CN114338315A - 适用于连续相位调制信号的频率捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，包括：步骤S1，对接收信号进行积分降速，然后进行分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号；步骤S2，将所述频域信号进行非相干累加，然后按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配循环累加频谱；步骤S3，检测匹配循环累加频谱的峰值，计算多普勒频率偏移值；步骤S4，重复上述步骤S1至步骤S3，得到多组多普勒频率偏移值，计算平均值，作为频率捕获值。

Description

适用于连续相位调制信号的频率捕获方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种适用于连续相位调制信号的频率捕获方法。

背景技术

在无线通信系统中，由于收发两端的相对运动，接收信号频率将发生变化，即多普勒频移。在相干解调系统中，需要利用载波相位同步技术实现收发信号的载波相位剥离。然而在多数应用场景中，如卫星无线通信中，卫星移动速度快，接收信号存在较大的多普勒频移，远远超过载波相位同步技术的入锁范围，需要首先进行多普勒频移的捕获，将接收信号的频率偏移缩小到一定范围后，再进行载波相位同步过程。因此，载波频率捕获是无线信号相干接收解调中的重要环节。

在现有频率捕获技术中，采用快速傅里叶变换(FFT)技术，将时域信号变换到频率进行测频，是一种常用的频率捕获方法。当载波没有调制时,频率的最佳估计是频谱峰值点。当载波被调制时,可以先通过非线性变换消除调制影响,再进行FFT变换。对于BSPK、QPSK类相位调制信号，通过将基带信号进行复数平方或四次方运算，可消除信号调制的影响，得到单音信号，在频率搜索峰值，可快速估计出信号的频率。然而，对于连续相位调制类信号，如CPM、PCM-FM等信号，无法通过简单的非线性运算消除信号调制的影响，其频谱较宽，且带内较平坦，通过检测频域信号峰值的方法将引起极大的频率估计误差。

对于连续相位调制类信号捕获方法中，论文《Digital carrier frequencyestimation for multi level CPM signals》中采用延迟相乘累加算法实现载波频偏估计，该算法具有结构简单的优点，但该算法存在较大的自噪声，在信噪比较低的情况下，该算法的性能恶化很严重。论文《大动态PCM/FM信号的载波频率同步》中，提出了基于快速傅里叶变换(FFT)及频谱重心的载波频率估计方法，并采用了频谱叠加及频谱截取的优化方法提高算法估计精度。相对于其他基于FFT的频率估计算法，频谱重心法有着更高的估计精度及更好的抗噪声性能，而且复杂度代价很小。然而，在极低信噪比(小于0dB)、大动态，低符号速率情况下，频谱重心法估计的频率误差仍然较大，无法满足极低信噪比场景时的应用需求。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，以解决背景技术中所提到的问题，克服现有技术中存在的不足。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，包括如下步骤：

步骤S1，对接收信号进行积分降速，然后进行分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号；

步骤S2，将所述频域信号进行非相干累加，然后按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配循环累加频谱；

步骤S3，检测匹配循环累加频谱的峰值，计算多普勒频率偏移值；

步骤S4，重复上述步骤S1至步骤S3，得到多组多普勒频率偏移值，计算平均值，作为频率捕获值。

由上述任一方案优选的是，在所述步骤S1中，所述对接收信号进行积分降速，包括如下步骤：

降采样数值N_ID为

将接收信号每连续N_ID个采样点进行相加，得到积分降速后的信号，积分降速后的信号采样率为f_s/N_ID；其中，信号采样频率为f_s，信号速率为R_b，最大多普勒为f_dmax。

由上述任一方案优选的是，在所述步骤S1中，所述分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号，包括如下步骤：

设连续取LEN_FFT×N_FFT个积分降速后的信号采样值，记为

分为N_FFT个段，每段LEN_FFT个信号采样值，即

分别对每段信号做LEN_FFT点的加窗处理；

分段加窗后的信号以段为单位，对每段信号进行快速傅里叶变换，得到分段频域信号，记为

由上述任一方案优选的是，加窗选用的窗函数包括：矩形窗、海明窗、布莱克曼窗。

由上述任一方案优选的是，在所述步骤S2中，对所述频域信号进行非相干累加，包括如下步骤：

对分段频域信号进行N_FFT点的非相干频谱累加，得到信号频谱非相干累加谱，记为

计算过程为

由上述任一方案优选的是，在所述步骤S2中，所述按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配循环累加频谱，包括如下步骤：

信号频谱非相干累加结果

从第IND_st个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第1个频谱匹配累加结果，记为pacc₁；然后从IND_st+1个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第2个频谱匹配累加结果，记为pacc₂；如此进行，直到从IND_end个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第IND_end-IND_st+1个频谱匹配累加结果，记为pacc_n,n＝IND_end-IND_st+1；其中，

由上述任一方案优选的是，在所述步骤S3中，所述计算多普勒频率偏移值，包括如下步骤：

对计算得到的n个频谱匹配累加进行最大值寻址，寻找频谱匹配累加最大值所对应的序号m，即有pacc_m≥pacc_i,i＝1,2,…,n；

根据频谱匹配累加最大值的序号m，计算多普勒频移：

本发明相比于现有技术的有益效果是：

1、适用面广：通过频谱匹配移位累加找峰值的方式进行频率捕获，其本质在于利用信号的频域特性，因此本发明不仅对连续相位调制类信号有用，对于一般具有频谱特征的调制信号均能适用，适用面广。

2、捕获频率宽：可实现3/4采样率频率范围的频偏捕获，捕获范围极宽。

3、捕获精度高：通过积分降速来降低信号采样率，从而提高FFT估计的频率分辨率，捕获频率精度高。

4、捕获时间短：捕获时间主要受到样本点采集时间的限制，计算过程时间占用很小，具有捕获时间短的优点。

5、适用于极低信噪比：通过积分降速来降低信号采样率，一方面提高FFT估计的频率分辨率，另一方面增加了信号信噪比；通过频谱非相干累加，进一步提高频谱数据的信噪比；其次采用频谱匹配移位累加的方法，利用信号的相关性，进行相干累加，可显著提高信号信噪比。最后通过多次估计求平均值，进一步降低估计误差。本发明可适用于极低信噪比(小于0dB)的应用场景，这是本发明区别于其他类似发明最为重要的优点及有益效果。

本发明附加的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：

图1为根据本发明实施例适用于连续相位调制信号的频率捕获方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法的示意图；

图3为根据本发明实施例的高信噪比下的频率捕获误差与信号速率比值的示意图；

图4为根据本发明实施例的低信噪比下的频率捕获误差与信号速率比值的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

本发明涉及无线通信信号接收过程中的多普勒频率捕获方法，适用于一般无线通信信号的频率捕获，尤其适用于连续相位调制类具有捕获难度高的信号频率捕获。

本发明的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，首先将接收信号进行积分降速，然后进行分段加窗处理和分段FFT运算得到频域信号。将频域信号进行非相干累加以提高信噪比，然后按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配累加频谱，并检测匹配累加频谱的峰值，得到多普勒频率偏移值。上述过程多次进行得到多组多普勒频偏结果，并求均值，得到频率捕获值。

如图1和图2所示，本发明实施例的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，包括如下步骤：

步骤S1，对接收信号进行积分降速，然后进行分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号。

在步骤S1中，对接收信号进行积分降速，包括如下步骤：

为了适应不同的信息速率，提高频率的估计分辨率，采用积分降速设计，根据不同的信息速率设计不同的降采样数值。设计降采样数值N_ID为

积分降速的过程为：将接收信号每连续N_ID个采样点进行相加，得到积分降速后的信号，积分降速后的信号采样率为f_s/N_ID。其中，信号采样频率为f_s，信号速率为R_b，最大多普勒为f_dmax。

然后，执行分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号，包括如下步骤：

积分降速后的信号进行分段加窗和分段FFT运算，从性能与实现复杂度考虑，FFT的长度LEN_FFT建议取1024、2048、4096或8192，且不限于该范围。信号分段数记为N_FFT，从性能与实现复杂度考虑，N_FFT建议取4、8或16，且不限于该范围。分段加窗和分段FFT运算的具体过程为：连续取LEN_FFT×N_FFT个积分降速后的信号采样值，记为

分为N_FFT个段，每段LEN_FFT个信号采样值，即

分别对每段信号做LEN_FFT点的加窗处理。加窗的过程可以减小FFT运算时的频谱泄露。所选用的窗函数参数决定了FFT后的频谱泄露程度。

为了兼顾加窗引起的信号信噪比的损失和频谱泄露程度，在本发明的实施例中，加窗可以选用的窗函数包括：矩形窗、海明窗、布莱克曼窗等。

需要说明的是，上述窗函数仅出于示例的目的，而不是为了限制本发明，根据需要还可以选取其他方式窗函数。

在本发明的实施例中，分段加窗后的信号以段为单位，对每段信号进行快速傅里叶变换，得到分段频域信号，记为

步骤S2，将频域信号进行非相干累加，然后按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配循环累加频谱。

具体的，对分段频域信号进行N_FFT点的非相干频谱累加，得到信号频谱非相干累加谱，

记为

具体计算过程为

将非相干累加谱按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配累加频谱。频谱匹配移位累加过程利用信号的相关性，进行相干累加，可巧妙将平坦的频谱转为具有明显峰值的频谱，其中频谱的峰值所在位置为信号频谱的中心位置，通过检测该峰值可得到信号频谱中心，从而计算出信号频率偏移，且该相干累加过程可以显著提高信号的信噪比，从而提高峰值检测精度。将累加起始位置序号记为IND_st，累加结束位置序号记为IND_end，累加长度记为ACC_len。累加长度ACC_len设为信号频谱带宽所占用的谱线个数，即按照信号频谱带宽的宽度进行累加，视为有用信号的匹配过程。根据本发明设计，其取值分别为

频谱匹配移位累加过程为：信号频谱非相干累加结果

从第IND_st个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第1个频谱匹配累加结果，记为pacc₁；然后从IND_st+1个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第2个频谱匹配累加结果，记为pacc₂；如此进行，直到从IND_end个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第IND_end-IND_st+1个频谱匹配累加结果，记为pacc_n,n＝IND_end-IND_st+1。数学表达式为

在频谱匹配累加过程中，采用移位累加减少加法器个数。首先从第IND_st个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第1个频谱匹配累加结果；然后在第1个频谱匹配累加结果上加上第(IND_st+ACC_len)个数，并减去第IND_st得到第2个频谱匹配累加结果；然后在第2个频谱匹配累加结果上加上第(IND_st+ACC_len+1)个数，并减去第(IND_st-1)得到第2个频谱匹配累加结果；如此进行，直到计算完最后一个频谱匹配累加结果。

步骤S3，检测匹配循环累加频谱的峰值，计算多普勒频率偏移值。

在本步骤中，对计算得到的n个频谱匹配累加进行最大值寻址，即寻找频谱匹配累加最大值所对应的序号m，即有pacc_m≥pacc_i,i＝1,2,…,n。

最后根据频谱匹配累加最大值的序号m，计算多普勒频移，其中一种计算过程为：

步骤S4，重复上述步骤S1至步骤S3，得到多组多普勒频率偏移值，计算平均值，作为频率捕获值。

本发明实施例的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，通过积分降速、加窗、分段FFT、非相干累加、频谱匹配累加、寻最大值、频偏计算等整个实现架构，实现整个频率捕获处理流程。具体来说，通过采用积分降速的方法，一方面降低了采样率，提高了频率分辨率，另一方面提高的信号信噪比；通过在FFT之前进行加窗处理，防止频谱泄露；通过非相干累加，提高频谱数据的信噪比；利用信号的相关性，可巧妙将平坦的频谱转为具有明显峰值的频谱，使得连续相位类调制信号可通过峰值搜索计算频偏，且相干累加过程显著提高信号的信噪比。

本发明提出的频谱匹配累加的频率捕获方法，可以解决在大动态、低信噪比下的连续相位调制类信号捕获性能差的问题。本发明提供的方法在频率捕获范围宽、在极低信噪比下也具有极好的频率估计精度，特别适用于连续相位调制类(CPM、PCM-FM、MSK等)信号，同时也适用于一般调制类(如BPSK、QPSK、8PSK等)信号。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

1、适用面广：通过频谱匹配移位累加找峰值的方式进行频率捕获，其本质在于利用信号的频域特性，因此本发明不仅对连续相位调制类信号有用，对于一般具有频谱特征的调制信号均能适用，适用面广。

2、捕获频率宽：可实现3/4采样率频率范围的频偏捕获，捕获范围极宽。

3、捕获精度高：通过积分降速来降低信号采样率，从而提高FFT估计的频率分辨率，捕获频率精度高。

4、捕获时间短：捕获时间主要受到样本点采集时间的限制，计算过程时间占用很小，具有捕获时间短的优点。

5、适用于极低信噪比：通过积分降速来降低信号采样率，一方面提高FFT估计的频率分辨率，另一方面增加了信号信噪比；通过频谱非相干累加，进一步提高频谱数据的信噪比；其次采用频谱匹配移位累加的方法，利用信号的相关性，进行相干累加，可显著提高信号信噪比。最后通过多次估计求平均值，进一步降低估计误差。本发明可适用于极低信噪比(小于0dB)的应用场景，这是本发明区别于其他类似发明最为重要的优点及有益效果。图3和图4分别给出了高信噪比和低信噪比下的频率捕获误差与信号速率比值的示意图。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本领域技术人员不难理解，本发明包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，对接收信号进行积分降速，然后进行分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号；

步骤S2，将所述频域信号进行非相干累加，然后按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配循环累加频谱；

步骤S3，检测匹配循环累加频谱的峰值，计算多普勒频率偏移值；

步骤S4，重复上述步骤S1至步骤S3，得到多组多普勒频率偏移值，计算平均值，作为频率捕获值。

2.如权利要求1所述的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述对接收信号进行积分降速，包括如下步骤：

降采样数值N_ID为

将接收信号每连续N_ID个采样点进行相加，得到积分降速后的信号，积分降速后的信号采样率为f_s/N_ID；其中，信号采样频率为f_s，信号速率为R_b，最大多普勒为f_dmax。

3.如权利要求1所述的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述分段加窗处理和分段FFT运算，得到频域信号，包括如下步骤：

设连续取LEN_FFT×N_FFT个积分降速后的信号采样值，记为

分为N_FFT个段，每段LEN_FFT个信号采样值，即

分别对每段信号做LEN_FFT点的加窗处理；

分段加窗后的信号以段为单位，对每段信号进行快速傅里叶变换，得到分段频域信号，记为

4.如权利要求3所述的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，加窗选用的窗函数包括：矩形窗、海明窗、布莱克曼窗。

5.如权利要求1所述的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对所述频域信号进行非相干累加，包括如下步骤：

对分段频域信号进行N_FFT点的非相干频谱累加，得到信号频谱非相干累加谱，记为

计算过程为

6.如权利要求1所述的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述按照信号频谱带宽进行频谱匹配移位累加，得到匹配循环累加频谱，包括如下步骤：

信号频谱非相干累加结果

从第IND_st个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第1个频谱匹配累加结果，记为pacc₁；然后从IND_st+1个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第2个频谱匹配累加结果，记为pacc₂；如此进行，直到从IND_end个数开始，向后取ACC_len-1个数，共ACC_len个数累加，得到第IND_end-IND_st+1个频谱匹配累加结果，记为pacc_n,n＝IND_end-IND_st+1；其中，

7.如权利要求1所述的适用于连续相位调制信号的频率捕获方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述计算多普勒频率偏移值，包括如下步骤：

对计算得到的n个频谱匹配累加进行最大值寻址，寻找频谱匹配累加最大值所对应的序号m，即有pacc_m≥pacc_i,i＝1,2,…,n；

根据频谱匹配累加最大值的序号m，计算多普勒频移：

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