一种改进的基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪环

摘要

一种改进的基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪环，包括基带信号预处理模块、矩阵计算模块、扩展卡尔曼滤波模块和本地NCO。在每一个时间段T内基带信号预处理模块根据本地载波信号对信号I和信号Q进行预处理得到观测值，矩阵计算模块计算线性化矩阵H，经过扩展卡尔曼滤波模块计算得到相位和频率的估计值，用于本地NCO生成本地载波信号输出给基带信号预处理模块，实现每一个时间段T内的载波跟踪。本发明无需鉴相器辅助，适用于低信噪比、高动态情况下存在调制信息时的跟踪需求，硬件实现简单，能够有效提高整个载波跟踪环的运行速率，同时降低资源消耗。

主权项

一种改进的基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪环，其特征在于：包括基带信号预处理模块(1)、矩阵计算模块(3)、扩展卡尔曼滤波模块(4)和本地NCO(5)；基带信号预处理模块(1)实时接收本地NCO(5)输出的本地载波信号以及接收机前端下变频模块输出的同相支路信号I和正交支路信号Q，在每一个时间段T内，根据本地载波信号对信号I和信号Q进行预处理得到同相支路信号更新值和正交支路信号更新值进而得到观测矩阵Z并输出给矩阵计算模块(3)和扩展卡尔曼滤波模块(4)，其中$Z=\left[\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\hat{I}\\ \hat{Q}\end{array}\right];$矩阵计算模块(3)在每一个时间段T内，根据观测矩阵Z、本地NCO(5)输出的本地NCO的频率值以及上一个时间段扩展卡尔曼滤波模块(4)输出的输入信号频率估计值f₀和频率变化率估计值f₁计算线性化矩阵H，输出给扩展卡尔曼滤波模块(4)；其中输入信号指接收机前端下变频模块输出的同相支路信号I和正交支路信号Q；扩展卡尔曼滤波模块(4)在每一个时间段T内，根据线性化矩阵H、观测矩阵Z、本地NCO(5)输出的本地NCO的频率值以及T时间段起始时本地NCO的相位调整量、上一个时间段的滤波结果，计算滤波结果发送给本地NCO(5)，所述滤波结果包括输入信号和本地载波信号的相位差估计值θ_e、输入信号频率估计值和频率变化率估计值，并将输入信号频率估计值和频率变化率估计值发送给矩阵计算模块(3)；本地NCO(5)在每一个时间段T内，向矩阵计算模块(3)输出生成本地载波信号时本地NCO的频率值，向扩展卡尔曼滤波模块(4)输出生成本地载波信号时本地NCO的频率值和T时间段起始时本地NCO的相位调整量；根据上一个时间段扩展卡尔曼滤波模块(4)发送的滤波结果生成当前时间段T的本地载波信号，输出给基带信号预处理模块(1)，实现每一个时间段T内的载波跟踪。