專利名稱：低信噪比載波快速捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低信噪比大頻偏載波快速捕獲方法，主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)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(shù)：
統(tǒng)一S頻段(USB)測控體制是一種成熟的測控體制，它可以同時(shí)完成角跟蹤、測速、測距、遙測、遙控和語音通信功能。隨著數(shù)字化通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，數(shù)字化載波捕獲技術(shù)成為其中的一項(xiàng)常用技術(shù)。對于解調(diào)過程中頻率偏移量的估計(jì)和矯正，已有較成熟的算法，如鎖相環(huán)(PLL)法，自動(dòng)頻率控制(AFC)法和頻率估計(jì)等方法。由于中頻信號中含有多普勒頻移，PLL、AFC或一些適用于中高速頻率估計(jì)法已經(jīng)不能完成在低信噪下頻偏值快速捕獲的任務(wù)，并且也無法適應(yīng)捕獲范圍較寬的條件，這就需要開辟新的方法來解決這個(gè)問題。統(tǒng)一USB測控信號的頻譜上，殘余載波的幅度在調(diào)制度不是很大時(shí)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(shí)測控信號的頻譜在頻域上是對稱分布的，也可以根據(jù)這個(gè)對稱的結(jié)構(gòu)來估計(jì)出中心頻率，既載波的頻率值，但這種方法通常速度較慢，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量較大，需要占用大的硬件資源。文章“USB應(yīng)答機(jī)載波快速捕獲的方法研究”，張春龍等，2003全國仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，根據(jù)頻率對稱的特性，以FFT—DFT結(jié)合的方法來判定載波的頻率，這種方法的分辨率低，捕獲范圍窄，不能同時(shí)滿足寬捕獲范圍和快速捕獲的特性。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)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(diào)制度特性的基礎(chǔ)上，具有兼顧低信噪比、寬捕獲范圍、快速捕獲的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)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(shù)控振蕩器)產(chǎn)生的cos支路數(shù)據(jù)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(jié)果進(jìn)行半帶濾波處理，濾除高頻分量； (3)將步驟(2)的結(jié)果送入第一累加降采樣模塊進(jìn)行降采樣處理，處理后的數(shù)據(jù)通過FIFO_IN模塊暫存入外部SDRAM中，SDRAM中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)大于NFFT×L，其中為第一累加降采樣點(diǎn)數(shù)，fs1為第一累加降采樣數(shù)據(jù)后頻率，fs2為為第一累加降采樣后頻率，第一累加降采樣處理后的數(shù)據(jù)速率fs1與最大捕獲帶寬f之間應(yīng)滿足fs1>2×f，[f1，f2]為捕獲范圍，f1為負(fù)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(shù)據(jù)讀入，并與第二NCO產(chǎn)生的sin和cos兩個(gè)支路的數(shù)據(jù)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(jié)果分別經(jīng)過LPF(低通濾波器)，濾除高頻分量，然后進(jìn)入第二累加降采樣模塊進(jìn)行第二次降采樣處理，第二次降采樣的目的是提高信噪比，第二次降采樣后的數(shù)據(jù)速率fs2與第二NCO的本地載波頻率fNCO2的步進(jìn)值Δ之間的關(guān)系應(yīng)滿足fs2＝2×Δ； (6)將步驟(5)的處理結(jié)果進(jìn)行NFFT點(diǎn)的FFT處理，其中NFFT為FFT處理的點(diǎn)數(shù)；其中NFFT的取值決定了計(jì)算出的頻偏值的精度，NFFT越大，精度越高，但同時(shí)NFFT不能太大，因?yàn)镹FFT越大，程序占用的資源越大，同時(shí)計(jì)算出I2+Q2的最大值，并記錄最大值所對應(yīng)的頻偏值fm，其中I路為實(shí)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，重復(fù)步驟(4)～(6)n次，其中找出n次重復(fù)步驟(6)結(jié)果中的最大值fi，i∈[1，2，.....，n]，最終的頻偏值結(jié)果為
本發(fā)明方法的原理數(shù)學(xué)模型如下所示，其中的k1、k2、k3為常數(shù)，ωc為輸入信號的中心頻率，Δω為頻率偏移值 設(shè)輸入信號的表達(dá)式為 a(t)＝k1sin(ωct+Δω) (1) 第一NCO產(chǎn)生的信號為 b(t)＝k2cos(ωct) (2) 輸入信號與本地載波相乘后結(jié)果分別為(3) 經(jīng)過半帶濾波器后，濾除信號中的高頻分量，輸出為 第二NCO模塊產(chǎn)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)相乘，第二NCO的本地載波累加步進(jìn)值Δ

信號經(jīng)過第一累加降采樣后，通過FIFO_IN存入外部SDRAM中，從FIFO_OUT讀入的數(shù)據(jù)與第二NCO產(chǎn)生的兩路正交數(shù)據(jù)相乘，得到

其中， 經(jīng)過LPF將高頻分量濾除，然后進(jìn)行第二累加降采樣后，相當(dāng)于經(jīng)過了一個(gè)梳狀濾波器，在濾除帶外的鏡像頻率分量的同時(shí)提高了信噪比，此時(shí)數(shù)據(jù)的輸出為

將(9)、(10)分別作為I、Q兩路數(shù)據(jù)送給FFT模塊，進(jìn)行FFT處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于 (1)本發(fā)明通過使用外部SDRAM的方法，解決了以往因FPGA片內(nèi)資源有限而出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，同時(shí)提高了捕獲速度； (2)本發(fā)明采用兩級累加降采樣處理，并采用FFT頻率估計(jì)法，在降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)的同時(shí)，提高了信噪比，可以在較低信噪比情況下進(jìn)行準(zhǔn)確的捕獲； (3)本發(fā)明采用兩級NCO處理方式，第二NCO本地載波頻率可變，增大了頻率捕獲范圍，并且解決了以往掃頻處理法中需要多次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的問題，本發(fā)明中只需要存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)即可。
(4)本發(fā)明主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)過實(shí)際測試，證明其具有捕獲時(shí)間短、捕獲精度高、捕獲范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。其捕獲范圍可達(dá)-300KHz～+300KHz，捕獲時(shí)間小于1S，C/N0最低可達(dá)35dB。



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

具體實(shí)施例方式 以一體化測高速遙感數(shù)據(jù)接收處理設(shè)備及多體制測控終端為例說明本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)過程，如圖1所示， (1)本方法中，硬件系統(tǒng)處理時(shí)鐘為110MHz，捕獲范圍[-300，300]KHz，-300KHz為負(fù)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(jìn)值Δ為2.5KHz； (2)頻率值為f0+Δf的輸入信號與第一NCO模塊產(chǎn)生的cos支路數(shù)據(jù)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(jié)果進(jìn)行半帶濾波處理，濾除高頻分量； (4)將步驟(3)的結(jié)果送入第一累加降采樣模塊進(jìn)行降采樣處理，第一累加降采樣處理后的數(shù)據(jù)速率fs1與最大頻偏值f之間應(yīng)滿足fs1>2×f，因此f＝f2-f1＝600KHz，考慮到累加降采樣的點(diǎn)數(shù)應(yīng)選取為正整數(shù)，因此取fs1＝1.718750MHz，即第一次累加降采樣點(diǎn)數(shù)為110MHz/1.71875MHz＝64點(diǎn)； (5)將步驟(4)處理后的數(shù)據(jù)通過FIFO_IN模塊暫存入外部SDRAM中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)大于NFFT×L，其中為第二次累加降采樣點(diǎn)數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為360000點(diǎn)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間約為0.21s； (6)通過FIFO_OUT模塊將外部SDRAM中的數(shù)據(jù)讀入，并與第二NCO產(chǎn)生的sin和cos兩個(gè)支路的數(shù)據(jù)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(jié)果分別經(jīng)過LPF，濾除高頻分量，然后進(jìn)入第二累加降采樣模塊進(jìn)行第二次降采樣處理，第二次降采樣的目的是提高信噪比，第二次降采樣后的數(shù)據(jù)速率fs2與第二NCO的本地載波頻率fNCO2的步進(jìn)值Δ之間的關(guān)系為fs2＝2×Δ＝5KHz，第二降采樣點(diǎn)數(shù)為 此時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)鐘由110MHz降為320KHz，數(shù)據(jù)速率由1.71875MHz降為5KHz，320KHz的時(shí)鐘采樣1024點(diǎn)數(shù)據(jù)需要時(shí)間約為3.2ms； (8)將步驟(7)的處理結(jié)果進(jìn)行NFFT＝1024點(diǎn)的FFT處理，其中NFFT為FFT處理的點(diǎn)數(shù)；其中NFFT的取值決定了計(jì)算出的頻偏值的精度，NFFT越大，精度越高，但同時(shí)NFFT不能太大，因?yàn)镹FFT越大，程序占用的資源越大，綜上所述，實(shí)際應(yīng)用中選取FFT的點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)，F(xiàn)FT后的分辨率可以達(dá)到4.88Hz； (9)將FFT處理后的I、Q兩路數(shù)據(jù)計(jì)算出I2+Q2的最大值，并記錄最大值所對應(yīng)的頻偏值fm，其中I路為實(shí)部，Q路為虛部，m∈[1，2，.....，n]，每次FFT處理所需要的時(shí)間為29.976us； (10)增加步驟(6)中的第二NCO本振頻率fNCO2，重復(fù)步驟(6)～(9)n次，其中找出241次重復(fù)步驟(9)結(jié)果中的最大值fi，i∈[1，2，.....，241]，最終的頻偏值結(jié)果為Δf＝(f0-fNCO1)-(i×Δ+fi)＝299.99997KHz，與實(shí)際值偏差為0.03Hz； (11)所需要的捕獲時(shí)間為0.21s+241＊(29.976us+3.2ms)＝0.988s，即捕獲時(shí)間小于1s。
如圖2所示，F(xiàn)IFO_IN、FIFO_OUT模塊的主要功能是采用分時(shí)復(fù)用的方法將FPGA外部的SDRAM仿真成一個(gè)大容量FIFO存儲(chǔ)器。FIFO的輸入和輸出端口分別有FPGA Block RAM構(gòu)成的1K×16bit FIFO。FIFO_IN負(fù)責(zé)緩存外部輸入的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)部的SDRAM控制器。FIFO_OUT負(fù)責(zé)緩存SDRAM控制器給出的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以從輸出端口被外部邏輯讀走。SDRAM控制器負(fù)責(zé)監(jiān)視兩個(gè)FIFO的狀態(tài)并且控制和讀寫SDRAM。當(dāng)FIFO_IN中有數(shù)據(jù)時(shí)，SDRAM控制器即將這些數(shù)據(jù)讀出并寫入SDRAM中，當(dāng)SDRAM中保存有新數(shù)據(jù)并且FIFO_OUT中有空余空間是，SDRAM控制器將SDRAM中的數(shù)據(jù)讀出并寫入FIFO_OUT。這樣，在SDRAM控制器的分時(shí)工作下，F(xiàn)IFO的輸入和輸出端口被模擬成為一個(gè)總的FIFO。只要輸入和輸出數(shù)據(jù)率總和不超過SDRAM的接口數(shù)據(jù)率，即可保持這個(gè)FIFO穩(wěn)定工作。
表1為本方法實(shí)際計(jì)算得到的頻偏值與理想值的對照表。
綜上所述，可以得出結(jié)論如下本發(fā)明的載波捕獲方法可以在C/N0 ≥35dB時(shí)，進(jìn)行正確捕獲。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1、低信噪比載波快速捕獲方法，其特征在于步驟如下
(1)輸入信號與第一NCO產(chǎn)生的cos支路數(shù)據(jù)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(jié)果進(jìn)行半帶濾波處理，濾除高頻分量；
(3)將步驟(2)的結(jié)果送入第一累加降采樣模塊進(jìn)行降采樣處理，處理后的數(shù)據(jù)通過FIFO_IN暫存入外部SDRAM中，第一累加降采樣處理后的數(shù)據(jù)速率fs1與最大捕獲帶寬f之間應(yīng)滿足fs1>2×f，[f1，f2]為捕獲范圍，f1為負(fù)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(shù)據(jù)讀入，并與第二NCO產(chǎn)生的sin和cos兩個(gè)支路的數(shù)據(jù)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(jié)果分別經(jīng)過LPF，濾除高頻分量，然后進(jìn)入第二累加降采樣模塊進(jìn)行第二次降采樣處理，第二次降采樣后的數(shù)據(jù)速率fs2與第二NCO的本地載波頻率fNCO2的步進(jìn)值Δ之間的關(guān)系應(yīng)滿足fs2＝2×Δ；
(6)將步驟(5)的處理結(jié)果進(jìn)行NFFT點(diǎn)的FFT處理，其中NFFT為FFT處理的點(diǎn)數(shù)；
(7)增加步驟(4)中的第二NCO本振頻率fNCO2，重復(fù)步驟(4)～(6)n次，其中找出n次重復(fù)步驟(6)結(jié)果中的最大值fi，i∈[1，2，.....，n]，最終的頻偏值結(jié)果為
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的低信噪比載波快速捕獲方法，其特征在于所述步驟(3)中的FIFO_IN暫存入外部SDRAM中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)大于NFFT×L，其中為第二次累加降采樣點(diǎn)數(shù)，fs1為第一累加降采樣后數(shù)據(jù)速率，fs2為為第一累加降采樣后數(shù)據(jù)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(chǎn)生的cos支路數(shù)據(jù)相乘；(2)進(jìn)行半帶濾波處理；(3)將第一累加降采樣模塊進(jìn)行降采樣處理，再通過FIFO_IN模塊暫存入外部SDRAM中，第一累加降采樣處理后的數(shù)據(jù)速率fs1與最大捕獲帶寬f之間應(yīng)滿足fs1＞2×f，[f1，f2]為捕獲范圍，(4)通過FIFO_OUT模塊將外部SDRAM中的數(shù)據(jù)讀入，并與第二NCO產(chǎn)生的sin和cos兩個(gè)支路的數(shù)據(jù)相乘；(5)經(jīng)過LPF，進(jìn)入第二次降采樣處理；(6)進(jìn)行FFT處理；(7)增加第二NCO本振頻率，重復(fù)步驟(4)～(6)n次，找出n次重復(fù)步驟(6)結(jié)果中的最大值，得到最終的頻偏值結(jié)果。本發(fā)明在滿足通用測控信號調(diào)制度特性的基礎(chǔ)上，具有兼顧低信噪比、寬捕獲范圍、快速捕獲的優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者陳茹梅, 宋振宇, 沙立偉 申請人:航天恒星科技有限公司