[发明专利]一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，属于扩频通信技术领域。

背景技术

扩频信号的多普勒频移是由接收机和发射机之间在两者连线上的相对运动引起的。由于多普勒效应，接收机实际接收信号的中心频率一般不再等于信号被发射时的标称频率。

在高动态下，要考虑运动载体的速度、加速度，这是通信过程中载波存在多普勒频移的原因。卫星通信中一般采用Costas环路或平方环等结构的锁相环(PLL)同步环路。这类PLL同步环路工作在低信噪比条件下时，同步性能较好，但若是跟踪高动态信号(大多普勒频移范围和变化率)，则要看跟踪环路带宽是否足够，而PLL环路变宽后，其对输入噪声的消除能力将会变差，跟踪精度降低。高动态下，还可能出现输入信号和本地信号的频差超出PLL同步带，造成环路失锁的情况。

目前高动态下的解决方案：一种是为接收机提供惯性导航系统的速率辅助，提供多普勒频移的先验知识，使接收机可以正常工作；另外一种是研究频率估计算法，并将算法嵌入到载波环路内，使其更适合高动态环境下扩频信号的跟踪和接收。可以采用锁频环和锁相环相结合的方法，先通过FLL的频率跟踪，较快的消除大部分多普勒频移的影响，再转用PLL环路精确跟踪相位，当动态增强时，再用FLL跟踪，重复这个过程，并使环路在动态性变换时可以自动实现FLL和PLL跟踪方式的切换。因此，载波跟踪被分为频率跟踪和相位跟踪两部分，锁相环PLL直接跟踪载波相位，通过载波鉴相器提取并输出相位的误差信号，而锁频环FLL直接跟踪载波频率，通过载波鉴频器输出多普勒频移的误差信号，选用的锁频环和锁相环的种类要由鉴频器和鉴相器的特性来决定。本发明为解决低信息速率扩频系统中的高动态多普勒问题提供了解决的新思路。

现有延迟自相关技术只是对线性调频信号进行捕获，与本发明的适用系统不同。或者采用了延迟共轭相乘算法消除数据位跳变的影响来估计PN码相位，与本发明的原理及用途不同。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，提出了在扩频接收系统中，利用平方去调制法和延时自相关的方法获得高动态环境下的大多普勒频偏和频偏变化率。从而解决了高速高动态扩频接收系统中由于多普勒频偏及频偏变化率大引起的扩频捕获难的问题。

本发明解决的技术方案为：一种基于延时自相关的高动态多普勒频偏及频偏变化率估计方法，包括步骤如下：

(1)首先，将本地载波e^j2πfct与s(t)相乘进行下变频，然后滤波去除高频分量f_c，得到基带信号s₁(t)。

s(t)为接收到的高动态扩频信号，如下：

式中，c(t)为伪码，d(t)为数据符号，f₀为s(t)的起始频偏，f_c为s(t)的载波频率，m为频率变化率，t表示时间。

得到基带信号s₁(t)，如下：

(2)利用平方法消除扩频信号s₁(t)的数据和扩频码的影响，得到r₁(t)，如下：

(3)将r₁(t)进行延时自相关，得到r₁(t)的延时子相关函数R(τ)。

设信号s(t)观测时间为T，对信s(t)号进行离散采样，采样间隔为Δt，采样点数为2N。将r₁(t)离散化得到r₁(n)，r₁(n)分为两个长度相等的序列，r₂(n)对应前N点，r₃(n)对应后N点。它们具有相同的频偏变化率和不同的起始频偏。r₂(n)的起始频偏为f₀，r₃(n)的起始频偏为延时T/2后起始频偏f₁，表示为得到R(τ)的离散化表示R(n,τ)：

R(n,τ)＝e^{j4π(ΔfNΔt)}(5)

式中，Δf＝f₁-f₀，对R(n,τ)做N点FFT估计出Δf，N为正整数，则频偏变化率m的粗略估计值为：

式中，τ＝T/2；

先由上式(6)计算出m

(4)再构造出中间变量x(n)：