[发明专利]微弱PM信号载波频率精确估计方法

说明书

本发明公开的一种微弱PM信号载波频率精确估计方法，旨在提高低信噪比情况下PM信号载波频率估计的准确度。本发明通过下述技术方案实现：数据采样单元对接收信号进行低通滤波和降采样，将数据写入缓存空间；数据处理单元从缓存空间读取数据，对降采样后的载波多普勒数据先补偿副载波；再根据载波多普勒频率及其变化率范围划分多个频率子槽，进行载波多普勒频率及其变化率的双重补偿，并在多普勒补偿和变化率补偿之间采用乒乓缓存；控制FFT运算模块多路并行、多轮次和时分复用FFT资源；比较FFT运算后的频谱峰值，得到对应的积分地址信息；进行频率解算，根据解算出的变化率结果来矫正多普勒频率，估计出微弱PM信号载波精确频率。

技术领域

本发明属于无线通信领域中信号载波频率估计技术，涉及一种低信噪比条件下PM信号载波频率的精确估计方法。

背景技术

在信号传输的过程中，需要先将信号负载到一个固定频率的载波上，这个过程称为加载，严格的讲，是把一个较低频率的信号调制到一个相对较高的频率上去，这种较高频率就叫载波频率。为了改善信号在信道中传输的质量，通常情况下，信号要经过调制和解调等处理，相干解调是目前主流的解调方式，其解调性能与恢复的载波频率精度有着直接的关系。对于PM信号，其相位与调制信号幅度成正比，若调制信号稳定，则已调信号和载波有恒定频率差和累积相位差。在无线通信测控系统中，PM信号接收机对载波频率的精确估计是测控系统完成接收解调的关键。如果相干载波存在相位上的误差，这将会引起PM信号信噪比的下降和各支路信号间的串扰，尤其是在高速率传输要求下，往往需要加大频带利用率，即系统单位频带内的码元传输速率，以提高系统的有效性，这种情况下就更需要提取精确同步的相干载波。在航天测控领域，卫星、航天器等目标与地面测控站距离远，这使得测控设备所接收到的信号极其微弱，信噪比极低；同时，目标与地面测控站有着高速的径向运动，这导致测控信号载波产生多普勒频率偏移，且载波多普勒频率范围较大；当目标加减速、进入环绕轨道和着陆等过程中，加速度会导致测控信号具有较大的多普勒频率变化率。传统的相干解调采用锁相环(phase-lockedloop，PLL)频域估计算法进行载波锁相同步处理，利用快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)和快速傅里叶逆变换来对信息数据进行调制和解调，但其带宽窄、锁定时间长。传统的频域载波频率估计方法通常通过频谱峰值所对应的频点来得到载波频率的估计值，在极低信噪比、较大多普勒频偏、存在多普勒变化率的情况下，传统的载波频率估计方法已不能满足微弱PM信号载波频率的精确估计需求。

传统的载波频率估计方法对接收信号滤波采样后的数据直接进行FFT运算，其结果精度较差，不适用于微弱信号的环境。由于FFT运算点数是频率估计算法性能的关键参数，虽然提高FFT运算点数可以提高频率估计精度，但FFT运算需要消耗大量乘法器资源，且FFT分析频率带宽有限，传统的载波频率估计方法采用串行计算的方式顺序扫频，直到检测出相关峰峰值，当信噪比越低时，FFT运算分析带宽越小，一次频率估计所需FFT运算次数越多，则所需计算时间也越长，当接收信号没有多普勒信息预报时，不适用于较大多普勒频偏的情况。另外，传统的载波频率估计方法只估计了载波多普勒的频率值，没有考虑多普勒变化率的影响：单纯的正弦波信号的频谱能量会集中在一根单频谱线上，但频率斜升信号的频谱能量会分散到一个频谱范围内，其频谱呈现类似“平台”现象，信号频率的变化率越大此现象越明显，即频率分散的范围更大、频谱能量高度更低，这种多普勒变化率带来的问题所导致的结果是，当使用FFT运算后根据频谱峰值进行频率估计时误差较大，使载波频率估计结果不准确，信号频谱能量降低甚至会导致FFT运算输出的结果无法分辨信号和噪声，导致误判。总之，传统的载波频率估计方法难以在多普勒频率估计范围、信号强弱、频率搜索时间、频率估计精度和硬件资源消耗等方面达到均衡。

发明内容

本发明为了克服传统频率估计方法无法精确估计微弱信号载波频率的缺点，针对低信噪比微弱PM信号，提供一种运算少、准确、高效，载波频率估计精度高，能够适应较大多普勒频移范围的载波频率精确估计方法，以减少无线通信系统间的传输速率和应用差距。