CN107070832B - 一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，包括：将中频信号经数字下变频所形成的I、Q两路数据构造解析函数I(k)+jQ(k)，将可变数控振荡器产生的正交本地跟踪载波构造复数形式将I(k)+jQ(k)与进行复数混频；利用复数混频结果的实部和虚部计算得到鉴别结果；环路滤波器根据鉴别结果调整控制参数，并将控制结果发送给可变数控振荡器；可变数控振荡器根据控制结果调整频率控制字和相位控制字，返回第一步，实现闭环控制。本发明更好地兼顾了动态性和跟踪精度的要求，具有较好的动态适应能力、收敛性能和跟踪精度，同时具有计算复杂度低易于工程实现的优点，具有很好的应用价值。

Description

一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法。

背景技术

由于无人机测控系统的特殊性，其组成包括中继卫星、地面控制站、无人机平台三部分，系统通信距离远、无人机平台运动速度快，因此无人机平台接收到的信号具有极低信噪比、高多普勒动态等特点。根据无人机特殊的使用场景与任务需求背景，无人机遥控遥测过程对系统处理的实时性要求很高。无人机测控系统中，载波跟踪环是接收机中最脆弱的一环，高动态信号造成的接收机失锁往往首先是由载波跟踪环失锁引起的，将导致整个测控系统通信链路中断。

无人机测控系统中使用较多的是QPSK调制方式，QPSK是抑制载波的调制方式，在接收机端需要采用相干解调的方式实现载波跟踪，恢复出相干载波，这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频，在相位上保持某种同步关系。也就是说，它有两个过程：一是载波频率的捕获，二是载波相位的跟踪。

实现载波恢复一般有两种方法：一种是开环恢复法，它是直接对收发载波的频偏和相位误差进行估计，在解调时给予有效的补充；另一种是闭环恢复法，常采用数字锁相环来实现载波的捕获和跟踪。对于开环方式，同步时间短，结构简单，计算效率高，但同步的精度不高；而闭环方式能够达到较高的同步精度，系统性能较好，但它建立的时间较长。

锁相环(PLL)直接跟踪载波相位，具有良好的相位跟踪精度和抗噪声能力，但是在高动态的情况下，由于多普勒频移的影响较大，PLL的跟踪精度将会降低，只能通过增加环路带宽来应对。而环路带宽的增大必然会引起噪声的增加，因此还会影响跟踪精度。锁频环(FLL)只是跟踪载波频率，鉴频器的输出是载波频率跟踪误差，具有较好的动态性。

基于PLL和FLL的优点，目前使用FLL和PLL相结合的方式实现载波和相位跟踪是普遍使用的一种方式，如图1所示的目前比较常用的FLL辅助PLL载波跟踪环的设计框图，其主要包括：可变NCO(数控振荡器)、混频器、低通滤波器、鉴频器、鉴相器、环路滤波器等模块。这种相结合的方式虽然有其优点，但也存在很多缺点：这种载波跟踪环需要采用大量的数字化单元实现，如滤波器(FIR)、数字乘法器、数字加减法器等，并且鉴频算法和鉴相算法比较复杂，涉及到很到三角函数的乘法和除法运算，不利于工程实现。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，解决现有跟踪环需采用大量模块，且算法复杂，不利于工程实现的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，其特征在于，该方法包括步骤：

1)将中频信号经数字下变频所形成的I、Q两路数据构造解析函数I(k)+jQ(k)，将可变数控振荡器产生的正交本地跟踪载波构造复数形式

2)将I(k)+jQ(k)与进行复数混频；

3)利用复数混频结果的实部和虚部计算得到鉴别结果；

4)环路滤波器根据鉴别结果调整控制参数，并将控制结果发送给可变数控振荡器；

5)可变数控振荡器根据控制结果调整频率控制字和相位控制字，返回步骤1)，实现闭环控制。

作为进一步的技术方案，得到鉴别结果的步骤为：将复数混频结果的实部记为U1、虚部记为U2，将U1与U2相加得到U3，将U1与U2相减得到U4；将U1的符号与U3的符号进行异或的结果与U2的符号与U4的符号进行异或的结果再次进行异或得到鉴别结果。

作为进一步的技术方案，所述环路滤波器包括锁频环环路滤波器和锁相环环路滤波器，在得到鉴别结果后，首先判断锁频环环路滤波器在调整控制参数后输出的频率是否小于门限值：若是，则锁相环环路滤波器根据控制结果调整控制参数并输出控制结果，可变数控振荡器根据控制结果调整相位控制字；若否，则可变数控振荡器根据锁频环环路滤波器输出的控制结果调整频率控制字。

作为进一步的技术方案，所述锁频环环路滤波器为一阶环路滤波器或二阶环路滤波器或三阶环路滤波器。

作为进一步的技术方案，所述锁相环环路滤波器为一阶环路滤波器或二阶环路滤波器或三阶环路滤波器。

与现有技术相比，本发明主要有益效果和优点如下：

1、优化结构设计，节省硬件资源

本发明通过构造解析函数对数字下变频部分进行优化，避免了低通滤波器的使用；针对鉴频算法和鉴相算法多样性和实现的复杂性，将鉴频算法和鉴相算法进行优化，将其合二为一，节省了大量的硬件资源；环路通过频率跟踪门限的控制，使得锁频环和锁相环不同时工作。这些对环路结构的优化设计，都大大的节省了硬件资源。

2、计算复杂度低，易于工程实现

本发明将鉴别器的鉴别算法使用符号异或的方式进行鉴频和鉴相，避免了传统的鉴频和鉴相算法的各种三角函数的运算，易于工程实现。

3、跟踪范围广、收敛速度快，环路稳定性高

本发明使用锁频环和锁相环的跟踪模式实现载波跟踪，使得系统具有二者的优点，既保证了跟踪频率的动态范围又保障了跟踪相位的稳定性；本发明对载波跟踪环路的优化设计使得系统在工程实现中节约了大量的硬件资源并提高了运算速度，使得环路的收敛速度很快。

4、应用范围广，工程使用价值高

本发明的设计和实现方法主要是针对QPSK调制方式，因此在几乎所有使用此调制方式的系统中本发明均可使用，限制条件少，性能优良，易于实现，具有很强的实际工程应用价值，今后可进一步推广使用。

附图说明

图1为FLL辅助PLL载波跟踪环框图；

图2为本发明的FLL加PLL载波跟踪环框图；

图3为本发明的FLL加PLL载波跟踪环FPGA实现图；

图4为本发明的载波跟踪环工作流程图；

图5为本发明的载波跟踪环跟踪过程仿真图；

图6为本发明的载波跟踪环解调过程仿真图；

图7为本发明的载波跟踪环解调星座图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

对于无人机测控系统使用最为普遍的QPSK调制方式，其载波跟踪方法有很多，性能也有很大差异。本发明主要是从实际工程应用的角度对FLL加PLL载波跟踪环进行优化设计，如图2、图3所示，本发明首先对环路中数字下变频部分进行优化设计，通过构造解析函数(即复数函数)避免了低通滤波器的使用，减少运算量、节约硬件资源，将数字下变频之后的I、Q两路数据构造解析信号s(t)，然后将NCO输出的本地正交载波也构造解析信号，与输入信号s(t)实现复数相乘，之后分别取实部数据和虚部数据进行后续的环路运算。然后对环路中鉴频算法和鉴相算法进行了优化，考虑到鉴频算法和鉴相算法多样性和实现的复杂性，不再单独使用鉴频算法和鉴相算法，而是将其合二为一，并且使用易于工程实现符号异或的方式进行鉴频和鉴相，减少了三角函数的运算，不但节约了硬件资源，也提高了运算速度，进而提高了环路的载波跟踪速度。

本发明的载波跟踪环的工作流程步骤如图4所示，为：

1、将无人机测控系统接收到的中频信号数字下变频到准基带，将I、Q两路数据构造解析函数I(k)+jQ(k)(即复数函数)。

2、将可变NCO(数控振荡器)产生的正交本地跟踪载波也构造为相应的复数形式，

3、将接收到的测控信号与本地跟踪载波进行复数混频(即复数相乘)。

4、将复数混频后的结果分理出实部和虚部，经过相加、相减等操作分别得到U1、U2、U3、U4，分别取U1、U2、U3、U4的符号进行异或操作，作为鉴别器的输出结果。输出结果为1或0。

得到鉴别结果的步骤为：将复数混频结果的实部记为U1、虚部记为U2，将U1与U2相加得到U3，将U1与U2相减得到U4；将U1的符号与U3的符号进行异或的结果与U2的符号与U4的符号进行异或的结果再次进行异或得到鉴别结果。

5、环路滤波器根据鉴别结果调整控制参数：当鉴别结果为1时，相应控制参数进行取反操作(即控制参数为负)，当鉴别结果为0时，则相应控制参数进行不需要取反操作(即控制参数为正)。

6、将环路滤波器输出的控制结果发送给可变数控振荡，可变数控振荡器根据控制结果调整频率控制字和相位控制字，从而改变本地正交载波的频率和相位，返回步骤2，实现闭环控制。

环路滤波器包括锁频环环路滤波器和锁相环环路滤波器，环路滤波器1为锁频环环路滤波器，环路滤波器2为锁相环环路滤波器。在得到鉴别结果后，首先判断锁频环环路滤波器在调整控制参数后输出的频率是否小于门限值：若是，则锁相环环路滤波器根据控制结果调整控制参数并输出控制结果，可变数控振荡器根据控制结果调整相位控制字；若否，则可变数控振荡器根据锁频环环路滤波器输出的控制结果调整频率控制字。门限值是根据实际情况进行人工设定。

其中，锁频环环路滤波器可采用一阶环路滤波器或二阶环路滤波器或三阶环路滤波器；锁相环环路滤波器也可采用一阶环路滤波器或二阶环路滤波器或三阶环路滤波器。本实施例中都采用二阶滤波器，这样每个滤波器只用调节两个参数，同时兼顾了系统实现的复杂度和算法性能。

根据上述的方法流程，采用可编程逻辑器(FPGA)为数字化处理的实现平台，如图3所示，对优化后的载波跟踪环路进行工程实现。

采用ModelSim仿真软件对优化后的载波跟踪环进行仿真，结果如图5所示。从图5中可以看出，前0.15ms之前，锁频环起主要作用，在很短的时间内将输入信号的频偏降低到锁相环的工作频率范围内。0.15ms之后启动锁相环，再经过0.1ms后锁相环路收敛，处于稳定状态，从而完成解调载波频率和相位的同步。从仿真结果看，优化后的数字科斯塔斯环表现出了良好的载波频率和相位跟踪性能。

利用优化设计后的载波跟踪环对接收的无人机测控信号进行解调，解调后的结果如图6所示。

从图6中可以看出，解调器输出基带波形没有出现混叠失真和畸变，与调制的I、Q两路基带数据完全匹配，解调完全正确。相应的解调星座图如图7所示。从工程实现的结果可以看出，所设计的载波跟踪环完全符合工程的要求。

通过传统方案和优化方案的工程实现，本发明对比了二者使用FPGA硬件资源情况，如表1所示。通过表1可以看到优化后的方案数字解调处理整体可减少10％以上的资源，对Block RAM可减少使用9％，对乘法器的使用可减少20％硬件资源。该方案较大的减少了运算量，提高了FPGA硬件资源的利用率。

表1 FPGA硬件资源对比表

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，其特征在于，该方法包括步骤：

1)将中频信号经数字下变频所形成的I、Q两路数据构造解析函数I(k)+jQ(k)，将可变数控振荡器产生的正交本地跟踪载波构造复数形式

2)将I(k)+jQ(k)与进行复数混频；

3)利用复数混频结果的实部和虚部计算得到鉴别结果；得到鉴别结果的步骤为：将复数混频结果的实部记为U1、虚部记为U2，将U1与U2相加得到U3，将U1与U2相减得到U4；将U1的符号与U3的符号进行异或的结果与U2的符号与U4的符号进行异或的结果再次进行异或得到鉴别结果；

4)环路滤波器根据鉴别结果调整控制参数，并将控制结果发送给可变数控振荡器；

5)可变数控振荡器根据控制结果调整频率控制字和相位控制字，返回步骤1)，实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，其特征在于，所述环路滤波器包括锁频环环路滤波器和锁相环环路滤波器，在得到鉴别结果后，首先判断锁频环环路滤波器在调整控制参数后输出的频率是否小于门限值：若是，则锁频环环路滤波器的控制参数设置为0，锁相环环路滤波器根据控制结果调整控制参数并输出控制结果，可变数控振荡器根据控制结果调整相位控制字；若否，则锁相环环路滤波器的控制参数设置为0，可变数控振荡器根据锁频环环路滤波器输出的控制结果调整频率控制字。

3.根据权利要求2所述的一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，其特征在于，锁频环环路滤波器为一阶环路滤波器或二阶环路滤波器或三阶环路滤波器。

4.根据权利要求2所述的一种高动态无人机测控信号载波跟踪方法，其特征在于，锁相环环路滤波器为一阶环路滤波器或二阶环路滤波器或三阶环路滤波器。