一种频偏检测方法、系统、存储介质和电子设备与流程

1.本发明涉及卫星通信领域技术领域，尤其涉及一种频偏检测方法、系统、存储介质和电子设备。


背景技术：

2.随着通信业务由海上用户向陆地移动和航空用户扩展，1994年改名为国际移动卫星通信组织(international mobile satellite organization，imso)但其缩写仍然是inmarsat。inmarsat系统能覆盖地球南北纬76度之内的所有区域，能够提供多种通信服务，承担了目前海上绝大部分的通信业务。
3.在卫星移动通信系统中，由于卫星与移动终端之间的相对运动，会导致多普勒效应。因此必须分析在卫星可视范围内移动终端的多普勒频偏和变化规律，从而补偿多普勒效应，提高通信质量。同时基于成本考虑，绝大部分接收机自身的晶振精度不够高，也会产生时钟漂移频率偏差的问题。例如石英晶体的频率偏差率一般在0.25ppm，以l1频率的振荡器而言，0.25ppm相当于约400hz的频率误差。该频率误差在基带信号处理时也必须要被考虑进来。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种频偏检测方法、系统、存储介质和电子设备。
5.本发明的一种频偏检测方法的技术方案如下：
6.s1、根据待检测信号的初始频偏值对所述待检测信号进行预纠偏，得到所述待检测信号的残留频偏范围；
7.s2、根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在所述残留频偏范围内搜索并得到所述待检测信号的第一最大频点模值，并根据预设搜索频点个数和所述第一最大频点模值得到所述待检测信号的第二最大频点模值；
8.s3、根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值，若是，则根据所述初始频偏值和所述残留频偏值确定所述待检测信号的最终频偏值，若否，则将所述初始频偏值确定为所述待检测信号的最终频偏值。
9.本发明的一种频偏检测方法的有益效果如下：
10.本发明的方法根据待检测信号的初始频偏值对待检测信号进行预纠偏，得到待检测信号的残留频偏范围，根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在残留频偏范围内搜索第一最大频点模值和第二最大频点模值，并根据第一最大频点模值的索引值和第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值。因此，本发明的方法实现简单，快速高效，通过gnss芯片的同步和定位过程，先确定一部分频偏值，并利用该频偏值进行预纠偏，然后仅需要在残留频偏范围内，进行dft扫描，确认残留频偏值。
不同波特率下，通过设置合理的预设参数就能保证lband信号的检测性能。
11.在上述方案的基础上，本发明的一种频偏检测方法还可以做如下改进。
12.进一步，在所述s1之前，还包括：
13.s01、通过gnss接收机获取所述待检测信号的初始频偏值；
14.所述s1具体包括：
15.s11、根据频偏值转化公式，将所述初始频偏值转化为频率控制字，其中，所述频偏值转化公式为：f
d0
为所述初始频偏值，rf
freq_new
为所述频率控制字，rf
frequency
为所述待检测信号的理论中频频率，fs为所述待检测信号的采样频率；
16.s12、将所述频率控制字发送至lband基带，并经所述lband基带的射频前端持续输出得到基带信号值，其中，所述基带信号值为d＝[d(0)，d(1)，
…
]；
[0017]
s13、根据下变频公式对所述基带信号值进行处理，得到零中频基带值，其中，所述下变频公式为：n＝0，1，2，...，fs为所述待检测信号的采样频率，fc为所述待检测信号的中频频率，n表示所述下变频公式中的离散数据点的索引，j为待检测信号的系数；
[0018]
s14、根据所述零中频基带值确定所述待检测信号的残留频偏范围。
[0019]
进一步，在所述s2之前，还包括：根据预设函数公式确定所述预设频偏搜索步长的取值范围，并将所述频偏搜索步长的取值范围内的合理取值确定为所述预设频偏搜索步长，其中，所述预设函数公式为：t
coh
为相干积分长度，fe为频率误差，sinc(fet
coh
)为所述频偏搜索步长的取值范围，用于获取所述频偏搜索步长的取值范围内的合理取值。
[0020]
进一步，所述s2具体包括：
[0021]
s21、获取待检测信号的符号速率symbol_rate；
[0022]
s22、根据降采样公式，对所述零中频基带值和所述符号速率进行处理，得到降采样值，其中，所述降采样公式为：m＝fs/fw，fs为所述采样频率，fw＝8
×
symbol_rate，k为所述降采样公式中的降采样值的离散数据点的索引，i为所述降采样公式中的零中频基带值的离散数据点的索引；
[0023]
s23、根据低通滤波公式，对所述降采样值进行滤波处理，得到滤波值，其中，所述低通滤波公式为：u＝0,1,2
…
，c(n)u为第u次滤波，l
lpf
为低通滤波器阶数，h
lpf
(n)为滤波器系数，p(u)为第u次滤波后的滤波值；
[0024]
s24、根据所述修正公式，对所述滤波值进行修正，得到修正值，其中，所述修正公式为：x(n)＝(i(n)
2-q(n)2)+j*2*i(n)*q(n)0≤n＜n
len
，i(n)和q(n)分别为p(n)的实部和虚部，n表示离散的数据点的索引；
[0025]
s25、基于离散傅里叶变换公式，在所述残留频偏范围内根据所述修正值、所述预
设频偏搜索步长和所述预设时域数据长度得到所述待检测信号的第一最大频点模值，其中，所述离散傅里叶变换公式为：x(m)为多个搜索频点，n1为第一搜索频点数，所述第一搜索频点数由预设频偏搜索步长和所述残留频偏范围确定，δf为所述预设频偏搜索步长，n
int
为预设的时域数据长度所对应的时域积分样点个数；
[0026]
s26、在所述多个搜索频点中，获取所述第一最大频点模值的索引值idx1,idx1∈[1,...n1]；
[0027]
s27、在预设搜索条件下，根据所述第一最大频点模值得到所述第二最大频点模值的索引值idx2,idx2∈[1,...n2]；
[0028]
s28、基于预设转换公式，根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值得到第三最大频点模值的索引值，其中，预设转换公式为：idx3为所述第三最大频点模值的索引值，n2为预设搜索频点个数。
[0029]
进一步，所述根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值，具体包括：
[0030]
判断所述第一最大频点模值的索引值和所述第三最大频点模值的索引值之间的差值是否大于1，若是，则所述待检测信号中不存在所述残留频偏值，若否，则所述待检测信号中存在所述残留频偏值。
[0031]
进一步，还包括：根据残留频偏公式得到所述残留频偏值，其中，所述残留频偏公式为：
[0032]
本发明的一种频偏检测系统的技术方案如下：
[0033]
包括：预处理模块、获取模块、判断模块；
[0034]
所述预处理模块用于：根据待检测信号的初始频偏值对所述待检测信号进行预纠偏，得到所述待检测信号的残留频偏范围；
[0035]
所述获取模块用于：根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在所述残留频偏范围内搜索并得到所述待检测信号的第一最大频点模值，并根据预设搜索频点个数和所述第一最大频点模值得到所述待检测信号的第二最大频点模值；
[0036]
所述判断模块用于：根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值，若是，则根据所述初始频偏值和所述残留频偏值确定所述待检测信号的最终频偏值，若否，则将所述初始频偏值确定为所述待检测信号的最终频偏值。
[0037]
本发明的一种频偏检测系统的有益效果如下：
[0038]
本发明的系统根据待检测信号的初始频偏值对待检测信号进行预纠偏，得到待检
测信号的残留频偏范围，根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在残留频偏范围内搜索第一最大频点模值和第二最大频点模值，并根据第一最大频点模值的索引值和第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值。因此，本发明的系统实现简单，快速高效，通过gnss芯片的同步和定位过程，先确定一部分频偏值，并利用该频偏值进行预纠偏，然后仅需要在残留频偏范围内，进行dft扫描，确认残留频偏值。不同波特率下，通过设置合理的预设参数就能保证lband信号的检测性能。
[0039]
在上述方案的基础上，本发明的一种频偏检测系统还可以做如下改进。
[0040]
进一步，在所述预处理模块之前，还包括：接收模块；
[0041]
所述接收模块用于：通过gnss接收机获取所述待检测信号的初始频偏值；
[0042]
所述预处理模块具体用于：
[0043]
根据频偏值转化公式，将所述初始频偏值转化为频率控制字，其中，所述频偏值转化公式为：f
d0
为所述初始频偏值，rf
freq_new
为所述频率控制字，rf
frequency
为所述待检测信号的理论中频频率，fs为所述待检测信号的采样频率；
[0044]
将所述频率控制字发送至lband基带，并经所述lband基带的射频前端持续输出得到基带信号值，其中，所述基带信号值为d＝[d(0),d(1),
…
]；
[0045]
根据下变频公式对所述基带信号值进行处理，得到零中频基带值，其中，所述下变频公式为：n＝0,1,2,...，fs为所述待检测信号的采样频率，fc为所述待检测信号的中频频率，n表示所述下变频公式中的离散数据点的索引，j为待检测信号的系数；
[0046]
根据所述零中频基带值确定所述待检测信号的残留频偏范围。
[0047]
本发明的一种存储介质的技术方案如下：
[0048]
存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如本发明的一种频偏检测方法的步骤。
[0049]
本发明的一种电子设备的技术方案如下：
[0050]
包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，使所述计算机执行如本发明的一种频偏检测方法的步骤。
附图说明
[0051]
图1为本发明实施例的一种频偏检测方法的流程示意图；
[0052]
图2为本发明实施例的一种频偏检测方法的lband信号的高精度定位芯片的基带结构图；
[0053]
图3为本发明实施例的一种频偏检测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0054]
如图1所示，本发明实施例的一种频偏检测方法，包括如下步骤：
[0055]
s1、根据待检测信号的初始频偏值对所述待检测信号进行预纠偏，得到所述待检测信号的残留频偏范围；
[0056]
其中，在卫星移动通信系统中，由于卫星与移动终端之间的相对运动，会导致多普勒效应。因此必须分析在卫星可视范围内移动终端的多普勒频偏和变化规律，从而补偿多普勒效应，提高通信质量。
[0057]
其中，待检测信号为lband信号。本实施例的技术方案基于lband信号的高精度定位芯片的基带如图2所示。gnss基带和lband信号基带在同一芯片内部，共用同一个晶振，因此完全可以先利用gnss基带的同步和定位，确定终端钟漂和多普勒运行带来的频偏，对信号进行预纠偏。这样在lband信号检测阶段，需要搜索的残留频偏范围就会大大减小。同时基于成本考虑，绝大部分接收机自身的晶振精度不够高，也会产生时钟漂移频率偏差的问题。例如石英晶体的频率偏差率一般在0.25ppm，以l1频率的振荡器而言，0.25ppm相当于约400hz的频率误差。该频率误差在基带信号处理时也必须要被考虑进来。
[0058]
s2、根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在所述残留频偏范围内搜索并得到所述待检测信号的第一最大频点模值，并根据预设搜索频点个数和所述第一最大频点模值得到所述待检测信号的第二最大频点模值；
[0059]
具体地，采样离散傅里叶变换(dft)计算方法，在预先定义的频偏搜索步长和时域数据长度，做第一次dft得到待检测信号的第一最大频点模值，其中，第一最大频点模值为第一次dft后，得到的所有频点模值中的最大值(最大功率所对应的频偏值)，然后再以第一最大频点模值为中心，在预设搜索频点个数的搜索频点范围内做第二次dft，得到待检测信号的第二最大频点模值，其中，第二最大频点模值为第二次dft后，得到的所有频点模值中的最大值(最大功率所对应的频偏值)。
[0060]
s3、根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值，若是，则根据所述初始频偏值和所述残留频偏值确定所述待检测信号的最终频偏值，若否，则将所述初始频偏值确定为所述待检测信号的最终频偏值。
[0061]
具体地，根据两次最大值的位置差值确定lband信号的残留频偏，并确认lband信号是否存在。
[0062]
较优地，在所述s1之前，还包括：
[0063]
s01、通过gnss接收机获取所述待检测信号的初始频偏值；
[0064]
其中，gnss接收机通过与gps/bd/gal等卫星实现同步和定位，得到初始频偏值。
[0065]
所述s1具体包括：
[0066]
s11、根据频偏值转化公式，将所述初始频偏值转化为频率控制字，其中，所述频偏值转化公式为：f
d0
为所述初始频偏值，rf
freq_new
为所述频率控制字，rf
frequency
为所述待检测信号的理论中频频率，fs为所述待检测信号的采样频率；
[0067]
其中，rf
freq_new
为32位寄存器的值，也就是补偿频率对应的32位的频率控制字。
[0068]
s12、将所述频率控制字发送至lband基带，并经所述lband基带的射频前端持续输出得到基带信号值，其中，所述基带信号值为d＝[d(0)，d(1)，
…
]；
[0069]
其中，射频前端持续输出得到的d(0)、d(1)、d(2)...，最终得到基带信号值：d＝[d
(0)，d(1)，
…
]。
[0070]
s13、根据下变频公式对所述基带信号值进行处理，得到零中频基带值，其中，所述下变频公式为：n＝0，1，2，...，fs为所述待检测信号的采样频率，fc为所述待检测信号的中频频率，n表示所述下变频公式中的离散数据点的索引，j为待检测信号的系数；
[0071]
s14、根据所述零中频基带值确定所述待检测信号的残留频偏范围。
[0072]
其中，将32位的频率控制字传给lband基带后，经过预纠偏，信号的残留频偏能保证在
±
1khz范围之内。用频率控制字生成频率为对应频率的载波，对lband信号进行下变频处理，即预纠偏。预纠偏后信号的残留频偏在
±
1khz范围内。
[0073]
较优地，在所述s2之前，还包括：根据预设函数公式确定所述预设频偏搜索步长的取值范围，并将所述频偏搜索步长的取值范围内的合理取值确定为所述预设频偏搜索步长，其中，所述预设函数公式为：t
coh
为相干积分长度，fe为频率误差，sinc(fet
coh
)为所述频偏搜索步长的取值范围，用于获取所述频偏搜索步长的取值范围内的合理取值。
[0074]
其中，如表1中的内容所示，信号具有4种不同的波特率。时域上相同数量的离散点对应的相干积分长度t
coh
并不相同，因此在dft计算之前，为了保证因频率差异引起的相干结果幅值衰减始终在3db范围之内，不同的波特率下应该采用不同的频偏搜索步长δf。相干积分结果的幅值随频率误差fe的变化曲线为函数|sinc(fe*t
coh
)|，其中函数sin为正弦函数，该曲线能指导频偏搜索步长的合理取值范围。
[0075]
表1 lband信号各波特率下参数细节表
[0076][0077]
较优地，所述s2具体包括：
[0078]
s21、获取待检测信号的符号速率symbol_rate；
[0079]
s22、根据降采样公式，对所述零中频基带值和所述符号速率进行处理，得到降采样值，其中，所述降采样公式为：m＝fs/fw，fs为所述采样频率，fw＝8
×
symbol_rate，k为所述降采样公式中的降采样值的离散数据点的索引，i为所述降采样公式中的零中频基带值的离散数据点的索引；
[0080]
s23、根据低通滤波公式，对所述降采样值进行滤波处理，得到滤波值，其中，所述低通滤波公式为：u＝0,1,2
…
，c(n)u为第u次滤波，l
lpf
为低通滤波器阶数，h
lpf
(n)为滤波器系数，p(u)为第u次滤波后的滤波值；
[0081]
其中，由于降采样前后采样率差距过大，会在降采样后的通带内引入混叠噪声。因此为了提高频偏估计的准确性，需要先过一级低通滤波器。滤波器的通带由符号速率加1khz最大频偏确定。
[0082]
s24、根据所述修正公式，对所述滤波值进行修正，得到修正值，其中，所述修正公式为：x(n)＝(i(n)
2-q(n)2)+j*2*i(n)*q(n)0≤n＜n
len
，i(n)和q(n)分别为p(n)的实部和虚部，n表示离散的数据点的索引；
[0083]
其中，需要说明的是，如果输入数据存在频偏fd，经过修正后，频偏变成f
new
＝2*fd。后续的频偏估计实际上都是对f
new
进行估计，从而折算出fd。
[0084]
s25、基于离散傅里叶变换公式，在所述残留频偏范围内根据所述修正值、所述预设频偏搜索步长和所述预设时域数据长度得到所述待检测信号的第一最大频点模值，其中，所述离散傅里叶变换公式为：x(m)为多个搜索频点，n1为第一搜索频点数，所述第一搜索频点数由预设频偏搜索步长和所述残留频偏范围确定，δf为所述预设频偏搜索步长，n
int
为预设的时域数据长度所对应的时域积分样点个数；
[0085]
s26、在所述多个搜索频点中，获取所述第一最大频点模值的索引值idx1,idx1∈[1,...n1]；
[0086]
s27、在预设搜索条件下，根据所述第一最大频点模值得到所述第二最大频点模值的索引值idx2,idx2∈[1,...n2]；
[0087]
s28、基于预设转换公式，根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值得到第三最大频点模值的索引值，其中，预设转换公式为：idx3为所述第三最大频点模值的索引值，n2为预设搜索频点个数。
[0088]
较优地，所述根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值，具体包括：
[0089]
判断所述第一最大频点模值的索引值和所述第三最大频点模值的索引值之间的差值是否大于1，若是，则所述待检测信号中不存在所述残留频偏值，若否，则所述待检测信号中存在所述残留频偏值。
[0090]
较优地，还包括：根据残留频偏公式得到所述残留频偏值，其中，所述残留频偏公式为：
[0091]
其中，若存在残留频偏值，则最终频偏值为残留频偏值和初始频偏值之和。
[0092]
需要说明的是，本实施例中的预设参数可以根据算法要求和场景，动态做各种各样的修改，本发明并不局限该参数的设定。
[0093]
本实施例的方法根据待检测信号的初始频偏值对待检测信号进行预纠偏，得到待检测信号的残留频偏范围，根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在残留频偏范围内搜索第一最大频点模值和第二最大频点模值，并根据第一最大频点模值的位置和第二最大频点模值的位置之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值。因此，本实施例的方法实现简单，快速高效，通过gnss芯片的同步和定位过程，先确定一部分频偏值，并利用该频偏值进行预纠偏，然后仅需要在残留频偏范围内，进行dft扫描，确认残留频偏值。不同波特率下，通过设置合理的预设参数就能保证lband信号的检测性能。
[0094]
如图3所示，本发明实施例的一种频偏检测系统200，包括：预处理模块210、获取模块220、判断模块230；
[0095]
所述预处理模块210用于：根据待检测信号的初始频偏值对所述待检测信号进行预纠偏，得到所述待检测信号的残留频偏范围；
[0096]
所述获取模块220用于：根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在所述残留频偏范围内搜索并得到所述待检测信号的第一最大频点模值，并根据预设搜索频点个数和所述第一最大频点模值得到所述待检测信号的第二最大频点模值；
[0097]
所述判断模块230用于：根据所述第一最大频点模值的索引值和所述第二最大频点模值的索引值之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值，若是，则根据所述初始频偏值和所述残留频偏值确定所述待检测信号的最终频偏值，若否，则将所述初始频偏值确定为所述待检测信号的最终频偏值。
[0098]
较优地，在所述预处理模块210之前，还包括：接收模块；
[0099]
所述接收模块用于：通过gnss接收机获取所述待检测信号的初始频偏值；
[0100]
所述预处理模块210具体用于：
[0101]
根据频偏值转化公式，将所述初始频偏值转化为频率控制字，其中，所述频偏值转化公式为：f
d0
为所述初始频偏值，rf
freq_new
为所述频率控制字，rf
frequency
为所述待检测信号的理论中频频率，fs为所述待检测信号的采样频率；
[0102]
将所述频率控制字发送至lband基带，并经所述lband基带的射频前端持续输出得到基带信号值，其中，所述基带信号值为d＝[d(0),d(1),
…
]；
[0103]
根据下变频公式对所述基带信号值进行处理，得到零中频基带值，其中，所述下变频公式为：n＝0,1,2,...，fs为所述待检测信号的采样频率，fc为所述待检测信号的中频频率，n表示所述下变频公式中的离散数据点的索引；
[0104]
根据所述零中频基带值确定所述待检测信号的残留频偏范围。
[0105]
本实施例的系统根据待检测信号的初始频偏值对待检测信号进行预纠偏，得到待检测信号的残留频偏范围，根据预设频偏搜索步长和预设时域数据长度，在残留频偏范围内搜索第一最大频点模值和第二最大频点模值，并根据第一最大频点模值的位置和第二最大频点模值的位置之间的差值判断所述待检测信号中是否存在残留频偏值。因此，本实施例的系统实现简单，快速高效，通过gnss芯片的同步和定位过程，先确定一部分频偏值，并利用该频偏值进行预纠偏，然后仅需要在残留频偏范围内，进行dft扫描，确认残留频偏值。不同波特率下，通过设置合理的预设参数就能保证lband信号的检测性能。
[0106]
上述关于本实施例的一种频偏检测系统200中的各参数和各个模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种频偏检测方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
[0107]
本发明实施例提供的一种存储介质，包括：存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如一种频偏检测方法的步骤，具体可参考上文中一种频偏检测方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
[0108]
计算机存储介质例如：优盘、移动硬盘等。
[0109]
本发明实施例提供的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可
在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，使所述计算机执行如一种频偏检测方法的步骤，具体可参考上文中一种频偏检测方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
[0110]
所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为方法、系统、存储介质和电子设备。
[0111]
因此，本发明可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。