高动态场景下载波频率捕获的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公布了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，实现锁频环快速入锁，实现高动态信号的快速捕获。包括：使用开环频率斜升估值算法对接收信号进行频率斜升估计，得到频率斜升估计值，作为锁频环载波频率捕获的初始状态，更新锁频环环路滤波器中的寄存单元；再进行闭环捕获。与现有技术相比，本发明专利技术具有捕获时间短的优点；且所述方法的捕获时间与初始频率斜升大小基本无关，只受估值后残余频率斜升的影响，在存在较大频率斜升和低信噪比的条件下，有较强的实用性。

Method and Device for Capturing Download Wave Frequency in High Dynamic Scene

The invention discloses a carrier frequency acquisition method and device of frequency skew estimation assistant frequency-locked loop in high dynamic scenario, which assists frequency acquisition of frequency-locked loop by using open-loop frequency skew estimation algorithm, realizes fast locking of frequency-locked loop and realizes fast acquisition of high dynamic signal. Including: using open-loop frequency skew estimation algorithm to estimate the frequency skew of the received signal, get the skew estimation value of the frequency, as the initial state of carrier frequency acquisition of the frequency-locked loop, update the register unit in the frequency-locked loop filter, and then carry out closed-loop acquisition. Compared with the prior art, the invention has the advantages of short acquisition time, and the acquisition time of the method is basically independent of the initial frequency skew, only affected by the residual frequency skew after estimation, and has strong practicability under the conditions of large frequency skew and low signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
高动态场景下载波频率捕获的方法和装置
本专利技术涉及通信
，具体涉及一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和实现装置。
技术介绍
通信系统中载波频率捕获是接收机实现相干解调的前提条件。现有传统的载波频率捕获通常采用锁频环实现。锁频环电路主要由鉴频器、环路滤波器和数控振荡器组成。接收信号与本振信号的频率差由鉴频器鉴别并输出误差信号，经环路滤波后，用以控制振荡器频率随之线性变化，直至环路入锁。采用现有的载波频率捕获技术，在高动态场景中，由于载波信号中不仅存在多普勒频偏，还存在多普勒频率斜升，甚至存在多普勒频率斜升的变化率(即多普勒频率的二次变化率)，从而使接收机入锁困难。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，可以实现高动态信号的快速捕获。本专利技术的技术方案如下：一种高动态场景下载波频率捕获的方法，是一种频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，使得锁频环快速入锁，从而实现高动态信号的快速捕获；包括如下步骤：1)开环估值：使用开环频率斜升估值算法对接收序列中的N个符号进行频率斜升估计，得到频率斜升估计值α；其中，N为用于估计的符号长度，即估值符号数；2)获取锁频环载波频率捕获的初始状态：利用频率斜升α作为锁频环载波频率捕获的初始状态，更新锁频环环路滤波器中的寄存单元；3)闭环捕获：开环估值结束后，使用锁频环闭环工作，直至环路入锁，即捕获得到高动态场景下的载波频率。实际上，锁频结束之后还要锁相，载波同步最终得到载波的频率和相位。由于频率误差需要在一定的范围内锁相环才能正常工作得到载波相位，因此，捕获得到高动态场景下的载波频率可以保证在误差范围内。对于高动态通信环境，假定：信道模型为加性高斯白噪声(AWGN)信道，调制方式为相移键控(PSK)，接收信号的第k个采样值rk表示为式1：其中，Es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位为均匀分布于-π，π之间的载波初始相偏；ω为多普勒频偏；为符号周期，Rs为符号速率；a为多普勒频率斜升(真实值)；nk为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量。步骤1)中所述的开环频率斜升估值算法首先进行频率斜升单样本估计；然后通过多样本累加，实现频率斜升的开环估计。所述的频率斜升单样本估计的方法是通过求取的相角实现，其中，m≥1,n≥1，为接收符号的序号；是接收符号序列{rk}中序号差为m的两个符号的共轭乘积。频率斜升估值器中的频率斜升单样本估计方法，具体地，共轭相乘结果的均值表示为式2：其中，E[·]表示取均值；(·)*表示取复共轭；Es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位m、n为接收符号的序号，m≥1,n≥1；a为多普勒频率斜升；为符号周期，Rs为符号速率。因此，若不考虑调制信息的影响，的相位为归一化频率斜升单样本估计值α0可根据通过式3计算得出：频率斜升估值器对单样本估计结果进行累加，从而得到更精确的估计值，以降低噪声带来的影响，其处理过程如下：对接收符号序列{rk}中序号差为m的两个符号共轭相乘后的结果求和，再进行乘积运算，若不考虑噪声的影响，通过式5计算得到检测量G：此时频率斜升估计量表示为式6：其中，arg(G)表示检测量G的幅角。N个符号周期后输出频率斜升估计值α，α是对符号速率归一化后的频率斜升估计值。特别的，频率斜升估计值α是独立于锁频环之外求得的。步骤2)利用步骤1)得到的频率斜升α作为锁频环载波频率捕获的初始状态。步骤3)中在上述的初始条件下开始锁频环的闭环捕获过程，由鉴频器鉴别接收信号和和数控振荡器输出信号之间的频率差并输出误差信号，经环路滤波器进行环路滤波后，用以控制振荡器频率，直至环路入锁。本专利技术还提供了一种频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获装置(见图2)，除包括锁频环所有模块外，还包括频率斜升估值模块；锁频环模块包括鉴频器、环路滤波器、数控振荡器；在传统的锁频环捕获装置的基础上，添加频率斜升估值器模块对频率斜升进行开环估计，将估计结果即频率斜升α作为环路滤波器寄存单元的初始值；估值结束后启动锁频环，经多次环路反馈完成残余动态的捕获。上述载波频率捕获装置采用闭环捕获方式，通过反馈来控制数控振荡器的输出频率趋于接收信号频率，从而减小系统误差。闭环捕获首先由频率斜升估值器对接收信号进行频率斜升估值，将得到的频率斜升值置入锁频环环路滤波器的寄存单元，从而使锁频环可以在估计出的频率斜升点开始工作。环路滤波器对鉴频器的输出进行低通滤波，限制噪声带宽，使数控振荡器频率能实时跟踪接收信号频率。数控振荡器的输出频率与接收信号频率相减产生误差频率，误差频率再反馈回环路滤波器输入端，形成闭环过程。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，实现锁频环快速入锁，可以实现高动态信号的快速捕获。与现有技术相比，本专利技术具有捕获时间短的优点，通过使用频率斜升估值器对锁频环载波频率捕获进行辅助，实现了高动态信号的快速捕获。且所述方法的捕获时间与初始频率斜升大小基本无关，只受估值后残余频率斜升的影响，在存在较大频率斜升和低信噪比的条件下，有较强的实用性。附图说明图1是本专利技术所述方法的流程框图。图2是本专利技术所述装置的结构框图；图中，虚线表示频率斜升估值器只在对N个符号计算频率斜升时工作，得到频率斜升值之后即不再工作，开始锁频环的环路反馈闭环工作过程。图3是Jaffe-Rechtin环路滤波器的结构和工作流程图；其中，ω0f为锁频环自然圆频率；a2为环路滤波器的二阶系数；T为符号周期；Z-1为延时模块，可视为环路滤波器的寄存单元。具体实施方式下面结合附图，通过实施例进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围。本专利技术提供了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，实现锁频环快速入锁，可以实现高动态信号的快速捕获。图2是本专利技术所述装置的结构框图；除包括锁频环模块(包括：鉴频器、环路滤波器、数控振荡器)外，还包括频率斜升估值器模块；通过频率斜升估值器模块对频率斜升进行开环估计。由频率斜升估值器对接收信号中的N个符号进行频率斜升估值，将得到的频率斜升值置入锁频环环路滤波器的寄存单元，使得锁频环可以在估计出的频率斜升点开始工作。环路滤波器对鉴频器的输出进行低通滤波，滤除鉴频器输出的高频分量，降低噪声使其输出可以控制数控振荡器产生对接收信号频率的精确估计。数控振荡器可视为一个具有线性控制特性的积分模块，其输出频率与接收信号频率相减产生误差频率，误差频率再反馈回环路滤波器输入端，形成闭环过程。传统锁频环通过对接收符号序列{rk}中相邻两个符号的共轭乘积进行鉴相，得到信号与本地数控振荡器的频率误差。为了得到信号的频率斜升，则可以通过求取的相角得到。其中，m、n为接收符号的序号，m≥1,n≥1。频率斜升估值器中的频率斜升单样本估计方法，具体地，共轭相乘结果的均值表示为式2：其中，E[·]表示取均值；(·)*表示取复共轭；Es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态场景下载波频率捕获的方法，通过使用频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，使得锁频环快速入锁，从而实现高动态信号的快速捕获；包括如下步骤：1)开环估值：使用开环频率斜升估值算法对接收信号进行频率斜升估计，得到频率斜升估计值α；2)获取锁频环载波频率捕获的初始状态：利用频率斜升开环估计值α作为锁频环载波频率捕获的初始状态，更新锁频环环路滤波器中的寄存单元，从而使锁频环在估计出的频率斜升点开始工作；3)闭环捕获：使用锁频环闭环工作，直至环路入锁，即捕获得到高动态场景下的载波频率。

【技术特征摘要】
1.一种高动态场景下载波频率捕获的方法，通过使用频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，使得锁频环快速入锁，从而实现高动态信号的快速捕获；包括如下步骤：1)开环估值：使用开环频率斜升估值算法对接收信号进行频率斜升估计，得到频率斜升估计值α；2)获取锁频环载波频率捕获的初始状态：利用频率斜升开环估计值α作为锁频环载波频率捕获的初始状态，更新锁频环环路滤波器中的寄存单元，从而使锁频环在估计出的频率斜升点开始工作；3)闭环捕获：使用锁频环闭环工作，直至环路入锁，即捕获得到高动态场景下的载波频率。2.如权利要求1所述高动态场景下载波频率捕获的方法，其特征是，通过频率斜升估值算法得到频率斜升开环估计值α，首先进行频率斜升单样本估计，然后通过多样本累加得到频率斜升开环估计值；具体包括如下过程：11)对于高动态通信环境，假定信道模型为加性高斯白噪声信道，调制方式为相移键控，接收信号的第k个采样值rk表示为式1：其中，Es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位为均匀分布于-π，π之间的载波初始相偏；ω为多普勒频偏；Rs为符号速率；a为多普勒频率斜升；nk为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量；12)频率斜升单样本估计的方法是通过求取的相角实现，其中，m≥1,n≥1，为接收符号的序号；是接收符号序列{rk}中序号差为m的两个符号的共轭乘积；13)共轭相乘结果的均值表示为式2：其中，E[·]表示取均值；(·)*表示取复共轭；Es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位m、n为接收符号的序号，m≥1,n≥1；a为多普勒频率斜升；为符号周期，Rs为符号速率；若不考虑调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗武，李星辰，任梦，黄腾，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11