一种基于预处理fft和栅栏效应校正的捕获方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于预处理fft和栅栏效应校正的捕获方法，属于计算机技术领域。
背景技术：2.探测深空是人类拓展生存空间的先导行动。世界上深空探测的热潮已历时多年，而且近年来越来越活跃。美、欧、日的火星探测、金星探测、彗星和小行星探测不断从宇宙中获得新发现。深空探测将为开发和利用空间资源、发展空间技术、进行科学研究、探索太阳系和宇宙的起源、扩展人类的生存空间，为人类社会的长期可持续发展服务。在深空活动中，地面测控通信系统是其重要组成部分，它与空间应答机一起完成对深空探测器的跟踪、遥测、指令控制和数传。但是，在深空探测器的整个飞行过程中，需要对其测控以保证其飞行轨道的准确，而在进入探测过程以后，需要传回探测信息，所以深空测控通信系统是深空探测的唯一信息线，至关重要，比之其它测控系统其重要性更加突出。例如：一种基于快速傅里叶变换的相位判读方法201710355621.5，该专利采用快速傅里叶变换算法判读输出信号和输入信号在目标频率点的相位差，通过对采样频率、输入信号采集数据和输出信号采集数据进行合适的选取及设定，提高目标频率点的相位判读的精度。但是，该专利不能实现工作捕获概率满足深空探测需要，无法消除栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁。
3.目前的多支路时域变化率匹配fft模值选最大算法在信噪比为
‑
38db下实现了信号参数精确估计，但该算法要求匹配精度高。目前的时域匹配平均周期图算法，减弱了多普勒变化率匹配精度要求，在相同动态条件下，单次运算复杂度降低，更适用于载波粗捕获，但对所有匹配支路做全fft运算，计算复杂度随着动态范围扩大而成比例增加，给深空探测信号的载波实时捕获带来困难。在实际工程应用中一般采用预处理fft的算法，此外深空低信噪比高动态载波的捕获还需要解决以下问题：
4.1)工程应用中主要采用fft变换对载波信号进行快速的频谱分析，找出频谱峰值完成载波捕获。但对于高动态深空探测载波，存在较大的多普勒频率变化率，在一次fft时长内导致较大的频率走动，载波能量分散到不同频率，fft谱峰的样式将从单一峰值点变为多峰值点，峰值点个数跨越(f0,f0 at
fft
)这个区间，这使得fft捕获算法不再满足最大似然的特性,其中f0为载波频率，a为载波频率变化率，t
fft
为一次fft的时间。
5.2)fft变换结果是离散谱线，其频率分辨率限制了频率捕获的精度，称之为“栅栏效应”。深空通信具有极低信噪比的特点，载波粗捕获之后的高阶锁相环路的环路带宽非常窄，对fft谱峰的栅栏效应十分敏感。为保证应答机顺利由频率捕获转入相位跟踪，算法设计时要消除栅栏效应。
6.3)信号捕获时将待搜索的多普勒频率范围和多普勒变化率范围划分成方格。搜索方格的大小设定需要考虑未知多普勒频率和多普勒变化率范围、信号载噪比、捕获时间和检测性能的要求。而本发明能够很好地解决上面的问题。
技术实现要素：7.本发明目的在于针对低信噪比高动态深空载波捕获问题，提出一种基于预处理fft和栅栏补偿的频率捕获方法，该方法的工作捕获概率满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁，很好地实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。
8.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于预处理fft和栅栏补偿的频率捕获方法，该方法的深空应答机射频模块对接收载波进行下变频处理后得到零中频基带信号，先将接收信号在时域上做多支路变化率匹配，然后对各支路数据求fft谱并检测功率谱峰值，根据全局最大值所在的多普勒频率支路和频率变化率支路得到f0和a的估计值。
9.预处理fft模块令各匹配支路本振的多普勒变化率均匀分布，分别为a1,a2,a3,...,a
m
‑1,a
m
，每路匹配后的差频信号表示为：
[0010][0011]
其中，r
i
(t)为每路匹配后的差频信号，a
i
为各匹配支路本振的多普勒变化率，i＝1，2，3，...，m为各支路序号，
△
a＝a
i
‑
a
i
‑1为多普勒变化率残差，对r
i
(t)进行离散化和快速傅里叶变换，得到m帧傅里叶离散谱。每一帧为n点fft的模的平方记作d
i
,i＝1,2,3,...,m。针对d
i
进行两次最大值查找，首先查找记录单帧离散谱d
i
中的最大谱线值d
i
,i＝1,2,3,...,m及其对应的索引值k
i
,k
i
＝1,2,3,...,n d
i
,i＝1,2,3,...,m为每一帧为n点fft的模的平方。其次比较m个d
i
中的最大谱线值，并记录最大值对应的k
i
和i。和分别对应捕获到的多普勒频率方格和多普勒变化率方格，k
i
,k
i
＝1,2,3,...,n为最大谱线值d
i
,i＝1,2,3,...,m对应的索引值。
[0012]
有益效果：
[0013]
1、本发明工作捕获概率能够满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁。
[0014]
2、本发明很好地实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。
[0015]
3、本发明在深空探测中，信号常具有低信噪比和高动态的特点。
[0016]
4、本发明的预处理fft模块负责搜索多普勒频率域和多普勒变化率域，fft栅栏消除模块负责进一步缩小捕获频率误差，以便窄带锁相环路跟踪。
附图说明
[0017]
图1为本发明的方法流程图。
[0018]
图2为本发明预处理fft模块示意图。
[0019]
图3为本发明多普勒率多支路/fft二维搜索谱峰示意图。
[0020]
图4为本发明dft谱的栅栏效应频率估计误差示意图。
[0021]
图5为fft谱的栅栏效应消除示意图。
具体实施方式
[0022]
下面结合说明书附图对本发明创造作进一步地详细说明。
[0023]
在深空测控通信系统中，接收端接收到的射频信号经过通道下变频后，变为可为基带处理的中频信号，其频率成分中包括中频、载波频偏、载波频率变化率及其更高阶变化率。在信号的捕获阶段，如不考虑载波频率二阶及以上的变化率，可以将输入信号看做是线性调频(lfm)信号。现利用载波频率线性变化模型来分析信号，其复数模型信号为
[0024][0025]
其中：a为信号幅度，取a＝
±
1；f0 at为实际信号频率(包含载波频偏)；a为载波频率变化率；为初始相位，n(t)为加性高斯噪声。深空探测中，信号常具有低信噪比和高动态的特点。信号的捕获问题一般来说是信号参数估计问题，深空通信载波捕获的任务就是确定接收信号的载波频率和频率变化率。目前针对极低信噪比高动态信号的载波粗捕获算法主要分为3类：
[0026]
1)基于极大似然(ml)或改进的ml准则估计算法。此类算法从参数估计问题出发，一般采用最大似然估计的方法，即计算似然函数：
[0027][0028]
其中，(f',a')为接收信号的载波频率和频率变化率参数。
[0029]
在可行域内找到使l(f',a')最大的参数(f',a')。根据n(t)所具有的加性高斯噪声特性，此问题转化为求使：
[0030][0031]
最大的(f',a')。极大似然估计是一个多维搜索的非线性优化问题，计算复杂度高，对初始值的选取要求也高，几乎无法在实际中应用。
[0032]
2)基于时频分析法的lfm信号检测。采用radon
‑
希尔伯特黄变换、gabor
‑
radon变换等工具进行时频分析。这类算法在实际应用中缺乏快速算法，在取得较高灵敏度时付出运算复杂度的代价。
[0033]
3)含预处理的快速傅里叶变换(fft)算法。通过时域串行或者多支路并行预处理消除多普勒的线性变化之后，再利用fft算法进行高效的多普勒频率检测。
[0034]
如图1所示，本发明提出了一种基于预处理fft和栅栏补偿的深空探测载波捕获算法，该方法的预处理fft模块负责搜索多普勒频率域和多普勒变化率域，fft栅栏消除模块负责进一步缩小捕获频率误差，以便窄带锁相环路跟踪。
[0035]
本发明捕获算法的预处理fft模块如图2所示，深空应答机射频模块对接收载波进行下变频处理后得到零中频基带信号。先将接收信号在时域上做多支路变化率匹配，然后对各支路数据求fft谱并检测功率谱峰值，根据全局最大值所在的多普勒频率支路和频率变化率支路得到f0和a的估计值。
[0036]
预处理fft模块令各匹配支路本振的多普勒变化率均匀分布，分别为a1,a2,a3,...,a
m
‑1,a
m
，每路匹配后的差频信号表示为：
[0037]
[0038]
其中，r
i
(t)为每路匹配后的差频信号，a
i
为各匹配支路本振的多普勒变化率，i＝1，2，3，...，m为各支路序号，
△
a＝a
i
‑
a
i
‑1为多普勒变化率残差，对r
i
(t)进行离散化和快速傅里叶变换，得到m帧傅里叶离散谱。每一帧为n点fft的模的平方记作d
i
,i＝1,2,3,...,m。针对d
i
进行两次最大值查找，首先查找记录单帧离散谱d
i
中的最大谱线值d
i
,i＝1,2,3,...,m及其对应的索引值k
i
,k
i
＝1,2,3,...,n d
i
,i＝1,2,3,...,m为每一帧为n点fft的模的平方。其次比较m个d
i
中的最大谱线值，并记录最大值对应的k
i
和i。和分别对应捕获到的多普勒频率方格和多普勒变化率方格，k
i
,k
i
＝1,2,3,...,n为最大谱线值d
i
,i＝1,2,3,...,m对应的索引值。
[0039]
本发明针对多普勒频率范围和多普勒变化率范围分别为[
‑
100khz,100khz]和[
‑
100hz/s,100hz/s]的条件设计算法参数，考虑到载噪比最低为15dbhz，将fft变换点数n对应的信号采样时间长度设置为0.25s，可获得约9db的检测信噪比，频率分辨率为4hz。接收信号采用i、q采样，采样速率f
s
＝240ksps，则多普勒频率的捕获范围为[
‑
120khz,120khz]。在fft之前，对序列补零至2的整数倍，可以获得更高的多普勒频率分辨率。本发明将60000个样点补零凑整得到n＝65536个样点，则fft频谱分辨率约为3.66hz。为了使单次fft时长内多普勒频率走动小于3.66hz，设置多普勒变化率支路个数为26路，支路间距为8hz/s。
[0040]
将捕获相对门限设置为2倍噪声方差，单次仿真得到的多普勒率
‑
多普勒二维搜索谱峰如图3所示。设置预处理fft部分的参数设置如表1所示，对每种情况进行5000次的蒙特卡洛仿真，采用绝对门限和相对门限双重判断以降低虚警概率，统计得到不同载噪比条件下的捕获概率。统计结果表明，多普勒变化率误差小于4hz/s，多普勒估计误差小于2hz，捕获概率满足需要。
[0041]
表1：二维捕获蒙特卡洛仿真条件预设
[0042][0043]
算法在fpga中实现时，令单个fft运算模块在高倍时钟驱动下工作，能够快速计算出所有m个支路的谱峰，确保捕获时间满足深空探测需求。
[0044]
根据序列的离散傅里叶变换基本原理，fft所得到的离散谱是对sinc函数的采样，该sinc函数的峰值位于实际的多普勒频率值处。由于fft的频谱离散特性，只能看到离散个点的谱线幅度，就像通过栅栏观察频谱，称之为“栅栏效应”。因此捕获时离散谱最大值与实际多普勒频率之间往往存在误差，消除栅栏效应能确保锁相环路迅速捕获，并且降低环路
失锁概率。如图4所示fft分辨率为3.66hz时，最大频率估计误差可达频率分辨率的一半即1.83hz。
[0045]
本发明算法设计时可以采用对序列补零并增加fft点数的方法来改善栅栏效应，但会成倍增加运算复杂度，利用离散谱线的幅度信息对栅栏效应进行校正，可有效降低栅栏效应导致的频率捕获误差。当fft频率捕获完成后，找到离散谱中的最高谱线值a(k)及其两侧的次高谱线，记作a(k
‑
1),a(k),a(k 1)。
[0046]
如图5所示，假设a(k)频谱位置与真实多普勒频率之间的偏移为δ，从sinc的函数定义可知，离散频谱幅度与位置偏移δ关系为：
[0047][0048]
其中δ为位置偏移，a
sp
为真实频谱峰值，a(k)为离散谱中的最高谱线值，a
sp
为真实频谱峰值，由于栅栏效应，图5中用虚线表示。
[0049]
若a(k
‑
1)<a(k 1)，则a(k 1)更接近真实频谱峰值，有：
[0050][0051]
用离散谱峰表示位置偏移，可得其中δ1为a(k 1)对应的位置偏移。
[0052]
若a(k 1)<a(k
‑
1)，相应可得其中δ
‑1为a(k
‑
1)对应的位置偏移。
[0053]
记真实谱线位置为k'，对最大谱线位置k进行如下校正计算获得精确的多普勒频率估计结果：
[0054][0055]
其中k'为真实谱线位置，k为最大谱线位置。
[0056]
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
[0057]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.一种基于预处理fft和栅栏补偿的频率捕获方法，其特征在于，所述方法的深空应答机射频模块对接收载波进行下变频处理后得到零中频基带信号，先将接收信号在时域上做多支路变化率匹配，然后对各支路数据求fft谱并检测功率谱峰值，根据全局最大值所在的多普勒频率支路和频率变化率支路得到f0和a的估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于预处理fft和栅栏补偿的频率捕获方法，其特征在于，所述方法包括预处理fft模块，所述预处理fft模块令各匹配支路本振的多普勒变化率均匀分布，分别为a1,a2,a3,...,a
m
‑1,a
m
，每路匹配后的差频信号表示为：其中，r
i
(t)为每路匹配后的差频信号，a
i
为各匹配支路本振的多普勒变化率，i＝1，2，3，...，m为各支路序号，
△
a＝a
i
‑
a
i
‑1为多普勒变化率残差，对r
i
(t)进行离散化和快速傅里叶变换，得到m帧傅里叶离散谱，每一帧为n点fft的模的平方记作d
i
,i＝1,2,3,...,m，针对d
i
进行两次最大值查找，首先查找记录单帧离散谱d
i
中的最大谱线值d
i
,i＝1,2,3,...,m及其对应的索引值k
i
,k
i
＝1,2,3,...,n d
i
,i＝1,2,3,...,m为每一帧为n点fft的模的平方，其次比较m个d
i
中的最大谱线值，并记录最大值对应的k
i
和和分别对应捕获到的多普勒频率方格和多普勒变化率方格，k
i
,k
i
＝1,2,3,...,n为最大谱线值d
i
,i＝1,2,3,...,m对应的索引值。3.根据权利要求1所述的一种基于预处理fft和栅栏补偿的频率捕获方法，其特征在于，所述方法包括深空测控通信系统，在深空测控通信系统中，接收端接收到的射频信号经过通道下变频后，变为可为基带处理的中频信号，其频率成分中包括中频、载波频偏、载波频率变化率及其更高阶变化率，在信号的捕获阶段，若不考虑载波频率二阶及以上的变化率，将输入信号看做是线性调频(lfm)信号，现利用载波频率线性变化模型来分析信号，其复数模型信号为：其中：a为信号幅度，取a＝
±
1；f0 at为实际信号频率，包含载波频偏，a为载波频率变化率；为初始相位，n(t)为加性高斯噪声。
技术总结本发明公开了一种基于预处理FFT和栅栏补偿的频率捕获方法，该方法的工作捕获概率满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁，实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。深空应答机射频模块对接收载波进行下变频处理后得到零中频基带信号，先将接收信号在时域上做多支路变化率匹配，然后对各支路数据求FFT谱并检测功率谱峰值，根据全局最大值所在的多普勒频率支路和频率变化率支路得到f0和a的估计值，工作捕获概率能够满足深空探测需要，消除了栅栏效应导致的多普勒频率估计误差能快速辅助跟踪环路入锁。实现了模块化设计，对不同信号动态范围和捕获性能要求具有很好的适应性。要求具有很好的适应性。要求具有很好的适应性。
技术研发人员：井俊 陈金权 李大鹏
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2021.03.19
技术公布日：2021/6/29
