低信噪比高动态环境下的载波同步技术研究

发布时间：2017-10-08 03:06

  本文关键词：低信噪比高动态环境下的载波同步技术研究

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【摘要】：近年来，随着卫星移动通信及卫星导航系统的发展，低信噪比高动态环境下的卫星通信日益受到关注。在低信噪比高动态环境中，通信双方由于存在较大的相对运动速度、加速度导致接收机接收信号载频上会产生大的多普勒频偏及频偏变化率，并且由于发射功率及天线增益的限制，通信双方之间的信噪比比较低。本文针对低信噪比高动态环境下的载波同步技术进行了研究。 高动态接收机的载波同步通常分为捕获与跟踪两个过程，捕获过程为跟踪环路提供先验知识，使得跟踪环路能够实现快速锁定。为了在低信噪比环境下能够对高动态信号实现正确捕获，本文提出了两种捕获方法，分别为基于两级调频率逼近的频域快速捕获算法以及基于CAPON与降维思想的捕获算法。基于两级调频率逼近的捕获算法计算量相对较少，但存在误差传递效应捕获精度相对不高；基于CAPON与降维思想的捕获算法参数估计精度高，但无法满足低信噪比的要求并且计算量大。同时，本文对两种跟踪算法进行了比较，，分别为二阶锁频环辅助三阶锁相环与基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪算法，MATLAB仿真表明，二阶锁频环辅助三阶锁相环在低信噪比环境下无法实现环路锁定，基于扩展卡尔曼滤波的同步环路在低信噪比高动态环境下跟踪性能稳定。 论文对Es N06dB的信噪比下，频偏为48kHz，频偏变化率为2802Hz/s的纯载波信号进行了MATLAB仿真，仿真表明，基于两级调频率逼近的捕获算法能够将频偏限制值1.5Hz以内，频偏变化率限制在10Hz/s以内；在捕获提供先验知识的条件下，基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪性能稳定，在Es N03dB时，锁定概率能达到99%以上。 本文最后将基于两级调频率逼近的快速捕获算法利用VHDL硬件描述语言在ISE开发环境中进行了FPGA实现并通过了仿真验证，上板测试结果表明，本文提出的载波同步技术性能可以达到预期的指标要求。
【关键词】：低信噪比 高动态 频域捕获 扩展卡尔曼滤波 FPGA
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN919.34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 论文研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-13
• 1.2.1 捕获过程的国内外研究现状10-12
• 1.2.2 载波跟踪的国内外研究现状12-13
• 1.3 主要研究工作及内容安排13-15
• 第2章 低信噪比高动态环境下接收机理论基础15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 高动态对接收机信号的影响15-16
• 2.3 参数估计基本理论16-21
• 2.3.1 高斯噪声中非随机矢量的最大似然估计17-18
• 2.3.2 相位参量估计18-19
• 2.3.3 频率参量估计19-21
• 2.4 低信噪比高动态环境下接收机载波同步方案21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 低信噪比高动态接收机的捕获算法研究23-38
• 3.1 引言23
• 3.2 线性调频信号(LFM)的性质23-25
• 3.3 基于调频率逼近的频域捕获算法25-31
• 3.3.1 一级调频率逼近频域捕获算法25-27
• 3.3.2 两级调频率逼近频域捕获算法27-29
• 3.3.3 仿真分析29-31
• 3.4 基于 CAPON 与降维思想的捕获算法31-37
• 3.4.1 基于 CAPON 的单音信号参数估计31-33
• 3.4.2 基于 CAPON 与降维思想的捕获方法33-34
• 3.4.3 仿真分析34-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 低信噪比高动态接收机的载波跟踪技术研究38-57
• 4.1 引言38-39
• 4.2 二阶锁频环辅助三阶锁相环39-45
• 4.2.1 载波环工作原理39-40
• 4.2.2 环路滤波器40-42
• 4.2.3 鉴别器42-44
• 4.2.4 二阶锁频环辅助三阶锁相环44-45
• 4.3 载波环仿真分析45-48
• 4.4 扩展卡尔曼滤波48-54
• 4.4.1 卡尔曼滤波模型48-49
• 4.4.2 卡尔曼滤波算法49-51
• 4.4.3 扩展卡尔曼滤波51-52
• 4.4.4 扩展卡尔曼滤波在载波跟踪中的应用52-54
• 4.5 扩展卡尔曼滤波仿真分析54-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 捕获算法的 FPGA 实现57-66
• 5.1 引言57
• 5.2 捕获过程 FPGA 实现57-62
• 5.2.1 粗估计模块57-60
• 5.2.2 速度转换、补偿、抗混叠滤波模块60-61
• 5.2.3 时延及资源消耗分析61-62
• 5.3 硬件调试62-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第6章 结论66-68
• 6.1 全文总结66
• 6.2 展望66-68
• 参考文献68-71
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单71-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 韩孟飞;王永庆;吴嗣亮;崔嵬;;一种低信噪比下LFM信号参数快速估计算法[J];北京理工大学学报;2009年02期

2 王俊;李加琪;吴嗣亮;;锁频环辅助下锁相环的跟踪误差分析[J];北京理工大学学报;2011年07期

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5 胡可欣;胡爱明;;线性调频信号特征分析[J];空间电子技术;2007年01期

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本文编号：991612