CN113965435B - 一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，涉及通信领域。其包含：(1)用高倍时钟分段存储数据，采用滑动方式存储；(2)频率估计得到瞬时频差，经过环路滤波器进行滤波，将滤波后的频差进行转换，生成本地载波；(3)变频处理；(4)计算并判定频率跟踪后的剩余频偏和剩余多普勒变化率所属的范围；(5)进行下一次频率跟踪。本发明采用滑动FFT和多次重复估计的方法，实现了反馈型频率跟踪结构，提高低速信号在高动态环境下的频率跟踪范围和精度，为后续频载波恢复和解调等处理奠定了基础。

Description

一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别是指一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法。

背景技术

随着高速铁路、高速公路和低中轨卫星等通信业务的发展，高动态场景下的无线移动通信应用需求与日俱增，不再局限于简单的话音通信，视频、图像及移动互联网等高速数据传输已成为当前的迫切需要。但是，高动态场景的移动通信信道条件更为复杂多变，尤其是收发双方相对运动速度快，不可避免产生大的多普勒频移，加深了系统码间串扰，降低接收端解调性能，严重影响系统传输的可靠性。

目前，接收端对低速信号的频偏估计的范围和精度相互矛盾，二者难以同时满足要求。如何在保证频率估计范围的情况下进一步提高估计精度，实现稳定可靠的高动态无线通信亟待解决的问题。

发明内容

针对上述背景技术中的缺陷，本发明提供一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，能够很好地适用于高动态情况下的数字通信系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，应用于移动通信系统，包括以下步骤：

步骤(1)，终端利用定时同步后的信号，采用滑动方式分段存储数据，即每隔N个符号存储一段长度为L的数据，然后用高倍钟读出和处理；其中，L<2048，N≥1；

步骤(2)，对每段数据进行频率估计，得到频偏f₁；估计出的频偏f₁经过环路滤波器进行滤波；将滤波后的频偏f₂进行转换，生成本地复载波C₁；

步骤(3)，将本地复载波C₁环回到变频模块，C₁与所述定时同步后的信号进行复数相乘，实现变频功能；

步骤(4)，计算前次频率跟踪后的剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，并判定其所属的子集；具体方式为：

根据采用的调制方式和符号速率，将剩余频偏和剩余多普勒变化率划分为两个子集，其中，子集A包含前次频率跟踪后能够满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率，子集B为前次频率跟踪后仍不满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率；剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，若属于子集A，则完成频率跟踪，输出最终结果；若属于子集B，则进行步骤(5)；

步骤(5)，重复步骤(1)～步骤(4)，进行下一次频率跟踪。

进一步的，步骤(4)中，剩余频偏Δf采用FFT方式进行估计；

剩余多普勒变化率Δa的计算方法为：

(Δf₁-Δf₂)/(T₁-T₂)

其中，Δf₁为T₁时刻的剩余频偏，Δf₂为T₂时刻的剩余频偏。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明非常适合低速信号的高动态情况，所采用的滑动FFT方式解决了低速信号跟踪高动态困难的问题。此外，两步频率估计提高了频率估计的范围和精度。

2、本发明不需要改变信号的原有帧结构，直接利用通信传输数据固有帧的结构特点，无其他额外要求。

3、本发明可采用计算简单的矩形窗加快速傅里叶变换，计算简单，可节省硬件资源，且易于实现，复杂度低，适合FPGA实现，便于工程应用。

附图说明

图1是本发明实施例方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一，移动通信系统终端利用定时同步后的接收信号，采用滑动方式分段存储数据，即每隔N个符号存储一段长度为L的数据，然后用高倍钟读出和处理；其中N为正整数，N取值大小与频率变化率有关，频率变化率越大，N越小。数据长度L的值与信噪有关，低信噪比时，L值较大。

步骤二，采用FFT方式或其他方式对每段数据进行频率估计，得到频偏f₁；估计出的频偏f₁经过环路滤波器，进行滤波，滤除偏差较大的点；将滤波后的频偏f₂进行转换，生成本地复载波C₁；

步骤三，将本地复载波C₁环回到变频模块，C₁与定时同步后的数据进行复数相乘，实现变频功能；

步骤四，计算频率跟踪后的剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，并判定其所属的范围；具体来说，根据采用的调制方式和符号速率，将剩余剩余频偏和剩余多普勒变化率划分为两个子集，子集A包含采用频率跟踪后能够满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率，子集B为不满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率；剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，若属于子集A，则完成频率跟踪，输出最终结果；若属于子集B，则进行步骤五；

其中，剩余频偏Δf采用FFT方式进行估计；

剩余多普勒变化率Δa的计算方法为：

(Δf₁-Δf₂)/(T₁-T₂)

式中，Δf₁为T₁时刻的剩余频偏，Δf₂为T₂时刻的剩余频偏；

步骤五，重复步骤一～步骤四，进行下一次频率跟踪。

本方法采用滑动FFT和多次重复估计的方法，实现了反馈型频率跟踪结构，提高低速信号在高动态环境下的频率跟踪范围和精度，为后续频载波恢复和解调等处理奠定了基础。

以下为一个更具体的例子：

参照图1，一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，其步骤如下：

(1)终端将完成定时同步的接收信号，采用滑动方式分段存储数据，可以每隔1个或多个符号存储一段长度为32或更多数量的数据，然后用高倍钟读出和处理。其中，符号速率用f_sym表示。

(2)采用FFT方式或其他方式对每段数据进行频率估计，得到频偏f₁；估计出的频偏f₁经过环路滤波器，进行滤波，滤除偏差较大的点；将滤波后的频偏f₂进行转换，生成本地复载波C₁；

根据传输符号速率FFT估计长度计算第一次频率估计最大值f_max1和粗估计精度f_min1，表示如下：

假设同步导引为p(n)(n＝0,1,…,N-1)，采用矩形窗加FFT估计法计算频率值，过程如下：

第一步估计的频率值f₁经过环路滤波器后，生成f₂，f₂经过变换生成本地复载波C₁。

(3)将本地复载波C₁环回到变频模块，C₁与定时后的数据进行复数相乘，实现变频功能；

用本振信号C₁，对后续接收数据r(n)进行差频频谱搬移得到r′(n)，过程表示如下：

其中，Re(·)表示取表达式实部，r^*(n)表示r(n)的正交分量。

(4)计算频率跟踪后的剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，并判定其所属的范围；

剩余频偏Δf的计算方法为：采用FFT方式进行估计；

剩余多普勒变化率Δa的计算方法为：

(Δf₁-Δf₂)/(T₁-T₂)

其中，Δf₁为T₁时刻的剩余频偏，Δf₂为T₂时刻的剩余频偏。

根据采用的调制方式和符号速率，将剩余频偏和剩余多普勒变化率划分为两个子集，子集A包含采用频率跟踪后能够满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率，子集B为不满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率；剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，若属于子集A，则完成频率跟踪，输出最终结果；若属于子集B，则进行步骤五；

(5)重复步骤(1)～步骤(4)，进行下一次频率跟踪。

完成适用于低速信号的高动态频率跟踪方法。

总之，本发明通过滑动存储方式实现连续频率估计，提高了频率估计的实时性，对高动态有很好的跟踪作用；此外，通过二次频率估计，提高了频率估计和频率跟踪的精度。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员根据本发明的技术方案及其发明构思作出的等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，其特征在于，应用于移动通信系统，包括以下步骤：

步骤(1)，终端利用定时同步后的信号，采用滑动方式分段存储数据，即每隔N个符号存储一段长度为L的数据，然后用高倍钟读出和处理；其中，L<2048，N≥1；

步骤(2)，对每段数据进行频率估计，得到频偏f₁；估计出的频偏f₁经过环路滤波器进行滤波；将滤波后的频偏f₂进行转换，生成本地复载波C₁；

步骤(3)，将本地复载波C₁环回到变频模块，C₁与所述定时同步后的信号进行复数相乘，实现变频功能；

步骤(4)，计算前次频率跟踪后的剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，并判定其所属的子集；具体方式为：

根据采用的调制方式和符号速率，将剩余频偏和剩余多普勒变化率划分为两个子集，其中，子集A包含前次频率跟踪后能够满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率，子集B为前次频率跟踪后仍不满足估计精度要求的频偏和多普勒变化率；剩余频偏Δf和剩余多普勒变化率Δa，若属于子集A，则完成频率跟踪，输出最终结果；若属于子集B，则进行步骤(5)；

步骤(5)，重复步骤(1)～步骤(4)，进行下一次频率跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种适用于低速信号的高动态频率跟踪方法，其特征在于：步骤(4)中，剩余频偏Δf采用FFT方式进行估计；

剩余多普勒变化率Δa的计算方法为：

(Δf₁-Δf₂)/(T₁-T₂)

其中，Δf₁为T₁时刻的剩余频偏，Δf₂为T₂时刻的剩余频偏。