一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法技术

一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，属于无人机数据链信号处理领域。所依托系统包括信号发生、调制、信道加噪、判决反馈锁相环和采样模块；本方法为：S1反正切鉴相器将已调信号的I路和Q路信号反正切，得到已调信号相位信息；S2反正切鉴相器比较前一次数控振荡器输出与已调信号相位，计算两者间相位差，再将此相位差调整至正确星座点角度范围内；S3数字环路滤波器对S2输出相位差环路滤波,得到步进量；S4数控振荡器对前一次数控振荡器输出的估计值以步进量为单位调整，得到新的估计值；S5重复S2到S4N次，N为仿真码元数，取值范围为5000到1000000，得最准确估计值，产生相干载波，实现对频率偏移的校正。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，属于频偏校正以及无人机数据链信号处理领域。
技术介绍
在无人机数据链传输的过程中，共有两路信号进行工作，其中一路用作遥测遥控，另一路用作图像传输，为了保证图像质量，在总的发射功率一定的前提下，图像传输支路需获得较大功率，而遥测遥控支路分配较少功率，鉴于此使用不平衡四相移相键控(UQPSK)这种调制方式。接收机需要用相干载波实现相干解调，由于多普勒频移等因素导致的频率偏移对恢复相干载波有很大影响。在现有的校正频率偏移实现载波同步的技术中，导频法由于发射端需另外发送导频信号，降低了频带利用率和功率利用率；从已调信号中估计相干载波从而校正频偏的技术中，平方环和四次方环等由于使用平方率器件会引入非线性分量，同时难以工作于高频段和高速率的场合；COSTAS环结构简单，但是在高阶调制方式下实现较为复杂，同时难以工作于高速率的场合。(1)在《铁路通信信号工程技术(RSCE)》2014年8月第11卷第4期，题目为：“低信噪比下感应通信扩频信号的载波同步方法”文章中，根据锁相环解决载波同步问题的原理，设计了以判决反馈锁相环为基础的感应式扩频通信系统，解决了在低信噪比情况下载波同步性能不理想的难题。然而，该方法的循环过程包含解扩、解调、采样和判决以及判决反馈锁相环生成载波，计算量大，占用资源多；在判决反馈锁相环中用自相关的方法提取相位信息，但是该方法不适用于UQPSK这种调制方式；此外文章中虽包含判决反馈锁相环，未能直接利用其判决的功能减少后期运算量。(2)申请号：201510797097.8，标题为“基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法”，过程包括频偏预校正、校正结果与前导符号扩频码片相关、解扩、存储解扩符号、差分处理、频偏细估计和准确频偏估计值，有效提高了频偏估计性能。该申请虽然具有频偏估计准确性高的特点，但是存在过程繁琐，计算量大，成型结构复杂等缺陷。上述已有的频率偏移校正技术虽然校正准确性高，但是资源利用率低且运算量大，还存在很大改进空间，同时针对无人机数据链传输的实际需求而言，有很大局限性。本专利技术致力于解决上述技术缺陷，提出了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法。
技术实现思路
本专利技术根据无人机数据链传输系统中，图像传输支路与遥测遥控支路分配功率不同的需求，采用UQPSK的调制方式，同时致力于针对现有技术中运算量大、资源占用率高、无法应用于高速率、高频率和使用高阶调制方式的场合的缺陷，提出了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法。一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，简称本方法；为解决上述技术问题，本方法采用如下技术方案：本方法所依托的系统包括信号发生模块、调制模块、信道加噪模块、判决反馈锁相环模块和采样模块；所述信号发生模块中包含信号发生器；所述调制模块包含乘法器；所述信道加噪模块具体包括产生加性高斯白噪声并将加性高斯白噪声加入本系统中；所述判决反馈锁相环模块包括反正切鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器；优选地，判决反馈锁相环为二阶环路锁相环；优选地，数字环路滤波器为有源比例积分滤波器的数字化模型；本方法所依托的系统各模块功能如下：所述信号发生模块的功能是生成基带信号以及载波；所述调制模块的功能是将基带信号与载波相乘，实现调制；所述信道加噪模块的功能是模拟现实操作中外界噪声信号对系统的影响；所述判决反馈锁相环模块的功能是实现频率偏移的校正；其中，判决反馈锁相环中各模块的功能如下：反正切鉴相器的功能是用于比较已调信号相位信息与锁相环估计相位信息得到相位差信息，并将相位差调整至系统正确星座点的角度范围内，结果输入到数字环路滤波器；数字环路滤波器的功能是对高频分量和噪声起抑制作用、动态控制锁相环路的校正精度和速度、对相位差信息进行环路滤波并将得到的步进量输入数控振荡器；数控振荡器的功能是输出相干载波的相位估计值，该值每次均会以步进量为单位调整，从而得到更准确的相位估计值，以实现对频率偏移的补偿；所述采样模块的功能是对补偿后的信号进行抽取有效信息，以恢复原始信号；判决反馈锁相环通过数字滤波器的参数决定其锁定时间和捕获频率范围，数字环路滤波器的参数记为C1和C2，此两个参数通过判决反馈锁相环的闭环传递函数，通过公式(1)计算得到：其中，H(z)为判决反馈锁相环的闭环传递函数；K0为数控振荡器增益，K1为反正切鉴相器增益；标准的闭环传递函数的z变换形式如公式(2)所示：其中，Ts为采样时间间隔，ζ为阻尼系数，其取值范围为0.6到1；优选地ζ取0.707；ωn为自然角频率，通过等效噪声带宽BL取得；将公式(1)与公式(2)对比可得：本方法，包括如下步骤：S1、反正切鉴相器接收已调信号，再将已调信号的I路信号和Q路信号进行反正切，得到已调信号的相位信息；其中，已调信号包括I路基带信号和Q路基带信号；I路基带信号简称I路信号，记为I；Q路基带信号简称Q路信号，记为Q；接收到的已调信号的相位信息记为θs，通过如下公式(4)计算得出：θs＝arctan(I/Q)(4)；S2、反正切鉴相器比较前一次数控振荡器输出的载波相位估计值与已调信号相位信息计算两者间的相位差，再将此相位差调整至正确星座点角度范围内；其中，载波相位估计值，记为θout_0；已调信号相位信息，记为θs，此两者间的相位差，记为Δθ，通过如下公式(5)计算得出：Δθ＝θs-θout_0(5)；调整后的相位差记为Δθ'，作为反正切鉴相器的输出；S3、数字环路滤波器对S2输出的相位差进行环路滤波，得到数控振荡器的步进量；其中，数控振荡器的步进量，记为NCO_Step，通过如下公式(6)计算得出：NCO_Step＝f1(Δθ',C1,C2)(6)；S4、数控振荡器对前一次数控振荡器输出的载波相位估计值以数控振荡器步进量为单位进行调整，得到新的相位估计值；其中，前一次数控振荡器输出的载波相位估计值，记为θout_0；数控振荡器步进量，记为NCO_Step；新的相位估计值，记为θout_1，通过如下公式(7)计算得出：θout_1＝f2(θout_0,NCO_Step)(7)；S5、重复S2到S4N次，得到最准确的估计值，以此产生相干载波，实现对频率偏移的校正；其中，N表示仿真码元数，考虑到仿真准确性和内存问题，N的取值范围通常在5000到1000000；至此，从S1到S5，完成了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法。有益效果一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，与其他频偏校正方法相比，具有如下有益效果：1.本专利技术所提方法与在《铁路通信信号工程技术(RSCE)》2014年8月第11卷第4期发表的题目为：“低信噪比下感应通信扩频信号的载波同步方法”的文章中用到的方法相比，不仅能够在低信噪比的情况下保持性能良好，同时还减少了资源占用率，计算量的大小得以改善，并且通过在反正切鉴相器中对相位差的调整，解决了由于UQPSK调制方式下I路信号、Q路信号功率不同而导致的调制信息无法消除从而得不到完整相位信息的问题，此外，灵活运用判决反馈锁相环的功能，省略解调后的判决过程；2.本专利技术所提方法与申请号为201510797097.8，标题为“基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法”的专利中用到的方法相比，虽不能达到其估计值的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，简称本方法，其特征在于：所依托的系统包括信号发生模块、调制模块、信道加噪模块、判决反馈锁相环模块和采样模块；所述信号发生模块中包含信号发生器；所述调制模块包含乘法器；所述信道加噪模块具体包括产生加性高斯白噪声并将加性高斯白噪声加入本系统中；所述判决反馈锁相环模块包括反正切鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器。

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，简称本方法，其特征在于：所依托的系统包括信号发生模块、调制模块、信道加噪模块、判决反馈锁相环模块和采样模块；所述信号发生模块中包含信号发生器；所述调制模块包含乘法器；所述信道加噪模块具体包括产生加性高斯白噪声并将加性高斯白噪声加入本系统中；所述判决反馈锁相环模块包括反正切鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器。2.如权利要求1所述的一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，其特征还在于：本方法所依托的系统各模块功能如下：所述信号发生模块的功能是生成基带信号以及载波；所述调制模块的功能是将基带信号与载波相乘，实现调制；所述信道加噪模块的功能是模拟现实操作中外界噪声信号对系统的影响；所述判决反馈锁相环模块的功能是实现频率偏移的校正；其中，判决反馈锁相环中各模块的功能如下：反正切鉴相器的功能是用于比较已调信号相位信息与锁相环估计相位信息得到相位差信息，并将相位差调整至系统正确星座点的角度范围内，结果输入到数字环路滤波器；数字环路滤波器的功能是对高频分量和噪声起抑制作用、动态控制锁相环路的校正精度和速度、对相位差信息进行环路滤波并将得到的步进量输入数控振荡器；数控振荡器的功能是输出相干载波的相位估计值，该值每次均会以步进量为单位调整，从而得到更准确的相位估计值，以实现对频率偏移的补偿；所述采样模块的功能是对补偿后的信号进行抽取有效信息，以恢复原始信号；判决反馈锁相环通过数字滤波器的参数决定其锁定时间和捕获频率范围，数字环路滤波器的参数记为C1和C2，此两个参数通过判决反馈锁相环的闭环传递函数，通过公式(1)计算得到：H(z)=K0K1(C1+C2)z-1-K0K1C1z-21+[K0K1(C1+C2)-2]z-1+(1-K0K1C1)z-2---(1)]]>其中，H(z)为判决反馈锁相环的闭环传递函数；K0为数控振荡器增益，K1为反正切鉴相器增益；标准的闭环传递函数的z变换形式如公式(2)所示：H(z)=[4ζωnTs+(ωnTs)2]+2(ωnTs)2z-1+[(ωnTs)2-4ζωnTs]z-2[4+4ζωnTs+(ωnTs)2]+[2(ωnTs)2-8]z-1+[4+4ζωnTs+(ωnTs)2]z-2---(2)]]>其中，Ts为采样时间间隔，ζ为阻尼系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超凡，王帅，谭婉璇，宋哲，李昂阳，王春茂，田伟，林鑫，胡姣，汪菲，夏莘媛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11