一种高动态载波捕获方法技术

本发明专利技术提供一种高动态载波捕获方法，对高阶同步压缩方法的时频分析结果进行多重压缩，能够有效解决高阶同步压缩方法在低信噪比下噪声鲁棒性较差的问题，同时还能够提高时频图的能量聚集度；同时，本发明专利技术还将时频图分成多个部分，每个部分独立选取搜索起始点，前向后向同时进行搜索估计，在较低信噪比的情况下也能够保证瞬时频率估计的准确性。能够保证瞬时频率估计的准确性。能够保证瞬时频率估计的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种高动态载波捕获方法


[0001]本专利技术属于通信信号接收领域，尤其涉及一种高动态载波捕获方法。

技术介绍

[0002]低轨卫星轨道高度低，具有传输时延小、路径损耗小的优点，近年来将其用于转发地面站和空中目标通信信号的方式已成为一种重要的通信方式。但是对于飞机、导弹等高速用户，双方在进行通信时产生高速相对运动，在这种情况下接收信号会受到较强的多普勒效应，体现为大多普勒频偏及高阶频偏变化率。当接收信号时间内频偏变化超出FFT分辨率的情况下，传统捕获方法难以对信号进行有效估计。时频分析方法可以有效观测信号频率随时间变化情况，是应对高动态快时变信号的理想工具，但是高阶同步压缩方法在对接收信号进行捕获时，存在窗长取值不准确导致时频图发散、较低信噪比下噪声鲁棒性差等问题。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提供一种高动态载波捕获方法，能够提高载波捕获精度和后续跟踪环的精度。
[0004]一种高动态载波捕获方法，包括以下步骤：S1：将时变基带信号进行M阶同步压缩变换，得到变换结果；S2：对变换结果再进行N重压缩，得到时频信号；S3：将时频信号对应的时频图划分为至少三个部分，且每个部分独立确定搜索起始点，分别从各搜索起始点的前向后向同时搜索时频图脊线，再将各部分的时频图脊线进行拼接，得到时变基带信号的瞬时频率轨迹，完成载波捕获。
[0005]进一步地，将时变基带信号进行M阶同步压缩变换，得到变换结果具体为：定义一个M阶频率调制因子，其为时变基带信号的相位对时间的M阶导数，表示为：其中，为取实部操作，为时变基带信号的相位进行泰勒级数展开时的第k阶项，k为时变基带信号的相位进行泰勒级数展开时的阶数；其中，M阶频率调制因子由下式得到：
其中，为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时的第M阶频率调制因子；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时的第k阶频率调制因子；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时第M阶频率调制因子对应的偏置量；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时第k阶频率调制因子对应的偏置量；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时的第k阶频率调制因子对应的后向系数，其中，n=k+1,
…
,M；其中，和用迭代的形式表示如下：其中，表示偏置量关于频率f的偏导数，表示后向系数关于频率f的偏导数，表示后向系数关于频率f的偏导数；和的求解起点为和，且和定义为：其中，表示窗函数为的短时傅里叶变换，表示窗函数为的短时傅里叶变换，为短时傅里叶变换对时间求偏导得到的频率重分配因子，表示为：其中，表示短时傅里叶变换关于时间t的偏导数；基于获取M阶复瞬时频率重分配因子如下：
基于获取变换结果如下：其中，为脉冲函数，为短时傅里叶变换结果。
[0006]进一步地，对变换结果再进行N重压缩，得到时频信号具体为：按照如下公式对变换结果进行压缩：其中，为N
‑
1重M阶同步压缩变换结果，为短时傅里叶变换结果；每进行一次压缩，按照如下公式计算阶瑞利熵：其中，阶数；判断当前得到的瑞利熵与上一次压缩得到瑞利熵之间的差值是否小于预设门限，若为是，则当前次压缩结果为最终的时频信号，若为否，则将当前次压缩结果代入压缩公式重新进行压缩，直到相邻两次压缩得到的瑞利熵之间的差值小于预设门限。
[0007]进一步地，短时傅里叶变换中的窗函数为为：其中，为标准差，其确定方法如下：其中，为时变基带信号的瞬时频率，且的计算方法如下：定义调制频率，其中：
其中，表示频率估计值对时间t求偏导，表示时间估计值对时间t求偏导，且有：其中，表示短时傅里叶变换对时间t求偏导，表示短时傅里叶变换对频率f求偏导；将计算得到的调制频率等效为瞬时频率代入标准差的计算公式中，得到当前迭代周期i的标准差：判断当前迭代周期的标准差与上一个迭代周期的标准差之间的差值是否小于设定阈值，若为是，则当前迭代周期的标准差为窗函数中的最终标准差，若为否，则将当前迭代周期的标准差对应的当前窗函数代入短时傅里叶变换，得到当前短时傅里叶变换，再将当前短时傅里叶变换运用于下一迭代周期的标准差求解，当当前迭代周期的标准差与上一个迭代周期的标准差之间的差值小于设定阈值时中止迭代。
[0008]进一步地，完成载波捕获后，根据时频信号重构时变基带信号：其中，为重构的时变基带信号，为0时刻的窗函数。
[0009]进一步地，时变基带信号的获取方法为：接收机内部产生本地载波，与接收信号相乘，得到的相乘结果由接近零频的载波分量和一个高频载波分量构成，通过对相乘结果进行积分将其中的高频载波分量去除，将包含多普勒频偏的接近零频的载波分量作为时变基带信号。
[0010]有益效果：1、本专利技术提供一种高动态载波捕获方法，对高阶同步压缩方法的时频分析结果进行多重压缩，能够有效解决高阶同步压缩方法在低信噪比下噪声鲁棒性较差的问题，同时还能够提高时频图的能量聚集度；同时，本专利技术还将时频图分成多个部分，每个部分独立选取搜索起始点，前向后向同时进行搜索估计，在较低信噪比的情况下也能够保证瞬时频率
估计的准确性。
[0011]2、本专利技术提供一种高动态载波捕获方法，基于调制频率对短时傅里叶变换的高斯窗窗长进行迭代，由此确定的最优窗长可以有效解决频率分辨率和时间分辨率之间妥协的问题，也即能够同时获得较高的频率分辨率和时间分辨率。
[0012]3、本专利技术提供一种高动态载波捕获方法，基于多重高阶同步压缩具有提高信号信噪比的优点，在完成信号的载波捕获后对时变基带信号进行重构，能提高后续跟踪环的精度，可以适用于信号增强的场景。
附图说明
[0013]图1为一种高动态载波捕获方法的流程图；图2为N重压缩过程示意图；图3为不同信噪比下N重高阶同步压缩瑞利熵随迭代次数变化情况；图4（a）为M阶同步压缩对高动态信号的时频分析图；图4（b）为M阶同步压缩对高动态信号的时频分析图的局部放大图；图4（c）为N重M阶同步压缩对高动态信号的时频分析图；图4（d）为N重M阶同步压缩对高动态信号的时频分析图的局部放大图；图5为高阶同步压缩和N重高阶同步压缩瑞利熵对比图；图6为高动态捕获方法的捕获概率；图7为高动态捕获方法处理后的信号随迭代次数变化对重构信号信噪比的贡献。
具体实施方式
[0014]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0015]如图1所示，一种高动态载波捕获方法，包括以下步骤：S1：将时变基带信号进行M阶同步压缩变换，得到变换结果。
[0016]其中，时变基带信号的获取方法为：接收机内部产生本地载波，与接收信号相乘，得到的相乘结果由接近零频的载波分量和一个高频载波分量构成，通过对相乘结果进行积分将其中的高频载波分量去除，将包含多普勒频偏的接近零频的载波分量作为时变基带信号。
[0017]需要说明的是，对于卫星与飞机、卫星与地面站之间的相对运动情况，为了确定径向上相对速度和相对速度变化率等的影响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高动态载波捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将时变基带信号进行M阶同步压缩变换，得到变换结果；S2：对变换结果再进行N重压缩，得到时频信号；S3：将时频信号对应的时频图划分为至少三个部分，且每个部分独立确定搜索起始点，分别从各搜索起始点的前向后向同时搜索时频图脊线，再将各部分的时频图脊线进行拼接，得到时变基带信号的瞬时频率轨迹，完成载波捕获。2.如权利要求1所述的一种高动态载波捕获方法，其特征在于，将时变基带信号进行M阶同步压缩变换，得到变换结果具体为：定义一个M阶频率调制因子，其为时变基带信号的相位对时间的M阶导数，表示为：其中，为取实部操作，为时变基带信号的相位进行泰勒级数展开时的第k阶项，k为时变基带信号的相位进行泰勒级数展开时的阶数；其中，M阶频率调制因子由下式得到：其中，为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时的第M阶频率调制因子；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时的第k阶频率调制因子；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时第M阶频率调制因子对应的偏置量；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时第k阶频率调制因子对应的偏置量；为时变基带信号的相位进行M阶泰勒级数展开时的第k阶频率调制因子对应的后向系数，其中，n=k+1,
…
,M；其中，和用迭代的形式表示如下：其中，表示偏置量关于频率f的偏导数，表示后
向系数关于频率f的偏导数，表示后向系数关于频率f的偏导数；和的求解起点为和，且和定义为：其中，表示窗函数为的短时傅里叶变换，表示窗函数为的短时傅里叶变换，为短时傅里叶变换对时间求偏导得到的频率重分配因子，表示为：其中，表示短时傅里叶变换关于时间t的偏导数；基于获取M阶复瞬时频率重分配因子如下：基于获取变换结果如下：其中，为脉冲函数，为短时傅里叶变换结果。3.如权利要求2所述的一种高动态载波捕获方法，其特征在于，对变换结果再进行N重压缩，得到时频信号具体为：按照如下公...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪淑燕，程凌峰，房彦龙，李豪，张书豪，陈世淼，雷拓峰，王海宁，付琦玮，张英健，毛文轩，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：