CN102035567A - 可变长度数字扩频信号快速相关处理方法 - Google Patents

Abstract

可变长度数字扩频信号快速相关处理方法，改变通常数字扩频信号相关处理方法，即大规模循环处理逐采样点的复数乘加运算模式，采用逐伪码码元的相关，每个码元内只取一个采样点，并将长周期相关进行适当的分组处理，将大循环拆成小循环，利用扩频信号相关特点，在小循环内进一步做分组处理，并且采用载波旋转运算外置、乘法改加法等措施优化相关运算过程，从而整体上实现整个相关的快速处理。另外，为了满足在动态情况下，具有载波多普勒效应时相关结果的有效性，每次相关处理前采取了根据载波多普勒预估相关长度的做法，从而真实复现实际的码周期时间，再做相关处理达到理想峰值。

Description

可变长度数字扩频信号快速相关处理方法

技术领域

本发明涉及一种动态环境下数字扩频信号的相关处理方法。

背景技术

扩频信号相关是扩频传输体制下信号接收的关键环节，用于实现有效信息的恢复。扩频信号相关利用伪随机序列的自相关特性，将接收的湮没在噪声中的扩频信号通过伪随机序列相关方法恢复信号。由于接收的信号通常带有载波信息，因此在相关处理的同时需要剥离剩余载波相位，使得相关结果达到最大峰值，有效信号恢复后无相位模糊。

扩频信号相关的原理比较成熟，但是处理复杂，主要原因是扩频信号相关处理的计算量很大，无论采用硬件电路还是软件实现，为了保证实时性的要求，开销都会很大。尤其对于软件实现，若不采用优化算法，采用常规逐点处理方式，在处理器能力有限的情况下，实现长周期扩频信号(＞1023chips)的相关处理是不可能的。

目前实现扩频信号相关器的方法可以分为两大类，时域相关和频域相关。时域相关目前较先进的处理技术是采用FPGA来实现，能够解决实时性问题。如中国科学院空间科学与应用研究中心提出的专利号为CN200410073955.6的专利所公开的一种可重新配置的数字相关器，该数字相关器是典型的基于FPGA的相关器，在将模拟扩频信号数字化后，通过FPGA实现时域顺序的相关操作，采用这种方法能够实现实时相关，但是有以下的不足之处：一是对于长相关器，FPGA单元开销很大，单位时间内内FPGA乘加运算密集，直接带来的不良后果是设备相对功耗大、体积大，不利于集成；二是基于FPGA的相关器，仍需要外部的处理器配合，才能实现可灵活配置的完整的相关处理流程，需要复杂的外部接口设计；三是FPGA开发周期长，相对基于处理器的软件开发不易验证。

频域实现方法是利用FFT技术的相关处理方法，一次过程可以计算出所有码相位点的相关结果，利于在扩频系统中扩频信号的快速搜索，但是一次过程的运算复杂度很大，在伪码捕获后，不利于进行长时间实时相关处理。如联芯科技有限公司等单位提出的专利号为CN200810103000.9的专利所公开的一种CDMA系统中快速相关计算的方法及装置，按照FFT相关方法逐步实现了相关过程，但是该方法没有在复杂度方面进行优化，因此不能满足实时软件相关处理的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简单、运算速度快的可变长度数字扩频信号相关处理方法。

本发明的技术解决方案是：可变长度数字扩频信号快速相关处理方法，步骤如下：

(1)从天线接收射频信号，将射频信号下变频为中频信号，然后对中频信号进行带通采样，并对中频采样信号进行零中频变换，以中断的形式产生等时信号；

(2)采用压缩方式存储本地伪码序列；

(3)存储本地载波相位查找表，相位分正交和同向两种分开存储，各占用16位表示，形成复相位；

(4)根据载波多普勒大小，将相关次数L进行两级分组，第一级分组称为小组，第二级分组称为大组，L/32个连续小组组成一个大组；

(5)对于每一个大组，大组内的小组各自进行相关处理，小组相关处理的步骤如下：

(51)计算本次相关的相关结束位置，本次相关结束位置＝上次相关结束位置+T’*f_samp，

其中，L为码周期内伪码长度，f_code为原伪码速率，dopp为载波多普勒，f_carr为载波频率，f_samp为数据采样率，T′为载波多普勒存在下的相关时间，

为无载波多普勒存在下的伪码周期；

(52)计算

计算时分实部和虚部分别进行累加，依c(m)为1或-1分别进行r(n)实部和虚部的加或减运算，c(m)在选取时依照步骤(2)中的数据存储格式移位存取；

(53)将步骤(52)的结果乘以exp(-2πft_s)，计算时分实部和虚部分别进行，载波相位-2πft_s依照采样时间递增，小组内载波频率f不变；

(6)将大组内各小组的相关处理结果累加得到大组的相关结果，所有大组的相关结果再累加，得到完整周期的相关运算结果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用优化的顺序/循环/分支方法实现扩频信号相关运算，与目前基于FPGA实现逐采样点传统相关器的方法相比运算简单、更易于系统集成和调试，可基于一个处理器或计算机实现集成的接收机，功耗将远小于FPGA实现方式；

(2)本发明方法采用时域相关流程，与基于FFT的频域相关方法相比运算量小，更适用于信号捕获后的长期实时相关和信号长期跟踪处理的需求。基于FFT的频域相关过于复杂，不能实现实时相关处理，在实时系统中只适用于捕获阶段应用；

(3)本发明方法通过实时估计多普勒影响下的相关长度变化，实时估计伪码长度和相关位置，使得相关结果能达到最大峰值，从而实现最优的相关结果。这种方法与FPGA中实现这一功能的机理不同，更适用于处理器或计算机软件实现。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程图。图1分三大块表示相关组件，左上表示接收到的扩频信号，按照码元顺序分为若干大组，一个大组包含几个小组；左下表示16位数据存储16个码元，整个码周期L由L/16个数据完整存储，使用时移位提取；右下表示载波同向和正交的存储方法，使用时同样采用移位提取。图中乘加运算表示逐码元相关的基本运算。

下面分步骤进行说明

1、从天线接收射频信号，先进行变频处理，将射频信号下变频为中频信号；

2、利用A/D转换器对中频信号进行带通采样，通常采样信号速率在4～8倍码速率之间效果为佳；

3、对中频采样信号进行零中频变换处理，以中断的形式产生等时信号(如1ms)。零中频变换处理的实现可参考桂林电子科技大学的一种双正交零中频接收机的设计和电路实现一文(发表于2010年4月，西南师范大学学报(自然科学版)，第35卷第二期，作者田克纯，周武中，陈宏滨，覃远年)。

4、相关过程如下：

通常的相关处理方法如公式1所示。表示接收到数字扩频信号第n个采样点数据r(n)与对应本地码c(m)以及剩余载波相位(公式中指数项)剥离的实现原理，Result是一个完整周期的相关结果。r(n)为复数信号。

$\mathrm{Result}=\underset{m=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(r\left(n\right)*c\left(m\right)*\exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{ft}}_s))---\left(1\right)$

r(n)＝re(n)+j*im(n)

其中，r(n)为数字扩频信号第n个采样点数据，re(n)信号实部，im(n)信号虚部，-j2πft_s为剩余载波相位，f零中频下剩余载波频率，t_s采样时间，c(m)为本地码。

本发明的优化实时处理过程是：

(1)采用压缩方式存储本地伪码序列，多位数据存储多个码元(图例中设为16位数据存储16个伪码码元)，整个码周期L由几个多位数据完整存储，这样做便于存储器的移位存取。

(2)存储本地载波相位查找表，需要配置正交(sin)和同向(cos)两种数据，存储时采用正弦(sin)和余弦(cos)各占用16位表示，共同组成32位数据组，数组长度由相关长度决定，这样做便于程序后续提取相位正交和同向结果采用移位方式完成。

(3)根据多普勒大小，将相关次数L进行两级分组。第一级分组较小，称为小组，通常为4～8个连续码元效果为佳，多普勒较大时(大于10KHz)，可取4，多普勒较小(小于10KHz)时可以取8。分组第二级分组是在第一级分组的基础上进行，称为大组，L/32个连续小组组成一个大组。依据多普勒大小选取小组长度有利于载波相位剥离的成组处理，但是载波相位对相关结果有较大影响，因此小组不宜过大，几个码元即可，否则会影响接收机对相关结果的正确判断。

(4)以大组顺序为自变量，拆环构建循环处理架构，循环内为各个小组的相关运算，循环次数少可更好利用处理器的流水结构，加快运算速度。实现方式如下：

For(i＝0；i＜大组个数；i++)

小组1相关处理；

小组2相关处理；

小组L/32相关处理；

将各小组相关结果累加。

End

上述循环中小组相关处理步骤如下：

a.计算本次相关的相关结束位置：需要估计多普勒效应存在时一个伪码周期的相关运算时间长度以及由此带来的接收信号相关位置的变化。相关时间长度和结束位置估计方法为

本次相关结束位置＝上次相关结束位置+T’*f_samp

其中，L-码周期内伪码长度，f_code-原伪码速率，dopp-载波多普勒，f_carr-载波频率，f_samp-数据采样率，T′-载波多普勒存在下的相关时间，无载波多普勒存在下的伪码周期。

扩频信号伪码周期内伪码长度L是不变的，伪码被调制在载波上，在动态环境下，接收信号载波频率随着载波多普勒变化的同时，接收信号伪码速率也在变化，接收伪码速率等于原伪码速率加上伪码速率偏移量。由此导致一个伪码周期持续时间由T转换成上面所述T′，相关结束位置也随之变化。

载波多普勒导致相关运算中接收信号r(n)的选取长度随着相关结束位置不同而长短不一，从而体现出可变长度数字扩频信号相关的功能。

b.计算

从公式1可见，原理上讲exp(-j2πft_s))要实时地与r(n)和c(m)相乘，对于数字信号来讲，需要每个采样点产生一个载波偏移量与之相乘。但是仔细分析后可发现，一个小组完全可以只用一个载波相位，对相关结果影响很小，但是运算上可以将该项放到小组循环外最后进行计算，先计算

累加和。计算方法是：

首先对于小组内累加和，每个码元只取一个采样点参与运算，这样做对于逐采样点(通常每个码元4-8个采样点)计算运算量减少几倍。

接着r(n)*c(m)运算不再进行真正的乘法运算，由于c(m)皆为1或-1，因此采用分支判断的方式实现即可：

此处运算要移位存取本地伪码序列，在L/16个16位数据中依存储顺序依次提取，每次移动一个数据中的一个比特位，即得到一个c(m)，直到全部取完。

初始令sum.re＝0，sum.im＝0

For(m＝0；m＜小组长度；m++)

   If移位取c(m)＝1

       sum.re’＝sum.re+re(n)    //c(m)为1，表示实部应相加

       sum.im’＝sum.im+im(n)    //c(m)为1，表示虚部应相加

    else

       sum.re’＝sum.re-re(n)    //c(m)为-1，表示实部应相减

       sum.im’＝sum.im-im(n)    //c(m)为-1，表示虚部应相减

  end

  sum.re＝sum.re’

  sum.im＝sum.im’

end

只采用加减运算，而没有乘法运算可进一步降低运算量。由于接收信号是复数信号，累加和的实部和虚部是分别进行累加，分别表示为sum.re和sum.im。

c.实现每个小组的

进行剩余载波剥离，实现方法是：

将载波项表示成exp(-j2πft_s)＝phase.re+phase.im

在本地载波查找表数组中，移位取phase.re(cos)和phase.im(sin)，并采用公式3进行计算：

sum.re’＝sum.re＊phase.re+sum.im＊phase.im

sum.im’＝-sum.re＊phase.im+sum.im＊phase.re                      (3)

以上从小组1至小组L/32相关处理完成后，将各小组相关结果累加，完成一个大组相关运算。将大组循环进行下去，即可实现完整周期的相关运算。

以上算法和留成若采用汇编语言进行，会进一步提高运算效率。

本发明采用的扩频信号相关方法在一开始先估计相关长度，使得相关处理是可变长度的，后面的相关结果能适应动态环境需求。之后采用以扩频信号伪码码元为步进的相关方式，采取分组运算、载波剥离旋转运算外置以及乘法改加法等方法削减运算量，达到处理器或计算机软件能够快速有效地完成长周期数字扩频信号相关运算的目的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.可变长度数字扩频信号快速相关处理方法，其特征在于步骤如下：

(1)从天线接收射频信号，将射频信号下变频为中频信号，然后对中频信号进行带通采样，并对中频采样信号进行零中频变换，以中断的形式产生等时信号；

(2)采用压缩方式存储本地伪码序列；

(3)存储本地载波相位查找表，相位分正交和同向两种分开存储，各占用16位表示，形成复相位；

(4)根据载波多普勒大小，将相关次数L进行两级分组，第一级分组称为小组，第二级分组称为大组，L/32个连续小组组成一个大组；

(5)对于每一个大组，大组内的小组各自进行相关处理，小组相关处理的步骤如下：

(51)计算本次相关的相关结束位置，本次相关结束位置＝上次相关结束位置+T’*f_samp，

其中，L为码周期内伪码长度，f_code为原伪码速率，dopp为载波多普勒，f_carr为载波频率，f_samp为数据采样率，T′为载波多普勒存在下的相关时间，为无载波多普勒存在下的伪码周期；

(52)计算

计算时分实部和虚部分别进行累加，依c(m)为1或-1分别进行r(n)实部和虚部的加或减运算，c(m)在选取时依照步骤(2)中的数据存储格式移位存取；

(53)将步骤(52)的结果乘以exp(-2πft_s)，计算时分实部和虚部分别进行，载波相位-2πft_s依照采样时间递增，小组内载波频率f不变；

(6)将大组内各小组的相关处理结果累加得到大组的相关结果，所有大组的相关结果再累加，得到完整周期的相关运算结果。

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