[发明专利]基于多符号检测的PCM/FM信号早迟环频率同步方法

说明书

本发明属于宽带信号采样技术领域，具体涉及一种基于多符号检测的PCM/FM信号早迟环频率同步方法，利用多符号检测实现频率误差估计，采用加入环路滤波器的早迟环载波同步结构，实现了大动态PCM/FM信号载波频率的快速捕获与高精度跟踪的PCM/FM信号早迟环频率同步方法。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于多符号检测的PCM/FM信号早迟环频率同步方法。

背景技术

在大动态的无线通信场景中，接收的PCM/FM信号存在较大的多普勒频偏，并存在一阶和二阶多普勒变化率，表现出大动态特性。过大的多普勒频偏会影响遥测信号的解调性能，因此接收端通常需要对多普勒频率进行估计，完成载波频率的捕获与跟踪，再进行后续的信号解调。

现有的PCM/FM遥测信号的载波频率同步通常使用基于功率谱特征的估计方法，如基于功率谱最值法、功率谱中值法，以及功率谱重心法。前两种算法在对信号作FFT后，通过求功率谱最大幅值对应的频率，或估计功率谱在信号带宽内的中心频率，完成对载波频率的估计，但由于功率谱幅度的最大值和中心频率的估计受噪声的影响很大，导致这两种方法的估计精度较差。尤其是当信噪比较低时，该方法难以实现高性能的载波同步；第三种算法，功率谱重心法利用信号功率谱的对称性，实现载波频率的估计。当发射端的调制码元“0”和“1”保持相对均衡的数量时，PCM/FM信号功率谱的重心始终处于载波频率处，此时该算法可以实现较高精度的载波频率同步。此外，由于利用的功率谱信息增多，使得该算法的抗噪声性能相比前两种算法有很大的提升，但遗憾的是，在实际应用中，对于大多数PCM/FM发射机，由于数据帧结构的非随机性，发射机的调制码元“0”和“1”的数量并不均衡，从而使信号功率谱的重心并不始终处于载波频率处，这会导致该同步方法产生估计偏差，因此，基于功率谱特征的几种载波频率估计方法在实际应用中都存在一定的局限性。

除了基于频域特征的估计方法外，PCM/FM信号的载波频率同步还有基于鉴频解调结果的估计方法，如公开号为CN104486288A，公开时间为2015年4月1日，名称为“一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法”的中国发明专利文献，公开了一种适用于PCM/FM遥测接收机的载波频偏抑制方法，利用成型后码元的统计特点，通过鉴频后的信号进行直方图估计，实现正负码元对应的调制频率估计，进而对其取平均得到载波频偏的估计值，将鉴频后的信号减去该载波频偏估计值从而达到抑制载波频偏的效果，且受噪声影响较小，可适用于大频偏及正负码元数目不等情况，计算量小，实现简单，易于实时实现，该方法通过在一段时间内统计判决得到的“0”和“1”的数量，估计调制码元“0”和码元“1”对应的载波频率位置f₀和f₁，并通过寻找f₀和f₁的中点来获取载波频率的估计值，这种方法解决了发射机调制码元“0”和“1”不均衡的问题；但是这种面向判决的估计精度取决于判决结果的准确性，由于PCM/FM信号的鉴频解调在低信噪比下的判决结果可靠性较低，从而会影响低信噪比下的频率估计精度。此外，在工程实践中发现，PCM/FM信号经过实际射频信道及无线信道后，由于幅频响应或滤波器设计等原因，很难保证正负码元对应的鉴频结果的幅度相当，从而导致采用该方法进行载波频率同步会存在一定的残留频偏。

基于早迟门的载波频率同步是最经典的信号同步结构，很多调制体制的信号同步都可以采用早迟门的思路来实现载波频率同步。传统的早迟门同步将超前和滞后支路输出的结果作差，通过判断该差值的极性，选择朝正向或负向调整频率的步进，迭代完成载波频率估计，但这种步进通常决定了频率调整的速度和反馈环路的估计精度——较大的步进可以实现较快的频偏捕获，但是不利于载波的精细跟踪；较小的步进可以实现较高精度的载波频率跟踪，但是会使得前期的捕获过程过于漫长。

而采用“先大后小”的变步长处理是早迟门解决捕获速度和跟踪精度的一种思路，但是这增加了环路控制的复杂性，尤其是当信号中断需要快速重捕时，载波同步的控制将会变得复杂，甚至有可能重补失败。