波频率摆动的幅度；

步骤4：根据计算得到的调频波频率摆动的幅度，修改本地载波频率值。

优选的，平均估计值的计算公式为：

其中，

为瞬时相位，N为滑窗长度，n为滑窗位置对应序号，在I、Q信号为角度调制信号的状态下，N＞fs/f0，fs为抽取后采样率，f0为基带信号频率。

优选的，调频波频率摆动的幅度的计算公式为：

Δf＝K*y(n)*fs

其中，K为测试定标值。

优选的，修改后的本地载波频率值为f+Δf，其中，f为解调设置初始频率。

根据本发明提供的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统，包括：

模块M1：根据下变频后的正交I、Q信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位；

模块M2：计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度，求出平均估计值；

模块M3：根据平均估计值计算调频波频率摆动的幅度；

模块M4：根据计算得到的调频波频率摆动的幅度，修改本地载波频率值。

优选的，平均估计值的计算公式为：

其中，

为瞬时相位，N为滑窗长度，n为滑窗位置对应序号，在I、Q信号为角度调制信号的状态下，N＞fs/f0，fs为抽取后采样率，f0为基带信号频率。

优选的，调频波频率摆动的幅度的计算公式为：

Δf＝K*y(n)*fs

其中，K为测试定标值。

优选的，修改后的本地载波频率值为f+Δf，其中，f为解调设置初始频率。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

根据本发明提供的一种基于自动频率控制的载波频偏抑制设备，包括：控制器；

所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明通过滑窗两头的瞬时相位求出平均估计值，从而修正本地载波频率值，实现载波频偏抑制，适用性强且抗干扰能力强，能够适应较大频偏变化率；

(2)本发明采用的滑窗最大最小值法易于FPGA实现，有效节约了FPGA资源，有利于工程实现。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有的滑窗平均值估计法实现自动频率控制框图；

图2为现有的正负分离判决后累加平均法框图；

图3为本发明提供的新型载波频偏抑制框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

根据本发明提供的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法，包括：

步骤1、从下变频后的I(n)、Q(n)信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位

n为滑窗位置对应序号；

步骤2、计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度N，求出平均估计值y(n)；

公式为：

在I(n)、Q(n)信号为角度调制信号的状态下，N＞fs/f0，fs为抽取后采样率，f0为基带信号频率；

步骤3、频偏Δf＝K*y(n)*fs，K为测试定标值；

步骤4、修改本地载波频率值为f+Δf，f为解调设置初始频率。

根据本发明提供的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统，包括：模块M1：根据下变频后的正交I、Q信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位；模块M2：计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度，求出平均估计值；模块M3：根据平均估计值计算调频波频率摆动的幅度；模块M4：根据计算得到的调频波频率摆动的幅度，修改本地载波频率值。

平均估计值的计算公式为：

其中，

为瞬时相位，N为滑窗长度，n为滑窗位置对应序号，在I、Q信号为角度调制信号的状态下，N＞fs/f0，fs为抽取后采样率，f0为基带信号频率。调频波频率摆动的幅度的计算公式为：Δf＝K*y(n)*fs，其中，K为测试定标值。修改后的本地载波频率值为f+Δf，其中，f为解调设置初始频率。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

根据本发明提供的一种基于自动频率控制的载波频偏抑制设备，包括：控制器；所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统。

如图3所示，本发明对滑窗平均值法进行改进，通过算法推导，直接对鉴相后的相位信号进行运算，实现有效的载波频偏抑制。

自动频率控制对数字下变频后的I、Q信号进行数字鉴相，计算出各点的瞬时相位，通过数字鉴频得到频率输出，由于此时的频率值中还包含有载波频偏成分，需要通过载波频偏抑制算法消除载波频偏的影响。具体实现步骤及公式推导如下：

从下变频后的I(n)、Q(n)，求出当前状态的瞬时相位

反正切运算可以通过CORDIC算法实现，但是直接求arctan()的值求出的信号可能出现波形跳变，严重失真，需要进行相位修正来消除失真影响。

求修正序列C(n)表示为：

其中，C(0)＝0，则修正后的相位

计算相邻状态的相位差：

对

用滑窗平均值法计算出平均估计值y(n)；

其中，i为序列号，根据以上公式推导，在已有的滑窗平均值法的基础上进行改进，只需要数字鉴相，不需要数字鉴频，不需要判决及滑窗长度为N的数据累加，只需要计算滑窗两头的瞬时相位差除以窗长度N即可求出平均估计值y(n)。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于自动频率控制的载波频偏抑制方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据下变频后的正交I、Q信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位；

步骤2：计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度，求出平均估计值；

步骤3：根据平均估计值计算调频波频率摆动的幅度；

步骤4：根据计算得到的调频波频率摆动的幅度，修改本地载波频率值。

2.根据权利要求1所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法，其特征在于，平均估计值的计算公式为：

其中，

为瞬时相位，N为滑窗长度，n为滑窗位置对应序号，在I、Q信号为角度调制信号的状态下，N＞fs/f0，fs为抽取后采样率，f0为基带信号频率。

3.根据权利要求2所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法，其特征在于，调频波频率摆动的幅度的计算公式为：

Δf＝K*y(n)*fs

其中，K为测试定标值。

4.根据权利要求3所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法，其特征在于，修改后的本地载波频率值为f+Δf，其中，f为解调设置初始频率。

5.一种基于自动频率控制的载波频偏抑制系统，其特征在于，包括：

模块M1：根据下变频后的正交I、Q信号进行数字鉴相，计算当前状态的瞬时相位；

模块M2：计算滑窗两头的瞬时相位差，再除以滑窗长度，求出平均估计值；

模块M3：根据平均估计值计算调频波频率摆动的幅度；

模块M4：根据计算得到的调频波频率摆动的幅度，修改本地载波频率值。

6.根据权利要求5所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统，其特征在于，平均估计值的计算公式为：

其中，

为瞬时相位，N为滑窗长度，n为滑窗位置对应序号，在I、Q信号为角度调制信号的状态下，N＞fs/f0，fs为抽取后采样率，f0为基带信号频率。

7.根据权利要求6所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统，其特征在于，调频波频率摆动的幅度的计算公式为：

Δf＝K*y(n)*fs

其中，K为测试定标值。

8.根据权利要求7所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统，其特征在于，修改后的本地载波频率值为f+Δf，其中，f为解调设置初始频率。

9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。

10.一种基于自动频率控制的载波频偏抑制设备，其特征在于，包括：控制器；

所述控制器包括权利要求9所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求5至8中任一项所述的基于自动频率控制的载波频偏抑制系统。

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