高动态下遥测信号载波捕获跟踪方法
【专利摘要】本发明公开了一种高动态下遥测信号的载波捕获跟踪方法。该方法采用锁频环（FLL）加锁相环（PLL）结构，通过两级二阶FLL和一级三阶PLL来实现对信号载波的捕获跟踪。通过对环路压控振荡器（VCO）的输入控制信号进行监测，实现自适应地调整环路滤波器的带宽，以满足信号载波频率动态范围的要示。该方法解决了在高动态条件下对空间飞行器遥测信号载波的捕获跟踪，从而可实现对空间飞行器水平俯仰方位及飞行速度测量。具有较强的理论意义和较广泛的应用价值。
【专利说明】高动态下遥测信号载波捕获跟踪方法
【技术领域】
[0001]本发明创建了一种高动态遥测信号载波捕获跟踪方法，适用于对空间飞行器在高动态条件下的遥测信号载波捕获跟踪，以完成对飞行器的方位及飞行速度测量。
【背景技术】
[0002]高动态条件下，遥测信号的载波具有多普勒频率大、多普勒频率变化率大的特点。由于锁频环(FLL)相比锁相环(PLL)具有更大的动态范围，PLL相比FLL具有更高的跟踪精度。对于高动态条件下的载波捕获跟踪问题，通常先用FLL对载波进行粗捕，使频差小到某一门限值后再切换到PLL进行细捕，从而实现对载波的高精度跟踪。为了使FLL及PLL具有较大的动态范围，需要将环路滤波器的带宽设置较大，但是为了达到较高的跟踪精度，需要将环路滤波器的带宽设置较小，可见这两者对环路滤波器带宽的要求是一组矛盾。在高动态条件下，如何解决好这对矛盾，是能否实现遥测信号载波捕获跟踪的关键。
【发明内容】
[0003]本发明的目的正是针对上述【背景技术】中的问题提出的。本发明采用FLL加PLL结构，通过两级二阶FLL和一级三阶PLL来实现对信号载波的捕获跟踪，并通过对环路压控振荡器(VCO)的输入控制信号进行监测，实现自适应地调整环路滤波器的带宽，以满足信号载波频率动态范围的要求。下面将详细进行说明。
[0004](I)载波捕获跟踪方法
本方法通过两级二阶FLL和一级三阶PLL来实现对信号载波的捕获跟踪。FLL和PLL的差别在于VCO的输入控制信号是残留频差还是残留相差。
[0005]在FLL中，VCO的输入控制信号采用的是残留频差。本方法通过基于快速傅里叶变换(FFT)的频率估计来实现鉴频，从而提取残留频差。接收信号经过模数变换(ADC)后，将按信号的载波频率进行正交 下变频，然后将根据信号的带宽进行降采样。设经过ADC后的信号为Xtl (t)，
X0⑴=cos[2 π fct+ Φ^?)+ Φ0](I)
其中f。为信号的载波频率，0d(t)为多普勒频率及其变化率所产生的相位，(K为信号的初始相位。在高动态下，0d(t)可表示为
Φd(t) = 231 fd(t)t=i3ifd(t)t^2 3i [f0+l/2 fit+1/6 f2t2]t⑵
其中&、和f2分别为多普勒频率及其一阶变化率和二阶变化率，式中忽略了高于二阶的多普勒变化率。
[0006]经过正交下变频后，接收信号变为X1U)。不妨设正变下变频时引入的相位偏差为
O,则X1U)可表示为
xjt)=exp{j[2:n (f0+1/2 f^+1/6 Γ2?2)]?+Φ0}⑶
设VCO的输出频率为f’，信号表示式为X2⑴，其形式为
X2 ⑴=exp(j2:nf，t)⑷X1 (t)和x2(t)将按复数进行共轭相乘，得到包含残留频率偏差的信号，设共轭相乘后的信号为X3 (t)，表不为
X3(t) =exp{j[2n (f0+l/2 f^+1/6 f2t2-f，)?+Φ0]}⑶
将X3(t)进行快速傅里叶变换(FFT)，即可估计出信号的频率，即得到信号残留频率偏差。将此偏差经过环路滤波器滤波后，即得VCO的输出频率控制信号。当4和&在一定范围内时，通过不断调整VCO的输出频率f’，可使输出信号的频率控制在一定范围内，即完成对接收信号的频率锁定，从而构成锁频环路。
[0007]在第一级FLL中，由于正交下变频后可能的残留频偏范围较大，所以此时采样率较高，设此时的采样率为fs，FFT的点数为N，则第一级FLL输出信号频差可控制在[_fs/N，fs/N]以内。在第二级FLL时，在保证信号频谱不发生混叠的条件下，可对信号进行降采样，在FFT点数不变条件下，可提高频率估计精度。设降采样的倍数为M，则可将输出信号频差可控制在[_fs/(MN)，fs/(MN)]以内。经过两级FLL后，此时信号的频偏已足够小，可看作残留的相位偏差，将通过三阶PLL进行去除。
[0008]在高动态下，由于&，和f2的存在，将使信号的频谱发生扩展。此时，需要根据fo，f!和f2的大小来选择系统采样频率fs、FFT点数N。选择系统的采样频率fs时，需要将信号的带宽及高动态引起的频率扩展统一考虑，使信号满足带通采样定理。由于FFT的点数将直接影响FFT的时间和频率分辨率，点数越大，频率分辨率越高，时间分辨率越低，反之亦然。因此，在选择FFT 的点数时，应考虑到时间分辨率和频率分辨率之间的关系。在高动态下，由于接收信号的载波频率实时变化，所以应使FFT的频率分辨率大于信号在一次FFT采样时间内的载波频率变化量，否则进行FFT后在，载波信号在频谱上将不是占一个频点，而是多个频点，将影响频率估计的准确度，从而使残留偏差大于预估值。
[0009](2)环路带宽的自适应控制
对于高动态下遥测信号的载波捕获跟踪问题，可将环路工作分为载波捕获阶段和载波跟踪阶段。在捕获阶段时，由于信号的载波频率变化较快，环路将滤波器的带宽设置较大，以达到捕获信号的目的。当完成载波捕获后，环路将转入跟踪阶段，此时，为了提高环路输出信号的精度，环路将滤波器的带宽将设置较小。因此，为了使环路适应高动态的输入信号频率及不同的工作状态，需要根据环路的工作状态对环路滤波器的带宽进行自适应地控制。
[0010]影响环路滤波器的参数主要是滤波器的固有频率ωη和阻尼因子ζ，改变环路滤波器的带宽则可通过改变阻尼因子的大小实现。
[0011]当阻尼因子在一定范围内，环路可收敛，此时环路滤波器可工作在过阻尼和欠阻尼两种状态。当工作在过阻尼状态时，经过环路滤波器的频率偏差值从一个方向收敛到O ;当工作在欠阻尼状态时，经过环路滤波器的频率偏差值通过振荡收敛到O。
[0012]当阻尼因子超出使环路收敛的范围时，系统都不能工作在稳定状态。当阻尼因子太小时，环路滤波器输出的频率偏差值一直处于较大的状态，无法跟上信号频率变化，即此时输出值的均值较大，环路无法锁定；当阻尼因子太大时，环路滤波器输出的频率偏差值振荡太大，大于信号的频率变化量，即此时输出值的方差较大，环路仍无法锁定。
[0013]因此可通过对环路输出值的均值和方差进行监测来自适应地控制阻尼因子的大小。在一定时间内，若环路滤波器的输出均值过大、方差较小时，说明此时环路的阻尼因子过小，需要将阻尼因子调大；若环路滤器的输出均值较大、方差较大且经过一定时间仍不减小时，说明此时环路的阻尼因子过大，需要将阻尼因子调小；若环路滤器的输出均值和方差均较大时，说明环路正在锁定过程中，不需要调整阻尼因子；若环路滤器的输出均值和方差均较小时，说明环路已经锁定，阻尼因子大小适中，不需要进行调整。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的高动态下遥测信号载波捕获跟踪原理框图。从天线接收的信号经过模拟通道变换到中频后，首先要进行ADC变为数字信号，然后根据信号的载波对信号进行正交下变频，将信号变为基带复信号。再按照信号的多普勒频率及其变化率的范围，确定降采样倍数，对所得的基带复信号进行第一次降采样。然后将信号依次输入FLL和PLL。在第一级FLL后，由于信号的频率大动态变经已经去除，且在可控的小范围内。为了提高频率估计精度，将进行第二次降采样。在经过三阶PLL后，将提取出遥测信号的载波输出用于解调空间飞行器的水平和俯仰方位信息。
[0015]图2为本发明的基于FFT鉴频的自适应参数控制FLL原理框图，其通过对环路滤波器输出值的均值和方差进行监测，来自适应地控制阻尼因子的大小，达到自适应调整环路滤波器带宽的目的，达到对高动态下的遥测信号进行载波捕获和跟踪的目的。
[0016]图3为环路工作状态的示意图，横轴表示时间，纵轴表示频率值的大小，其中f^t)为实际的信号频率偏差，f’ (t)为环路滤波器输出的信号频率偏差。在图(a)和(b)，经过一定时间后，fcXt)和f’ (t)均可以收敛到0，f’ (t)的均值和方差在一定时间后均较小，表时此时的阻尼因子可以使环路实现锁定，无需进行调整；在图(C)中，f’ (t)无法跟上fQ(t)的变化，且两者均不能收敛到0，环路输出值的均 值较大，方差较小，表时此时的阻尼因子过小，需要将阻尼因子调大；在图(d)中，f’(t)超过fjt)的变化量，两者也不能收敛到0，环路输出值的均值较大，方差较也较大，经过一定时间也不减小，表时此时的阻尼因子过大，需要将阻尼因子调小。
【具体实施方式】
[0017]在实施时，可根据系统的实际参数来确定系统的采样频率fs、FFT点数N、降采样倍数M以及阻尼因子ζ调整间隔。下面将以一个实例进行说明。
[0018]假设系统接收的中频信号为70 MHz，多普勒频率小于2MHz，一阶变化率小于200KHz/S，二阶变化率小于20KHz/S2，此时可设系统的采样率为40MHz，进行正交下变频后，设第一次降采样倍数为8，将采样率降为5MHz，FFT点数N=2048，此时的频率分辨率为5MHz/2048 = 2.44 KHz，即可将输出的残留载波频率偏差控制在2.44 KHz以内。第二次降采样率倍数可设为128，将采样率降为5MHz/128=39.0625KHz。第二级FLL中的FFT点数可设为1024，可将输出的残留载波频率偏差控制在40KHz/1024 = 39 Hz以内。
[0019]在自适应调整阻尼因子时，可根据多普勒频率的范围，将阻尼因子的取值分为几个固定值。本例中将阻尼因子的取值分为5档，按从小到大的顺序，通过监测输出频率偏差的均值和方差，对阻尼因子进行调整，直到环路锁定。
【权利要求】
1.高动态下遥测信号载波捕获跟踪方法，包括:(1)可自适应参数控制的两级二阶锁频环加一级三阶锁相环的载波捕获跟踪方法；(2)基于环路滤波器输出频率偏差值的均值和方差的环路参数自适应控制方法。
【文档编号】H03L7/099GK103427833SQ201310311651
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】胡登鹏, 王世练, 杨瑞娟 申请人:胡登鹏