本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種頻率跟蹤方法，尤其涉及一種高動(dòng)態(tài)窄帶信號(hào)頻率跟蹤方法。

背景技術(shù)：

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，接收機(jī)需要對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以獲取有用的傳輸信息。當(dāng)衛(wèi)星通信終端的運(yùn)動(dòng)速度很慢或?yàn)榱銜r(shí)，多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移和變化率較小，對(duì)接收機(jī)的性能影響不大，采用傳統(tǒng)的頻偏估計(jì)算法就可以解決；但在高動(dòng)態(tài)的應(yīng)用背景下，多普勒頻移和多普勒變化率大，尤其對(duì)于窄帶信號(hào)，影響更大，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的接收性能惡化。這時(shí)就需要跟蹤速度快且精度也能滿足要求的頻率跟蹤方法。

FFT算法是一種離散傅氏變換(DFT)的高效算法，稱為快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)，它根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的，因?yàn)樗母咝Ш秃?jiǎn)化運(yùn)算被廣泛用于數(shù)字系統(tǒng)中。Gardner算法是一種非面向判決的定時(shí)誤差檢測(cè)算法，獨(dú)立于載波相位估計(jì)，只需要每個(gè)符號(hào)兩個(gè)采樣點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)誤差檢測(cè)。Gardner算法有兩個(gè)特點(diǎn)：1)每個(gè)符號(hào)兩個(gè)采樣點(diǎn)，且以碼元速率輸出誤差信號(hào)；2)估計(jì)算法是獨(dú)立于載波相位的，即可以在載波相位同步之前，進(jìn)行定時(shí)誤差估計(jì)。

傳統(tǒng)捕獲跟蹤方法多采用鎖相環(huán)，但是鎖相環(huán)的跟蹤范圍小，很難滿足高動(dòng)態(tài)的應(yīng)用環(huán)境。采用鎖頻環(huán)時(shí)，跟蹤范圍大，但是精度不高，采用鎖頻環(huán)結(jié)合鎖相環(huán)的方式可以解決部分問(wèn)題，但是針對(duì)窄帶信號(hào)，在頻偏加速度很大，甚至存在頻偏加加速度的時(shí)候，還是不能滿足系統(tǒng)的頻率跟蹤要求。

中國(guó)專利CN 103197334公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)低信噪比下導(dǎo)航信號(hào)的跟蹤系統(tǒng)及方法。所述系統(tǒng)包括：兩個(gè)多普勒剝離模塊、兩個(gè)解擴(kuò)模塊、兩個(gè)積分清除模塊、兩個(gè)頻率鑒別模塊、兩個(gè)鎖頻環(huán)濾波模塊、兩個(gè)鎖頻環(huán)數(shù)控振蕩器NCO模塊、兩個(gè)相位鑒別模塊、兩個(gè)相位旋轉(zhuǎn)模塊、兩個(gè)鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器NCO模塊、一個(gè)相位估計(jì)值求和模塊、一個(gè)相位估計(jì)值求差模塊、一個(gè)和路濾波器、一個(gè)差路濾波器、一個(gè)濾波結(jié)果求和模塊、一個(gè)濾波結(jié)果求差模塊、兩上鎖頻環(huán)相位累加模塊、兩個(gè)鎖相環(huán)相位累加模塊、兩個(gè)頻率再生模塊。該方法雖然能實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)硬件資源消耗大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在于提供了一種高動(dòng)態(tài)窄帶信號(hào)頻率跟蹤方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的在高動(dòng)態(tài)下對(duì)窄帶信號(hào)定位慢、精度不高，跟蹤不準(zhǔn)的不足。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高動(dòng)態(tài)窄帶信號(hào)頻率跟蹤方法，包括以下步驟：

1)將接收到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)匹配濾波；所述用于匹配濾波的濾波器的中心頻點(diǎn)根據(jù)判定條件可調(diào)，初始時(shí)不調(diào)整；

2)經(jīng)過(guò)步驟1)濾波后的信號(hào)進(jìn)行定時(shí)同步和幀同步；

3)利用步驟2)的獨(dú)特碼信息進(jìn)行初始頻偏估計(jì)，然后將頻偏值補(bǔ)償?shù)讲东@的信號(hào)上；所述頻偏估計(jì)采用FFT頻偏估計(jì)算法，；

4)經(jīng)過(guò)步驟3)處理后的信號(hào)進(jìn)行鎖頻環(huán)路跟蹤，即所述信號(hào)先與已知獨(dú)特碼共軛相乘去掉調(diào)制信息，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段；所述分段后的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)鑒頻器，然后對(duì)獲得頻率值取平均,接著進(jìn)入二階環(huán)路濾波器得到頻率誤差，將當(dāng)前獲得的頻率誤差和上一次步驟4)獲得的頻偏取平均值后再傳送給NCO進(jìn)行頻率偏差補(bǔ)償，每次進(jìn)一個(gè)符號(hào)都重復(fù)此步驟，并記錄每次計(jì)算獲得的頻率偏差；

5)對(duì)步驟3)或步驟4)獲得的頻偏進(jìn)行累加，當(dāng)累加頻偏大于預(yù)設(shè)的頻偏值時(shí)，調(diào)整復(fù)數(shù)匹配濾波器的中心頻點(diǎn)；

6)經(jīng)過(guò)步驟5)處理后的信號(hào)的中心頻率若到達(dá)預(yù)設(shè)值，所述信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)模塊進(jìn)行精確環(huán)路鎖定。

優(yōu)選的，所述步驟1)中調(diào)整濾波器的中心頻點(diǎn)的判定條件為：對(duì)獲得的頻率偏差進(jìn)行累加，當(dāng)所述頻偏累加值大于預(yù)設(shè)的頻偏值時(shí)進(jìn)行調(diào)整；否則，不進(jìn)行調(diào)整。

優(yōu)選的，所述步驟1)中采用的復(fù)數(shù)匹配濾波器為平方根升余弦滾降成型濾波器，其中滾降系數(shù)為0.35，階數(shù)為49。

優(yōu)選的，所述步驟2)的具體步驟采用Gardner環(huán)的方式計(jì)算出每個(gè)符號(hào)的最佳采樣值，所述最佳采樣值的每個(gè)符號(hào)用8個(gè)樣點(diǎn)表示，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行8倍抽取，獲取在最佳采樣點(diǎn)位置的一幀數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述步驟2)還包括利用每幀信號(hào)中間插入的長(zhǎng)度L＝128的獨(dú)特碼進(jìn)行幀同步。

優(yōu)選的，所述步驟3)只在初始時(shí)執(zhí)行一次。

優(yōu)選的，所述步驟4)的分段方法為將所述獨(dú)特碼分段，每段包含N個(gè)數(shù)據(jù)，取N個(gè)數(shù)據(jù)的M種不同組合的數(shù)據(jù)進(jìn)行M次鑒頻，對(duì)得到的M組頻率值取平均，其中N≤32，M≤N。

進(jìn)一步的，其特征在于，所述N＝2M。

優(yōu)選的，所述步驟1)或5)的濾波器的中心頻點(diǎn)調(diào)整方法為：

當(dāng)頻偏累加值超過(guò)的最大頻偏值Fh，則使用當(dāng)前的頻偏累加值與上一次的濾波器進(jìn)行混頻，使其中心頻率移動(dòng)到所需位置；當(dāng)頻偏累加值不超過(guò)Fh，則仍使用上一次混頻后的濾波器系數(shù)。

本發(fā)明還提供了一種鎖頻環(huán)模塊，按照信號(hào)處理順序依次包括乘法器、分段模塊、數(shù)字振蕩器(NCO)、鑒頻器、取平均模塊、二階環(huán)路濾波器；

所述分段模塊對(duì)經(jīng)過(guò)乘法器后的信號(hào)進(jìn)行分段處理；

所述取平均模塊對(duì)經(jīng)過(guò)鑒頻器的信號(hào)獲取的頻率值進(jìn)行平均處理；

所述數(shù)字振蕩器(NCO)對(duì)前級(jí)二階環(huán)路濾波的信號(hào)的頻率偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)當(dāng)頻偏較大時(shí)的窄帶基帶信號(hào)進(jìn)入前級(jí)的匹配濾波器時(shí)會(huì)濾除較多有效信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)較差甚至變形，影響解調(diào)性能的問(wèn)題。根據(jù)估計(jì)的頻偏累加值來(lái)判定是否調(diào)整匹配濾波器的中心頻點(diǎn)可以有效解決這一問(wèn)題。

(2)在鎖頻環(huán)之前增加FFT頻偏估計(jì)模塊，可以降低進(jìn)入鎖頻環(huán)模塊的信號(hào)的殘留頻偏。

(3)當(dāng)頻偏加速度較大時(shí)，使用較長(zhǎng)的獨(dú)特碼進(jìn)行頻率跟蹤，跟蹤速度不夠快；對(duì)捕獲后提取出的獨(dú)特碼進(jìn)行分段處理，可以加快跟蹤速度，鎖頻之后再取平均，可以提高跟蹤精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的頻率跟蹤方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的改進(jìn)鎖頻環(huán)的實(shí)現(xiàn)框圖；

圖3為本發(fā)明的復(fù)數(shù)濾波器中心頻點(diǎn)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)框圖；

圖4為本發(fā)明的頻偏跟蹤仿真曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解本發(fā)明所提出的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

一種高動(dòng)態(tài)窄帶信號(hào)頻率跟蹤方法,，如圖1至圖3所示，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1)將接收到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)匹配濾波；所述用于匹配濾波的濾波器的中心頻點(diǎn)根據(jù)判定條件可調(diào)，初始時(shí)不調(diào)整；

2)經(jīng)過(guò)步驟1)濾波后的信號(hào)進(jìn)行定時(shí)同步和幀同步；

3)利用步驟2)的獨(dú)特碼信息進(jìn)行初始頻偏估計(jì)，所述頻偏估計(jì)采用FFT頻偏估計(jì)算法，將頻偏值補(bǔ)償?shù)讲东@的信號(hào)上；

4)經(jīng)過(guò)步驟3)處理后的信號(hào)進(jìn)行鎖頻環(huán)路跟蹤，即所述信號(hào)先與步驟2)中的已知獨(dú)特碼共軛相乘去掉調(diào)制信息，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段；所述分段后的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)鑒頻器，然后對(duì)獲得頻率值取平均，接著進(jìn)入二階環(huán)路濾波器得到頻率誤差，所述頻率誤差放入緩存，然后對(duì)當(dāng)前獲得的頻偏誤差和上一次步驟4)所獲得的頻率誤差取平均后再送給NCO進(jìn)行頻率偏差補(bǔ)償，每次進(jìn)一個(gè)符號(hào)都重復(fù)此步驟，并記錄每次計(jì)算獲得的頻率偏差；

5)對(duì)步驟3)或4)獲得的頻偏進(jìn)行累加，當(dāng)累加頻偏大于預(yù)設(shè)的頻偏值時(shí)，調(diào)整復(fù)數(shù)匹配濾波器的中心頻點(diǎn)；

6)經(jīng)過(guò)步驟5)處理后的信號(hào)的中心頻率若到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，所述信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)模塊進(jìn)行精確環(huán)路鎖定。

下面以衛(wèi)星通信船載終端為例，對(duì)本發(fā)明提出的技術(shù)方案做進(jìn)一步闡述。

(1)衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)衛(wèi)星天線和射頻模塊轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)后，經(jīng)過(guò)AD采樣獲取數(shù)字基帶信號(hào)，信號(hào)為連續(xù)信號(hào)；

(2)數(shù)字基帶信號(hào)首先經(jīng)過(guò)49階的復(fù)數(shù)匹配濾波器，濾波器的系數(shù)與發(fā)送端的濾波器系數(shù)相同，采用平方根升余弦滾降成型濾波器，滾降系數(shù)為0.35；

(3)對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行定時(shí)同步，采用Gardner環(huán)的方式，計(jì)算出每個(gè)符號(hào)的最佳采樣值(一個(gè)符號(hào)用8個(gè)樣點(diǎn)表示)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行8倍抽取，獲取位置在最佳采樣點(diǎn)的一幀數(shù)據(jù)。這時(shí)，利用每幀信號(hào)中間插入的長(zhǎng)度L＝128的獨(dú)特碼進(jìn)行幀同步，即與已知的獨(dú)特碼序列做相關(guān)運(yùn)算，捕獲幀頭的起始位置，然后取出插入在信號(hào)的獨(dú)特碼字段；

(4)利用長(zhǎng)度L＝128的獨(dú)特碼信息來(lái)進(jìn)行初始頻偏估計(jì)，頻偏估計(jì)算法采用FFT算法，估計(jì)初始頻偏f₀，計(jì)算出sin(2πf₀t)和cos(2πf₀t)之后，與捕獲到的信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法，即將頻偏值補(bǔ)償?shù)讲东@的信號(hào)上，這一步驟只在初始時(shí)執(zhí)行一次；

(5)接著信號(hào)進(jìn)入改進(jìn)的鎖頻環(huán)模塊，鎖頻環(huán)模塊包括乘法器、分段模塊、數(shù)字振蕩器(NCO)、鑒頻器、取平均模塊、二階環(huán)路濾波器。首先對(duì)取出的獨(dú)特碼字段進(jìn)行分段，設(shè)每段有N＝32個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)這N＝32個(gè)數(shù)據(jù)取M＝16種不同組合的數(shù)據(jù)進(jìn)行M＝16次鑒頻(如d1～d31與d2～d32共軛相乘后可以獲得一組數(shù)據(jù)，d1～d30與d3～d32共軛相乘后可以獲得一組數(shù)據(jù)，以此類推，可以獲得16組數(shù)據(jù))，對(duì)得到的M＝16組頻率值取平均，然后送入二階環(huán)路濾波模塊后，再經(jīng)過(guò)NCO(數(shù)字振蕩器)頻偏補(bǔ)償，與步驟(4)中的頻偏補(bǔ)償方法相同，接著再繼續(xù)取下一段數(shù)據(jù)，如此循環(huán)執(zhí)行。其中N的取值越小，對(duì)多普勒加速度跟蹤速度越快。M的取值越大，跟蹤精度越高，但取值也不能太大，取值太大會(huì)降低跟蹤速度，所以在仿真時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)N和M的值取一個(gè)均衡；

(6)將獲得的頻偏值存儲(chǔ)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，且將每次頻偏值累加，如果頻偏累加值超過(guò)的最大頻偏值Fh(如在信息速率為4.8kbps情況下，F(xiàn)h＝500Hz)，則使用當(dāng)前的頻偏累加值與上一次的濾波器得到的頻偏累加值進(jìn)行混頻，使其中心頻率移動(dòng)到所需位置；如果沒(méi)有超過(guò)Fh，則仍使用上一次混頻后的濾波器系數(shù)；

(7)頻率跟蹤及補(bǔ)償后的信號(hào)送入鎖相環(huán)模塊進(jìn)行精確鎖定，完成頻率的快速跟蹤處理流程。

對(duì)本發(fā)明的頻偏跟蹤進(jìn)行仿真，頻率跟蹤曲線如圖4所示：原始頻率和鎖定頻率在50s后高度吻合，且頻率誤差在50s以內(nèi)便穩(wěn)定在0HZ附近。在相同的幀結(jié)構(gòu)及高動(dòng)態(tài)仿真條件下，本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，Eb/N0可以提高1dB左右。

根據(jù)上述說(shuō)明書(shū)的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式，對(duì)發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，盡管本說(shuō)明書(shū)中使用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但這些術(shù)語(yǔ)只是為了方便說(shuō)明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。