阅读说明：本技术 微弱pm信号载波频率精确估计方法 (Method for accurately estimating carrier frequency of weak PM signal ) 是由 王媛 金磊 曾富华 于 2020-05-31 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a method for accurately estimating carrier frequency of a weak PM signal, aiming at improving the accuracy of estimating the carrier frequency of the PM signal under the condition of low signal-to-noise ratio. The invention is realized by the following technical scheme: the data sampling unit performs low-pass filtering and down-sampling on the received signal and writes data into a cache space; the data processing unit reads data from the buffer space and compensates subcarriers for the carrier Doppler data after down sampling; dividing a plurality of frequency subslots according to the carrier Doppler frequency and the change rate range thereof, performing double compensation of the carrier Doppler frequency and the change rate thereof, and adopting ping-pong cache between the Doppler compensation and the change rate compensation; controlling the FFT operation module to multiplex and parallel, rotate and time-division multiplex FFT resources; comparing the frequency spectrum peak values after FFT operation to obtain corresponding integral address information; and performing frequency calculation, correcting the Doppler frequency according to the calculated change rate result, and estimating the precise frequency of the weak PM signal carrier.)

微弱PM信号载波频率精确估计方法

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。

本发明的上述目的可以通过以下方案予以实现，一种微弱PM信号载波频率精确估计方法，具有如下技术特征：首先采用滤波采样模块和数据缓存组成数据采样单元，利用顺次串联的副载波补偿模块、载波多普勒补偿模块、载波多普勒变化率补偿模块、FFT运算模块、峰值比较模块和频率解算模块构建微弱PM信号载波频率精确估计的数字处理单元；数据采样单元先对接收信号进行滤波采样和下变频处理，选择适当的低通滤波通带进行低通滤波，输出零中频信号，对信号进行降采样后将数据写入数据缓存空间；然后进行数据处理，数据处理单元从缓存空间读取数据，根据副载波调制度选择副载波补偿方式，对降采样后的载波多普勒数据先补偿副载波；根据载波多普勒频率和变化率范围划分多个频率子槽，生成载波多普勒频率补偿和变化率补偿的载波波形，利用更高频率的系统时钟来控制FFT运算模块多路并行、多轮次和时分复用FFT资源，对采样数据进行载波多普勒频率及其变化率的双重补偿，将数据写入乒乓缓存中，并在多普勒补偿和变化率补偿之间采用乒乓缓存进行补偿，通过增加积分时间来提高相关运算后的信号信噪比；从乒乓缓存中读取数据，进行快速傅里叶变换运算；对快速傅里叶变换后的数据进行频谱峰值比较，得出频谱峰值对应的积分地址信息；对峰值比较的结果进行频率解算，利用得出的载波多普勒频率和载波多普勒变化率，得到波多普勒频率估计值和载波多普勒变化率估计值，通过载波多普勒变化率和数据采样处理的时间来校正得到当前时刻的载波多普勒频率值，估计出微弱PM信号载波精确频率。

本发明相对于传统频率估计方法具有以下有益效果：

运算少。本发明针对快速傅里叶变换FFT算法频率估计误差较大的问题，对接收信号进行数据采样和下变频处理，选择适当的低通滤波通带进行低通滤波，对零中频信号进行降采样后将数据写入数据缓存空间，然后再进行数据处理。采用多路并行、多轮次补偿载波多普勒频率及其变化率的方法，通过载波多普勒变化率和数据采样、处理的时间来校正得到当前时刻的载波多普勒频率值，不增加计算量，但细化了频谱，提高了载波频率估计精度。克服了现有技术不能针对不同的信噪比条件进行频率估计的缺陷，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、所需计算时间越长，减少了无线通信系统间的传输速率和应用差距。

准确、高效。本发明选用适当的FFT运算点数以适应不同的指标需求，根据副载波调制度选择副载波补偿方式，对降采样后的多普勒数据先补偿副载波，根据载波多普勒频率和变化率范围划分多个频率子槽，生成载波多普勒频率补偿和变化率补偿的载波波形，多路并行、多轮次对采样数据进行载波多普勒频率和载波多普勒变化率的双重补偿，以减少副载波和载波频率变化率的影响，从而更准确地估计载波频率。通过增加积分时间来提高相关运算后的信号信噪比，当相干积分增加一倍时，FFT运算后的频率间隔减半，利用更高频率的系统时钟来控制FFT运算模块，从而时分复用和高效地多路并行利用FFT资源，相比于传统的载波频率估计方法，FFT运算需要消耗大量乘法器资源，本发明能适应低信噪比微弱信号的载波频率精确估计。

载波频率估计精度高。本发明针对FFT运算后数据的“平台”效应，对滤波采样后的数据先进行副载波补偿，利用载波多普勒频率及其变化率的双重补偿，将FFT运算后信号能量分布限制在较小范围内，通过载波多普勒变化率来校正当前时刻的载波多普勒频率值。相比于传统的载波频率估计方法，本发明能更精确地估计信号的载波频率。

适应较大多普勒频移范围。本发明针对经过FFT运算后的信号频谱能量与分析带宽的平方成反比，此为FFT运算引入的“栅栏”效应的问题，通过选取适当的FFT运算点数同时适应频率分析范围和FPGA硬件运算成本。当接收信号没有多普勒信息预报时，采用多路并行、多轮次补偿载波多普勒频率及其变化率的方法，并在多普勒补偿和变化率补偿之间采用乒乓缓存的模式和快速傅里叶变换FFT运算，以使得频率估计更高效。相比于传统的载波频率估计方法，本发明能适应较大多普勒频移范围信号的载波频率精确估计。

附图说明

图1是本发明微弱PM信号载波频率精确估计方法的结构原理示意图；

图2时图1中滤波采样模块的结构原理示意图；

图3是图1中副载波补偿模块的结构原理示意图；

图4是图1中载波多普勒补偿模块的结构原理示意图；

图5是图1中载波多普勒变化率补偿模块的结构原理示意图；

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。本发明包括滤波采样模块、副载波补偿模块、载波多普勒补偿模块、载波多普勒变化率补偿模块、FFT运算模块、峰值比较模块和频率解算模块。根据本发明，一种微弱PM信号载波频率精确估计方法，具有如下技术特征：首先采用滤波采样模块和数据缓存组成数据采样单元，利用顺次串联的副载波补偿模块、载波多普勒补偿模块、载波多普勒变化率补偿模块、FFT运算模块、峰值比较模块和频率解算模块构建微弱PM信号载波频率精确估计的数字处理单元；数据采样单元先对接收信号进行滤波采样和下变频处理，选择适当的低通滤波通带进行低通滤波，输出零中频信号，对信号进行降采样后将数据写入数据缓存空间；然后进行数据处理，数据采样单元从缓存空间读取数据，根据副载波调制度选择副载波补偿方式，对降采样后的多普勒数据先补偿副载波；根据载波多普勒频率和变化率范围划分多个频率子槽，生成载波多普勒频率补偿和变化率补偿的载波波形，利用更高频率的系统时钟来控制FFT运算模块多路并行、多轮次和时分复用FFT资源，对采样数据进行载波多普勒频率及其变化率的双重补偿，将数据写入乒乓缓存中，在多普勒补偿和变化率补偿之间采用乒乓缓存进行补偿，通过增加积分时间来提高相关运算后的信号信噪比；从乒乓缓存中读取数据，进行快速傅里叶变换FFT运算；对快速傅里叶变换FFT后的数据进行频谱峰值比较，得出频谱峰值对应的积分地址信息；对峰值比较的结果进行频率解算，利用得出的载波多普勒频率和载波多普勒变化率，得到载波多普勒频率估计值和载波多普勒变化率估计值，通过载波多普勒变化率和数据采样处理的时间来校正得到当前时刻的载波多普勒频率值，估计出微弱PM信号载波精确频率。

参阅图2。步骤1，滤波采样模块对接收信号进行下变频处理，选择适当的低通滤波通带进行低通滤波，根据多普勒频移范围对接收信号进行滤波处理和积分采样，将采样的数据存入数据缓存单元。滤波采样模块根据采样频率f_samp和接收信号的数据频率f_ad进行频率控制字K_samp转换：K_samp＝2³²×f_samp/f_ad，对频率f_ad控制下频率控制字K_samp和输入信号数据不断累加，直到输出积分清零脉冲。当积分清零脉冲有效时输出信号的累加值，并选取合适的截位保证输出信号的有效性，同时对累加器中的数据进行清零，不断循环此过程直到采样结束。采样结束的标志为累计采样点数达到积分点数M与FFT运算模块所需的快速傅里叶变换点数N的乘积，即共采样M×N个点，则数据总采样阶段时间为t_samp＝M×N/f_samp。

参阅图3。步骤2，当副载波频率小于多普勒频移范围时，滤波采样无法消除副载波对载波频率估计的影响。根据副载波调制度的不同，信号在频谱中载波主峰和副载波旁峰的大小关系不同。当副载波调制度大于门限时，载波主峰高度低于副载波旁峰，信号频谱呈“倒三角”状态；当副载波调制度等于门限时，载波主峰高度等于副载波旁峰，信号频谱呈“平三角”状态；当副载波调制度小于门限时，载波主峰高度高于副载波旁峰，信号频谱呈“正三角”状态。显然，如果不对副载波进行补偿，只有当副载波调制度小于门限时，FFT运算后的信号频谱根据峰值才能判断出正确的载波多普勒频率，否则，根据峰值比较的结果会导致载波多普勒频率误判。副载波补偿模块从数据缓存单元中读取滤波采样后的数据，根据副载波调制度选择副载波补偿方式，对降采样后的数据进行副载波补偿，利用副载波补偿来减少副载波频率对载波频率估计的影响：当副载波调制度大于或等于门限时，通过两路频率控制字K_subc转换：K_subc＝2³²×f_subc/f_calcu，在高系统频率f_calcu控制下，将两路频率控制字K_subc不断累加得到的查询地址D_subc送入两路各自的直接数字频率合成DDS的地址映射，查表生成副载波正补偿、负补偿的本地载波。副载波补偿模块对读取的滤波采样数据分别复乘副载波正、负频率波形，正、负补偿的本地载波与输入数据进行复乘运算后再进行复乘运算，输出数据。这种读取的滤波采样数据分别复乘副载波正、负频率波形，相当于在频谱上将载波多普勒频移频率向左、右频移后叠加，在FFT运算后载波主峰将明显高于副载波旁峰，有利于避免副载波对载波多普勒频率估计的影响。

将明显高于副载波旁峰，有利于避免副载波对载波多普勒频率估计的影响。

参阅图4。步骤3，多普勒补偿模块根据载波多普勒频率范围划分多个频率子槽，生成载波多普勒频率补偿的载波波形，多路并行、多轮次对采样数据进行载波多普勒频率补偿，采样后将数据写入缓存中；在进行多普勒频率补偿的同时，变化率补偿模块从缓存中读取数据形成乒乓缓存模式，根据多普勒频移f_{dopl_min}至f_{dopl_max}范围来划分多个变化的频率补偿子槽，生成载波多普勒变化率补偿的载波波形，将数据写入缓存中；多普勒补偿模块多路并行的路数C_dopl、每路中计算的子槽轮次S_dopl和每个子槽的频率搜索步进f_{dopl_step}满足f_{dopl_max}-f_{dopl_min}＝C_dopl×S_dopl×f_{dopl_step}，实现多普勒频率补偿覆盖整个多普勒频移的范围。本实施例利用更高系统频率f_calcu来控制FFT处理模块，从而多路并行和时分复用FFT运算资源。多普勒补偿模块首先将多普勒频移的范围f_{dopl_min}至f_{dopl_max}顺次平均分为C_dopl份，c_dopl∈(1,2,…,C_dopl)，利用每路并行的频率估计范围f_chan＝(f_{dopl_max}-f_{dopl_min})/C_dopl和多路运算之间的并行关系，同时进行多普勒频率补偿与后续计算，并行地利用FFT运算资源，将载波多普勒频移范围f_chan划分为S_dopl个子槽，使多普勒频移范围f_{chan_min}至f_{chan_max}满足f_{chan_max}-f_{chan_min}＝S_dopl×f_{dopl_step}。然后利用每个子槽对应的载波多普勒频移f_{dopl_comp}＝f_{chan_min}+s_dopl×f_{dopl_step}和子槽运算之间的串行关系，时分复用FFT资源运算资源，顺次进行多普勒频率补偿与后续计算，其中，s_dopl∈(1,2,…,S_dopl)。每个子槽补偿频率步进f_{dopl_step}根据采样频率f_samp和多普勒频移范围f_{dopl_max}共同决定，满足耐奎斯特采样定理并能够避免FFT运算引入的“栅栏”效应。最后，每个子槽内按频率f_{dopl_comp}进行多普勒频率补偿，根据多普勒补偿频率f_{dopl_comp}进行频率控制字K_{dopl_comp}转换：K_{dopl_comp}＝2³²×f_{dopl_comp}/f_calcu，在高系统频率f_calcul控制下，对频率控制字K_{dopl_comp}不断累加得到查询地址D_{dopl_comp}，通过直接数字频率合成DDS的地址映射、查表生成载波多普勒频率补偿的本地载波，本地载波与输入数据进行复乘运算，完成多普勒频率的补偿。对输入数据进行多普勒补偿后，再做M点采样积分后将数据存入缓存。采样形式参阅图2，在系统处理时钟频率f_calcul控制下频率控制字K_samp和输入的数据不断累加，直到输出积分清零脉冲，当积分清零脉冲有效时输出信号的累加值，并选取合适的截位保证输出信号的有效性，同时对累加器中的数据进行清零，不断循环此过程直到采样结束，采样结束的标志为累计采样点数达到FFT运算模块所需的快速傅里叶变换点数N，即共采样N个点并存入缓存。在多普勒补偿模块将数据存入缓存空间的同时，变化率补偿模块同时从缓存空间读取数据并进行变换率补偿计算，形成乒乓缓存模式，以提高频率估计的运算效率。

参阅图5。步骤4，变化率补偿模块根据多普勒频率变化率范围来划分变化率补偿的子槽，多路并行的路数C_rate、每路中计算的子槽轮次S_rate和每个子槽的变化率搜索步进r_{rate_step}满足r_{rate_max}＝C_rate×S_rate×r_{rate_step}，实现多普勒变化率补偿覆盖整个多普勒变化率的范围，多普勒变化率的范围为r_{rate_min}至r_{rate_max}。本实施例多路并行和时分复用FFT运算资源，每路多普勒频率补偿都对应一个完整的变化率补偿模块，其中有多路并行的多普勒变化率补偿运算。变化率补偿模块首先将多普勒变化率的范围r_{rate_min}至r_{rate_max}顺次平均分为C_rate份，c_rate∈(1,2,…,C_rate)，利用每路并行的频率估计范围r_chan＝(r_{rate_max}-f_{dopl_min})/C_rate和多路运算之间的并行关系，同时进行多普勒变化率补偿与后续计算，并行地利用了FFT运算资源，将载波多普勒变化率范围r_chan划分为S_rate个子槽，使多普勒变化率范围为r_{chan_min}至r_{chan_max}满足r_{chan_max}-r_{chan_min}＝S_rate×r_{rate_step}；然后利用每个子槽对应的载波多普勒变化率r_{rate_comp}＝r_{chan_min}+s_rate×r_{rate_step}和子槽运算之间的串行关系，时分复用FFT资源运算资源，顺次进行多普勒变化率补偿与后续计算，其中s_rate∈(1,2,…,S_rate)。每个子槽补偿变化率步进r_{rate_step}根据每个子槽补偿频率步进f_{dopl_step}和采样时间共同决定，在采样时间内的多普勒频移变化范围应该小于FFT分析带宽。最后，每个子槽内按变化率r_{rate_comp}进行多普勒变化率补偿，根据多普勒补偿变化率r_{rate_comp}进行频率控制字K_{rate_comp}转换：K_{rate_comp}＝2³²×r_{rate_comp}/f_calcul，在高系统频率f_calcul控制下，对频率控制字K_{rate_comp}不断累加两次得到查询地址D_{rate_comp}，通过直接数字频率合成DDS的地址映射、查表生成载波多普勒变化率补偿的本地载波，本地载波与输入数据进行复乘运算，完成多普勒变化率的补偿。由于采用了乒乓缓存处理，则数据处理阶段时间为t_calcu＝S_dopl×M×N/f_calcul，一次频率估计的总时间为t_total＝t_samp+t_calcul。

步骤5，FFT运算模块从缓存中读取数据进行快速傅里叶变换运算，对载波多普勒频率和变化率补偿后的数据进行N点FFT运算，获得载波多普勒频率的测量精度为f_prec＝f_samp/M/N。

步骤6，峰值比较模块对快速傅里叶变换后的数据进行频谱峰值比较，通过对所有多路并行、所有轮次的数据进行比较，得到频谱峰值对应的积分地址信息和频谱峰值所对应的参数，所述参数包括载波多普勒频率路数c_dopl、载波多普勒频率轮次d_dopl、载波多普勒变化率路数c_rate、载波多普勒变化率轮次s_rate和快速傅里叶变换指数n_vpp。

步骤7，频率解算模块对峰值比较的结果进行计算，根据峰值比较模块输出的信息得到载波多普勒频率估计值和载波多普勒变化率估计值

分别为：

根据数据采样时间t_samp和数据处理时间t_calcul校正得到当前时刻载波多普勒频率估计值和载波多普勒变化率估计值分别为：

下面以范例具体分析：接收PM信号中频载波频率f_carry为20MHz，副载波频率f_subc为60kHz，信噪比C/N0为20dB，AD信号采样频率f_ad为90MHz，数据处理时钟f_calcu为180MHz，载波多普勒频移范围为±120kHz，载波多普勒变化率范围为±400Hz/s。采样频率f_samp为500KHz，积分点数M为64，FFT运算点数N为2048，则数据采样时间t_samp为0.262s。载波多普勒频率补偿划分步进f_{dopl_step}为1kHz，并行路数C_dopl为2，轮次S_dopl为120，载波多普勒变化率补偿划分步进r_{rate_step}为2Hz/s，并行路数C_rate为8，轮次S_rate为50，则数据处理时间t_calcul为0.087s。经过试验，本范例最终得到载波多普勒频率估计误差小于±4Hz，载波多普勒变化率估计值误差小于±8.0Hz/s。

以上具体实施例对本发明进行了详细介绍，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的思想和应用范围内，在具体实施方式上均可作各种改变，综上所述，本说明书所阐述内容不应理解为对本发明的限制。