一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法与流程

本发明涉及一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，属于频偏校正以及无人机数据链信号处理领域。

背景技术：

在无人机数据链传输的过程中，共有两路信号进行工作，其中一路用作遥测遥控，另一路用作图像传输，为了保证图像质量，在总的发射功率一定的前提下，图像传输支路需获得较大功率，而遥测遥控支路分配较少功率，鉴于此使用不平衡四相移相键控(UQPSK)这种调制方式。接收机需要用相干载波实现相干解调，由于多普勒频移等因素导致的频率偏移对恢复相干载波有很大影响。

在现有的校正频率偏移实现载波同步的技术中，导频法由于发射端需另外发送导频信号，降低了频带利用率和功率利用率；从已调信号中估计相干载波从而校正频偏的技术中，平方环和四次方环等由于使用平方率器件会引入非线性分量，同时难以工作于高频段和高速率的场合；COSTAS环结构简单，但是在高阶调制方式下实现较为复杂，同时难以工作于高速率的场合。

(1)在《铁路通信信号工程技术(RSCE)》2014年8月第11卷第4期，题目为：“低信噪比下感应通信扩频信号的载波同步方法”文章中，根据锁相环解决载波同步问题的原理，设计了以判决反馈锁相环为基础的感应式扩频通信系统，解决了在低信噪比情况下载波同步性能不理想的难题。然而，该方法的循环过程包含解扩、解调、采样和判决以及判决反馈锁相环生成载波，计算量大，占用资源多；在判决反馈锁相环中用自相关的方法提取相位信息，但是该方法不适用于UQPSK这种调制方式；此外文章中虽包含判决反馈锁相环，未能直接利用其判决的功能减少后期运算量。

(2)申请号：201510797097.8，标题为“基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法”，过程包括频偏预校正、校正结果与前导符号扩频码片相关、解扩、存储解扩符号、差分处理、频偏细估计和准确频偏估计值，有效提高了频偏估计性能。该申请虽然具有频偏估计准确性高的特点，但是存在过程繁琐，计算量大，成型结构复杂等缺陷。

上述已有的频率偏移校正技术虽然校正准确性高，但是资源利用率低且运算量大，还存在很大改进空间，同时针对无人机数据链传输的实际需求而言，有很大局限性。本发明致力于解决上述技术缺陷，提出了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法。

技术实现要素：

本发明根据无人机数据链传输系统中，图像传输支路与遥测遥控支路分配功率不同的需求，采用UQPSK的调制方式，同时致力于针对现有技术中运算量大、资源占用率高、无法应用于高速率、高频率和使用高阶调制方式的场合的缺陷，提出了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法。

一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，简称本方法；

为解决上述技术问题，本方法采用如下技术方案：

本方法所依托的系统包括信号发生模块、调制模块、信道加噪模块、判决反馈锁相环模块和采样模块；

所述信号发生模块中包含信号发生器；所述调制模块包含乘法器；

所述信道加噪模块具体包括产生加性高斯白噪声并将加性高斯白噪声加入本系统中；

所述判决反馈锁相环模块包括反正切鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器；

优选地，判决反馈锁相环为二阶环路锁相环；

优选地，数字环路滤波器为有源比例积分滤波器的数字化模型；本方法所依托的系统各模块功能如下：

所述信号发生模块的功能是生成基带信号以及载波；

所述调制模块的功能是将基带信号与载波相乘，实现调制；

所述信道加噪模块的功能是模拟现实操作中外界噪声信号对系统的影响；

所述判决反馈锁相环模块的功能是实现频率偏移的校正；

其中，判决反馈锁相环中各模块的功能如下：

反正切鉴相器的功能是用于比较已调信号相位信息与锁相环估计相位信息得到相位差信息，并将相位差调整至系统正确星座点的角度范围内，结果输入到数字环路滤波器；

数字环路滤波器的功能是对高频分量和噪声起抑制作用、动态控制锁相环路的校正精度和速度、对相位差信息进行环路滤波并将得到的步进量输入数控振荡器；

数控振荡器的功能是输出相干载波的相位估计值，该值每次均会以步进量为单位调整，从而得到更准确的相位估计值，以实现对频率偏移的补偿；

所述采样模块的功能是对补偿后的信号进行抽取有效信息，以恢复原始信号；

判决反馈锁相环通过数字滤波器的参数决定其锁定时间和捕获频率范围，数字环路滤波器的参数记为C1和C2，此两个参数通过判决反馈锁相环的闭环传递函数，通过公式(1)计算得到：

其中，H(z)为判决反馈锁相环的闭环传递函数；K₀为数控振荡器增益，K₁为反正切鉴相器增益；

标准的闭环传递函数的z变换形式如公式(2)所示：

其中，T_s为采样时间间隔，ζ为阻尼系数，其取值范围为0.6到1；优选地ζ取0.707；ω_n为自然角频率，通过等效噪声带宽B_L取得；

将公式(1)与公式(2)对比可得：

本方法，包括如下步骤：

S1、反正切鉴相器接收已调信号，再将已调信号的I路信号和Q路信号进行反正切，得到已调信号的相位信息；

其中，已调信号包括I路基带信号和Q路基带信号；I路基带信号简称I路信号，记为I；Q路基带信号简称Q路信号，记为Q；

接收到的已调信号的相位信息记为θ_s，通过如下公式(4)计算得出：

θ_s＝arctan(I/Q) (4)；

S2、反正切鉴相器比较前一次数控振荡器输出的载波相位估计值与已调信号相位信息计算两者间的相位差，再将此相位差调整至正确星座点角度范围内；

其中，载波相位估计值，记为θ_{out_0}；已调信号相位信息，记为θ_s，此两者间的相位差，记为Δθ，通过如下公式(5)计算得出：

Δθ＝θ_s-θ_{out_0} (5)；

调整后的相位差记为Δθ'，作为反正切鉴相器的输出；

S3、数字环路滤波器对S2输出的相位差进行环路滤波，得到数控振荡器的步进量；

其中，数控振荡器的步进量，记为NCO_Step，通过如下公式(6)计算得出：

NCO_Step＝f₁(Δθ',C1,C2) (6)；

S4、数控振荡器对前一次数控振荡器输出的载波相位估计值以数控振荡器步进量为单位进行调整，得到新的相位估计值；

其中，前一次数控振荡器输出的载波相位估计值，记为θ_{out_0}；数控振荡器步进量，记为NCO_Step；新的相位估计值，记为θ_{out_1}，

通过如下公式(7)计算得出：

θ_{out_1}＝f₂(θ_{out_0},NCO_Step) (7)；

S5、重复S2到S4N次，得到最准确的估计值，以此产生相干载波，实现对频率偏移的校正；

其中，N表示仿真码元数，考虑到仿真准确性和内存问题，N的取值范围通常在5000到1000000；

至此，从S1到S5，完成了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法。

有益效果

一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，与其他频偏校正方法相比，具有如下有益效果：

1.本发明所提方法与在《铁路通信信号工程技术(RSCE)》2014年8月第11卷第4期发表的题目为：“低信噪比下感应通信扩频信号的载波同步方法”的文章中用到的方法相比，不仅能够在低信噪比的情况下保持性能良好，同时还减少了资源占用率，计算量的大小得以改善，并且通过在反正切鉴相器中对相位差的调整，解决了由于UQPSK调制方式下I路信号、Q路信号功率不同而导致的调制信息无法消除从而得不到完整相位信息的问题，此外，灵活运用判决反馈锁相环的功能，省略解调后的判决过程；

2.本发明所提方法与申请号为201510797097.8，标题为“基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法”的专利中用到的方法相比，虽不能达到其估计值的准确程度，但是大大简化了计算过程，使本方法所依托的本系统更易实现；

3.与导频法相比，无需另外发送导频信号，将发射功率全部应用于有用信号，同时提高了频带利用率；

4.与平方环法及四次方环法相比，本发明所提出的方法不使用平方率器件，从而大大减少了非线性分量和噪声的引入，同时可以应用于高频率、高速率的场合；

5.与COSTAS环法相比，虽不能达到其结构的简单程度，但是不局限于调制方式的选择，能够应用于使用高阶调制方式的场合。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法及实施例1中的频偏校正系统框图；

图2是本发明一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法及实施例1中的数字环路滤波器原理框图；

图3是本发明一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法及实施例2中的反正切鉴相器提取相位差并校正的流程示意图；

图4为本发明一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法应用于实施例3中的经过判决反馈锁相环补偿后的信号星座图实测结果；

图5为本发明一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法应用于实施例3中的系统误码率曲线实测结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为了解决现有的频率偏移校正方法的问题，提出了一种基于无人机数据链传输的频偏校正方法，实现了在无人机数据链传输系统中对于相干载波的恢复，校正了频率偏移，能够有效减少计算量和资源占用率，更好的应用于高频率和高速率的通信系统中，满足高阶调制方式的需求，同时提高频带利用率和功率利用率。

实施例1

本实施例阐述了本发明所述方法的频偏校正系统组成及连接关系。

图1是本方法及本实施例提供的频偏校正系统框图。参见图1可知，本方法所依托的系统包括信号发生模块、调制模块、信道加噪模块、判决反馈锁相环模块和采样模块；所述信号发生模块采用信号发生器，产生基带信号和载波作为调制模块的输入；所述调制模块采用乘法器，将基带信号和载波相乘实现调制，调制后的信号作为信道加噪模块的输入；所述信道加噪模块采用加性高斯白噪声，调制后的信号与加性高斯白噪声相加模拟实际应用过程中的噪声干扰；所述判决反馈锁相环模块包括反正切鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器，得到的相位信息用于产生相干载波，再与加噪后的信号相乘实现解调，作为采样模块的输入；采样模块通过对解调后信号的采样，恢复出原始的基带信号。

图1中判决反馈锁相环通过数字滤波器的参数决定其锁定时间和捕获频率范围，具体实施的原理示意图如图2所示。

从图2中可以看出，数字环路滤波器的输入是X(k)，即为调整后的反正切鉴相器的相位差信息；输出是G(k)，即为对相位差信息进行环路滤波的结果；C1支路将C1与X(k)相乘作为C1支路的结果，C2支路的延时器通过一个单位的延迟，得到X(k)的延时信息，再将延时信息与X(k)相加的结果与C2相乘作为C2支路的结果，G(k)即为C1、C2两支路结果之和；其中参数C1和C2通过判决反馈锁相环的闭环传递函数，具体由公式(1)计算得到；

公式(1)中，H(z)为判决反馈锁相环的闭环传递函数；K₀为数控振荡器增益，K₁为反正切鉴相器增益；

理论上标准的闭环传递函数的z变换形式如公式(2)所示；

公式(2)中，T_s为采样时间间隔，ζ为阻尼系数，其取值范围为0.6到1；优选地ζ取0.707；ω_n为自然角频率，通过等效噪声带宽B_L取得；

将公式(1)与公式(2)对比可得公式(3)，即为参数C1和C2的表达式。

实施例2

本实施例具体阐述了本发明所述方法中反正切鉴相器提取相位差并校正的流程。

图3是本发明所述方法及本实施例提供的反正切鉴相器提取相位差并校正的流程示意图。

由图3可知，反正切鉴相器提取相位差并校正的流程如下：

第一，输入信号反正切，表示反正切鉴相器对输入的已调信号做反正切；

第二，是求相位差，即反正切鉴相器提取出已调信号的相位信息，其次将前一次的载波相位估计值与已调信号的相位信息比较得到相位差；

第三，做模2π处理，即将相位差做模2π处理使得做差结果搬移至0～2π的范围内；

第四，限制相位，即求得正确星座点所在范围，边界相位即为限制相位；

第五，相位旋转，即经相位旋转至限制相位范围内得到调整后的相位差信号；

至此，经过上述的第一到第五步骤的结果，即为反正切鉴相器的输出。

实施例3

本实施例具体阐述了本发明所述方法在UQPSK调制方式下的无人机数据链传输系统中的实施过程。

下面以UQPSK调制方式下的无人机数据链传输系统为例，对本发明的具体实施过程进行说明。所述无人机数据链传输系统的系统时钟为2MHz，调制方式为UQPSK，其中测控支路I路与图像传输支路Q路的功率之比是1:4，测控支路的扩频比为512，具体包括如下步骤：

步骤a、设置环路滤波器参数C1、C2；

步骤b、反正切鉴相器对已调信号的I路信号和Q路信号做反正切，得到已调信号的相位信息作为标准相位；

步骤c、反正切鉴相器对数控振荡器前一次输出的相位估计值与标准相位做差，得到相位差信号；

步骤d、反正切鉴相器将在区间[-3π,π]的相位差进行模2π处理，得到的相位差在[0,2π]范围之间变化；

步骤e、I路信号和Q路信号功率之比是1:4，即星座图上的幅度之比为1:2，系统正确捕捉后的UQPSK星座图应为宽和长之比为1:2的长方形，因此边界相位即是限制相位，即为arctan(1/2)；

步骤f、在反正切鉴相器中，各个象限超过限制的相位差均取边界值，只保留有效区域内的相位差，并将其旋转至[-arctan(1/2)，arctan(1/2)]区间内；

步骤g、数字环路滤波器对相位差进行环路滤波，抑制高频分量和噪声，同时与数字环路滤波器参数作用，得到控制数控振荡器的步进量；

步骤h、若步进量>0，则数控振荡器在前一次的相位估计值的基础上增加；若步进量<0，则数控振荡器在前一次的相位估计值的基础上减少；

步骤I、系统采用最终的相位估计值，据此产生相干载波，实现频率偏移的校正。

从上面描述可知，通过多次与标准相位的比较，使得最终的估计值是最为理想的相位值。使用该种判决反馈锁相环能够解决如下缺陷：

(A)与在《铁路通信信号工程技术(RSCE)》2014年8月第11卷第4期发表的题目为：“低信噪比下感应通信扩频信号的载波同步方法”的文章中用到的方法相比，本方法在步骤b中将已调信号的相位信息提取，步骤c至步骤h的循环过程均是对相位信号操作，循环结束得到最佳相位估计值时再产生相干载波，运算量更小；而文章中所用方法的循环过程包含解扩、解调、采样和判决以及判决反馈锁相环生成载波，计算量大，占用资源多；

本方法通过步骤d至步骤f在反正切鉴相器中对相位差的调整，解决了由于UQPSK调制方式下I路信号、Q路信号功率不同而导致的调制信息无法消除从而得不到完整相位信息的问题；而文章中所用方法当遇到I路信号、Q路信号功率不同的信号时，相关运算的结果无法消除调制信息，因此无法提取相位；

本方法活用判决反馈锁相环的功能，在采样之后无需判决，而文章中所用方法仍需判决，增加了运算量；

(B)与申请号为201510797097.8，标题为“基于判决反馈的扩频信号频率偏移估计方法”的专利中用到的方法相比，本方法通过步骤h不断对前一次数控振荡器产生的相位估计值以步进量为单位进行调整，得到最为理想的相位值，虽估计结果不能达到非常高的准确程度，但是大大简化了计算过程，易于实现；而专利中所用方法的估计过程包括频偏预校正、校正结果与前导符号扩频码片相关、解扩、存储解扩符号、差分处理、频偏细估计和准确频偏估计值，虽准确性高，但是过程繁琐，计算量大，成型结构复杂；

(C)与导频法相比，本方法在信号发生模块只需生成基带信号及载波，无需另外发送导频信号，将发射功率全部应用于有用信号，同时提高了频带利用率；

(D)与平方环法及四次方环法相比，本方法的步骤a至步骤h在进行频偏校正时使用的是判决反馈锁相环，可以应用于高频率、高速率的场合；而平方环及四次方环使用平方率器件，容易导致非线性分量和噪声的引入，当载波频率较高时，平方或四次方后的频率难以实现，无法满足高频率、高速率的要求；

(E)与COSTAS环法相比，本方法虽不能达到其结构的简单程度，但是不局限于调制方式的选择，能够应用于使用高阶调制方式的场合，比如UQPSK、8PSK等，可以对步骤e中的不同支路信号进行处理；而COSTAS环结构简单，基本用于使用BPSK、QPSK作为调制方式的场合。

下面通过实验来验证上述实施例所述方法的效果。

本实验中所述无人机数据链传输系统的系统时钟为2MHz，调制方式为UQPSK，其中测控支路I路与图像传输支路Q路的功率之比是1:4，测控支路的扩频比为512。

图4为经过判决反馈锁相环补偿后的信号星座图实测结果。

图4中星座图所反应的信号，是与采用频偏校正后的相干载波解调后的信号，图4中横坐标表示相位，纵坐标表示相移，显而易见的，判决反馈锁相环捕获成功并且频偏校正准确；

另一方面，对系统的可靠性做一评估，令信噪比在-5dB至12dB的范围内，误码率曲线如图5所示。

图5中横坐标是信噪比(EbNo)，纵坐标是误码率(Pe_UQPSK)。从图5可以看出，当信噪比大于-3dB时，仿真的误码率曲线接近理想误码率曲线，性能良好，可靠性强。

综上所述，应用本发明的方法可以实现对无人机数据链传输的频率偏移的校正，完成了载波同步，相对于现有校正频率偏移的载波同步的方法，减少了运算量，提高了频带和功率利用率，适用场合更加广泛。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。