本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及載波同步通信技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于開環(huán)捕獲與閉環(huán)跟蹤的高動態(tài)載波同步方法。本發(fā)明可用于高動態(tài)環(huán)境下的通信載波同步，獲得載波參數(shù)估計值，實現(xiàn)高動態(tài)環(huán)境下接收端的準(zhǔn)確解調(diào)。

背景技術(shù)：

在載波同步技術(shù)領(lǐng)域中，由于傳輸損耗及噪聲干擾，接收端難以獲得準(zhǔn)確的載波同步信息。在高動態(tài)環(huán)境中，通信雙方由于存在較大的相對運動速度及加速度導(dǎo)致接收端接收到的信號在載頻上會有較大的多普勒頻偏及多普勒變化率，使得載波同步過程更加困難。為了適用高動態(tài)環(huán)境，中低動態(tài)接收機的載波跟蹤環(huán)路帶寬必須被加寬來捕獲和跟蹤上接收信號的多普勒頻偏及其變化率，然而環(huán)路帶寬的加大又勢必導(dǎo)致載波跟蹤精度的降低，導(dǎo)致載波跟蹤失敗。因此，傳統(tǒng)的載波同步技術(shù)無法滿足高動態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用需求，我們必須創(chuàng)新載波同步技術(shù)以適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境。

Won J H,Pany T,Eissfeller B在其發(fā)表的論文“Iterative Maximum Likelihood Estimators for High-Dynamic GNSS Signal Tracking”(IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems,2012,48(4):2875-2893)中提出在每一幀的最前端添加一定長度的導(dǎo)頻序列用于完成載波同步的方法。該方法首先獲得數(shù)據(jù)幀的導(dǎo)頻信息，然后利用導(dǎo)頻通過最大似然算法進(jìn)行多維窮搜索，最后得到多普勒頻偏及其變化率的估計值完成載波同步。該方法存在的不足之處是：在進(jìn)行最大似然搜索時，多維的窮搜索的計算復(fù)雜度高，運算量大，使得這種方法的載波同步慢，難以適合高動態(tài)環(huán)境高速同步要求。

清華大學(xué)申請的專利“一種直升機衛(wèi)星通信載波同步方法及系統(tǒng)”(公開號：CN106027437A，申請?zhí)枺?016102899001，申請日：2016年05月04日)中公開了一種利用鎖相環(huán)和消息傳遞算法完成載波同步的方法。該方法首先利用鎖相環(huán)進(jìn)行初同步，然后基于因子圖消息傳遞算法，反復(fù)迭代完成載波同步。該方法存在的不足之處是：鎖相環(huán)的跟蹤范圍有限，并且不能跟蹤多普勒變化率信息，使得這種方法在高動態(tài)環(huán)境下同步效果不理想。

綜上所述，雖然現(xiàn)有的載波同步方法能在一定動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)載波同步，但是由于其存在多維窮搜索，運算復(fù)雜度高，不利于工程實現(xiàn)，或者同步范圍小，難以適合高動態(tài)環(huán)境。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于聯(lián)合開環(huán)捕獲與閉環(huán)跟蹤的載波同步方法，以實現(xiàn)高動態(tài)范圍，高精度，低復(fù)雜度的實現(xiàn)方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下步驟：

(1)數(shù)據(jù)初始化：

將含有多普勒頻偏及變化率載波中的導(dǎo)頻長度設(shè)置為128比特，數(shù)據(jù)長度1000比特，最大跟蹤次數(shù)10，多普勒頻偏對應(yīng)的收斂誤差10^-2，多普勒變化率對應(yīng)的收斂誤差10^-5，高動態(tài)環(huán)境下的多普勒頻偏范圍在(-10^-4，10^-4)和多普勒變化率范圍在(-0.25，0.25)；

(2)發(fā)送信息：

發(fā)射機發(fā)送含有高動態(tài)環(huán)境下的多普勒頻偏范圍在(-10^-4，10^-4)和多普勒變化率范圍在(-0.25，0.25)的載波；

(3)對接收信息進(jìn)行分離：

將通信接收端接收到的載波中前128比特，作為導(dǎo)頻信息，將載波中前128比特之后的1000比特，作為數(shù)據(jù)信息；

(4)對導(dǎo)頻信息進(jìn)行開環(huán)捕獲：

(4a)將導(dǎo)頻信息與通信發(fā)射機中的本地導(dǎo)頻信息共軛相乘，得到導(dǎo)頻的去調(diào)制信息；

(4b)利用多普勒頻偏的估計值公式，計算導(dǎo)頻中的多普勒頻偏的估計值；

(4c)利用多普勒變化率的估計值公式，計算導(dǎo)頻中的多普勒變化率的估計值；

(5)更新數(shù)據(jù)信息：

用導(dǎo)頻中的多普勒頻偏和多普勒變化率的估計值，以復(fù)共軛的形式乘以接收信息分離后的數(shù)據(jù)信息，得到含有剩余多普勒頻偏和多普勒變化率的更新后的數(shù)據(jù)信息；

(6)對更新后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行跟蹤：

將更新后的數(shù)據(jù)信息，輸入到含有C₁，C₂和C₃三個參數(shù)的三階鎖相環(huán)中，進(jìn)行跟蹤，得到跟蹤后的多普勒頻偏和多普勒變化率估計值；

(7)判斷當(dāng)前跟蹤后的多普勒頻偏和多普勒變化率估計值是否滿足終止條件，若是，則執(zhí)行步驟(8)，否則，執(zhí)行步驟(6)；

(8)將跟蹤的結(jié)果作為載波同步的估計值，完成閉環(huán)跟蹤過程。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有如下的優(yōu)點：

第一，由于本發(fā)明分別利用多普勒頻偏的估計值公式和多普勒變化率的估計值公式，計算導(dǎo)頻中的多普勒頻偏的估計值和多普勒變化率的估計值，克服了現(xiàn)有技術(shù)載波同步方法在多維窮搜索時計算復(fù)雜度高，運算大，同步慢的不足，使得本發(fā)明更適合高動態(tài)環(huán)境進(jìn)行載波同步，具有低復(fù)雜度、運算速度快的優(yōu)點。

第二，由于本發(fā)明經(jīng)過開環(huán)捕獲后，利用含有三個參數(shù)的三階鎖相環(huán)中進(jìn)行跟蹤，得到新的多普勒頻偏和多普勒變化率的估計值，克服了現(xiàn)有技術(shù)載波同步方法在估計范圍有限和無法估計多普勒變化率的不足，使得本發(fā)明提高了多普勒頻偏和多普勒變化率的估計范圍和精度，具有高精度和大范圍的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是本發(fā)明三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明在不同的環(huán)路帶寬條件下誤碼率與理論值的對比圖；

圖4是本發(fā)明在不同多普勒頻偏條件下誤碼率與理論值的對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

參照圖1，本發(fā)明的具體實施步驟如下：

步驟1，數(shù)據(jù)初始化。

將含有多普勒頻偏及變化率載波中的導(dǎo)頻長度設(shè)置為128比特，數(shù)據(jù)長度1000比特，最大跟蹤次數(shù)10，多普勒頻偏對應(yīng)的收斂誤差10^-2，多普勒變化率對應(yīng)的收斂誤差10^-5，高動態(tài)環(huán)境下的多普勒頻偏范圍在(-10^-4，10^-4)和多普勒變化率范圍在(-0.25，0.25)。

步驟2，發(fā)送信息。

發(fā)射機發(fā)送含有高動態(tài)環(huán)境下的多普勒頻偏范圍在(-10^-4，10^-4)和多普勒變化率范圍在(-0.25，0.25)的載波。

步驟3，對接收信息進(jìn)行分離。

將通信接收端接收到的載波中前128比特，作為導(dǎo)頻信息，將載波中前128比特之后的1000比特，作為數(shù)據(jù)信息。

步驟4，對導(dǎo)頻信息進(jìn)行開環(huán)捕獲。

將導(dǎo)頻信息與通信發(fā)射機中的本地導(dǎo)頻信息共軛相乘，得到導(dǎo)頻的去調(diào)制信息；

利用多普勒頻偏的估計值公式，計算導(dǎo)頻中的多普勒頻偏的估計值；

所述多普勒頻偏的估計值公式如下：

按照下式，計算多普勒頻偏的估計值公式中的估計系數(shù)：

其中，α_N表示多普勒頻偏的估計值公式中的估計系數(shù)，N表示含有多普勒頻偏及變化率載波中的導(dǎo)頻長度；

按照下式，計算多普勒頻偏的估計值公式中的多普勒頻偏的估計值：

其中，表示多普勒頻偏的估計值公式中的多普勒頻偏的估計值，T表示接收端接收到的載波的碼元周期，∑表示求和操作，表示導(dǎo)頻去調(diào)制信息中第k個相位值，k的取值范圍為從1到N的正整數(shù)。

利用多普勒變化率的估計值公式，計算導(dǎo)頻中的多普勒變化率的估計值。

所述的多普勒變化率的估計值公式如下：

其中，表示多普勒變化率的估計值公式中的多普勒變化率的估計值，表示導(dǎo)頻去調(diào)制信息中第i個相位值，i的取值范圍為從1到N的正整數(shù)。

步驟5，更新數(shù)據(jù)信息。

用導(dǎo)頻中的多普勒頻偏和多普勒變化率的估計值，以復(fù)共軛的形式乘以接收信息分離的數(shù)據(jù)信息，得到含有剩余多普勒頻偏和多普勒變化率的更新后的數(shù)據(jù)信息。

步驟6，對更新后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行跟蹤。

將更新后的數(shù)據(jù)信息，輸入到含有C₁，C₂和C₃三個參數(shù)的三階鎖相環(huán)中，進(jìn)行跟蹤，得到跟蹤后的多普勒頻偏和多普勒變化率估計值。

參照圖2，本發(fā)明的三階鎖相環(huán)具有C₁，C₂和C₃三個參數(shù)，圖2中的NCO表示三階鎖相環(huán)的數(shù)控振蕩器，Z^-1表示延時器。由圖2可見，信息進(jìn)入三階鎖相環(huán)后，利用延時器，根據(jù)信息存在多普勒頻偏及頻偏變化率，產(chǎn)生相位誤差信息，最后NCO利用相位誤差信息獲得的多普勒頻偏和多普勒變化率估計值。

本發(fā)明的三階鎖相環(huán)的C₁，C₂和C₃三個參數(shù)是通過下述公式計算得到的：

其中，C₁表示三階鎖相環(huán)的第一個參數(shù)，b表示阻尼系數(shù)為0.707的經(jīng)驗值，ω_n表示三階鎖相環(huán)環(huán)路的固有頻率，K_o表示三階鎖相環(huán)的數(shù)控振蕩器增益，K_d表示三階鎖相環(huán)的鑒相器增益，a表示阻尼系數(shù)為0.707的先驗值，C₂表示三階鎖相環(huán)的第二個參數(shù)，C₃表示三階鎖相環(huán)的第三個參數(shù)。

步驟7，判斷當(dāng)前跟蹤后的多普勒頻偏和多普勒變化率估計值是否滿足終止條件，若是，則執(zhí)行步驟(8)，否則，執(zhí)行步驟(6)。

所述的終止條件是指，達(dá)到最大跟蹤次數(shù)10的條件或者同時滿足以下兩個誤差公式的兩種情形中的一種：

其中，Δf表示多普勒頻偏值的誤差，f表示待估計的多普勒頻偏，表示當(dāng)前跟蹤的多普勒頻偏估計值，ξ表示多普勒頻偏對應(yīng)的收斂誤差，|·|表示絕對值操作，Δa表示多普勒變化率值的誤差，a表示待估計的多普勒變化率，表示當(dāng)前跟蹤的多普勒變化率估計值，λ表示多普勒變化率對應(yīng)的收斂誤差。

步驟8，將跟蹤的結(jié)果作為載波同步的估計值，完成閉環(huán)跟蹤過程。

下面結(jié)合仿真圖對本發(fā)明的效果做進(jìn)一步的說明。

1.仿真條件：

本發(fā)明仿真實驗的硬件測試平臺是：Intel Core i7 3770K CPU，主頻3.50GHz，內(nèi)存16GB；軟件仿真平臺為：windows 7 64位操作系統(tǒng)和Matlab 2014a；信道模型采用高斯白噪聲信道，高動態(tài)環(huán)境下含有多普勒頻偏及變化率載波中的導(dǎo)頻長度設(shè)置為128比特，數(shù)據(jù)長度為1000比特，最大跟蹤次數(shù)為10，多普勒頻偏對應(yīng)的收斂誤差10^-2，多普勒變化率對應(yīng)的收斂誤差10^-5，信噪比范圍為(6,12)。

2.仿真內(nèi)容與結(jié)果分析：

仿真實驗1，三階鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬依次為0.06、0.04和0.02，在不同的信噪比條件下，采用本發(fā)明基于聯(lián)合開環(huán)捕獲與閉環(huán)跟蹤高動態(tài)載波同步算法最終獲得的誤碼率與理論值的對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3中的橫坐標(biāo)表示符號信噪比，縱坐標(biāo)表示誤碼率。圖3中以方塊標(biāo)識的曲線表示三階鎖相環(huán)0.06環(huán)路帶寬的誤碼率曲線，以叉號標(biāo)識的曲線表示三階鎖相環(huán)0.04環(huán)路帶寬的誤碼率曲線，以星號標(biāo)識的曲線表示三階鎖相環(huán)0.02環(huán)路帶寬的誤碼率曲線，以圓圈標(biāo)識的曲線表示理論誤碼率曲線。從圖3可看出，環(huán)路帶寬影響通信系統(tǒng)的誤碼率性能，環(huán)路帶寬越低，誤碼率越低，因此當(dāng)需要降低通信系統(tǒng)誤碼率時，可以適當(dāng)降低環(huán)路帶寬。

仿真實驗2，多普勒頻偏依次為0.2、0.15和0.05Hz/s，在不同的信噪比條件下，采用本發(fā)明基于聯(lián)合開環(huán)捕獲與閉環(huán)跟蹤高動態(tài)載波同步算法最終獲得的誤碼率與理論值的對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4中的橫坐標(biāo)表示符號信噪比，縱坐標(biāo)表示誤碼率。圖4以方塊標(biāo)識的曲線表示多普勒頻偏為0.2Hz/s誤碼率曲線，以叉號標(biāo)識的曲線表示多普勒頻偏為0.15Hz/s誤碼率曲線，以三角形標(biāo)識的曲線表示多普勒頻偏為0.05Hz/s誤碼率曲線，以圓圈標(biāo)識的曲線表示理論誤碼率曲線。從圖4中看出，多普勒頻偏的大小影響通信系統(tǒng)的誤碼率性能，待估計的多普勒頻偏越小，則通信系統(tǒng)誤碼率越低，越接近理論值；當(dāng)信噪比大于9dB時，本發(fā)明的載波同步算法獲得幾乎接近理論值的誤比特性能，比傳統(tǒng)高動態(tài)載波同步誤碼率性能更好。