本發(fā)明涉及載波同步領(lǐng)域,特別涉及一種基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法及跟蹤裝置。
背景技術(shù):
深空測控通信分系統(tǒng)需要完成遙控、遙測、數(shù)傳、測距、測速、測角等一系列功能,其前提條件是實現(xiàn)精確的載波同步,載波同步分為載波捕獲和載波跟蹤。載波捕獲單元是對接收信號作fft處理,獲得多普勒頻率的粗略估計;載波跟蹤單元則是在捕獲成功后,對信號進行精細同步,實時跟蹤載波的相位偏移、頻率偏移、以及頻率變化率。
載波跟蹤鎖相環(huán)的設(shè)計非常的重要,需要兼顧噪聲和動態(tài)性能指標,現(xiàn)有的載波跟蹤系統(tǒng)的主載波在極低信噪比下跟蹤困難、穩(wěn)定性低。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,提出一種基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法及跟蹤裝置,結(jié)合鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)的優(yōu)點,能夠兼顧噪聲和動態(tài)性能指標,使得跟蹤環(huán)路能夠在極低信噪比、高動態(tài)、大頻偏的情況下快速且穩(wěn)定的鎖定,解決了現(xiàn)有跟蹤系統(tǒng)中主載波在極低信噪比下的跟蹤難題。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
本發(fā)明提供一種基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法,其包括以下步驟:
s11:采用數(shù)字下變頻單元抽取載波信號,作為輸入信號;
s12:對所述輸入信號進行鑒頻鑒相,得到所述輸入信號的頻率以及相位;
s13:采用鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器對所述輸入信號的頻率以及相位進行環(huán)路濾波,輸出濾波輸出值;
s14:調(diào)節(jié)所述濾波輸出值調(diào)節(jié)輸出頻率,與輸入信號進行混頻,形成閉環(huán)跟蹤。
較佳地,所述步驟s13具體包括:
s131:在極低信噪比的條件下確定所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器和所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的鑒別更新周期;
s132:根據(jù)所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的鑒別更新周期確定所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器和所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬;
s133:利用所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器對所述頻率以及所述相位進行環(huán)路濾波。
較佳地,所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器為二階鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器,所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器為三階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器。
較佳地,所述步驟s131具體為:根據(jù)極低信噪比下的動態(tài)應力和噪聲性能指標,利用可控根算法和鎖相環(huán)跟蹤門限判據(jù)求解出所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期;
所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期與所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期相同。
較佳地,所述步驟s131中所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的鑒別更新周期滿足:
其中,tmax為極低信噪比下的最大鑒別更新周期,cnr0為系統(tǒng)規(guī)定的載噪比指標;
最優(yōu)鑒別更新周期為:
其中fs為系統(tǒng)時鐘頻率,floor(x)表示對x向下取整。
較佳地,所述步驟s132中:所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬為逐漸減小的,直至所述鎖頻環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器能穩(wěn)定鎖定;
所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬的變化規(guī)律為:
其中,bnf(0)為所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器的初始環(huán)路帶寬,
所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬的變化規(guī)律為:
其中,bnp(0)為所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的初始環(huán)路帶寬,
較佳地,所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的衰減速率常量
較佳地,所述步驟s12中的進行鑒頻鑒相,得到所述輸入信號的頻率以及相位進一步為:得到多個鑒頻鑒相結(jié)果取平均值,得到所述輸入信號的頻率以及相位。
較佳地,所述步驟s12與步驟s13之間還包括:
s101:所述輸入信號的頻率以及相位乘以一增益因子;
所述步驟s13與所述步驟s14之間還包括:
s102:所述濾波輸出值除以所述增益因子。
本發(fā)明還提供一種基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤裝置,其用于實現(xiàn)上述基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法,其包括:數(shù)字下變頻單元、鑒頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器以及數(shù)字控制振蕩器,其中,
所述環(huán)路濾波器包括:鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器;
所述數(shù)字下變頻單元用于抽取載波信號,作為輸入信號;
所述鑒頻器以及所述鑒相器分別與所述數(shù)字下變頻單元相連,所述鑒頻器以及所述鑒相器用于對所述輸入信號進行鑒頻鑒相,輸出所述輸入信號的頻率以及相位;
所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器分別與所述鑒頻器以及所述鑒相器相連,所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器用于對所述輸入信號的頻率以及相位進行環(huán)路濾波,,輸出濾波輸出值;
所述數(shù)字控制振蕩器與所述鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器相連,所述數(shù)字控制振蕩器用于對所述濾波輸出值的輸出頻率進行調(diào)節(jié),與輸入信號進行混頻,形成閉環(huán)跟蹤。
相較于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)本發(fā)明提供的基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法及跟蹤裝置,為適應極低信噪比下的載波頻率變化和減少fpga資源占用,結(jié)合鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)的優(yōu)點,兼顧了噪聲和動態(tài)性能指標,使得跟蹤環(huán)路能夠在極低信噪比、高動態(tài)、大頻偏的情況下快速且穩(wěn)定的鎖定;且節(jié)省了資源占用,靈活性強;
(2)本申請采用三階鎖相環(huán)加二階鎖頻環(huán)的方法,三階鎖相環(huán)能夠無誤差的跟蹤頻率斜升信號,而引入二階鎖頻環(huán)的輔助則使鎖相環(huán)能夠適應更寬的動態(tài)范圍,能夠更好的兼顧噪聲和動態(tài)性能指標;
(3)本發(fā)明的基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法及跟蹤裝置,根據(jù)極低信噪比下的動態(tài)應力和噪聲性能指標,設(shè)計了新型的可控根算法和鎖相環(huán)跟蹤門限判據(jù)來求解出最優(yōu)鑒別更新周期,使動態(tài)應力性能、抗噪聲性能達到最優(yōu)。
當然,實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明:
圖1為本發(fā)明的基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法的流程圖;
圖2為本發(fā)明的載波跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明,本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施,給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
結(jié)合圖1-圖2,對本發(fā)明的基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法進行詳細描述,其流程圖如圖1所示,其包括以下步驟:
s11:采用數(shù)字下變頻單元抽取載波信號,作為輸入信號;
s12:對輸入信號進行鑒頻鑒相,得到輸入信號的頻率以及相位;
s13:采用鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器對輸入信號的頻率以及相位進行環(huán)路濾波,輸出濾波輸出值;
s14:調(diào)節(jié)濾波輸出值調(diào)節(jié)輸出頻率,與輸入信號進行混頻,形成閉環(huán)跟蹤。
其中,步驟s13具體包括:
s131:在極低信噪比的條件下確定鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器和鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的鑒別更新周期;
s132:根據(jù)鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的鑒別更新周期確定鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器和鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬;
s133:利用鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器對頻率以及相位進行環(huán)路濾波。
本實施例中,為適應在極低信噪比下的載波頻率變化和減少fpga資源占用,采用三階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器加二階鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器實現(xiàn)載波跟蹤,三階鎖相環(huán)能夠無誤差的跟蹤頻率斜升信號,而引入二階鎖頻環(huán)的輔助則使鎖相環(huán)能夠適應更寬的動態(tài)范圍。
本實施例中,步驟s131具體為:根據(jù)極低信噪比下的動態(tài)應力和噪聲性能指標,利用可控根算法和鎖相環(huán)跟蹤門限判據(jù)求解出鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期;鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期與所述鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期相同。下面對鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的最優(yōu)鑒別更新周期的求解過程進行詳細描述。
在極低信噪比的條件下應該盡量加大鑒別更新周期t,通過增大相干積累時間來提高信噪比,但是t存在上限,分析如下:
根據(jù)可控根方法,三階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器s域的傳遞函數(shù)表示為:
鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬bnp,環(huán)路增益kpll、環(huán)路濾波器系數(shù)gpa應滿足:
設(shè)三階鎖相環(huán)環(huán)路s域的系統(tǒng)函數(shù)表達式為:
根據(jù)雙線性映射的推導,需要滿足
4bωnpt+2aωnp2t2+ωnp3t3<<1
其中ωnp為環(huán)路特征頻率,t為鑒別更新周期。
且kpll、gpa和b、ωnp滿足:
kpllgpa=bωnp
因此可以得到環(huán)路帶寬bnp和鑒別更新周期t的約束關(guān)系:
不妨設(shè)
對鎖相環(huán)跟蹤門限的一種保守估計方法是,相位誤差均方差不得超過鑒相牽入范圍的1/12。因此bnp需要滿足以下條件:
其中,cnr為載噪比,σv表示機械顫動的抖動,σa表示振蕩器allan方差的抖動,θe表示由動態(tài)應力帶來的相位誤差。忽略σv、σa、
將
考慮到fpga中系統(tǒng)時鐘的2的冪次比較容易實現(xiàn),因此程序中的鑒別更新周期取為:
本實施例中,為使動態(tài)應力性能、抗噪聲性能達到最優(yōu),且縮減極低信噪比下的環(huán)路鎖定和穩(wěn)定時間,鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器采用多級參數(shù)切換的方式,其對應的環(huán)路帶寬逐步減小,以使環(huán)路能夠快速且穩(wěn)定的鎖定。下面對鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬的具體設(shè)置過程進行詳細描述。
鎖頻環(huán)對動態(tài)應力的容忍程度比鎖相環(huán)大,環(huán)路最初鎖定的關(guān)鍵階段需要利用鎖頻環(huán)快速縮小頻率誤差。由于鎖頻環(huán)的鑒頻更新周期t已定,鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器增益kf,以及系數(shù)gfa、gfb由鎖頻環(huán)噪聲帶寬bnf唯一確定,因此調(diào)節(jié)鎖頻環(huán)參數(shù)就是調(diào)節(jié)鎖頻環(huán)的環(huán)路帶寬bnf。
首先考慮噪聲條件對bnf的限制:
其中,t表示環(huán)路更新周期,bnf表示環(huán)路帶寬,c/n0為載噪比,在低載噪比下f取2,fe表示由動態(tài)應力帶來的頻率誤差。在不考慮三階動態(tài)應力fe的條件下,可以得到bnf應當滿足:
然后考慮動態(tài)應力條件對bnf的限制:根據(jù)環(huán)路帶寬(bnf)max時,繪制鎖頻環(huán)的閉環(huán)頻率響應圖,并確定其3db帶寬為f3db,設(shè)系統(tǒng)規(guī)定的動態(tài)應力指標為頻率偏移fdopplerhz+頻率變化率
其中bnf(0)為初始環(huán)路帶寬,
當鎖頻環(huán)已經(jīng)基本完成頻率同步時,鎖相環(huán)可以實現(xiàn)對載波信號的精確跟蹤。和鎖頻環(huán)類似,調(diào)節(jié)鎖相環(huán)參數(shù)就是調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬bnp。本實施例中鎖相環(huán)環(huán)路也采用變環(huán)路帶寬技術(shù),其帶寬變化規(guī)律和鎖頻環(huán)相同,只是三階環(huán)路的衰減速率常量
較佳實施例中,在鑒頻器內(nèi)通過采用對多個鑒頻結(jié)果取平均的方法,降低噪聲的影響,提高信噪比,并可抑制頻差突變的影響,提高系統(tǒng)鎖頻的準確性和穩(wěn)定性。
較佳實施例中,為提高環(huán)路濾波器的計算精度,綜合考慮fpga資源占用,在鑒相器和鑒頻器模塊后,將誤差先乘以一個增益因子,經(jīng)過環(huán)路濾波器后輸出濾波值,再除以上述增益因子,減小有限字長效應帶來的誤差,以提高誤差精度。
本發(fā)明的基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤裝置用于實現(xiàn)上述實施例的基于fpga的極低信噪比的載波跟蹤方法,其包括:數(shù)字下變頻單元、鑒頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器以及數(shù)字控制振蕩器,其中,環(huán)路濾波器包括:鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器;數(shù)字下變頻單元用于抽取載波信號,作為輸入信號;鑒頻器以及所述鑒相器分別與數(shù)字下變頻單元相連,鑒頻器以及鑒相器用于對輸入信號進行鑒頻鑒相,輸出輸入信號的頻率以及相位;鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器分別與鑒頻器以及鑒相器相連,鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器用于對輸入信號的頻率以及相位進行環(huán)路濾波,,輸出濾波輸出值;數(shù)字控制振蕩器與鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器以及鎖相環(huán)環(huán)路濾波器相連,數(shù)字控制振蕩器用于對濾波輸出值的輸出頻率進行調(diào)節(jié),與輸入信號進行混頻,形成閉環(huán)跟蹤。下面對單元進行詳細描述。
(1)數(shù)字下變頻單元
在fpga實現(xiàn)中,數(shù)字下變頻單元可以使用cic抽取濾波器和三級fir濾波器串聯(lián),減小資源占用,并充分濾除掉混頻產(chǎn)生的高頻分量以及抽取產(chǎn)生的頻譜混疊。cic抽取濾波的參數(shù)為:抽取倍數(shù)為d0,級數(shù)為s0。在fpga中可以利用ip核高效實現(xiàn)。在極低信噪比時,輸入中頻信號上疊加的噪聲較大,在fpga實現(xiàn)時,采用了三級濾波的方式,以保證每個濾波器抽頭個數(shù)在100以內(nèi)。三級fir濾波器的階數(shù)分別為s1、s2、s3階,濾波后抽取的倍數(shù)分別為d1、d2、d3倍。在fpga中可以利用dspslice資源高效實現(xiàn)。
(2)鑒頻器和鑒相器
鑒相器和鑒頻器的更新周期均為
鑒相器使用二象限反正切法,fpga實現(xiàn)時,采用了cordicip核的arctan模式,并利用流水結(jié)構(gòu)實現(xiàn)反正切函數(shù)的計算,該方法具有精度高、速度快、延遲小、結(jié)構(gòu)簡單及容易實現(xiàn)等優(yōu)點。輸入的i、q兩路信號表示為定點二進制補碼數(shù),輸出的鑒相誤差值(以弧度為單位)則表示為帶有3bit整數(shù)位(包括符號位)的nbit定點二進制補碼數(shù),送至相位環(huán)路濾波器,因此鑒相增益為kp=2n-3。
鑒頻器使用點積叉積鑒頻法。在fpga中用復數(shù)乘法器實現(xiàn)點積和叉積的運算,運算結(jié)果送入cordic核完成二象限反正切計算(與鑒相器計算相同),輸出的鑒頻誤差值送至頻率環(huán)路濾波器,因此鑒頻增益為kf=2n-3×t,t為鑒別更新周期。另外,鑒頻器對連續(xù)多個鑒頻周期內(nèi)的多次鑒頻結(jié)果進行平均,以平滑噪聲的影響,增強在極低信噪比下載波跟蹤環(huán)路的鎖定能力。
(3)鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器和鎖相環(huán)環(huán)路濾波器
環(huán)路濾波器的設(shè)計是首先根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能指標完成模擬濾波器的設(shè)計;然后將s域模擬濾波器映射到z域數(shù)字濾波器。具體設(shè)計如下:
三階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器s域的傳遞函數(shù)表示為:
其中,k1p、k2p、k3p是可控根方法中的環(huán)路濾波器系數(shù),kpll是鎖相環(huán)增益(等于鑒相增益kp與nco增益k0的乘積)。根據(jù)可控根的推導,有結(jié)論:
根據(jù)fpga程序中的環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu),其z域的傳遞函數(shù)表示為:
其中,gpa、gpb、gpc是fpga中設(shè)定的環(huán)路濾波器的系數(shù)。
采用雙線性映射方法將z域變換到s域,其變換公式為:
其中t為鑒別更新周期,代入fiii(z),得到
對比兩個fiii(s)表達式常數(shù)項系數(shù),即可得到gpa、gpb、gpc的表達式:
同理,二階鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器s域的傳遞函數(shù)表示為:
其中,k1f、k2f是可控根方法中的環(huán)路濾波器系數(shù),kfll是鎖頻環(huán)增益(等于鑒頻增益kf與nco增益k0的乘積)。根據(jù)可控根的推導,有結(jié)論:
根據(jù)fpga程序中的環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu),其z域的傳遞函數(shù)為:
其中,gfa、gfb是fpga中設(shè)定的環(huán)路濾波器的系數(shù)。
通過雙線性映射方法將到s域,得到
對比兩個fii(s)表達式常數(shù)項系數(shù),即可得到gfa、gfb的表達式:
為應對極其嚴苛的噪聲和動態(tài)應力指標,相位和頻率環(huán)路濾波器均采用變帶寬的策略:先讓噪聲帶寬較寬的環(huán)路濾波器運行小段時間,用以應對較強的動態(tài)應力,使相位跟蹤誤差迅速減小,然后再轉(zhuǎn)入噪聲帶寬較窄的環(huán)路濾波器,以使噪聲帶寬保持在一個較小的值,保證整個環(huán)路的穩(wěn)定鎖定。
(4)數(shù)字控制振蕩器(nco)
數(shù)控振蕩器(nco)根據(jù)環(huán)路濾波器的濾波輸出值來調(diào)整輸出頻率,生成本地正弦和余弦信號,與輸入載波信號進行混頻。fpga實現(xiàn)時,使用了ddsip核的查找表配置法,查找表將輸出頻率值轉(zhuǎn)換成本地正弦和余弦信號。設(shè)置查找表的相位控制字位寬為nbit(和鑒相器、鑒頻器的位寬相同),以保證足夠的相位精度,因此nco的增益為
此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例,本說明書選取并具體描述這些實施例,是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用,并不是對本發(fā)明的限定。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在說明書范圍內(nèi)所做的修改和變化,均應落在本發(fā)明所保護的范圍內(nèi)。