低信噪比載波快速捕獲方法

2023-09-11 15:57:40

專利名稱：低信噪比載波快速捕獲方法
技術領域：
本發明涉及一種低信噪比大頻偏載波快速捕獲方法，主要應用於標準USB測控體制下的載波快速捕獲，解決了在信噪比較低的大頻偏情況下載波快速捕獲的問題。

背景技術：
統一S頻段(USB)測控體制是一種成熟的測控體制，它可以同時完成角跟蹤、測速、測距、遙測、遙控和語音通信功能。隨著數位化通信系統的不斷發展，數位化載波捕獲技術成為其中的一項常用技術。對於解調過程中頻率偏移量的估計和矯正，已有較成熟的算法，如鎖相環(PLL)法，自動頻率控制(AFC)法和頻率估計等方法。由於中頻信號中含有都卜勒頻移，PLL、AFC或一些適用於中高速頻率估計法已經不能完成在低信噪下頻偏值快速捕獲的任務，並且也無法適應捕獲範圍較寬的條件，這就需要開闢新的方法來解決這個問題。統一USB測控信號的頻譜上，殘餘載波的幅度在調製度不是很大時是最大的，因此可以利用這種特性來提取載波的頻率值；同時測控信號的頻譜在頻域上是對稱分布的，也可以根據這個對稱的結構來估計出中心頻率，既載波的頻率值，但這種方法通常速度較慢，數據的存儲量較大，需要佔用大的硬體資源。文章「USB應答機載波快速捕獲的方法研究」，張春龍等，2003全國仿真技術學術會議論文集，根據頻率對稱的特性，以FFT—DFT結合的方法來判定載波的頻率，這種方法的解析度低，捕獲範圍窄，不能同時滿足寬捕獲範圍和快速捕獲的特性。


發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種低信噪比載波快速捕獲方法，該方法在滿足通用測控信號調製度特性的基礎上，具有兼顧低信噪比、寬捕獲範圍、快速捕獲的特點。
本發明的技術解決方案是低信噪比載波快速捕獲方法，包括下列步驟 (1)輸入信號與第一NCO(數控振蕩器)產生的cos支路數據相乘，其中第一NCO的本振頻率為fNCO1，輸入信號的頻率值為f0+Δf，f0為輸入信號的中心頻率，Δf為輸入信號的頻偏值； (2)將步驟(1)相乘的結果進行半帶濾波處理，濾除高頻分量； (3)將步驟(2)的結果送入第一累加降採樣模塊進行降採樣處理，處理後的數據通過FIFO_IN模塊暫存入外部SDRAM中，SDRAM中存儲數據點數大於NFFT×L，其中為第一累加降採樣點數，fs1為第一累加降採樣數據後頻率，fs2為為第一累加降採樣後頻率，第一累加降採樣處理後的數據速率fs1與最大捕獲帶寬f之間應滿足fs1>2×f，[f1，f2]為捕獲範圍，f1為負方向最小頻率值，f2為正方向最大捕獲帶寬，f＝f2-f1； (4)通過FIFO_OUT將外部SDRAM中的數據讀入，並與第二NCO產生的sin和cos兩個支路的數據相乘，第二NCO的本振頻率fNCO2可變，第二NCO的本振頻率fNCO2的初值為0； (5)將步驟(4)結果分別經過LPF(低通濾波器)，濾除高頻分量，然後進入第二累加降採樣模塊進行第二次降採樣處理，第二次降採樣的目的是提高信噪比，第二次降採樣後的數據速率fs2與第二NCO的本地載波頻率fNCO2的步進值Δ之間的關係應滿足fs2＝2×Δ； (6)將步驟(5)的處理結果進行NFFT點的FFT處理，其中NFFT為FFT處理的點數；其中NFFT的取值決定了計算出的頻偏值的精度，NFFT越大，精度越高，但同時NFFT不能太大，因為NFFT越大，程序佔用的資源越大，同時計算出I2+Q2的最大值，並記錄最大值所對應的頻偏值fm，其中I路為實部，Q路為虛部，m∈[1，2，.....，n]； (7)增加步驟(4)中的第二NCO本振頻率fNCO2，重複步驟(4)～(6)n次，其中找出n次重複步驟(6)結果中的最大值fi，i∈[1，2，.....，n]，最終的頻偏值結果為
本發明方法的原理數學模型如下所示，其中的k1、k2、k3為常數，ωc為輸入信號的中心頻率，Δω為頻率偏移值 設輸入信號的表達式為 a(t)＝k1sin(ωct+Δω) (1) 第一NCO產生的信號為 b(t)＝k2cos(ωct) (2) 輸入信號與本地載波相乘後結果分別為(3) 經過半帶濾波器後，濾除信號中的高頻分量，輸出為 第二NCO模塊產生的兩路正交信號分別為，其中

是第二NCO的本地載波頻率，是可變的，信號每次與第二NCO產生的數據相乘，第二NCO的本地載波累加步進值Δ

信號經過第一累加降採樣後，通過FIFO_IN存入外部SDRAM中，從FIFO_OUT讀入的數據與第二NCO產生的兩路正交數據相乘，得到

其中， 經過LPF將高頻分量濾除，然後進行第二累加降採樣後，相當於經過了一個梳狀濾波器，在濾除帶外的鏡像頻率分量的同時提高了信噪比，此時數據的輸出為

將(9)、(10)分別作為I、Q兩路數據送給FFT模塊，進行FFT處理。
本發明與現有技術相比的有益效果在於 (1)本發明通過使用外部SDRAM的方法，解決了以往因FPGA片內資源有限而出現的大數據量數據存儲問題，同時提高了捕獲速度； (2)本發明採用兩級累加降採樣處理，並採用FFT頻率估計法，在降低數據存儲點數的同時，提高了信噪比，可以在較低信噪比情況下進行準確的捕獲； (3)本發明採用兩級NCO處理方式，第二NCO本地載波頻率可變，增大了頻率捕獲範圍，並且解決了以往掃頻處理法中需要多次存儲數據的問題，本發明中只需要存儲一次數據即可。
(4)本發明主要應用於標準USB測控體制下的載波捕獲，解決了在較低信噪比、大頻偏情況下載波快速捕獲的問題。該方法經過實際測試，證明其具有捕獲時間短、捕獲精度高、捕獲範圍寬等優點。其捕獲範圍可達-300KHz～+300KHz，捕獲時間小於1S，C/N0最低可達35dB。



圖1為本發明的低信噪比載波快速捕獲方法的流程圖。
圖2為本發明兩個FIFO模塊的工作原理框圖。

具體實施例方式 以一體化測高速遙感數據接收處理設備及多體制測控終端為例說明本發明的具體實現過程，如圖1所示， (1)本方法中，硬體系統處理時鐘為110MHz，捕獲範圍[-300，300]KHz，-300KHz為負方向最小頻率值，300KHz為正方向最大頻率值，第二NCO的本振頻率步進值Δ為2.5KHz； (2)頻率值為f0+Δf的輸入信號與第一NCO模塊產生的cos支路數據相乘，其中第一NCO的本振頻率為fNCO1為39.6975MHz，f0＝40MHz為輸入信號的中心頻率，Δf＝300KHz為輸入信號的頻偏值； (3)將步驟(2)相乘的結果進行半帶濾波處理，濾除高頻分量； (4)將步驟(3)的結果送入第一累加降採樣模塊進行降採樣處理，第一累加降採樣處理後的數據速率fs1與最大頻偏值f之間應滿足fs1>2×f，因此f＝f2-f1＝600KHz，考慮到累加降採樣的點數應選取為正整數，因此取fs1＝1.718750MHz，即第一次累加降採樣點數為110MHz/1.71875MHz＝64點； (5)將步驟(4)處理後的數據通過FIFO_IN模塊暫存入外部SDRAM中，存儲數據點數大於NFFT×L，其中為第二次累加降採樣點數，在實際應用中，存儲數據點數為360000點，存儲數據所需要的時間約為0.21s； (6)通過FIFO_OUT模塊將外部SDRAM中的數據讀入，並與第二NCO產生的sin和cos兩個支路的數據相乘，第二NCO的本振頻率fNCO2可變，第二NCO的本振頻率fNCO2的初值為0； (7)將步驟(6)結果分別經過LPF，濾除高頻分量，然後進入第二累加降採樣模塊進行第二次降採樣處理，第二次降採樣的目的是提高信噪比，第二次降採樣後的數據速率fs2與第二NCO的本地載波頻率fNCO2的步進值Δ之間的關係為fs2＝2×Δ＝5KHz，第二降採樣點數為 此時數據時鐘由110MHz降為320KHz，數據速率由1.71875MHz降為5KHz，320KHz的時鐘採樣1024點數據需要時間約為3.2ms； (8)將步驟(7)的處理結果進行NFFT＝1024點的FFT處理，其中NFFT為FFT處理的點數；其中NFFT的取值決定了計算出的頻偏值的精度，NFFT越大，精度越高，但同時NFFT不能太大，因為NFFT越大，程序佔用的資源越大，綜上所述，實際應用中選取FFT的點數為1024點，FFT後的解析度可以達到4.88Hz； (9)將FFT處理後的I、Q兩路數據計算出I2+Q2的最大值，並記錄最大值所對應的頻偏值fm，其中I路為實部，Q路為虛部，m∈[1，2，.....，n]，每次FFT處理所需要的時間為29.976us； (10)增加步驟(6)中的第二NCO本振頻率fNCO2，重複步驟(6)～(9)n次，其中找出241次重複步驟(9)結果中的最大值fi，i∈[1，2，.....，241]，最終的頻偏值結果為Δf＝(f0-fNCO1)-(i×Δ+fi)＝299.99997KHz，與實際值偏差為0.03Hz； (11)所需要的捕獲時間為0.21s+241＊(29.976us+3.2ms)＝0.988s，即捕獲時間小於1s。
如圖2所示，FIFO_IN、FIFO_OUT模塊的主要功能是採用分時復用的方法將FPGA外部的SDRAM仿真成一個大容量FIFO存儲器。FIFO的輸入和輸出埠分別有FPGA Block RAM構成的1K×16bit FIFO。FIFO_IN負責緩存外部輸入的數據，並將數據傳遞給內部的SDRAM控制器。FIFO_OUT負責緩存SDRAM控制器給出的數據，這些數據可以從輸出埠被外部邏輯讀走。SDRAM控制器負責監視兩個FIFO的狀態並且控制和讀寫SDRAM。當FIFO_IN中有數據時，SDRAM控制器即將這些數據讀出並寫入SDRAM中，當SDRAM中保存有新數據並且FIFO_OUT中有空餘空間是，SDRAM控制器將SDRAM中的數據讀出並寫入FIFO_OUT。這樣，在SDRAM控制器的分時工作下，FIFO的輸入和輸出埠被模擬成為一個總的FIFO。只要輸入和輸出數據率總和不超過SDRAM的接口數據率，即可保持這個FIFO穩定工作。
表1為本方法實際計算得到的頻偏值與理想值的對照表。
綜上所述，可以得出結論如下本發明的載波捕獲方法可以在C/N0 ≥35dB時，進行正確捕獲。
本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。
權利要求
1、低信噪比載波快速捕獲方法，其特徵在於步驟如下
(1)輸入信號與第一NCO產生的cos支路數據相乘，其中第一NCO的本振頻率為fNCO1，輸入信號的頻率值為f0+Δf，f0為輸入信號的中心頻率，Δf為輸入信號的頻偏值；
(2)將步驟(1)相乘的結果進行半帶濾波處理，濾除高頻分量；
(3)將步驟(2)的結果送入第一累加降採樣模塊進行降採樣處理，處理後的數據通過FIFO_IN暫存入外部SDRAM中，第一累加降採樣處理後的數據速率fs1與最大捕獲帶寬f之間應滿足fs1>2×f，[f1，f2]為捕獲範圍，f1為負方向最小頻率值，f2為正方向最大頻率值，最大捕獲帶寬f＝f2-f1；
(4)通過FIFO_OUT將外部SDRAM中的數據讀入，並與第二NCO產生的sin和cos兩個支路的數據相乘，第二NCO的本振頻率fNCO2可變，第二NCO的本振頻率fNCO2的初值為0；
(5)將步驟(4)結果分別經過LPF，濾除高頻分量，然後進入第二累加降採樣模塊進行第二次降採樣處理，第二次降採樣後的數據速率fs2與第二NCO的本地載波頻率fNCO2的步進值Δ之間的關係應滿足fs2＝2×Δ；
(6)將步驟(5)的處理結果進行NFFT點的FFT處理，其中NFFT為FFT處理的點數；
(7)增加步驟(4)中的第二NCO本振頻率fNCO2，重複步驟(4)～(6)n次，其中找出n次重複步驟(6)結果中的最大值fi，i∈[1，2，.....，n]，最終的頻偏值結果為
2、根據權利要求1所述的低信噪比載波快速捕獲方法，其特徵在於所述步驟(3)中的FIFO_IN暫存入外部SDRAM中的數據點數大於NFFT×L，其中為第二次累加降採樣點數，fs1為第一累加降採樣後數據速率，fs2為為第一累加降採樣後數據速率。
全文摘要
低信噪比載波快速捕獲方法，步驟為(1)輸入信號與第一NCO模塊產生的cos支路數據相乘；(2)進行半帶濾波處理；(3)將第一累加降採樣模塊進行降採樣處理，再通過FIFO_IN模塊暫存入外部SDRAM中，第一累加降採樣處理後的數據速率fs1與最大捕獲帶寬f之間應滿足fs1＞2×f，[f1，f2]為捕獲範圍，(4)通過FIFO_OUT模塊將外部SDRAM中的數據讀入，並與第二NCO產生的sin和cos兩個支路的數據相乘；(5)經過LPF，進入第二次降採樣處理；(6)進行FFT處理；(7)增加第二NCO本振頻率，重複步驟(4)～(6)n次，找出n次重複步驟(6)結果中的最大值，得到最終的頻偏值結果。本發明在滿足通用測控信號調製度特性的基礎上，具有兼顧低信噪比、寬捕獲範圍、快速捕獲的優點。
文檔編號H04W48/16GK101420411SQ20081023896
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者陳茹梅, 宋振宇, 沙立偉 申請人:航天恆星科技有限公司