CN114244656B - 一种多通道载波前向频率估计装置及估计方法 - Google Patents

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Abstract

一种多通道载波前向频率估计装置及估计方法，包括输入通道分配模块、前向频率估计模块、锁存选择输出模块，先对多通道输入的信号进行基于忙闲状态的按申请通道分配，然后根据不同场景输入调制或未调制信号，设置不同的“模式切换控制”信号，接着通过频率估计参数的设置，进行基于查找表和流水线的MM频率估计方法，最后与输入通道分配结果相对应，锁存输出频率估计结果。采用简化结构、多通道复用、频率估计模式可控切换的设计思路，结构简单，节省了执行时间和硬件资源消耗，提高了资源利用效率，满足了多用户应用场景的载波多普勒频差估计的需求。

Description

一种多通道载波前向频率估计装置及估计方法
技术领域
本发明涉及用于多通道输入的载波多普勒频移快速估计装置及方法的技术领域。
背景技术
国内外低轨卫星通信系统正蓬勃发展，但是因低轨卫星对地非静止，它与卫星通信地球站的相对运动会产生多普勒频移，影响接收性能。为克服这一问题，接收端需要对多普勒频移进行精确估计，从而为补偿多普勒频移提供条件。前向频率估计常用于多普勒频移的快速估计，适用于卫星通信信道环境。
但是，目前的前向频率估计仅支持对单通道输入载波的频率估计，随着低轨卫星用户数量的增多，接入需求日益增长，十分需要一种结构简单、资源利用效高、频率估计速率快的多通道载波前向频率估计器。
发明内容
本发明目的是提供一种多通道载波前向频率估计装置及估计方法，采用简化结构、多通道复用、频率估计模式可控切换的设计思路，结构简单，节省了执行时间和硬件资源消耗，提高了资源利用效率，满足了多用户应用场景的载波多普勒频差估计的需求。
一种多通道载波前向频率估计装置，包括：
输入通道分配模块，用于完成多通道数据输入的存储，处理多通道频率估计申请信号，并根据前向频率估计模块的忙闲情况，分配进入前向频率估计模块的通道数据，并向频率估计模块发送申请。该模块包括申请处理单元和通道数据选择单元。
申请处理单元，用于完成多通道输入的申请信号的接收、排序，并在收到前向频率估计模块的空闲标志信号后，控制选择排序最高的通道数据输出，同时向前向频率估计模块输出申请信号，用于启动申请处理单元工作。
通道数据选择单元根据申请处理单元输出的选择控制信号，进行多通道数据存储器的选择读取，输出到前向频率估计模块。
前向频率估计模块，用于接收输入通道分配模块分配的通道数据；利用查找表和流水线的结构，实现基于自相关函数的MM前向频率估计算法。
锁存选择输出模块，根据输入通道分配模块的分配结果，通过前向频率估计模块的完成标示信号，将频率估计结果锁存，并选择对应通道输出。
本发明先对多通道输入的信号进行基于忙闲状态的按申请通道分配，然后根据不同场景输入调制或未调制信号，设置不同的“模式切换控制”信号，接着通过频率估计参数的设置，进行基于查找表和流水线的MM频率估计方法，最后与输入通道分配结果相对应，锁存输出频率估计结果。
MM频率估计方法包括如下步骤：
自相关函数表示为
Figure BDA0003418324320000021
Zk为接收到的信号，k是第采样点的序号，
Figure BDA0003418324320000022
是接收信号第k-m个采样点取共轭，L为采样得到的用于频率估计的符号数，m为自相关滞后系数，而且arg{R(m)}∝[2πmΔfkT+γ(m)]，γ(m)是一个不相关条件，Δf是载波频差。
MM频率估计算法如下：
Figure BDA0003418324320000031
其中，w(m)是用于平滑噪声的窗函数，其表达式如下：
Figure BDA0003418324320000032
T为采样时间间隔，N为最大累加长度；
对未调制信号，MM算法的频率捕获范围为
Figure BDA0003418324320000033
当/>
Figure BDA0003418324320000034
时，频率估计误差最小；对调制信号，去调制的处理会减小捕获范围，去调制的平方处理后，MM算法的频率捕获范围减半，变为/>
Figure BDA0003418324320000035
本发明采用多通道输入，复用载波前向频率估计器。载波前向频率估计器产生忙闲标志信号，空闲时接收多通道频率估计申请，根据申请的先后顺序执行频率估计，估计结果锁存输出到与输入通道对应的输出通道。载波前向频率估计器采用基于查找表和流水线寻址的结构，简化处理，节省资源，并提高载波频率估计速度。载波前向频率估计器支持无数据调制和有数据调制两种输入，通过控制信号配置模式切换。
本发明提供的多通道载波前向频率估计装置及估计方法，采用简化结构、多通道复用、频率估计模式可控切换的设计思路，结构简单，节省了执行时间和硬件资源消耗，提高了资源利用效率，满足了多用户应用场景的载波多普勒频差估计的需求。
附图说明
图1是本发明多通道载波前向频率估计装置框图。
图2是本发明输入通道分配模块框图。
图3是本发明前向频率估计模块查找表和流水线寻址框图。
图4是本发明前向频率估计模块流水线寻址地址结构。
具体实施方式
如图1所示，一种多通道载波前向频率估计装置主要由输入通道分配模块、前向频率估计模块和锁存选择输出模块构成。
输入通道分配模块，用于完成多通道数据输入的存储，处理多通道频率估计申请信号，并根据前向频率估计模块的忙闲情况，分配进入前向频率估计模块的通道数据，并向频率估计模块发送申请。该模块包括申请处理单元和通道数据选择单元。
申请处理单元，用于完成多通道输入的申请信号的接收、排序，并在收到前向频率估计模块的空闲标志信号后，控制选择排序最高的通道数据输出，同时向前向频率估计模块输出申请信号，用于启动申请处理单元工作。
通道数据选择单元根据申请处理单元输出的选择控制信号，进行多通道数据存储器的选择读取，输出到前向频率估计模块。
前向频率估计模块，用于接收输入通道分配模块分配的通道数据；利用查找表和流水线的结构，实现基于自相关函数的MM前向频率估计算法。
锁存选择输出模块，根据输入通道分配模块的分配结果，通过前向频率估计模块的完成标示信号，将频率估计结果锁存，并选择对应通道输出。
本发明先对多通道输入的信号进行基于忙闲状态的按申请通道分配，然后根据不同场景输入调制或未调制信号，设置不同的“模式切换控制”信号，接着通过频率估计参数的设置，进行基于查找表和流水线的MM频率估计方法，最后与输入通道分配结果相对应，锁存输出频率估计结果。
如图2所示，输入通道分配模块主要完成多通道数据输入的存储，处理多通道频率估计申请信号，并根据前向频率估计模块的忙闲情况，分配进入前向频率估计模块的通道数据，并向频率估计模块发送申请。申请处理单元完成多通道输入的申请信号的接收、排序，并在收到前向频率估计模块的空闲标志信号后，控制选择排序最高的通道数据输出，同时向前向频率估计模块输出申请信号，用于启动该模块工作。通道数据选择单元根据申请处理单元输出的选择控制信号，进行多通道数据存储器的选择读取，输出到前向频率估计模块。
如图3所示，前向频率估计模块，利用查找表和流水线的结构，实现基于自相关函数的MM前向频率估计算法。
自相关函数表示为
Figure BDA0003418324320000051
Zk为接收到的信号，k是第采样点的序号，
Figure BDA0003418324320000052
是接收信号第k-m个采样点取共轭，L为采样得到的用于频率估计的符号数，m为自相关滞后系数，而且arg{R(m)}∝[2πmΔfkT+γ(m)]，γ(m)是一个不相关条件，Δf是载波频差。
MM频率估计算法如下：
Figure BDA0003418324320000053
其中，w(m)是用于平滑噪声的窗函数，其表达式如下：
Figure BDA0003418324320000061
T为采样时间间隔，N为最大累加长度。
对未调制信号，MM算法的频率捕获范围为
Figure BDA0003418324320000062
当/>
Figure BDA0003418324320000063
时，频率估计误差最小；对调制信号，去调制的处理会减小捕获范围，以BPSK为例，去调制的平方处理后，MM算法的频率捕获范围减半，变为/>
Figure BDA0003418324320000064
如图3所示，本发明将窗函数w(m)和自相关函数R(m)的系数1/(L-m)通过查找表来实现，简化运算，节省硬件资源消耗。同时得到R(m)值的过程中，通过如图4所示的流水线寻址的方式实现数据、窗函数w(m)和R(m)的系数的读取，从而节省了频率估计执行时间，提高速度。
如图4所示，本发明的频率估计参数，如用于频率估计的符号数L，可通过输入配置，以根据需要在频率估计时间和精度之间灵活配置选择。同时，可通过模式切换控制信号，切换频率估计的两种模式：未调制模式和调制模式。未调制模式的数据直接用于频率估计，调制模式的输入数据先进行去调制处理。
如图1所示，锁存选择输出模块，根据输入通道分配模块的分配结果，通过前向频率估计模块的完成标示信号，将频率估计结果锁存，并选择对应通道输出。

Claims (1)

1.一种多通道载波前向频率估计装置的估计方法，其特征在于，多通道载波前向频率估计装置包括：
输入通道分配模块，用于完成多通道数据输入的存储，处理多通道频率估计申请信号，并根据前向频率估计模块的忙闲情况，分配进入前向频率估计模块的通道数据，并向前向频率估计模块发送申请；
前向频率估计模块，用于接收输入通道分配模块分配的通道数据；利用查找表和流水线的结构，实现基于自相关函数的MM前向频率估计算法；
锁存选择输出模块，根据输入通道分配模块的分配结果，通过前向频率估计模块的完成标示信号，将频率估计结果锁存，并选择对应通道输出；
该输入通道分配模块包括申请处理单元和通道数据选择单元，
申请处理单元，用于完成多通道输入的申请信号的接收、排序，并在收到前向频率估计模块的空闲标志信号后，控制选择排序最高的通道数据输出，同时向前向频率估计模块输出申请信号，用于启动申请处理单元工作；
通道数据选择单元根据申请处理单元输出的选择控制信号，进行多通道数据存储器的选择读取，输出到前向频率估计模块；
基于多通道载波前向频率估计装置的估计方法，先对多通道输入的信号进行基于忙闲状态的按申请通道分配，然后根据不同场景输入调制或未调制信号，设置不同的“模式切换控制”信号，接着通过频率估计参数的设置，进行基于查找表和流水线的MM频率估计方法，最后与输入通道分配结果相对应，锁存输出频率估计结果；
所述MM频率估计方法包括如下步骤：
自相关函数表示为
Figure QLYQS_1
Zk为接收到的信号，k是第采样点的序号，
Figure QLYQS_2
是接收信号第k-m个采样点取共轭，L为采样得到的用于频率估计的符号数，m为自相关滞后系数，而且arg{R(m)}∝[2πmΔfkT+γ(m)]，γ(m)是一个不相关条件，Δf是载波频差；
MM频率估计算法如下：
Figure QLYQS_3
其中，w(m)是用于平滑噪声的窗函数，其表达式如下：
Figure QLYQS_4
T为采样时间间隔，N为最大累加长度；
对未调制信号，MM算法的频率捕获范围为
Figure QLYQS_5
当/>
Figure QLYQS_6
时，频率估计误差最小；对调制信号，去调制的处理会减小捕获范围，去调制的平方处理后，MM算法的频率捕获范围减半，变为/>
Figure QLYQS_7
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CN108900452A (zh) * 2018-05-25 2018-11-27 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 减少频率窗的同步检测方法
KR102200531B1 (ko) * 2019-07-12 2021-01-08 국방과학연구소 신호의 주파수 측정 장치 및 측정 방법

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Broadband Microstrip Line Directional Couple with High Directivity and Small Size;Yinxia Zhu, etc.;《2017 3rd IEEE International Conference on Computer and Communications》;全文 *
基于自相关函数的前向载波频偏估计算法;王成等;《计算机工程与设计》;第31卷(第17期);第3790-3792页 *

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