本發(fā)明屬于通信領域，涉及一種頻率跟蹤方法，尤其涉及一種高動態(tài)窄帶信號頻率跟蹤方法。

背景技術：

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，接收機需要對接收的衛(wèi)星信號進行解調以獲取有用的傳輸信息。當衛(wèi)星通信終端的運動速度很慢或為零時，多普勒效應產生的頻移和變化率較小，對接收機的性能影響不大，采用傳統(tǒng)的頻偏估計算法就可以解決；但在高動態(tài)的應用背景下，多普勒頻移和多普勒變化率大，尤其對于窄帶信號，影響更大，甚至導致整個系統(tǒng)的接收性能惡化。這時就需要跟蹤速度快且精度也能滿足要求的頻率跟蹤方法。

FFT算法是一種離散傅氏變換(DFT)的高效算法，稱為快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform)，它根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的，因為它的高效和簡化運算被廣泛用于數(shù)字系統(tǒng)中。Gardner算法是一種非面向判決的定時誤差檢測算法，獨立于載波相位估計，只需要每個符號兩個采樣點即可實現(xiàn)誤差檢測。Gardner算法有兩個特點：1)每個符號兩個采樣點，且以碼元速率輸出誤差信號；2)估計算法是獨立于載波相位的，即可以在載波相位同步之前，進行定時誤差估計。

傳統(tǒng)捕獲跟蹤方法多采用鎖相環(huán)，但是鎖相環(huán)的跟蹤范圍小，很難滿足高動態(tài)的應用環(huán)境。采用鎖頻環(huán)時，跟蹤范圍大，但是精度不高，采用鎖頻環(huán)結合鎖相環(huán)的方式可以解決部分問題，但是針對窄帶信號，在頻偏加速度很大，甚至存在頻偏加加速度的時候，還是不能滿足系統(tǒng)的頻率跟蹤要求。

中國專利CN 103197334公開了一種高動態(tài)低信噪比下導航信號的跟蹤系統(tǒng)及方法。所述系統(tǒng)包括：兩個多普勒剝離模塊、兩個解擴模塊、兩個積分清除模塊、兩個頻率鑒別模塊、兩個鎖頻環(huán)濾波模塊、兩個鎖頻環(huán)數(shù)控振蕩器NCO模塊、兩個相位鑒別模塊、兩個相位旋轉模塊、兩個鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器NCO模塊、一個相位估計值求和模塊、一個相位估計值求差模塊、一個和路濾波器、一個差路濾波器、一個濾波結果求和模塊、一個濾波結果求差模塊、兩上鎖頻環(huán)相位累加模塊、兩個鎖相環(huán)相位累加模塊、兩個頻率再生模塊。該方法雖然能實現(xiàn)快速跟蹤，但結構復雜，對硬件資源消耗大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在于提供了一種高動態(tài)窄帶信號頻率跟蹤方法，以克服現(xiàn)有技術的在高動態(tài)下對窄帶信號定位慢、精度不高，跟蹤不準的不足。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高動態(tài)窄帶信號頻率跟蹤方法，包括以下步驟：

1)將接收到的數(shù)字基帶信號進行復數(shù)匹配濾波；所述用于匹配濾波的濾波器的中心頻點根據(jù)判定條件可調，初始時不調整；

2)經(jīng)過步驟1)濾波后的信號進行定時同步和幀同步；

3)利用步驟2)的獨特碼信息進行初始頻偏估計，然后將頻偏值補償?shù)讲东@的信號上；所述頻偏估計采用FFT頻偏估計算法，；

4)經(jīng)過步驟3)處理后的信號進行鎖頻環(huán)路跟蹤，即所述信號先與已知獨特碼共軛相乘去掉調制信息，再對信號進行分段；所述分段后的信號分別經(jīng)過鑒頻器，然后對獲得頻率值取平均,接著進入二階環(huán)路濾波器得到頻率誤差，將當前獲得的頻率誤差和上一次步驟4)獲得的頻偏取平均值后再傳送給NCO進行頻率偏差補償，每次進一個符號都重復此步驟，并記錄每次計算獲得的頻率偏差；

5)對步驟3)或步驟4)獲得的頻偏進行累加，當累加頻偏大于預設的頻偏值時，調整復數(shù)匹配濾波器的中心頻點；

6)經(jīng)過步驟5)處理后的信號的中心頻率若到達預設值，所述信號進入鎖相環(huán)模塊進行精確環(huán)路鎖定。

優(yōu)選的，所述步驟1)中調整濾波器的中心頻點的判定條件為：對獲得的頻率偏差進行累加，當所述頻偏累加值大于預設的頻偏值時進行調整；否則，不進行調整。

優(yōu)選的，所述步驟1)中采用的復數(shù)匹配濾波器為平方根升余弦滾降成型濾波器，其中滾降系數(shù)為0.35，階數(shù)為49。

優(yōu)選的，所述步驟2)的具體步驟采用Gardner環(huán)的方式計算出每個符號的最佳采樣值，所述最佳采樣值的每個符號用8個樣點表示，然后對信號進行8倍抽取，獲取在最佳采樣點位置的一幀數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述步驟2)還包括利用每幀信號中間插入的長度L＝128的獨特碼進行幀同步。

優(yōu)選的，所述步驟3)只在初始時執(zhí)行一次。

優(yōu)選的，所述步驟4)的分段方法為將所述獨特碼分段，每段包含N個數(shù)據(jù)，取N個數(shù)據(jù)的M種不同組合的數(shù)據(jù)進行M次鑒頻，對得到的M組頻率值取平均，其中N≤32，M≤N。

進一步的，其特征在于，所述N＝2M。

優(yōu)選的，所述步驟1)或5)的濾波器的中心頻點調整方法為：

當頻偏累加值超過的最大頻偏值Fh，則使用當前的頻偏累加值與上一次的濾波器進行混頻，使其中心頻率移動到所需位置；當頻偏累加值不超過Fh，則仍使用上一次混頻后的濾波器系數(shù)。

本發(fā)明還提供了一種鎖頻環(huán)模塊，按照信號處理順序依次包括乘法器、分段模塊、數(shù)字振蕩器(NCO)、鑒頻器、取平均模塊、二階環(huán)路濾波器；

所述分段模塊對經(jīng)過乘法器后的信號進行分段處理；

所述取平均模塊對經(jīng)過鑒頻器的信號獲取的頻率值進行平均處理；

所述數(shù)字振蕩器(NCO)對前級二階環(huán)路濾波的信號的頻率偏差進行補償。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)當頻偏較大時的窄帶基帶信號進入前級的匹配濾波器時會濾除較多有效信號，導致信號較差甚至變形，影響解調性能的問題。根據(jù)估計的頻偏累加值來判定是否調整匹配濾波器的中心頻點可以有效解決這一問題。

(2)在鎖頻環(huán)之前增加FFT頻偏估計模塊，可以降低進入鎖頻環(huán)模塊的信號的殘留頻偏。

(3)當頻偏加速度較大時，使用較長的獨特碼進行頻率跟蹤，跟蹤速度不夠快；對捕獲后提取出的獨特碼進行分段處理，可以加快跟蹤速度，鎖頻之后再取平均，可以提高跟蹤精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的頻率跟蹤方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的改進鎖頻環(huán)的實現(xiàn)框圖；

圖3為本發(fā)明的復數(shù)濾波器中心頻點調整的實現(xiàn)框圖；

圖4為本發(fā)明的頻偏跟蹤仿真曲線圖。

具體實施方式

為了更好的理解本發(fā)明所提出的技術方案，下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進一步闡述。

一種高動態(tài)窄帶信號頻率跟蹤方法,，如圖1至圖3所示，該方法由以下步驟實現(xiàn)：

1)將接收到的數(shù)字基帶信號進行復數(shù)匹配濾波；所述用于匹配濾波的濾波器的中心頻點根據(jù)判定條件可調，初始時不調整；

2)經(jīng)過步驟1)濾波后的信號進行定時同步和幀同步；

3)利用步驟2)的獨特碼信息進行初始頻偏估計，所述頻偏估計采用FFT頻偏估計算法，將頻偏值補償?shù)讲东@的信號上；

4)經(jīng)過步驟3)處理后的信號進行鎖頻環(huán)路跟蹤，即所述信號先與步驟2)中的已知獨特碼共軛相乘去掉調制信息，再對信號進行分段；所述分段后的信號分別經(jīng)過鑒頻器，然后對獲得頻率值取平均，接著進入二階環(huán)路濾波器得到頻率誤差，所述頻率誤差放入緩存，然后對當前獲得的頻偏誤差和上一次步驟4)所獲得的頻率誤差取平均后再送給NCO進行頻率偏差補償，每次進一個符號都重復此步驟，并記錄每次計算獲得的頻率偏差；

5)對步驟3)或4)獲得的頻偏進行累加，當累加頻偏大于預設的頻偏值時，調整復數(shù)匹配濾波器的中心頻點；

6)經(jīng)過步驟5)處理后的信號的中心頻率若到達預設值時，所述信號進入鎖相環(huán)模塊進行精確環(huán)路鎖定。

下面以衛(wèi)星通信船載終端為例，對本發(fā)明提出的技術方案做進一步闡述。

(1)衛(wèi)星信號經(jīng)過衛(wèi)星天線和射頻模塊轉換為基帶信號后，經(jīng)過AD采樣獲取數(shù)字基帶信號，信號為連續(xù)信號；

(2)數(shù)字基帶信號首先經(jīng)過49階的復數(shù)匹配濾波器，濾波器的系數(shù)與發(fā)送端的濾波器系數(shù)相同，采用平方根升余弦滾降成型濾波器，滾降系數(shù)為0.35；

(3)對濾波后的信號進行定時同步，采用Gardner環(huán)的方式，計算出每個符號的最佳采樣值(一個符號用8個樣點表示)，然后對信號進行8倍抽取，獲取位置在最佳采樣點的一幀數(shù)據(jù)。這時，利用每幀信號中間插入的長度L＝128的獨特碼進行幀同步，即與已知的獨特碼序列做相關運算，捕獲幀頭的起始位置，然后取出插入在信號的獨特碼字段；

(4)利用長度L＝128的獨特碼信息來進行初始頻偏估計，頻偏估計算法采用FFT算法，估計初始頻偏f₀，計算出sin(2πf₀t)和cos(2πf₀t)之后，與捕獲到的信號進行復數(shù)乘法，即將頻偏值補償?shù)讲东@的信號上，這一步驟只在初始時執(zhí)行一次；

(5)接著信號進入改進的鎖頻環(huán)模塊，鎖頻環(huán)模塊包括乘法器、分段模塊、數(shù)字振蕩器(NCO)、鑒頻器、取平均模塊、二階環(huán)路濾波器。首先對取出的獨特碼字段進行分段，設每段有N＝32個數(shù)據(jù)，對這N＝32個數(shù)據(jù)取M＝16種不同組合的數(shù)據(jù)進行M＝16次鑒頻(如d1～d31與d2～d32共軛相乘后可以獲得一組數(shù)據(jù)，d1～d30與d3～d32共軛相乘后可以獲得一組數(shù)據(jù)，以此類推，可以獲得16組數(shù)據(jù))，對得到的M＝16組頻率值取平均，然后送入二階環(huán)路濾波模塊后，再經(jīng)過NCO(數(shù)字振蕩器)頻偏補償，與步驟(4)中的頻偏補償方法相同，接著再繼續(xù)取下一段數(shù)據(jù)，如此循環(huán)執(zhí)行。其中N的取值越小，對多普勒加速度跟蹤速度越快。M的取值越大，跟蹤精度越高，但取值也不能太大，取值太大會降低跟蹤速度，所以在仿真時，需要根據(jù)實際情況對N和M的值取一個均衡；

(6)將獲得的頻偏值存儲后，對信號進行補償，且將每次頻偏值累加，如果頻偏累加值超過的最大頻偏值Fh(如在信息速率為4.8kbps情況下，F(xiàn)h＝500Hz)，則使用當前的頻偏累加值與上一次的濾波器得到的頻偏累加值進行混頻，使其中心頻率移動到所需位置；如果沒有超過Fh，則仍使用上一次混頻后的濾波器系數(shù)；

(7)頻率跟蹤及補償后的信號送入鎖相環(huán)模塊進行精確鎖定，完成頻率的快速跟蹤處理流程。

對本發(fā)明的頻偏跟蹤進行仿真，頻率跟蹤曲線如圖4所示：原始頻率和鎖定頻率在50s后高度吻合，且頻率誤差在50s以內便穩(wěn)定在0HZ附近。在相同的幀結構及高動態(tài)仿真條件下，本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，Eb/N0可以提高1dB左右。

根據(jù)上述說明書的揭示和教導，本發(fā)明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對發(fā)明的一些修改和變更也應當落入本發(fā)明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構成任何限制。