CN106508104B - 一种扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于遥测领域，具体涉及一种扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法。本发明在PCM-FM体制下，通过频率估计模块对PCM-FM中频信号进行频偏估计，协助原有MSD***的同步模块同步，从而增加MSD***的频偏估计范围。本发明使用简单的复数乘加电路，能够数十倍扩展MSD解调的频偏估计范围，从而扩展MSD***的频偏估计范围。其频偏估计范围广、频偏估计速度快，解调性能好、电路简单、计算开销小、工作效率高。本发明可以在导弹、火箭等高频偏高噪声遥测任务环境下，应用于PCM-FM体制遥测接收设备之上，极大地降低了设备复杂度，有效提高了PCM-FM体制遥测接收机性能。

Description

一种扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法

技术领域

本发明属于遥测领域，具体涉及一种扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法。

背景技术

PCM-FM体制，是目前各国通用的遥测体制，其产生原理是：对待测遥测信息进行采样、量化、数字化后，形成PCM基带数据流。PCM数据流对载波进行调频，形成PCM-FM信号。

PCM-FM体制有两种解调方式，传统解调使用非相干鉴频解调，对PCM-FM信号求导后，得到一个调频调幅信号，其调幅包络包含基带信息，因此对求导后的信号进行包络检波可以恢复基带信息，完成解调。但FM信号解调时要求输入的中频信号信噪比约为9dB，带来了解调门限。

第二种解调方式为MSD(多符号检测)解调，如图1所示，它能够实现PCM-FM信号的相干解调。其中，中频接收的PCM-FM信号输入同步模块，对定时误差、频偏、相偏等误差进行计算后输入补偿模块，补偿模块对中频PCM-FM信号的各种误差补偿后进行相干解调，得到解调数据，同时相干解调根据相干解调的似然值向同步模块进行反馈。

与传统的非相干解调方法相比，MSD技术可以将误码性能提升3dB以上，同时降低解调门限8dB以上，因此可以极大地降低接收设备成本、减小天线规模、提高遥测性能。

但MSD解调的应用场合有限。由于遥测目标的高速移动性等原因，接收的遥测信号含有很大的频偏，有时会高达数倍码率。传统解调使用鉴频方法，只需比较不同电平对应鉴频值的相对关系，故频偏不会影响传统的鉴频解调性能。但MSD技术使用相干解调，它只能在0.1倍码率的频偏范围内对频偏进行精确估计并补偿。因此，尽管MSD技术在误码性能和解调门限等参数远优于传统鉴频解调方法，但限于较窄的频偏估计范围，无法广泛应用。

目前扩展MSD频偏估计范围的方法是将具有不同本地载波的若干MSD解调模块进行并行处理，选取解调似然值最大的MSD模块作为解调模块，原理如图2所示，但该方法硬件复杂度随频偏估计范围增加而增加，成本较大。

传统的鉴频解调与MSD解调技术的主要性能对比如下表所示：

发明内容

本发明基于PCM-FM信号在数学上的自相关性质和MSD解调频偏估计范围为0.1倍码率的特点，在PCM-FM体制下，不增加MSD模块的数量，而增加频率估计模块，对PCM-FM中频信号进行预处理，进行频偏估计，协助原有MSD***的同步模块同步，从而增加MSD***的频偏估计范围。

本发明的连接框图如图3所示，在原有MSD***中增加频率估计模块，其中频率估计模块接收PCM-FM中频信号，进行频偏估计，并将频偏估计值输入到MSD***的同步模块；同步模块将频偏估计值作为当前频偏计算值，提供给补偿模块；之后频率估计模块可停止工作。

本发明所述频率估计模块的基本原理框图如图4所示，首先将接收到的中频信号r(t)转换为复信号r(n)，具体为：将r(t)分别与本地的中频载波sin2πft和cos2πft相乘，乘积分别经积分和采样后得到两路数字信号I(n)与Q(n)，生成对应复信号r(n)＝I(n)+jQ(n)。

复信号r(n)延时后与自身相乘，将所得信号累加，累加值输出取幅角主值后除以2K得出频偏估计值，其中参数K表示每符号累加器工作次数。

设遥测符号周期为T₀，每符号采样点为N，则

采样周期为

频偏估计范围f_d为

任务开始时，由使用者选取较大的N保证频偏位于估计范围内。随后***开始工作，低通滤波器设为为全通***，延时值为T_s，补偿载波输出固定为1，K＝N，累加器开始工作，L₀个符号周期后，记录此时频偏估计值f₁。此值为频偏的较粗略估计，在低信噪比下，与真实频偏相差小于0.5倍码率，但有一定概率超过MSD解调0.1倍码率的频偏的估计范围。

为提高频偏估计性能，需要进一步通过控制器调整低通滤波器的通带带宽、延时器延时时长、复信号的频偏补偿值，并控制累加器计数使能与清零，在前述较粗略估计的基础上按照同样的方法进行再次估计。含控制器的频率估计模块的原理框图如图5所示。

再次估计时，可保持采样周期T_s不变，通过降低低通滤波器的通带带宽，并增加延时时长，增加累加器的累加周期，可以进一步提高频偏的估计精度。

再次估计得出频偏估计值f₂，将f₁+f₂作为最终频偏估计值，频偏的估计精度明显提高。

频率估计模块工作流程如图6所示。

本发明在较大的范围内为MSD提供频偏估计引导功能，将频偏引导至其正常工作范围内，从而将大频偏问题化为小频偏问题。

本发明使用简单的复数乘加电路，能够数十倍扩展MSD解调的频偏估计范围，从而扩展MSD***的频偏估计范围。其频偏估计范围广、频偏估计速度快，解调性能好、电路简单、计算开销小、工作效率高。

本发明可以在导弹、火箭等高频偏高噪声遥测任务环境下，应用于以MSD(最大似然序列解调)为代表的相干解调技术的PCM-FM体制遥测接收设备之上，极大地降低了设备复杂度，有效提高了PCM-FM体制遥测接收机性能。

附图说明

图1 MSD解调模块框图

图2目前扩展MSD模块频偏估计范围的并行方法原理示意图

图3本发明的连接框图

图4频率估计模块的基本原理框图

图5含控制器的频率估计模块的原理框图

图6频率估计模块工作流程图

具体实施方式

下面再结合附图，给出本发明的具体实施例。

如图3所示进行模块连接，其中频率估计模块接收PCM-FM中频信号，进行频偏估计，并将频偏估计值输入到MSD***的同步模块；同步模块将频偏估计值作为当前频偏计算值，提供给补偿模块；之后频率估计模块可停止工作。

所述频率估计模块的原理框图如图5所示，工作流程图如图6所示。

由用户设置每符号采样点N和计时长度L₀，确定选取较大的N，保证频偏位于估计范围内。

***设定采样周期为T_s＝T₀/N(其中T₀为遥测符号周期)，延时时长为T_s，低通滤波器为全通***，补偿载波输出固定为1，K＝N，累加器清零并开始工作；

频率估计模块将接收到的中频信号r(t)分别与本地的中频载波sin2πft和cos2πft相乘，乘积分别经积分和采样后得到两路数字信号I(n)与Q(n)，生成对应复信号r(n)＝I(n)+jQ(n)。复信号r(n)延时后与自身相乘，将所得信号累加，累加值输出取幅角主值后除以2K得出频偏估计值，其中参数K表示每符号累加器工作次数；L₀个符号周期后，记录此时频偏估计值f₁；

之后，在此基础上，进行再次估计；

保持采样周期T_s不变，延时时长为NT_s/2；；低通滤波器为低通***，补偿载波输出频率为-f₁的单频复信号，K＝2，低通滤波器通带设为

累加器清零，并每N/2个符号累加一次当前乘法器结果；L₀个符号周期后，记录此时频偏估计值f₂。

将f＝f₁+f₂作为频偏估计值，此估计值与真实频偏相差小于0.1倍码率。

将频偏估计值f输入到MSD***的同步模块；同步模块将频偏估计值f提供给补偿模块；之后频率估计模块停止工作。

Claims (3)

1.一种扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法，其特征在于，由以下步骤实现：

原有多符号检测解调***包括补偿模块、相干解调和同步模块；其中，中频接收的PCM-FM信号输入同步模块，对定时误差、频偏、相偏误差进行计算后输入补偿模块，补偿模块对中频PCM-FM信号的各种误差补偿后进行相干解调，得到解调数据，同时相干解调根据相干解调的似然值向同步模块进行反馈；

在原有多符号检测解调***中增加频率估计模块，所述频率估计模块接收PCM-FM中频信号，进行频偏估计，并将频偏估计值输入到多符号检测解调***的同步模块；同步模块将频偏估计值作为当前频偏计算值，提供给补偿模块；之后频率估计模块可停止工作；

所述频率估计模块按以下步骤进行频偏估计：

步骤1，频率估计模块将接收到的中频信号r(t)分别与本地的中频载波sin 2πft和cos 2πft相乘，乘积分别经积分和采样后得到两路数字信号I(n)与Q(n)，生成对应复信号r(n)＝I(n)+jQ(n)；

步骤2，复信号r(n)延时后与自身相乘，将所得信号累加，累加值输出取幅角主值后除以2K得出频偏估计值，其中参数K表示每符号累加器工作次数。

2.如权利要求1所述扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法，其特征在于，其中所述频率估计模块按以下步骤进行频偏估计：

步骤1，由用户设置每符号采样点N和计时长度L₀，确定选取较大的N，保证频偏位于估计范围内；

步骤2，***设定采样周期为T_s＝T₀/N，其中T₀为遥测符号周期，延时时长为T_s，低通滤波器为全通***，补偿载波输出固定为1，K＝N，累加器清零并开始工作；

步骤3，频率估计模块将接收到的中频信号r(t)分别与本地的中频载波sin 2πft和cos 2πft相乘，乘积分别经积分和采样后得到两路数字信号I(n)与Q(n)，生成对应复信号r(n)＝I(n)+jQ(n)；复信号r(n)延时后与自身相乘，将所得信号累加，累加值输出取幅角主值后除以2K得出频偏估计值，其中参数K表示每符号累加器工作次数；

所述的补偿载波生成的载波与复信号r(n)相乘并输入到低通滤波，低通滤波的输出经延时后与自身相乘，所得信号累加，累加值输出取幅角主值后除以2K作为频偏估计值，其中参数K表示每符号累加器工作次数；频偏估计值一方面作为***的输出，另一方面作为控制器的输入；

步骤4，L₀个符号周期后，记录此时频偏估计值f₁；

步骤5，进行再次估计：保持采样周期T_s不变，降低低通滤波器的通带带宽，增加延时时长，增加累加器的累加周期，补偿载波输出频率为-f₁的单频复信号；

步骤6，重复步骤3；

步骤7，L₀个符号周期后，记录此时频偏估计值f₂；

步骤8，将步骤4和步骤7记录的频偏估计值f₁和f₂相加，作为频偏估计值。

3.如权利要求2所述扩展遥测相干接收机频偏估计范围的方法，其特征在于，其中所述步骤5中的参数设定为：

延时时长为NT_s/2，低通滤波器为低通***，补偿载波输出频率为-f₁的单频复信号，K＝2，低通滤波器通带为

$-\frac{1}{T_0}<f_{pass}<\frac{1}{T_0},$

并每N/2个符号累加一次当前乘法器结果，所述乘法器为延时和累加器之间的乘法器。