一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法、跟踪环路及信号接收机技术

本发明专利技术提供了一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，包括以下步骤：根据预设的上一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量，预测下一跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量；计算下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量的先验协方差矩阵并对其更新；估计下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的残余载波相位误差估计值；对下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号频率及相位误差进行修正，得到修正后的QAM信号。本发明专利技术还提供了多阶卡尔曼载波跟踪环路及信号接收机。本发明专利技术能够实现对高动态低信噪比的QAM信号的高精度稳健跟踪，能够满足QAM信号的载波相位跟踪时的高动态场景和宽的锁相环路带宽的要求。动态场景和宽的锁相环路带宽的要求。动态场景和宽的锁相环路带宽的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法、跟踪环路及信号接收机


[0001]本专利技术涉及QAM信号的接收设备研制领域，具体涉及一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法、跟踪环路及信号接收机。

技术介绍

[0002]正交幅度调制QAM是一种幅度和相位联合控制的正交调制技术，同时利用幅度与相位来传递信息，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，其广泛应用于微波通信、卫星通信、深空通信等领域。
[0003]在微波通信、卫星通信、深空通信等领域，目前对于QAM信号的载波跟踪所采用的环路为基于传统锁相环结构的跟踪环路。采用基于传统锁相环结构的跟踪环路，一般采用鉴频鉴相与锁相环路结构，这种结构采用窄的锁相环路带宽以及采用单个符号进行频率与相位估计，估计精度差，容易造成在高动态低信噪比环境下跟踪不稳健的问题，并不能满足QAM信号的载波相位跟踪时的高动态低信噪比情况和宽的锁相环路带宽的要求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术提出了一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法、跟踪环路及信号接收机，能够实现对高动态低信噪比的QAM信号的高精度稳健跟踪， QAM信号的频率和相位的估计精度高，能够满足QAM信号的载波相位跟踪时的高动态低信噪比情况和宽的锁相环路带宽的要求。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，方法包括以下步骤：
[0007]根据预设的上一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量，预测下一跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量；
[0008]计算下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量的先验协方差矩阵并对其更新；
[0009]估计下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的残余载波相位误差估计值；
[0010]对下一跟踪周期起始时刻的的QAM信号的信号频率及相位误差进行修正，得到修正后的QAM信号；
[0011]经过上述步骤对QAM信号进行多个周期的跟踪和收敛，得到QAM信号的残余频率估计值和残余载波相位误差估计值。
[0012]进一步地，根据预设的上一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量，预测下一跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量，具体包括：
[0013]设上下相邻的两个跟踪周期起始时刻中的上一跟踪周期起始时刻为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻，下一跟踪周期起始时刻为第k次跟踪周期起始时刻，预设第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量为，其表达式为：
[0014]（1）
[0015]（1）式中，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的残余频率变化率估计值，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的残余频率估计值，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的残余相位估计值；
[0016]将QAM信号的信号残余误差向量与信号残余误差向量的状态转移矩阵相乘后，估计出第k次跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量，并获得第k次跟踪周期起始时刻的残余频率估计值以及残余载波相位误差估计值，其中，信号残余误差向量的表达式为：
[0017]（2）
[0018]（2）式中，为信号残余误差向量的状态转移矩阵，其表达式为：
[0019]（3）。
[0020]进一步地，计算下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量的先验协方差矩阵并对其更新，具体包括：
[0021]将信号残余误差向量的状态转移矩阵依次与第k
‑
1次跟踪起始时刻的信号残余误差向量的协方差矩阵、残余误差向量的状态转移矩阵的转置矩阵相乘后的乘积再与过程协方差矩阵相加，得到第k次跟踪起始时刻的信号残余误差向量的先验协方差矩阵，其表达式为：
[0022]（4）
[0023]（4）式中，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量的协方差矩阵，Q为过程协方差矩阵，其表达式为：
[0024]（5），
[0025]（5）式中，为信号的射频频率，为光速，为接收机晶振的相位，为频率噪声功率谱密度，为信号来向的加速度噪声，为环路跟踪周期；
[0026]将信号残余误差向量的先验协方差矩阵依次与测量矩阵、卡尔曼增益相乘后的乘积，然后计算乘积先验协方差矩阵之间的差值，得到更新后的先验协方差矩阵，其表达式为：
[0027]（6），
[0028]（6）式中，其中为测量矩阵，为卡尔曼增益。
[0029]进一步地，估计下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的残余载波相位误差估计值，具体包括：
[0030]对QAM信号的星座图中外围信号点进行四次方处理，输出无符号调制的QAM信号；
[0031]对QAM信号中连续数据块的相位误差进行相干累积和快速傅里叶变换处理，并估计残余载波相位误差估计值。
[0032]进一步地，对QAM信号的星座图中外围信号点进行四次方处理，输出无符号调制的QAM信号，具体包括：
[0033]取信号补偿后的QAM信号星座图最外围星座点与相邻星座点的幅度平均值作为QAM信号幅度判决门限；
[0034]判断信号补偿后的QAM信号的绝对值是否大于或等于QAM信号幅度判决门限，在信号补偿后的QAM信号的绝对值大于或等于QAM信号幅度判决门限的情况下，选取信号补偿后的QAM信号的星座图中的外围信号点进行四次方处理，得到无符号调制的QAM信号。
[0035]进一步地，对QAM信号中连续数据块的相位误差进行相干累积，和快速傅里叶变换处理，并估计残余载波相位误差估计值，具体包括：
[0036]将QAM信号 中连续数据块划分成M段，每段为L点数据，然后对每段数据中的L点数据进行相干累积，得到累积后的QAM信号,其表达式为：
[0037]（7）
[0038]（7）式中，变量为数据段序号，其取值范围为[0,M],M为连续数据块中的数据段数，变量为数据点数序号，L为每个数据段中的数据点数；
[0039]对相干累积后的QAM信号进行快速傅里叶变换处理，得到快速傅里叶变换处理后的QAM信号，其表达式为：
[0040]（8）
[0041]（8）式中，变量为为数据段序号，为数据段数，变量为数据点数序号；
[0042]计算快速傅里叶变换处理后的QAM信号的绝对值中的最大值所对应的数据点数序号，并通过数据点数序号计算获得经相干累积后的QAM信号的下一跟踪周期起始时刻的残余相位误差；其中，下一跟踪周期起始时刻为第次跟踪周期起始时刻；
[0043]数据点数序号的表达式为：
[0044]（9）
[0045]下一跟踪周期起始时刻的残余相位误差测量值的表达式为：
[0046]（10）。
[0047]进一步地，对下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号频率及相位误差进行修正，得到修正后的QAM信号，具体包括：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据预设的上一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量，预测下一跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量；计算下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量的先验协方差矩阵并对其更新；估计下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的残余载波相位误差估计值；对下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号频率及相位误差进行修正，得到修正后的QAM信号；经过上述步骤对QAM信号进行多个周期的跟踪和收敛，得到QAM信号的残余频率估计值和残余载波相位误差估计值。2.如权利要求1所述的一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，根据预设的上一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量，预测下一跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量，具体包括：设上下相邻的两个跟踪周期起始时刻中的上一跟踪周期起始时刻为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻，下一跟踪周期起始时刻为第k次跟踪周期起始时刻，预设第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量为，其表达式为：（1），（1）式中，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的残余频率变化率估计值，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的残余频率估计值，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的残余相位估计值；将QAM信号的信号残余误差向量与信号残余误差向量的状态转移矩阵相乘后，估计出第k次跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量，并获得第k次跟踪周期起始时刻的残余频率估计值以及残余载波相位误差估计值，其中，信号残余误差向量的表达式为：（2），（2）式中，为信号残余误差向量的状态转移矩阵，其表达式为：（3）。3.如权利要求2所述的一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，计算下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号残余误差向量的先验协方差矩阵并对其更新，具体包括：将信号残余误差向量的状态转移矩阵依次与第k
‑
1次跟踪起始时刻的信号残余误差向量的协方差矩阵、残余误差向量的状态转移矩阵的转置矩阵相乘后的乘积再与过程协方差矩阵相加，得到第k次跟踪起始时刻的信号残余误差向量的先验协方差矩阵，其表达式为：（4），
（4）式中，为第k
‑
1次跟踪周期起始时刻的信号残余误差向量的协方差矩阵，Q为过程协方差矩阵，其表达式为：（5），（5）式中，为信号的射频频率，为光速，为接收机晶振的相位，为频率噪声功率谱密度，为信号来向的加速度噪声，为环路跟踪周期；将信号残余误差向量的先验协方差矩阵依次与测量矩阵、卡尔曼增益相乘后的乘积，然后计算乘积先验协方差矩阵之间的差值，得到更新后的先验协方差矩阵，其表达式为：（6），（6）式中，其中为测量矩阵，为卡尔曼增益。4.如权利要求3所述的一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，估计下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的残余载波相位误差估计值，具体包括：对QAM信号的星座图中外围信号点进行四次方处理，输出无符号调制的QAM信号；对QAM信号中连续数据块的相位误差进行相干累积和快速傅里叶变换处理，并估计残余载波相位误差估计值。5.如权利要求4所述的一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，对QAM信号的星座图中外围信号点进行四次方处理，输出无符号调制的QAM信号，具体包括：取信号补偿后的QAM信号星座图最外围星座点与相邻星座点的幅度平均值作为QAM信号幅度判决门限；判断信号补偿后的QAM信号的绝对值是否大于或等于QAM信号幅度判决门限，在信号补偿后的QAM信号的绝对值大于或等于QAM信号幅度判决门限的情况下，选取信号补偿后的QAM信号的星座图中的外围信号点进行四次方处理，得到无符号调制的QAM信号。6.如权利要求5所述的一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，对QAM信号中连续数据块的相位误差进行相干累积，和快速傅里叶变换处理，并估计残余载波相位误差估计值，具体包括：将QAM信号 中连续数据块划分成M段，每段为L点数据，然后对每段数据中的L点数据进行相干累积，得到累积后的QAM信号,其表达式为：（7），（7）式中，变量为数据段序号，其取值范围为[0,M],M为连续数据块中的数据段数，变量为数据点数序号，L为每个数据段中的数据点数；对相干累积后的QAM信号进行快速傅里叶变换处理，得到快速傅里叶变换处理后的QAM信号，其表达式为：（8），
（8）式中，变量为为数据段序号，为数据段数，变量为数据点数序号；计算快速傅里叶变换处理后的QAM信号的绝对值中的最大值所对应的数据点数序号，并通过所述数据点数序号计算获得经相干累积后的QAM信号的下一跟踪周期起始时刻的残余相位误差；其中，下一跟踪周期起始时刻为第次跟踪周期起始时刻；所述数据点数序号的表达式为：（9），下一跟踪周期起始时刻的残余相位误差测量值的表达式为：（10）。7.如权利要求6所述的一种用于QAM信号的多阶卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，对下一跟踪周期起始时刻的QAM信号的信号频率及相位误差进行修正，得到修正后的QAM信号，具体包括：计算测量矩阵与信号残余误差向量预测值相乘的乘积，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥华，王文博，廖鹏，张振华，曾意，
申请(专利权)人：长沙先度科技有限公司，
类型：发明
国别省市：