高动态场景下载波频率捕获的方法和装置与流程

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和实现装置。

背景技术：

通信系统中载波频率捕获是接收机实现相干解调的前提条件。现有传统的载波频率捕获通常采用锁频环实现。锁频环电路主要由鉴频器、环路滤波器和数控振荡器组成。接收信号与本振信号的频率差由鉴频器鉴别并输出误差信号，经环路滤波后，用以控制振荡器频率随之线性变化，直至环路入锁。

采用现有的载波频率捕获技术，在高动态场景中，由于载波信号中不仅存在多普勒频偏，还存在多普勒频率斜升，甚至存在多普勒频率斜升的变化率(即多普勒频率的二次变化率)，从而使接收机入锁困难。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，可以实现高动态信号的快速捕获。

本发明的技术方案如下：

一种高动态场景下载波频率捕获的方法，是一种频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，使得锁频环快速入锁，从而实现高动态信号的快速捕获；包括如下步骤：

1)开环估值：使用开环频率斜升估值算法对接收序列中的n个符号进行频率斜升估计，得到频率斜升估计值α；其中，n为用于估计的符号长度，即估值符号数；

2)获取锁频环载波频率捕获的初始状态：利用频率斜升α作为锁频环载波频率捕获的初始状态，更新锁频环环路滤波器中的寄存单元；

3)闭环捕获：开环估值结束后，使用锁频环闭环工作，直至环路入锁，即捕获得到高动态场景下的载波频率。

实际上，锁频结束之后还要锁相，载波同步最终得到载波的频率和相位。由于频率误差需要在一定的范围内锁相环才能正常工作得到载波相位，因此，捕获得到高动态场景下的载波频率可以保证在误差范围内。

对于高动态通信环境，假定：信道模型为加性高斯白噪声(awgn)信道，调制方式为相移键控(psk)，接收信号的第k个采样值rk表示为式1：

其中，es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位为均匀分布于-π，π之间的载波初始相偏；ω为多普勒频偏；为符号周期，rs为符号速率；a为多普勒频率斜升(真实值)；nk为独立同分布的零均值加性复高斯随机变量。

步骤1)中所述的开环频率斜升估值算法首先进行频率斜升单样本估计；然后通过多样本累加，实现频率斜升的开环估计。

所述的频率斜升单样本估计的方法是通过求取的相角实现，其中，m≥1,n≥1，为接收符号的序号；是接收符号序列{rk}中序号差为m的两个符号的共轭乘积。

频率斜升估值器中的频率斜升单样本估计方法，具体地，共轭相乘结果的均值表示为式2：

其中，e[·]表示取均值；(·)*表示取复共轭；es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位m、n为接收符号的序号，m≥1,n≥1；a为多普勒频率斜升；为符号周期，rs为符号速率。

因此，若不考虑调制信息的影响，的相位为归一化频率斜升单样本估计值α0可根据通过式3计算得出：

频率斜升估值器对单样本估计结果进行累加，从而得到更精确的估计值，以降低噪声带来的影响，其处理过程如下：

对接收符号序列{rk}中序号差为m的两个符号共轭相乘后的结果求和，再进行乘积运算，若不考虑噪声的影响，通过式5计算得到检测量g：

此时频率斜升估计量表示为式6：

其中，arg(g)表示检测量g的幅角。

n个符号周期后输出频率斜升估计值α，α是对符号速率归一化后的频率斜升估计值。特别的，频率斜升估计值α是独立于锁频环之外求得的。

步骤2)利用步骤1)得到的频率斜升α作为锁频环载波频率捕获的初始状态。

步骤3)中在上述的初始条件下开始锁频环的闭环捕获过程，由鉴频器鉴别接收信号和和数控振荡器输出信号之间的频率差并输出误差信号，经环路滤波器进行环路滤波后，用以控制振荡器频率，直至环路入锁。

本发明还提供了一种频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获装置(见图2)，除包括锁频环所有模块外，还包括频率斜升估值模块；锁频环模块包括鉴频器、环路滤波器、数控振荡器；在传统的锁频环捕获装置的基础上，添加频率斜升估值器模块对频率斜升进行开环估计，将估计结果即频率斜升α作为环路滤波器寄存单元的初始值；估值结束后启动锁频环，经多次环路反馈完成残余动态的捕获。

上述载波频率捕获装置采用闭环捕获方式，通过反馈来控制数控振荡器的输出频率趋于接收信号频率，从而减小系统误差。

闭环捕获首先由频率斜升估值器对接收信号进行频率斜升估值，将得到的频率斜升值置入锁频环环路滤波器的寄存单元，从而使锁频环可以在估计出的频率斜升点开始工作。环路滤波器对鉴频器的输出进行低通滤波，限制噪声带宽，使数控振荡器频率能实时跟踪接收信号频率。数控振荡器的输出频率与接收信号频率相减产生误差频率，误差频率再反馈回环路滤波器输入端，形成闭环过程。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，实现锁频环快速入锁，可以实现高动态信号的快速捕获。

与现有技术相比，本发明具有捕获时间短的优点，通过使用频率斜升估值器对锁频环载波频率捕获进行辅助，实现了高动态信号的快速捕获。且所述方法的捕获时间与初始频率斜升大小基本无关，只受估值后残余频率斜升的影响，在存在较大频率斜升和低信噪比的条件下，有较强的实用性。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程框图。

图2是本发明所述装置的结构框图；

图中，虚线表示频率斜升估值器只在对n个符号计算频率斜升时工作，得到频率斜升值之后即不再工作，开始锁频环的环路反馈闭环工作过程。

图3是jaffe-rechtin环路滤波器的结构和工作流程图；

其中，ω0f为锁频环自然圆频率；a2为环路滤波器的二阶系数；t为符号周期；z^-1为延时模块，可视为环路滤波器的寄存单元。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供了一种高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获方法和装置，通过使用开环频率斜升估值算法对锁频环频率捕获进行辅助，实现锁频环快速入锁，可以实现高动态信号的快速捕获。

图2是本发明所述装置的结构框图；除包括锁频环模块(包括：鉴频器、环路滤波器、数控振荡器)外，还包括频率斜升估值器模块；通过频率斜升估值器模块对频率斜升进行开环估计。由频率斜升估值器对接收信号中的n个符号进行频率斜升估值，将得到的频率斜升值置入锁频环环路滤波器的寄存单元，使得锁频环可以在估计出的频率斜升点开始工作。环路滤波器对鉴频器的输出进行低通滤波，滤除鉴频器输出的高频分量，降低噪声使其输出可以控制数控振荡器产生对接收信号频率的精确估计。数控振荡器可视为一个具有线性控制特性的积分模块，其输出频率与接收信号频率相减产生误差频率，误差频率再反馈回环路滤波器输入端，形成闭环过程。

传统锁频环通过对接收符号序列{rk}中相邻两个符号的共轭乘积进行鉴相，得到信号与本地数控振荡器的频率误差。为了得到信号的频率斜升，则可以通过求取的相角得到。其中，m、n为接收符号的序号，m≥1,n≥1。

频率斜升估值器中的频率斜升单样本估计方法，具体地，共轭相乘结果的均值表示为式2：

其中，e[·]表示取均值；(·)^*表示取复共轭；es为信号能量；e为自然对数的底；j为虚数单位m、n为接收符号的序号，m≥1,n≥1；a为多普勒频率斜升；rs为符号速率。

因此，若不考虑调制信息的影响，的相位为归一化频率斜升单样本估计值可根据通过式3计算得出：

频率斜升估值器对单样本估计结果进行累加，从而得到更精确的估计值，以降低噪声带来的影响。

图1是本发明所述方法的流程框图。采用本发明方法实现高动态场景下频率斜升估值辅助锁频环的载波频率捕获，包括如下步骤：

第1步，捕获开始，使用频率斜升估值器对接收信号进行开环频率斜升估计，得到频率

斜升估计值α；

以下实施过程取m＝1,n＝1进行说明，将第k个输入信号rk的相位表示为则连续两个符号的相位差值ωk满足式6：

其中，为连续两个符号的相位；ω0为对符号速率归一化频偏；α＝at²为归一化频率斜升；为符号周期，rs为符号速率；ω0及α的单位均为弧度。

对共轭相乘后的结果求和，再进行乘积运算，若不考虑噪声的影响，通过式7计算得到检测量g：

此时频率斜升估计量表示为式8：

其中，arg(g)表示取检测量g的幅角。

由arg(·)运算的周期性，此估计算法的归一化估计范围为则对于待估计的频率斜升α，应保证

第2步，根据得到的频率斜升α作为初始条件，更新锁频环环路滤波器中的寄存单元；

直接将步骤1中频率估计值的输出结果置入环路滤波器中的寄存单元，作为锁频环频率捕获的初始条件，从而减小数控振荡器与接收信号的初始频差，提高锁频速度。

第3步，开环估值结束后，在步骤2的初始条件下使用锁频环闭环捕获残余动态，直至环路入锁，即捕获到高动态场景下的载波频率。

以二阶锁频环为例进行说明，环路滤波器采用jaffe-rechtin环路滤波器，其结构如图3所示。其中，ω0f为锁频环自然圆频率；a2为环路滤波器的二阶系数；t为符号周期；z^-1为延时模块，可视为环路滤波器的寄存单元。锁频环闭环捕获前先将步骤2得到的频率斜升值置入z^-1模块，从而在捕获初始阶段，环路滤波器的输出信号便可控制数控振荡器的输出频率接近接收信号频率，两者的频率差由鉴频器鉴别输出误差信号，再送往环路滤波器与环路滤波器寄存单元z^-1中的内容累加输出，形成闭环过程。

其中，ω为接收信号频率；为数控振荡器输出频率；由于频率差只在零附近的小范围内变化，鉴频器的处理过程可近似为一个线性过程，其输出表示为式9：

其中，kd表示鉴频器的线性增益；nω是均值为零的白噪声。

锁频环的闭环传递函数h(z)表示为式10：

其中，f(z)、nco(z)分别为环路滤波器和数控振荡器的传递函数。

由于锁频环可以在估计出的频率斜升点开始工作，故数控振荡器与接收信号的初始频差较小，鉴频器输出的误差频率经环路滤波后可以更快地控制数控振荡器的频率达到与接收信号一致，从而完成捕获。

通过具体实施例的仿真测试表明，本发明相比传统的锁频环方案有更短的入锁时间。通过使用频率斜升估值器对锁频环载波频率捕获进行辅助，实现了信号的快速捕获，且捕获时间随初始频率斜升的不同变化不大，在高动态的通信环境中有较强的实用性。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。