技术领域
[0001] 本
发明属于无线通信技术领域，涉及一种载波多普勒及其变化率的高精度测量方法。技术背景
[0002] 高动态环境下接收
信号含有较大的多普勒
频率及其变化率，由于信号动态高，在捕获过程中不能把载波当作单频信号，通常短时间内可以将其视为线性调频信号，估计其多普勒频率、频率变化率等参数。多普勒的载波与接收的载波不一致将会削弱后面码环的相干积分幅值。传统载波
跟踪方法难以在高动态应
力和跟踪精度两方面取得较好折中。高动态微弱信号捕获的关键是对载波信号多普勒和多普勒变化率的估计。高动态弱信号环境对接收机的可靠性提出了更高的要求。传统的载波环包括
锁相环和锁频环。二者的基本区别在于
鉴别器的不同并由此产生相应的特性差异。在处理幅度较大的多普勒频偏时，如果不增加环路带宽，多普勒频移会使载波超出
锁相环的捕获频带；而环路带宽的增加将会引入更多噪声导致准确度的降低，当引入噪声的电平接近或超过环路的
门限
电压时，将导致失锁；同时对变化率较大的多普勒频偏，锁相环的响应速度无法跟上。由于
采样速率通常很高，造成了采样后的
数据速率很高，使后续的处理速度很难跟上或者造成不必要的浪费。尤其对于有些同步解调
算法复杂度较高、计算量较大，在满足系统实时性要求下数据的吞吐率不能太高，因此需要对数据进行降速。锁相环采用较窄的噪声带宽能比较紧密地跟踪信号输出的载波
相位测量值相当精确，并且解调出的数据比特错误率也较低然而它对动态
应力的容忍性较差。当噪声较强或者所需的环路带宽较宽时，锁相环就有可能对信号锁定产生困难。锁频环采用较宽的噪声带宽动态性能好，能更鲁棒地容忍用户的高动态应力及射频、多路径和电离层闪烁等干扰，能跟踪
信噪比更低的信号，并且对数据比特跳变也较不敏感，然而它对信号的跟踪略欠紧密，环路噪声较高，输出的载波相位测量值欠精确，并且数据解调过程中所发生的比特错误率也较高。锁频环辅助下的锁相环是一种相当常见的组合方案其中的锁频环和锁相环同时运行。因为锁频环
滤波器所输出的频率差异信号要经积分后才能成为锁相环滤波器所输出的
相位差异。在扩频接收机中，为了让跟踪环路能成功跟踪接收信号，扩频接收机内部所初始复制的
载波频率必须与接收信号吻合到一定程度，否则，若复制信号与接收信号之间的频率误差超过跟踪环路的牵入范围，则跟踪环路通常无法入锁。因此扩频接收机会在开始信号跟踪之前进行信号捕获，估算出接收信号的载波多普勒的粗略估计值，但在高动态微弱信号场景下，信号捕获估算出的载波多普勒粗略估计值与真实载波普勒误差较大，且接收信号存在较大的多普勒变化率，跟踪环路无法快速而稳定地入锁，为了解决高动态微弱信号场景带来的影响，需要进一步提高载波多普勒的精度。
[0003] 在传统测量方法中，测量分系统对接收信号进行降采样处理后，先对采样数据进行粗略测频处理，而后对采样数据进行精细测频处理。为了提高载波多普勒、多普勒变化率的测量精度，在粗测频和精测频阶段需要对载波多普勒、多普勒变化率开较多的频率槽，极大地延长了搜索时间，无法满足系统对测量时间的要求；为了达到系统对测量时间的要求，对载波多普勒、多普勒变化率开的频率槽数将受到限制，这将降低载波多普勒、多普勒变化率的测量精度。因此，这种处理方式无法同时提高载波多普勒、多普勒变化率的测量精度和缩短其搜索时间。
发明内容
[0004] 为了克服传统测量方法的上述
缺陷，本发明提供一种测量精度高，能够缩短频率搜索时间的载波多普勒及其变化率的高精度测量方法。
[0005] 本发明的上述目的可以通过以下介绍方案予以实现，一种载波多普勒及其变化率的高精度测量方法，包括下述步骤：
[0006] 在扩频接收机测量系统中，将上层
软件的启动
信号传输到初始化单元相连的主控单元，主控单元将载波多普勒及其变化率的测量流程划分为粗测频、一次精测频、二次精测频三个状态，并根据接收信号的信息速率和载波多普勒范围，控制第一级降采样单元对接收信号完成第一级降采样处理；在粗测频状态，载波多普勒及其变化率补偿单元采用每个频率槽的载波多普勒、多普勒变化率生成本地复合载波，对第一级降采样后存入第一级存储单元中的采样数据完成载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿；经过频率补偿后的采样数据顺次通过
模式识别与控制单元、测频单元、峰值搜索单元、频率解算单元得到载波多普勒和多普勒变化率的粗测值；在一次精测频状态，载波多普勒及其变化率补偿单元先以粗测频状态的粗测值生成本地复合载波，对上述第一级存储单元中的采样数据进行频率预补偿，将第二级降采样单元第二级降采样处理后的采样数据存入第二级存储单元，然后根据粗测频状态的粗测值细分为多个频率槽，对第二级存储单元中的采样数据进行频率补偿，经过频率补偿后的采样数据顺次通过模式识别与控制单元、测频单元、峰值搜索单元和频率解算单元得到载波多普勒和多普勒变化率的一次精测值；二次精测频状态重复上一次精测频状态的操作流程，从而得到载波多普勒、多普勒变化率和搜索时间信息。
[0007] 本发明相对于传统测量方法具有以下有益效果：
[0008] 测量精度高。本发明将精测频状态分为一次精测频状态和二次精测频状态，采用上一测频状态的测量信息对第一级存储单元的采样数据进行频率预补偿，信号捕获估算出的载波多普勒粗略估计值与真实载波普勒误差小，第一级降采样单元根据接收信号的信息速率和载波多普勒范围对接收信号完成第一级降采样处理；第二级降采样单元对频率预补偿后的采样数据完成第二级降采样处理；可进一步提高载波多普勒和多普勒变化率的测量精度；克服了
现有技术跟踪环路通常无法入锁的缺陷。
[0009] 能够缩短频率搜索时间。本发明在精测频状态前进行频率预补偿，缩短单个频率槽的处理时间，在高动态(最大多普勒变化率±15kHz/s)和微弱信号(
载噪比40dB)环境中，精测频前进行频率预补偿和两轮精测频，测量载波多普勒及其变化率的测量精度，通过模式识别与控制单元和测频单元根据主控单元的测频状态对频率补偿后的信号完成载波恢复和快速傅氏变换FFT运算；峰值搜索单元和频率解算单元对FFT运算结果进行峰值判决找到最大峰值及峰值所对应的频率槽，完成载波多普勒及其变化率的搜索解算。缩短了频率的搜索时间。可进一步降低载波多普勒和多普勒变化率的搜索时间，相对于传统测量方法，在不增加
硬件资源开销的情况下，可进一步提高载波多普勒。
附图说明
[0010] 图1是本发明测量系统结构示意图。
[0011] 图2是第一级降采样单元的ID积分滤波器原理示意图。
[0012] 图3是载波多普勒及其变化率补偿单元的本地复合载波产生原理示意图。
[0013] 图4是模式识别与控制单元的结构原理示意图。
[0014] 图5是目前的测量分系统结构示意图。
[0015] 下面结合附图和
实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
[0016] 参阅图1。根据本发明，在扩频接收机测量系统中，将上层软件的启动信号传输到初始化单元相连的主控单元，主控单元将载波多普勒及其变化率的测量流程划分为粗测频、一次精测频、二次精测频三个状态；在粗测频状态，第一级降采样单元根据接收信号的信息速率和载波多普勒范围对接收信号完成第一级降采样处理；在粗测频状态，载波多普勒及其变化率补偿单元采用每个频率槽的载波多普勒、多普勒变化率生成本地复合载波，对第一级降采样后频存入第一级存储单元中的采样数据完成载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿；经过频率补偿后的采样数据顺次通过模式识别与控制单元、测频单元、峰值搜索单元、频率解算单元得到载波多普勒和多普勒变化率的粗测值；在一次精测频状态，载波多普勒及其变化率补偿单元先以粗测频状态的粗测值生成本地复合载波，对上述第一级存储单元中的采样数据进行频率预补偿，将第二级降采样单元第二级降采样处理后的采样数据存入第二级存储单元，然后根据粗测频状态的粗测值细分为多个频率槽，对第二级存储单元中的采样数据进行频率补偿，经过频率补偿后的采样数据顺次通过模式识别与控制单元、测频单元、峰值搜索单元和频率解算单元得到载波多普勒和多普勒变化率的一次精测值；二次精测频状态重复上一次精测频状态的操作流程，从而得到载波多普勒、多普勒变化率和搜索时间信息。
[0017] 在粗测频状态，模式识别与控制单元将频率补偿后的信号划分为单频模式进行处理，根据主控单元的测频状态对频率补偿后的信号完成载波恢复；测频单元根据主控单元的测频状态对FFT运算点数进行配置，对载波恢复后的信号完成FFT运算；峰值搜索单元对测频单元输出的快速傅氏变换FFT运算结果进行峰值判决，找到最大峰值以及峰值所对应的频率槽，完成接收信号的频率搜索；频率解算单元根据峰值所对应的频率槽完成载波多普勒及其变化率的搜索解算，得到载波多普勒、多普勒变化率和搜索时间信息；在一次精测频和二次精测频状态，模式识别与控制单元根据接收信号的调制类型将双
相移相键控BPSK信号划分为二倍频模式，将双二相相移键控QPSK、参差四相相移键控SQPSK二种调制信号划分为四倍频模式；对频率补偿后的信号完成载波恢复。
[0018] 测量分系统包括以下步骤：
[0019] 步骤1中第一级降采样单元根据接收信号的信息速率和载波多普勒范围对接收信号进行第一次降采样处理，并将第一次降采样后的采样数据存入第一级存储单元；
[0020] 步骤2中主控单元根据所需要搜索的载波多普勒、多普勒变化率的范围细分多个频率槽，载波多普勒及其变化率补偿单元采用每个频率槽的载波多普勒、多普勒变化率生成本地复合载波，对采样数据完成载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿。
[0021] 步骤2所述的载波多普勒及其变化率补偿对采样数据完成载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿。主控单元根据所需要搜索的载波多普勒、多普勒变化率的范围细分多个频率槽，根据每个频率槽的载波多普勒、多普勒变化率可由下式计算获得载波多普勒控制字Kf及多普勒变化率控制字Kr，
[0022] Kf＝fdop/fs·232
[0023] Kr＝fr/fs2·232
[0024] 其中，fdopl为当前频率槽需要补偿的载波多普勒，fr为当前频率槽需要补偿的多普勒变化率，fs是需要频率补偿的信号
采样频率；
[0025] 步骤3中载波多普勒及其变化率补偿单元采用上一测频状态的测量信息对第一级存储单元的采样数据进行频率预补偿，第二级降采样单元根据主控单元的测频状态对频率补偿后的信号进行第二次降采样处理，并将第二次降采样后的采样数据存入第二级存储单元；
[0026] 步骤1和步骤3所述的降采样处理采用ID积分滤波器结构。该ID积分滤波器主要包括DDS和积分清零两个部分，根据主控单元的测频状态确定积分频率控制字，由DDS产生清零脉冲对输入数据进行积分清零操作以完成ID积分滤波，最后将积分滤
波数据送至存储单元。载波多普勒及其变化率补偿单元采用载波多普勒控制字及多普勒变化率控制字分别通过地址映射和查表产生两路本地载波，通过复乘运算生成本地复合载波，然后采样数据和本地复合载波进行复乘运算，完成对采样数据的载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿。
[0027] 步骤4中主控单元的整个流程分为粗测频、一次精测频、二次精测频等三个状态，在粗测频状态，模式识别与控制单元将频率补偿后的信号划分为单频模式进行处理；在一次精测频和二次精测频状态，模式识别与控制单元根据接收信号的调制类型对频率补偿后的信号完成载波恢复，其中将BPSK信号划分为二倍频模式，将QPSK、SQPSK、UQPSK信号划分为四倍频模式；
[0028] 步骤4所述的模式识别与控制单元根据主控单元的测频状态和接收信号的调制类型确定控制状态。在粗测频状态，将接收信号划分为单频模式进行处理；在精测频状态，根据接收信号的调制类型来完成信号的载波恢复，将其中BPSK信号划分为二倍频模式，将QPSK、SQPSK、UQPSK信号划分为四倍频模式；
[0029] 步骤5中测频单元根据主控单元的测频状态对FFT运算点数进行配置，并对载波恢复后的信号完成FFT运算，模式识别与控制单元根据主控单元的测频状态对频率补偿后信号完成载波恢复，峰值搜索单元对测频单元输出的FFT运算结果进行峰值判决，找到最大峰值以及峰值所对应的频率槽，完成接收信号的频率搜索，频率解算单元根据峰值所对应的频率槽完成信号载波多普勒及其变化率的搜索解算，得到载波多普勒、多普勒变化率、搜索时间等信息。
[0030] 步骤5所述的测频运算根据主控单元的测频状态对FFT运算点数进行配置。在粗测频状态和一次精测频状态，采用2048运算点数；在二次精测频状态，采用4096运算点数，最后对载波恢复后的信号完成FFT运算。
[0031] 整个步骤所述的整个流程分为粗测频、一次精测频、二次精测频等三个状态。在粗测频状态，根据所需要搜索的载波多普勒、多普勒变化率的范围细分多个频率槽，对第一级存储单元中的采样数据进行频率补偿，经过模式识别与控制、测频、峰值搜索、频率解算等单元得到载波多普勒和多普勒变化率的粗测值；在一次精测频状态，载波多普勒及其变化率补偿单元先以粗测频状态的粗测值生成本地复合载波，对第一级存储单元中的采样数据进行频率预补偿，经过第二级降采样单元处理后存入第二级存储单元，而后根据粗测频状态的粗测值细分多个频率槽，对第二级存储单元中的采样数据进行频率补偿，经过模式识别与控制、测频、峰值搜索、频率解算等单元得到载波多普勒和多普勒变化率的一次精测值；二次精测频状态重复一次精测频状态的操作流程，从而得到载波多普勒、多普勒变化率、搜索时间等信息。
[0032] 设接收信号为BPSK信号，信息速率Rb＝1kbps，系统时钟fclk＝90MHz，接收信号的载波多普勒范围fdopl＝±100kHz，多普勒变化率范围frate＝±15kHz/s，第一级降采样时钟fsample＝256kHz，接收信号的采样时间ts＝0.512s。
[0033] 在粗测频状态中，主控单元以载波多普勒为零，初始多普勒变化率为零，多普勒变化率搜索步长为250Hz/s进行开槽，将载波多普勒和多普勒变化率共细分为60个频率槽，[0034] 参阅图2。为了适应接收信号的信息速率和载波多普勒，降采样时钟fsample＝256kHz，考虑到微弱信号场景，设定接收信号的载噪比为40dB，此时接收信号已完全淹没在背景噪声中，为了检测接收信号被抑制的载波，第一级降采样单元需通过延长积分时间增加积分增益，则设接收信号的采样时间ts＝0.512s。
[0035] 第一级降采样单元采用ID积分滤波器，ID积分滤波器主要包含采用积分频率控制字生成清零脉冲的直接数字频率合成器DDS，ID积分滤波器根据第一级降采样单元降采样时钟fsample生成积分频率控制字，直接数字频率合成器DDS采用积分频率控制字生成清零脉冲，以清零脉冲不断对输入数据进行积分-清零操作，当采样时间ts达到0.512s时结束向第一级存储单元存入采样数据。
[0036] 本地载波生成单元根据每个频率槽的载波多普勒、多普勒变化率生成本地复合载波，载波多普勒及其变化率补偿单元采用本地复合载波对第一级存储单元中的采样数据进行频率补偿，模式识别与控制单元将接收信号划分为单频模式进行处理，经过测频单元、峰值搜索单元、频率解算等单元得到载波多普勒、多普勒变化率的粗测值，可由下式计算可得粗测频状态的搜索时间tp1，
[0037] tp1＝N1×(fsample×ts/fclk)＝87.381ms
[0038] 在一次精测频状态中，载波多普勒及其变化率补偿单元先以粗测频状态的粗测值生成本地复合载波，载波多普勒及其变化率补偿单元采用该本地复合载波对第一级存储单元中的采样数据进行频率预补偿，第二级降采样单元中ID积分滤波器阶数选择4，将经过第二级降采样处理后的采样数据存入第二级存储单元；而后主控单元以载波多普勒粗测值为载波多普勒，初始多普勒变化率为多普勒变化率粗测值，多普勒变化率搜索步长为32.0Hz/s细化载波多普勒和多普勒变化率，将载波多普勒及其变化率共划分为至少100个频率槽，根据每个频率槽的载波多普勒、多普勒变化率生成本地复合载波，载波多普勒及其变化率补偿单元采用本地复合载波对第二级存储单元中的采样数据进行频率补偿，模式识别与控制单元将接收信号划分为二倍频模式完成载波恢复，经过测频、峰值搜索、频率解算等单元得到载波多普勒和多普勒变化率的一次精测值，主控单元可由下式计算可的一次精测状态的搜索时间tp2＝fsample×ts/fclk+N2×(fsample/4×ts/fclk)＝37.865ms[0039] 在二次精测频状态中，先以一次精测状态的一次精测值完成频率预补偿，第二级降采样单元中ID积分滤波器阶数选择16，将经过第二级降采样处理后的采样数据存入第二级存储单元；而后主控单元以载波多普勒一次精测值为载波多普勒，初始多普勒变化率为多普勒变化率一次精测值，多普勒变化率搜索步长为4.0Hz/s细化载波多普勒和多普勒变化率，将载波多普勒及其变化率共划分为100个频率槽，其他重复一次精测频状态的操作流程，主控单元可由下式计算可得二次精测状态的搜索时间tp3，
[0040] tp3＝fsample×ts/fclk+N3×(fsample/16×ts/fclk)＝6.007ms
[0041] 经过粗测频、一次精测频、二次精测频等三个状态，主控单元由下式计算可得载波多普勒精度fdopl_res、多普勒变化率精度frate_res、搜索时间tp，
[0042] fdopl_res＝fsample/16/2/FFT＝1.953Hz
[0043] frate_res＝4.0Hz/s
[0044] tp＝tp1+tp2+tp3＝131.253ms
[0045] 传统测量方法经过粗测频和精测频两个状态，主控单元由下式计算可得载波多普勒精度f′dopl_res、多普勒变化率精度f′rate_res、搜索时间t′p，
[0046] f′dopl_res＝fsample/4/2/FFT＝15.625Hz
[0047] frate_res＝32.0Hz/s
[0048] t′p＝(N1+N2)×(fsample×ts/fclk)＝233.017ms
[0049] 可见，采用本发明提出的两轮精测频方法和精测频前进行频率预补偿的方法，给出了高动态(最大多普勒变化率±15kHz/s)和微弱信号(载噪比40dB)环境中，载波多普勒及其变化率测量方法的可行方案，相对于传统测量方法，在不增加硬件资源开销的情况下，可进一步提高载波多普勒、多普勒变化率的测量精度和缩短其搜索时间。
[0050] 参阅图3。载波多普勒及其变化率补偿单元包含与控制单元相连的本地复合载波产生单元。为了对接收信号完成载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿，载波多普勒及其变化率补偿单元的本地复合载波产生单元需要将所需要搜索的载波多普勒、多普勒变化率的范围细分多个频率槽，主控单元根据本地复合载波产生单元每个细分频率槽的载波多普勒、多普勒变化率可由下式计算产生载波多普勒控制字及多普勒变化率控制字Kf及多普勒变化率控制字Kr，
[0051] Kf＝fdop/fs·232
[0052] Kr＝fr/fs2·232
[0053] 其中，fdopl为当前频率槽需要补偿的载波多普勒，fr为当前频率槽需要补偿的多普勒变化率，fs是需要频率补偿的信号采样频率；
[0054] 本地复合载波产生单元根据获取主控单元产生的载波多普勒控制字Kf，经过一次积分运算后，通过地址映射和查正弦表，产生一路本地载波多普勒载波；将多普勒变化率控制字Kr经过两次积分运算后通过地址映射和查正弦表，产生另一路本地多普勒变化率载波；两路本地多普勒变化率载波通过合路乘法器复乘运算即可生成本地复合载波。载波多普勒及其变化率补偿单元将采样数据和本地复合载波进行复乘运算，完成对第二级降采样单元采样数据的载波多普勒、多普勒变化率的双重补偿。
[0055] 参阅图4。模式识别与控制单元根据接收信号的调制类型可将信号划分为不同模式完成载波恢复。经过载波多普勒及其变化率补偿单元频率补偿的采样数据先按单频模式、二倍频模式、四倍频模式进行完成载波恢复，主控单元根据测频模式选择载波恢复模式，其中在一次精测频和二次精测频状态，将双相移相键控BPSK信号划分为二倍频模式，将双二相相移键控QPSK、参差四相相移键控SQPSK、双二相相移键控，QPSK三种调制信号划分为四倍频模式；将经过载波恢复后的采样数据输入测频单元。
