CN114531329B - 一种多路msk信号载波频率估计方法、系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种多路MSK信号载波频率估计方法、系统及应用，所述多路MSK信号载波频率估计方法对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；对感兴趣的信号变频到中频，再对各路信号的符号速率和载波频率进行估计；联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。本发明的载波频率估计算法锁定到±1.39×10^‑4Hz精度仅需要52s，锁定到±1.39×10^‑6Hz精度仅需要152s。本发明在保证了高精度的MSK信号载波频率估计的同时，还具有实时频率估计的功能，并且能够实现多路MSK信号的载波频率、载波相位、载波幅度、符号速率的估计。

Description

一种多路MSK信号载波频率估计方法、系统及应用

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种多路MSK信号载波频率估计方法、系统及应用。

背景技术

目前，随着通信技术的发展,电磁环境日益复杂。在复杂、瞬息万变的无线通信环境中实时感知、截获进而分析、识别和解析出无线通信信号，对通信对抗和信息感知意义重大。通信接收机解调信号时需要进行包含载波频率的调制信号参数的估计，其中，频率估计的结果，会影响到其他参数的估计结果以及信号的解调结果，该结果也直接决定了该系统的性能。并且，高精度的载波频率估计有助于高精度载波相位的估计，进而能够为实现高精度测距、定位及导航提供重要数据。

张俊涛等在《基于FPGA与Qsys的宽带高精度频率计的设计与实现》中实现了一种高精度频率估计算法，首先通过信号调理电路完成对信号的整形，然后利用FPGA进行脉冲计数，最后使用Qsys在FPGA上构建Nios II处理器对信号处理并在液晶屏显示，其结合了周期、占空比、时间间隔测量等功能展宽了频率估计的范围。张俊涛等人的提出的信号频率的估计方法，虽然利用三种测量方法的结合实现了宽带高精度频率估计，且对于不同频率的信号估计精度在0.1％-0.002％，但其仅仅适用于单一频率的正弦波或者方波，无法完成具有一定瞬时带宽的调制信号的载波频率的估计。田增山等在《基于PLL环路的卫星QPSK载波调制信号相位跟踪算法》中，提出基于锁相环的相位跟踪算法，利用多路正交载波和二象反正切鉴相器获取到精确的相位差信息，形成闭合回路，实现了载波频率和相位的锁定与跟踪。田增山等人提出的基于锁相环的相位跟踪算法，代替了传统Costas环路并减小了进入稳态的时间，但该方法只适用于QPSK信号。

频率估计一直是决定通信系统质量的重要参数，高精度的频率估计具有重要意义。现有的频率估计技术大致分为以下几种：直接测频法、测周期法、基于PLL环路的相位跟踪方法和数字估计方法。直接测频法适用于高频信号的频率估计，在测量低频信号时误差较大，测周期法适用于低频信号的频率估计，在测量高频信号时误差较大，且两种方法均不适用于调制信号的载波频率估计。基于PLL环路的相位跟踪方法，该方法是利用锁相环使本地生成的信号与外部信号载波保持一致，以达到载波跟踪的目的，但是该方法不适于无载波分量的调制信号的载波频率估计。数字估计方法主要应用于调制信号的载波频率估计，其估计误差在0.1Hz附近，但对于需要相干载波进行解调以及利用高精度载波频率或者相位进行测距的系统，现有算法的载波频率估计精度是无法满足要求的。

MSK信号：最小频移键控(Minimum ShiftKeying)信号，是一种改变载波频率来传输信息的调制技术，是特殊的连续相位频移键控方式。载波频率估计：指对未知载波频率的调制信号的载波频率进行估计。瞬时带宽：在较小的时间内具有的带宽，调制信号的瞬时带宽都比较大，而正弦波或者方波的瞬时带宽都很小。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的频率估计方法对MSK信号进行载波频率估计时，不能估计，或者精度往往较低，或者无法完成MSK信号载波频率等调制参数的实时估计。

解决以上问题及缺陷的难度为：现有技术的缺点在于频率估计时，或者其精度不够，或者无法对具有一定带宽的MSK调制信号的载波频率进行估计，或无法实时高精度的估计频率，或不能同时对多路MSK信号载波频率进行估计。

解决以上问题及缺陷的意义为：可以同时对多路MSK信号的载波频率和相位进行实时高精度估计，其估计结果可以服务于无线测距、定位和导航。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多路MSK信号载波频率估计方法、系统及应用。

本发明是这样实现的，一种多路MSK信号载波频率估计方法，所述多路MSK信号载波频率估计方法对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；对感兴趣的信号变频到中频，再对各路信号的符号速率和载波频率进行估计；联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。

进一步，所述多路MSK信号载波频率估计方法具体包括：

第一步，在宽带信号搜索模块中，对N₁点FFT运算结果进行信号搜索，得到信号初步的载波频率，估计精度为Δf₁；

第二步，调整各路中频变频模块对准中感兴趣的MSK信号，变频到中频f_m1，得到窄带信号；

第三步，对窄带信号再次下变频到中频f_m2、进行平方及N₂点FFT，以估计更高精度的MSK调制信号的载波频率及相位和幅度、符号速率，其载波频率估计精度为Δf₂；

第四步，根据信号的幅度测量信息提升载波频率估计的精度到f_step；

第五步，根据系统要求的载波频率估计精度，确定观测时间，并通过相位估计的结果经滤波和累积后，提升载波频率估计精度至Δf_carry，并通过对外接口每秒输出一次估计结果；同时，系统根据所得到的频率估计精度的变化，动态跟踪调整系统的工作状态。

进一步，所述第一步在宽带信号搜索模块中，对N₁点FFT运算结果进行信号搜索，得到信号初步的载波频率，估计精度为Δf₁包括：

将以采样率f_S1采样得到的数据暂时保存，随后将数据输入至宽带N₁点FFT模块，得到采样信号的频谱，其频谱分辨率Δf₁由式(1)给出：

采用能量检测法等相关算法，搜索频谱中信噪比大于M dB的信号，按信号能量大小从大到小排序，选取能量最大的前n路信号进入下一步窄带信号筛选。

进一步，所述第二步调整各路中频变频模块对准中感兴趣的MSK信号，变频到中频f_m1，得到窄带信号具体包括：根据搜索结果，调整各路中频变频模块对应通道的本振，经混频滤波后，得到窄带中频信号；各通道均以秒脉冲上升沿作为数据开始记录时刻，每秒记录一次。

进一步，所述第三步对窄带信号再次下变频到中频f_m2、进行平方及N₂点FFT，以估计更高精度的MSK调制信号的载波频率及其相位和幅度、符号速率，载波频率估计精度为Δf₂包括：

对窄带中频信号再次进行下变频，降低采样率到f_S2，然后进行平方，再进行N₂点的FFT运算，得到频谱分辨率为Δf₂的频谱，频率分辨率由式(2)得到：

Δf₂＝f_S2/N₂ (2)

由MSK信号特征可知，得到的二次方频谱具有两根明显的谱线，该两根谱线和分别为MSK信号的两个子载波/>和/>频率的2倍，/>MSK信号的符号速率/>二次下变频后的MSK信号的载波频率/>MSK信号的载波频率/>幅度Aⁱ由式(3)给出；通过搜索N₂点的FFT运算结果，得到极大值/>和/>得到MSK信号的载波频率、符号速率和载波幅度参数的估计值；

式(3)中，|FFT(f)|表示在f频点处的FFT模值，为第i路的载波频率估计结果，/>为第i路的第一次变频的本帧，f_m1为第一次变频的中频，f_m2为第二次变频的中频，i取值1、2、...、n，n为系统能够并行处理的最大通道数。

进一步，所述第四步根据信号的幅度测量信息提升载波频率估计的精度到f_step包括：

在得到的MSK信号的频谱中，在一定范围内，以步f_step进为步进，微调下变频的频率，记录每次的载波幅度A的值，并以其中最大的幅度A对应的载波频率为更高精度的载波频率的估计值，此时载波频率的估计精度为Δf_lo＝f_step；

根据MSK信号的特点，由式(4)计算出MSK两个子载波的相位：

式(4)中，Imag(x)为x频点处的FFT值的虚部，Real(x)为x频点处的FFT值的实部；每秒钟进行一次N2点的FFT，得到一次相位测量值和/>

所述第五步，根据系统要求的载波频率估计精度，确定观测时间，并通过相位估计的结果经滤波和累积后，提升载波频率估计精度至Δf_carry，并通过对外接口每秒输出一次估计结果；同时，系统根据所得到的频率估计精度的变化，动态跟踪调整系统的工作状态包括：

在系统每秒相位估计误差为Δp，载波频率的误差为Δf_lo＝f_step时，频率的误差会带来相位的积累变化，每秒相位积累变化Δp_lo＝f_step*360°，在连续观察T秒时，频率估计精度的计算公式可由式(5)计算：

当每秒估计的载波相位变化在Δp_lo以内时，每秒输出一次载波的频率、幅度和相位的估计值，以及符号速率的估计值；当每秒估计的载波相位变化在超过Δp_lo但是小于Δf₂*360°时，频率测量误差将超过f_step，重新进入第四步；当估计的载波相位变化在超过Δf₂*360°时，频率测量误差将超过Δf₂，此时重新进入第三步。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述多路MSK信号载波频率估计方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述多路MSK信号载波频率估计方法的多路MSK信号载波频率估计系统，所述多路MSK信号载波频率估计系统包括：

初步载波频率估计模块，用于对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；

信号变频模块，用于将感兴趣的信号变频到中频；

载波频率估计模块，用于对各路信号的符号速率和载波频率进行估计，并联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。

进一步，所述多路MSK信号载波频率估计系统还包括：

宽带信号搜索模块，用于对感兴趣的频段内的各个MSK信号进行初步搜索，并根据搜索到的MSK信号的载波频率，控制各个中频变频模块，将MSK信号变频到中频，得到各路窄带信号；

信号参数估计模块，用于对各路MSK信号的载波频率进行高精度估计，同时还能输出MSK信号的符号速率、载波相位以及载波幅度的估计结果；各路估计结果连同宽带时频信号一同送往数据上传模块，上传给上位机，上位机完成宽带时频信号和各路信号参数估计结果的显示；信号参数估计模块包括再次下变频模块以及对再次下变频后信号的高精度N₂点FFT运算模块，完成符号速率估计、更高精度的载波频率估计、载波相位估计以及载波幅度的估计功能；

信号预处理模块，包含射频信号的放大、滤波、变频等操作，将不同频段的信号变频到适合系统处理的频段范围；

宽带信号搜索模块，用于采用N₁点的FFT对信号进行时频域转换，并在频域完成各个信号的搜索和初步的载波频率估计；

中频变频模块，包含本振产生、混频和滤波操作，并根据宽带信号搜索模块给出的本帧控制信号完成对输入宽带信号中的特定信号的筛选，得到感兴趣的窄带信号；

数据上传模块，用于将宽带时频信号以及各路信号参数估计结果合并，通过网口、USB、PCI、PCIE、串口一种或者多种组合方式，上传至上位机；由上位机，对接收到的数据进行解析，并绘制成时域波形图、频谱图，同时显示各路信号的符号速率、载波的频率、幅度和相位的估计结果。

本发明的另一目的在于提供一种无线通信系统，所述无线通信系统搭载所述的多路MSK信号载波频率估计系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明首先对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率，其次将感兴趣的信号变频到中频，再对各路信号的符号速率和载波频率进行估计，接着联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。并且载波频率估计精度随观察时间的增加可以进一步的提升，在所提供的实例中，本发明的载波频率估计算法锁定到±1.39×10^-4Hz精度仅需要52s，锁定到±1.39×10^-6Hz精度仅需要152s。本发明在保证了高精度的MSK信号载波频率估计的同时，还具有实时频率估计的功能，并且能够实现多路MSK信号的载波频率、载波相位、载波幅度、调制速率的估计。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多路MSK信号载波频率估计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的多路MSK信号载波频率估计系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的多路MSK信号载波频率估计系统的架构图。

图4是本发明实施例提供的多路MSK信号载波频率估计方法的实现流程图。

图5是本发明实施例提供的实施例多路MSK信号载波频率估计系统框图。

图6是本发明实施例提供的仿真示意图。

图7是本发明实施例提供的信号参数估计示意图。

图8是本发明实施例提供的实测信号下FPGA内部抓取的N₂点FFT图。

图9是本发明实施例提供的实施例对实际信号测量时的上位机界面示意图。

图10是本发明实施例提供的实际测量频谱图。

图11是本发明实施例提供的通道3信号数据处理示意图。

图中：1、初步载波频率模块；2、信号变频模块；3、载波频率估计模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多路MSK信号载波频率估计方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的多路MSK信号载波频率估计方法包括以下步骤：

S101：对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；

S102：对感兴趣的信号变频到中频，再对各路信号的符号速率和载波频率进行估计；

S103：联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。

本发明提供的多路MSK信号载波频率估计方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的多路MSK信号载波频率估计方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的多路MSK信号载波频率估计系统包括：

初步载波频率估计模块1，用于对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；

信号变频模块2，用于将感兴趣的信号变频到中频；

载波频率估计模块3，用于再对各路信号的符号速率和载波频率进行估计，并联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明的系统架构图如图3所示，空中信号经过信号预处理电路后，进入到宽带信号搜索模块，该模块对感兴趣的频段内的各个MSK信号进行初步搜索，并根据搜索到的MSK信号的载波频率，控制各个中频变频模块，将该MSK信号变频到中频，得到各路窄带信号，然后由各个信号参数估计模块对各路MSK信号的载波频率进行高精度估计，同时该估计模块还能输出MSK信号的符号速率、载波相位以及载波幅度的估计结果。最后各路估计结果连同宽带时频信号一同送往数据上传模块，由该模块上传给上位机，上位机完成宽带时频信号和各路信号参数估计结果的显示。

信号预处理模块包含射频信号的放大、滤波、变频等等一系列操作，将不同频段的信号变频到适合本系统处理的频段范围。宽带信号搜索模块采用N₁点的FFT对信号进行时频域转换，并在频域完成各个信号的搜索和初步的载波频率估计；中频变频模块包含本振产生、混频和滤波等一些列操作，并根据宽带信号搜索模块给出的本帧控制信号完成对输入宽带信号中的特定信号的筛选，得到感兴趣的窄带信号；信号参数估计模块包括再次下变频模块以及对再次下变频后信号的高精度N₂点FFT运算模块，它能够完成符号速率估计、更高精度的载波频率估计、载波相位估计以及载波幅度的估计等功能；数据上传模块将宽带时频信号以及各路信号参数估计结果合并，通过网口、USB、PCI、PCIE、串口等一种或者多种组合方式，上传至上位机；由上位机软件，对接收到的数据进行解析，并绘制成时域波形图、频谱图，同时显示各路信号的符号速率、载波的频率、幅度和相位的估计结果。

本发明根据估计的MSK信号载波频率的相位，能够使频率估计精度进一步提高，并且随着观察时间的增加，进一步提升载波频率估计精度。本发明的算法流程图如图4所示，因为频率估计的偏移会引入载波相位的积累误差，故该系统的频率估计精度取决于观测时间T、本振分辨率Δf_lo和相位估计误差Δp。

算法的具体步骤为：

A.在宽带信号搜索模块中，对N₁点FFT运算结果进行信号搜索，得到信号初步的载波频率，其估计精度为Δf₁；

B.调整各路中频变频模块对准中感兴趣的MSK信号，使其变频到中频f_m1，得到窄带信号；

C.对窄带信号再次下变频到中频f_m2、然后进行平方及N₂点FFT，以估计更高精度的MSK调制信号的载波频率及其相位和幅度、符号速率，其载波频率估计精度为Δf₂；

D.根据信号的幅度估计结果进一步提升载波频率估计的精度到f_step；

E.根据系统要求的载波频率估计精度，确定观测时间，并通过相位估计的结果经滤波和累积后，进一步提升载波频率估计精度至Δf_carry，并通过对外接口每秒输出一次估计结果。同时，系统根据所得到的频率估计精度的变化，动态跟踪调整系统的工作状态。

步骤A具体为：

A1：将以采样率f_S1采样得到的数据暂时保存，随后将数据输入至宽带N₁点FFT模块，得到采样信号的频谱，其频谱分辨率Δf₁由式(1)给出：

A2：采用能量检测法等相关算法，搜索频谱中信噪比大于M dB的信号，然后按信号能量大小从大到小排序，选取能量最大的前n路信号进入下一步窄带信号筛选。

步骤B具体为：根据搜索结果，调整各路中频变频模块对应通道的本振，经混频滤波后，得到窄带中频信号。各通道均以秒脉冲上升沿作为数据开始记录时刻，每秒记录一次。

步骤C具体为：

C1：对窄带中频信号再次进行下变频，降低采样率到f_S2，然后进行平方，最后进行N₂点的FFT运算，得到频谱分辨率为Δf₂的频谱，频率分辨率由公式(2)得到：

Δf₂＝f_S2/N₂ (2)

C2：由MSK信号特征可知，C1步骤得到的二次方频谱具有明显的两根谱线，这两根谱线和/>分别为MSK信号的两个子载波/>和/>频率的2倍，即/>MSK信号的符号速率/>二次下变频后的MSK信号的载波频率/>MSK信号的载波频率/>幅度Aⁱ由(3)式给出。故通过搜索N₂点的FFT运算结果，可以得到极大值/>和从而得到MSK信号的载波频率、符号速率和载波幅度等参数的估计值。由于此时采样率比较低，故通过选择合适的N₂做FFT，可以得到更高频率分辨率Δf₂的频谱：

式(3)中，|FFT(f)|表示在f频点处的FFT模值，为第i路的载波频率估计结果，/>为第i路的第一次变频的本帧，/>为第一次变频的中频，/>为第二次变频的中频，i取值1、2、...、n，n为系统能够并行处理的最大通道数。

步骤D具体为：

D1：在步骤C2得到的MSK信号的频谱中，当估计的频率精度越高，频率和/>的FFT的频谱泄漏越少，由(3)式计算的MSK信号载波的幅度越大，故在一定频率范围内以f_step为步进，调整C1中下变频的频率，记录C2中的A的值，搜索其中最大的幅度A对应的载波频率为更高精度的载波频率的估计值，此时载波频率的估计精度为Δf_lo＝f_step。

D2：根据MSK信号的特点，可以由(4)式计算出MSK两个子载波的相位：

式(4)中，Imag(x)为x频点处的FFT值的虚部，Real(x)为x频点处的FFT值的实部。本发明每秒钟进行一次N₂点的FFT，得到一次相位测量值和/>

步骤E具体为：

E1：设系统每秒相位估计误差为Δp，由步骤D1可知，此时载波频率的误差为Δf_lo＝f_step，频率的误差会带来相位的积累变化，每秒相位积累变化Δp_lo＝f_step*360°，在连续观察T秒时，频率估计精度的计算公式可由(5)式计算：

E2：当每秒估计的载波相位变化在Δp_lo以内时，每秒输出一次载波的频率、幅度和相位的估计值，以及符号速率的估计值；当每秒估计的载波相位变化在超过Δp_lo但是小于Δf₂*360°时，频率测量误差将超过f_step，重新进入步骤D；当估计的载波相位变化在超过Δf₂*360°时，频率测量误差将超过Δf₂，此时重新进入步骤C。

本发明实施例的系统框图如图5所示。本发明实施例对5KHz～80KHz内的MSK信号进行符号速率估计、载波的频率估计、相位估计和幅度估计。信号预处理模块具体为放大和带通滤波两个模块；宽带信号搜索模块具体为宽带AD采样、8192点FFT运算、8路信号搜索和8路本振频率更新模块；中频变频模块具体为8路本振产生、8路混频滤波和8路窄带AD采集模块；信号参数估计模块具体为8路数字下变频、8路本振频率更新、8路符号速率估计和8路载波频率、相位及幅度估计模块；在本发明实施例中，数字处理模块由XILINX 7Z100构成；数据上传模块由7Z100内部的PS核完成；8路本振产生模块由Cyclone IV EP4C10+DA构成。

本发明实施例的各参数具体为f_s1＝500KHz，N₁＝8192，f_s2＝4KHz，N₂＝4096，f_step＝0.1Hz、Δf_lo的频率偏移所带来的相位偏移Δp_lo为36°、采用卡尔曼滤波器对每秒估计的载波相位进行滤波，且通过卡尔曼滤波后相位估计的误差Δp为±0.5°。在步骤D中，系统在-0.5Hz到0.5Hz偏移范围内，以0.1Hz步进改变频率，并观测幅度值，同时，为提高系统观测的稳定性，每调整一次频率，取5次载波幅度估计结果的平均为最终的载波幅度的估计值，在考虑到宽带N₁点的FFT需要1s数据观测时间、窄带N₂点FFT需要1s观测时间，载波幅度调整经历10s*5次＝50s的观测时间，因此通过52s后，根据式(5)，系统频率估计精度可以达到若在E1步骤，相位积累观察100s，此时系统累积观察52+100＝152s，根据式(5)，系统频率测量精度可以达到/>

在本发明的实施例中第一中频变频模块，可以由硬件电路完成，也可以由数字下变频实现；第二下变频模块，可以由数字下变频实现，也可以由硬件电路完成；本振产生模块可以由DDS、PLL等专用芯片实现，也可以用FPGA+DA或者DSP+DA的方式实现。数字信号处理部分还可以用其它FPGA、DSP或者ARM等平台实现。相位估计结果的滤波算法，除了卡尔曼滤波算法外，也可以由其他噪声滤波算法实现。信号预处理模块，还可以包含变频模块，以实现其它频段的MSK信号的参数估计。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

为充分体现本发明的性能，本发明实施例使用MATLAB，提供信号搜索算法性能的仿真。在仿真中本发明实现了8路信号的产生、参数估计及频率锁定。图6的(a)为Matlab生成的加入噪声后成的8路MSK信号，图6的(b)实线为加噪信号的功率谱图，能够清楚看到信号所在频点有明显峰值，虚线为利用搜索算法搜索到的8路信号的频点，能够看到与信号实际频点一一对应。在实施例中，与图6对应的实测的时频图会同时送往上位机，通过上位机上的软件可以观察到搜索到的信号及其频谱图如图9所示，图9左半部分为实际测试的宽带时域和频域图，图9的右半部分能够看到搜索到的8路MSK信号的参数估计结果。

本发明实施例根据搜索到的信号频率，调整中频变频模块，对准该信号，然后再次数字下变频、平方以及做N₂点FFT。图5给出了N₂点FFT的频谱，本发明实施例f_m2＝400Hz，从中可以明显的看到MSK信号平方后的两根谱线，其间距为符号速率R_b。图8是本实例实际测量中FPGA内部抓取的信号图，第六行显示的波形为N2点FFT后的频谱图，从中可以明显的看到MSK信号平方后的两根谱线。

图9左半部分，从上到下分别是宽带时域波形和宽带频域波形，右半部分为8路MSK信号载波幅度、相位、频率以及符号速率的估计结果，该软件可以保存每s采集的时频数据和估计的各个参数。

为充分体现本发明的性能，本发明实施例还提供了采用matlab对实际测量的数据的二次分析。如图10为实际测量的频谱图，记录了开始保存后第一秒的频谱数据以及最后一秒的频谱数据。能够看到，在5KHz-60KHz的频率范围内存在着一定底噪，且在开始测量至结束测量过程中，信道环境发生了一定的变化。

本发明截取通道3，信号频率为19.8KHz的MSK信号进行说明，图11的(a)给出了估计的载波频率与实际信号的载波频率存在误差时的相位测量结果，其中图11的(b)为去除相位+45°跳变后的图，图11的(c)是对11的(b)进行曲线拟合得到的图，图11的(d)为图11的(c)的测量的误差分布示意图，其中虚线部分为卡尔曼滤波前的数据，实线为经过卡尔曼滤波后的曲线，能够看到经过滤波后数据较为稳定，波动在±0.5度以内。

在实际测量中，载波频率能够在52s内锁定到±1.39×10^-4Hz，在152s内锁定到±1.39×10^-6Hz，能够完成高精度的载波频率测量及跟踪。采用宽带窄带相结合的方法，实现多路MSK信号自动跟踪和载波频率、相位、幅度以及符号速率等参数的并行估计。通过本振频率步进，观测FFT后的载波幅度的估计值，将载波频率估计精度快速锁定到比较高的精度。利用载波相位估计的滤波处理以及相位累积算法，将载波频率估计精确度提升至10^{- 6}Hz。由于实际信号的载波频率可能存在变化，本发明利用相位估计结果，动态调整载波频率估计算法，完成信号载波频率的跟踪与估计。

本发明可以并行实现多路信号的载波频率的估计；具有快速锁定到高精度载波频率估计的能力；频率估计精度更高，且能够适用于MSK调制信号的载波频率估计；同时可以估计出MSK信号的载波幅度、相位以及调制信号的符号速率。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

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在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多路MSK信号载波频率估计方法，其特征在于，所述多路MSK信号载波频率估计方法对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；对感兴趣的信号变频到中频，再对各路信号的符号速率和载波频率进行估计；联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计；

所述多路MSK信号载波频率估计方法具体包括：

第一步，在宽带信号搜索模块中，对N₁点FFT运算结果进行信号搜索，得到信号初步的载波频率，估计精度为Δf₁；

第二步，调整各路中频变频模块对准中感兴趣的MSK信号，变频到中频f_m1，得到窄带信号；

第三步，对窄带信号再次下变频到中频f_m2、进行平方及N₂点FFT，以估计更高精度的MSK调制信号的载波频率及其相位和幅度、符号速率，其载波频率估计精度为Δf₂；

第四步，根据信号的幅度测量信息提升载波频率估计的精度到f_step；

第五步，根据系统要求的载波频率估计精度，确定观测时间，并通过相位估计的结果经滤波和累积后，提升载波频率估计精度至Δf_carry，并通过对外接口每秒输出一次估计结果；同时，系统根据所得到的频率估计精度的变化，动态跟踪调整系统的工作状态；

所述第一步在宽带信号搜索模块中，对N₁点FFT运算结果进行信号搜索，得到信号初步的载波频率，估计精度为Δf₁包括：

将以采样率f_S1采样得到的数据暂时保存，随后将数据输入至宽带N₁点FFT模块，得到采样信号的频谱，其频谱分辨率Δf₁由式(1)给出：

采用能量检测法等相关算法，搜索频谱中信噪比大于M dB的信号，按信号能量大小从大到小排序，选取能量最大的前n路信号进入下一步窄带信号筛选；

所述第二步调整各路中频变频模块对准中感兴趣的MSK信号，变频到中频f_m1，得到窄带信号具体包括：根据搜索结果，调整各路中频变频模块对应通道的本振，经混频滤波后，得到窄带中频信号；各通道均以秒脉冲上升沿作为数据开始记录时刻，每秒记录一次；

所述第三步对窄带信号再次下变频到中频f_m2、进行平方及N₂点FFT，以估计更高精度的MSK调制信号的载波频率及其相位和幅度、符号速率，载波频率估计精度为Δf₂包括：

对窄带中频信号再次进行下变频，降低采样率到f_S2，然后进行平方，再进行N₂点的FFT运算，得到频谱分辨率为Δf₂的频谱，频率分辨率由公式(2)给出：

Δf₂＝f_S2/N₂ (2)

由MSK信号特征可知，得到的二次方频谱具有两根明显的谱线，该两根谱线和/>分别为MSK信号的两个子载波/>和/>频率的2倍，/> MSK信号的符号速率二次下变频后的MSK信号的载波频率/>MSK信号的载波频率/>及幅度Aⁱ由式(3)给出；通过搜索N₂点的FFT运算结果，得到极大值/>和/>并由式(3)计算得到MSK信号的载波频率、符号速率和载波幅度参数的估计值；

式(3)中，|FFT(f)|表示在f频点处的FFT模值，为第i路的载波频率估计结果，/>为第i路的第一次变频的本帧，f_m1为第一次变频的中频，f_m2为第二次变频的中频，i取值1、2、...、n，n为系统能够并行处理的最大通道数；

所述第四步根据信号的幅度测量信息提升载波频率估计的精度到f_step包括：

在得到的MSK信号的频谱中，在一定范围内，以f_step为步进，微调下变频的频率，记录每次的载波幅度A的值，并以其中最大的幅度A对应的载波频率为更高精度的载波频率的估计值，此时载波频率的估计精度为Δf_lo＝f_step；

根据MSK信号的特点，由(4)式计算出MSK两个子载波的相位：

式(4)中，Imag(x)为x频点处的FFT值的虚部，Real(x)为x频点处的FFT值的实部；每秒钟进行一次N₂点的FFT，得到一次相位测量值和/>

所述第五步，根据系统要求的载波频率估计精度，确定观测时间，并通过相位估计的结果经滤波和累积后，提升载波频率估计精度至Δf_carry，并通过对外接口每秒输出一次估计结果；同时，系统根据所得到的频率估计精度的变化，动态跟踪调整系统的工作状态包括：

在系统每秒相位估计误差为Δp，载波频率的误差为Δf_lo＝f_step时，频率的误差会带来相位的积累变化，每秒相位积累变化Δp_lo＝f_step*360°，在连续观察T秒时，频率估计精度的计算公式可由式(5)计算：

当每秒估计的载波相位变化在Δp_lo以内时，每秒输出一次载波的频率、幅度和相位的估计值，以及符号速率的估计值；当每秒估计的载波相位变化在超过Δp_lo但是小于Δf₂*360°时，频率测量误差将超过f_step，重新进入第四步；当估计的载波相位变化在超过Δf₂*360°时，频率测量误差将超过Δf₂，此时重新进入第三步。

2.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1所述多路MSK信号载波频率估计方法的步骤。

3.一种实施权利要求1所述多路MSK信号载波频率估计方法的多路MSK信号载波频率估计系统，其特征在于，所述多路MSK信号载波频率估计系统包括：

初步载波频率估计模块，用于对接收频段进行扫描，得到各个信号的初步载波频率；

信号变频模块，用于将感兴趣的信号变频到中频；

高精度载波频率估计模块，用于对各路信号的符号速率和载波频率进行估计，并联合幅度和相位估计结果，进行高精度载波频率估计。

4.如权利要求3所述的多路MSK信号载波频率估计系统，其特征在于，所述多路MSK信号载波频率估计系统还包括：

宽带信号搜索模块，用于对感兴趣的频段内的各个MSK信号进行初步搜索，并根据搜索到的MSK信号的初步载波频率，控制各个中频变频模块，将MSK信号变频到中频，得到各路窄带信号；

信号参数估计模块，用于对各路MSK信号的载波频率进行高精度估计，同时还能输出MSK信号的符号速率、载波相位以及载波幅度的估计结果；各路估计结果连同宽带时频信号一同送往数据上传模块，上传给上位机，上位机完成宽带时频信号和各路信号参数估计结果的显示；信号参数估计模块包括再次下变频模块以及对再次下变频后信号的高精度N2点FFT运算模块，完成符号速率估计、更高精度的载波频率估计、载波相位估计以及载波幅度的估计功能；

信号预处理模块，包含射频信号的放大、滤波、变频等操作，将不同频段的信号变频到适合系统处理的频段范围；

宽带信号搜索模块，用于采用N1点的FFT对信号进行时频域转换，并在频域完成各个信号的搜索和初步的载波频率估计；

中频变频模块，包含本振产生、混频和滤波操作，并根据宽带信号搜索模块给出的本帧控制信号完成对输入宽带信号中的特定信号的筛选，得到感兴趣的窄带信号；

数据上传模块，用于将宽带时频信号以及各路信号参数估计结果合并，通过网口、USB、PCI、PCIE、串口一种或者多种组合方式，上传至上位机；由上位机，对接收到的数据进行解析，并绘制成时域波形图、频谱图，同时显示各路信号的符号速率、载波的频率、幅度和相位的估计结果。

5.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统搭载权利要求3所述的多路MSK信号载波频率估计系统。