CN103698784A - 一种p码捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种P码捕获方法及装置，包括将IF和来自载波发生器的本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的I-Q两路基带信号；对基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储；以本地P码作为抽头系数，对各个子段分别进行部分PMF，得到累加结果，完成码相位搜索；缓存PMF处理后的滤波结果，并对其分别进行快速FFT，实现频谱分析，完成频率搜索；对FFT处理的输出结果分别并行取模后按点累加，得到M点非相干累加结果，查找捕获的结果。其中，捕获结果可以包括但不限于最大相关值、次大相关值、频率、相位和段数等。本发明采用PMF与FFT结合的方式，提高了P码捕获的灵敏度，显著加快了捕获速度，从而满足了实际信号的要求。

Description

一种P码捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星导航技术，尤指一种P码捕获方法及装置。
背景技术
用于车载等环境的卫星导航接收机对动态要求不高，但是，对灵敏度要求比一般接收机的高。快捕引擎作为接收机正常工作的第一步，提高捕获灵敏度并且加快捕获速度成为当务之急。
北斗卫星导航系统采用QPSK调制，由于P码周期很长，常规的P码捕获方式是通过先捕获I支路民码，得到导航电文中的时间信息，由于民码和P码之间的系统时间一致，所以从民码得到准确时间后，就可以得到粗略的P码的相位，相位误差可以精确到几个码片以内，以此引导P码捕获，这样，大大缩小了P码相位的不确定度。
在战时等状态下，由于民码易被敌方识别且易受干扰、欺骗等，可能会关闭大多数卫星的民码信号，所以现有的引导捕获P码的方式不能满足实际需求，此时，只有具备直接捕获P码的搜索引擎才能实现P码的捕获。
但是，由于直捕状态下，时间不确定度非常大，一般为几十甚至几百毫秒，通常时间不确定度在1秒以内，P码相位的不确定度范围大。目前一般的直捕方法采用循环相关捕获伪码相位、串行搜索载波多普勒频率的方法或采用FFT方式搜索载波频率，串行搜索伪码相位的方式，这两种搜索策略速度太慢，捕获灵敏度较低，直接影响了P码的捕获速度和灵敏度，无法满足实际需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种P码捕获方法及装置，能够实现高灵敏度的P码的快速捕获，以满足实际需求。
为了达到本发明目的，本发明提供了一种P码捕获方法，包括：根据数字中频信号和本地载波信号进行下变频，获取基带信号，对基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储；
以本地P码作为抽头系数，对各个子段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索；
缓存PMF处理后的滤波结果，并对其分别进行FFT频谱分析，完成频率搜索；
对FFT处理的输出结果分别并行取模后按点累加，得到M点非相干累加结果，查找捕获的结果。
所述对基带信号进行抽取包括：以2倍码速率对基带信号进行抽取。
所述捕获的结果包括：最大相关值、次大相关值、频率、相位和所述非相干累加的段数。
本发明还提供一种P码捕获装置，至少包括：码钟产生器、载波发生器、数字下变频器、第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块、PMF组、FFT处理模块、非相干累加模块，以及分析比较模块；其中，
码钟产生器，用于产生驱动加密芯片、模块或其他P码产生器的时钟信号；
载波发生器，用于产生I-Q两路本地载波信号；
数字下变频器，用于将数字中频信号（IF）和来自载波发生器的本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的I-Q两路基带信号；
第一抽取滤波模块，用于对I路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的I路基带数据；第二抽取滤波模块，用于对Q路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的Q路基带数据；其中，采样开始时刻必须与调制的一比特数据时间的整倍数时刻对齐；
PMF组，用于将N段P码作为抽头系数，对各个子段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索；
FFT处理模块，其由若干个并行的FFT变换器组成，用于缓存来自PMF组的滤波结果，并对其进行FFT频谱分析，完成频率搜索；
非相干累加模块，用于对FFT处理模块中并行的各FFT变换器的输出的处理结果分别并行取模，再一起按点累加，得到M点非相干累加结果，将结果输出给分析比较模块；
分析比较模块，用于从得到的M点非相干累加结果中查找捕获的结果。
还包括寄存器，用于在捕获结束时，存储所述捕获的结果。
所述第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均采用20阶滤波器；
所述第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均采用FIR滤波器的方式。
所述PMF组分为I-Q两组，每组均有N个PMF。
所述非相干累加模块的段数预先设置。
与现有技术相比，本发明包括将数字中频信号（IF）和来自载波发生器的本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的I-Q两路基带信号；对基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储；对各个子段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索；缓存PMF处理后的滤波结果，并对其分别进行FFT频谱分析，完成频率搜索；对FFT处理的输出结果分别并行取模，再一起按点累加，得到M点非相干累加结果，查找捕获的结果。其中，捕获结果可以包括但不限于最大相关值、次大相关值、频率、相位和段数等。本发明通过采用基于PMF结合FFT的搜索方式，同时并行完成相位和频率的二维搜索，相对于其他串行搜索、循环相关搜索方法等分别加快数百倍、数十倍的捕获速度，节省了捕获时间，降低了捕获的虚警概率；并且，本发明P码捕获装置中，通过采用采用数据滑动的方式，避免了导航数据翻转对频谱分析的裂峰影响；采用多段2毫秒数据进行非相干累加，提高了P码捕获的灵敏度，降低了漏警概率；最高只采用90MHz的时钟频率，逻辑和存储器资源消耗都在85%以下。本发明装置通过在一块FPGA中实现，而且由于时钟频率低、资源冗余量大，保证了本发明捕获引擎的环境适应性，以及工作稳定可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明P码捕获装置的组成结构示意图；
图2为本发明P码捕获方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明P码捕获装置的组成结构示意图，如图1所示，至少包括码钟产生器、载波发生器、数字下变频器、第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块、PMF组、FFT处理模块、非相干累加模块，以及分析比较模块；其中，
码钟产生器，用于产生驱动加密芯片、模块或其他P码产生器的时钟信号。可以采用32位数字控制振荡器（NCO，numerical controlled oscillator）方式实现，NCO的频率控制字可以固定设置或由软件配置。
载波发生器，用于产生I-Q两路本地载波信号，包括载波NCO、查找表；其中，利用载波NCO，可以产生载波频率的驱动时钟和查找表地址，可以采用32位NCO方式实现，频率控制字可以固定设置或由软件配置；利用查找表，可以存储一个周期的正弦信号采样点，通过驱动时钟查找相应地址，输出I-Q两路正交本地载波信号，查找表的位数、深度可以根据实施方式不同做相应变动。
数字下变频器，用于将IF和来自载波发生器的本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的I-Q两路基带信号。根据数字中频信号是实信号和复信号的不同，下变频方案不一样。利用数字下变频器，会剥离载波残余多普勒频率，可以采用直接乘法器下变频方式，实现简单、节省资源。
第一抽取滤波模块，用于对I路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的I路基带数据；其中，采样开始时刻必须与P码周期的起始或结束时刻对齐；
第二抽取滤波模块，用于对Q路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的Q路基带数据；其中，采样开始时刻必须与P码周期的起始或结束时刻对齐；
具体地，第一抽取滤波模块或第二抽取滤波模块，以2倍码速率对基带信号进行抽取，以2毫秒采样为一段（称为子段），分别将N段P码存储在存储模块的N块存储器中，每段P码分成X个地址存储，以同样的方式存储N段或(N+1)段基带数据。N段P码作为PMF的抽头系数输入给PMF组，与基带数据进行PMF处理，这里，N为大于1的自然数，其取值取决于FFT的点数和频率分辨率的要求。
其中，第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块，配置参数完全一致。以按照2倍码速率对基带信号进行抽取。第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块的滤波器的阶数越多效果越好，比如可以采用20阶滤波器。第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均可以采用FIR滤波器的方式。第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均对滤波器的输出结果采取截位并向上取整方式。
PMF组，用于将N段P码作为抽头系数，对各个子段如各个2毫秒字段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索；具体地，
PMF组分为I-Q两组，每组均有N个PMF，以PMF组共有5*3个PMF为例，可以同时对5段2毫秒数据进行3个码片相位的处理，这里每段处理包含3个PMF，每个滤波器的系数采用相同的P码，用两路选择方式实现系数相乘，3个匹配滤波器的数据采用同一段数据的3个不同截位处理后的结果，每段相差一个码片相位，这样。实现了同时搜索3个码片相位。用5级加法树实现累加功能，前面4级加法树用4输入并行加法器实现，完成对165个采样点数据的滤波累加，最后一级累加器通过时序逻辑控制，连续累加8个结果，最后从248个滤波结果中累加得到31个累加结果，作为频谱分析的输入数据。
FFT处理模块，其由若干个并行的FFT变换器组成，用于缓存来自PMF组的滤波结果（包括第一滤波结果和第二滤波结果两组滤波结果），并对其进行FFT频谱分析，完成频率搜索，FFT的个数与基带数据的段数相关，以保证整个处理流程的吞吐能力；
还以PMF组共有5*3个PMF为例，FFT处理模块中共有5*3个FFT源数据存储器，每个存储器共有128个地址，采用PingPong操作访问存储器，当对低64个地址空间写操作时，则读取高64个地址空间，防止了读写冲突造成时序混乱，提高了捕获性能。
FFT处理器的接口控制信号，遵循The Avalon Streaming Interface的时序要求，包括sink_sop、sink_eop、source_ready、sink_valid等信号，保证了FFT模块能正常工作。用产生的访问FFT源数据存储器的读信号和时序，同时并行从5个存储器从中读出数据，分别对应5段数据的同一个码相位移位位置，这里控制状态机只需要一个，3层数据存储需要连续读取3次；对读取的源数据进行FFT变换，完成频谱分析；
还以PMF组共有5*3个PMF为例，假设FFT变换器共有并行的5个，均采用16位复输入，变换长度为64点，由于输入数据只有31点，所以必须在后面补充33个0，这样FFT的频率分辨率是500*31/64=242.1875Hz，这里FFT模块采用90MHz的主时钟，配置为Streaming模式工作，输出16位复信号。最后调整FFT变换结果的幅度值，因为FFT变换器采用了BlockFloating Point Scaling的处理方式，考虑到输入信号强度的动态范围很大，所以必须调整输出结果，根据FFT变换器输出的source_exp信号还原或适当截取输出信号幅度。
非相干累加模块，用于对FFT处理模块中并行的各FFT变换器的输出的处理结果分别并行取模，再一起按点累加，得到M点非相干累加结果，将结果输出给分析比较模块。还以PMF组共有5*3个PMF为例，首先，对5个FFT处理模块输出结果的取模操作，采用简化算法，如JPL算法。考虑到导航信号调制了高速率的导航数据，所以相干积分长度最多只能采用2毫秒数据，必须采用非相干累加方式提高了捕获灵敏度；然后，对5个取模结果的累加，考虑到可能并行结果会多于5个，或者有需要串行累加的模式，所以还需要暂存中间结果。
分析比较模块，用于查找最大相关值、次大相关值、频率、相位和段数等，得到的结果作为捕获的结果。其中，得到的结果在捕获结束时，可以将其存储在寄存器中，等待查询读取即可。
本发明P码捕获装置还包括：工作状态指示模块，用于指示本发明P码捕获装置的所处的工作状态。一般，本领域技术人员知道，通过定时查询方式访问状态寄存器，以获取工作状态，并控制捕获引擎的下一步流程。
通过本发明P码捕获装置，通过采用基于PMF结合FFT的搜索方式，同时并行完成相位和频率的二维搜索，相对于其他串行搜索、循环相关搜索方法等分别加快数百倍、数十倍的捕获速度，节省了捕获时间，降低了捕获的虚警概率；并且，本发明P码捕获装置中，通过采用采用数据滑动的方式，避免了导航数据翻转对频谱分析的裂峰影响；采用多段2毫秒数据进行非相干累加，提高了P码捕获的灵敏度，降低了漏警概率；最高只采用90MHz的时钟频率，逻辑和存储器资源消耗都在85%以下。本发明装置通过在一块FPGA中实现，而且由于时钟频率低、资源冗余量大，保证了本发明捕获引擎的环境适应性，以及工作稳定可靠性。
图2为本发明P码捕获方法的流程图，如图2所示，包括以下步骤：
步骤200：根据数字中频信号和本地载波信号进行下变频，获取基带信号，对基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储。
本步骤之前还包括：产生驱动加密芯片、模块或其他P码产生器的时钟信号；产生I-Q两路本地载波信号。
本步骤中，获取基带信号包括：将数字中频信号和本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的I-Q两路基带信号。
本步骤中，以2倍码速率对基带信号进行抽取。
步骤201：以P码作为抽头系数，对各个子段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索。
以PMF组共有5*3个PMF为例，可以同时对5段2毫秒数据进行3个码片相位的处理，这里每段处理包含3个PMF，每个滤波器的系数采用相同的P码，用两路选择方式实现系数相乘，3个匹配滤波器的数据采用同一段数据的3个不同截位处理后的结果，每段相差一个码片相位，这样。实现了同时搜索3个码片相位。用5级加法树实现累加功能，前面4级加法树用4输入并行加法器实现，完成对165个采样点数据的滤波累加，最后一级累加器通过时序逻辑控制，连续累加8个结果，最后从248个滤波结果中累加得到31个累加结果，作为频谱分析的输入数据。
步骤102：缓存PMF处理后的滤波结果，并对其分别进行FFT频谱分析，完成频率搜索。具体地，
还以PMF组共有5*3个PMF为例，FFT处理模块中共有5*3个FFT源数据存储器，每个存储器共有128个地址，采用PingPong操作访问存储器，当对低64个地址空间写操作时，则读取高64个地址空间，防止了读写冲突造成时序混乱，提高了捕获性能。
FFT处理器的接口控制信号，遵循The Avalon Streaming Interface的时序要求，包括sink_sop、sink_eop、source_ready、sink_valid等信号，保证了FFT模块能正常工作。用产生的访问FFT源数据存储器的读信号和时序，同时并行从5个存储器从中读出数据，分别对应5段数据的同一个码相位移位位置，这里控制状态机只需要一个，3层数据存储需要连续读取3次；对读取的源数据进行FFT变换，完成频谱分析；
还以PMF组共有5*3个PMF为例，假设FFT变换器共有并行的5个，均采用16位复输入，变换长度为64点，由于输入数据只有31点，所以必须在后面补充33个0，这样FFT的频率分辨率是500*31/64=242.1875Hz，这里FFT模块采用90MHz的主时钟，配置为Streaming模式工作，输出16位复信号。最后调整FFT变换结果的幅度值，因为FFT变换器采用了BlockFloating Point Scaling的处理方式，考虑到输入信号强度的动态范围很大，所以必须调整输出结果，根据FFT变换器输出的source_exp信号还原或适当截取输出信号幅度。
步骤103：对FFT处理的输出结果分别并行取模后按点累加，得到M点非相干累加结果，查找捕获的结果。其中，捕获结果可以包括但不限于最大相关值、次大相关值、频率、相位和段数等。
还以PMF组共有5*3个PMF为例，首先，对5个FFT处理模块输出结果的取模操作，采用JPL简化算法，考虑到导航信号调制了高速率的导航数据，所以相干积分长度最多只能采用2毫秒数据，必须采用非相干累加方式提高了捕获灵敏度；然后，对5个取模结果的累加，考虑到可能并行结果会多于5个，或者有需要串行累加的模式，所以还需要暂存中间结果。
通过本发明方法，采用基于PMF结合FFT的搜索方式，同时并行完成相位和频率的二维搜索，相对于其他串行搜索、循环相关搜索方法等分别加快数百倍、数十倍的捕获速度，节省了捕获时间，降低了捕获的虚警概率；并且，本发明P码捕获装置中，通过采用采用数据滑动的方式，避免了导航数据翻转对频谱分析的裂峰影响；采用多段2毫秒数据进行非相干累加，提高了P码捕获的灵敏度，降低了漏警概率；最高只采用90MHz的时钟频率，逻辑和存储器资源消耗都在85%以下。本发明装置通过在一块FPGA中实现，而且由于时钟频率低、资源冗余量大，保证了本发明捕获引擎的环境适应性，以及工作稳定可靠性。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种P码捕获方法，其特征在于，包括：根据数字中频信号和本地载波信号进行下变频，获取基带信号，对基带信号进行抽取，得到待处理的基带数据，并按子段存储；
以本地P码作为抽头系数，对各个子段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索；
缓存PMF处理后的滤波结果，并对其分别进行FFT频谱分析，完成频率搜索；
对FFT处理的输出结果分别并行取模后按点累加，得到M点非相干累加结果，查找捕获的结果。
2.根据权利要求1所述的P码捕获方法，其特征在于，所述对基带信号进行抽取包括：以2倍码速率对基带信号进行抽取。
3.根据权利要求1所述的P码捕获方法，其特征在于，所述捕获的结果包括：最大相关值、次大相关值、频率、相位和所述非相干累加的段数。
4.一种P码捕获装置，其特征在于，至少包括码钟产生器、载波发生器、数字下变频器、第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块、PMF组、FFT处理模块、非相干累加模块，以及分析比较模块；其中，
码钟产生器，用于产生驱动加密芯片、模块或其他P码产生器的时钟信号；
载波发生器，用于产生I-Q两路本地载波信号；
数字下变频器，用于将数字中频信号（IF）和来自载波发生器的本地载波信号相乘，得到有剩余多普勒频率的I-Q两路基带信号；
第一抽取滤波模块，用于对I路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的I路基带数据；第二抽取滤波模块，用于对Q路基带信号进行滤波、降采样，存储待处理的Q路基带数据；其中，采样开始时刻必须与调制的一比特数据时间的整倍数时刻对齐；
PMF组，用于将N段P码作为抽头系数，对各个子段分别进行PMF处理，得到累加结果，完成码相位搜索；
FFT处理模块，其由若干个并行的FFT变换器组成，用于缓存来自PMF组的滤波结果，并对其进行FFT频谱分析，完成频率搜索；
非相干累加模块，用于对FFT处理模块中并行的各FFT变换器的输出的处理结果分别并行取模，再一起按点累加，得到M点非相干累加结果，将结果输出给分析比较模块；
分析比较模块，用于从得到的M点非相干累加结果中查找捕获的结果。
5.根据权利要求4所述的P码捕获装置，其特征在于，还包括寄存器，用于在捕获结束时，存储所述捕获的结果。
6.根据权利要求4所述的P码捕获装置，其特征在于，所述第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均采用20阶滤波器；
所述第一抽取滤波模块和第二抽取滤波模块均采用FIR滤波器的方式。
7.根据权利要求4所述的P码捕获装置，其特征在于，所述PMF组分为I-Q两组，每组均有N个PMF。
8.根据权利要求4所述的P码捕获装置，其特征在于，所述非相干累加模块的段数预先设置。
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