CN104485976B

CN104485976B - 一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法

Info

Publication number: CN104485976B
Application number: CN201410754503.8A
Authority: CN
Inventors: 王明; 马国宁; 贺寓东; 解楠; 谌波
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: CN104485976A

Abstract

本发明公开了一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法，涉及无线测控通信技术领域，将中频模拟信号进行ADC采样得到数字信号，数字信号送入多频率槽处理单元，每个频率槽处理单元采用基于相干累积的FFT捕获算法对内码、外码进行遍历得到相关结果，最后对所有频率槽处理单元的相关结果进行检测判决，得到码相位与多普勒频率信息。本发明可实现复杂信道环境下伪码的快速捕获和载波的估计，根据复合码M×M复合的特点，实现复合码扩频信号内外码同时捕获，兼顾多普勒频移的不确定性，形成内码、外码和多普勒频率的三维搜索过程，最终得到伪码相位与多普勒频率信息。

Description

一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法

技术领域

本发明涉及无线测控通信技术领域，确切地说涉及一种快速、可靠、同步实时性要求比较高的复合码扩频信号捕获方法，尤指在低信噪比高动态环境下的复合码扩频信号快速捕获。

背景技术

扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机码调制,实现频谱扩展后再传输,接收端则采用同样的编码进行解调和相关处理,恢复原始信息数据。伪随机码一般采用具有尖锐的自相关特性和良好的互相关特性的码类型，比如复合码。复合码是由外码m序列和内码m序列通过“一次扩频”的方式复合而成，如图1所示。扩频信号的捕获指找到本地参考码和接收码相位差小于一个码元宽度的位置，且收发码时钟基本一致，同时使载波相互对准，得到伪码相位与初始多普勒频率信息。

作者任宇飞、程乃平，在期刊名为《国外电子测量技术》的期刊上发表了一篇篇名为“高动态扩频信号快速捕获技术研究”的期刊文件，其发表日期为2009年7月第28卷第7期，主要研究了两种高动态扩频信号快速捕获的方法,即基于FFT的频域(载波)并行捕获法和基于FFT的时域(伪码)并行捕获法,并使用MATLAB进行了仿真和比较。仿真结果表明:基于FFT的频域并行捕获可捕获较大的频偏并跟踪一定的频率变化率,可用于卫星变轨等高动态、高加速度等飞行过程。而基于FFT的时域并行捕获可快速捕获码相位,用于在轨飞行的飞行器,可根据轨道参数提前预报其多普勒频偏,但同时需要精密测距的飞行过程。

在以上述专利文献为代表的现有技术方案中，伪码捕获的方法基本上都是将接收的扩频信号与本地扩频码序列求相关，通过相关结果的大小来判定它们的相位是否对齐，若未对齐则改变它们的相位再求相关，直至在相位不确定度范围内捕获到接收信号的相位为止。由于多普勒频移不确定度的存在，对伪码的捕获过程是一个在时间域和频域的二维搜索过程。而对于复合码捕获，采用传统扩频序列的捕获算法，把复合码按照普通长码进行处理，以传统的半个码片为单位进行码元的搜索，所需要的捕获时间非常长。采用先内码后外码的捕获方法，外码没有解扩的前提下只有仅限于内码单个码片宽度的相干累积时间，无法实现低信噪比下的信号捕获。一方面，对于高动态、而且扩频信号连续闪断的环境，对捕获时间要求非常苛刻。另一方面，对于远距离通信，扩频信号非常弱，对捕获灵敏度要求非常高。在这样复杂的信道环境下，还没有快速、可靠捕获复合码扩频信号的方法。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法，可实现复杂信道环境下伪码的快速捕获和载波的估计，根据复合码M×M复合的特点，实现复合码扩频信号内外码同时捕获，兼顾多普勒频移的不确定性，形成内码、外码和多普勒频率的三维搜索过程，最终得到伪码相位与多普勒频率信息。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法，其特征在于：将中频模拟信号进行ADC采样得到数字信号，数字信号送入多频率槽处理单元，每个频率槽处理单元采用基于相干累积的FFT捕获算法对内码、外码进行遍历得到相关结果，最后对所有频率槽处理单元的相关结果进行检测判决，得到码相位与多普勒频率信息。

每个频率槽处理单元主要由数字下变频模块、半码片延时处理模块、内码多相位部分相干模块、并串转换模块、读存储器时序控制模块、外码解扩控制模块、外码解扩与FFT计算模块，和FFT结果分析模块组成；其中：经过ADC采样后的数字信号送入多频率槽处理单元后，首先用数字下变频模块进行数字下变频得到基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，半码片延时处理模块将基带复信号经过2M个半码片延时控制后，得到2M路基带复信号r_m(k)(m=1、2、3，…，2M-1)，内码多相位部分相干模块中的内码发生器根据内码NCO产生本地内码,将本地内码与2M路基带复信号相乘，去除基带复信号的内码得到去除内码的基带复信号l_m(k)(m=1、2、3，…，2M-1),分别对2M路基带复信号进行相干累积，累积时间长度为一个内码周期M×TmA，也就是一个外码码片的长度TmB，将不同相位的相干累积结果用2M路存储器进行缓存，缓存的深度N取决于需要累积的信噪比、动态特性。

外码解扩采用高速率时钟对2M路存储器进行轮流循环读取，并由外码解扩控制模块对读存储器时序控制模块和外码发生器进行控制，将并串转换的结果与所有的外码相位进行相关解扩，对相关后的结果进行P路FFT运算，将P路FFT计算的结果进行处理判决得到最大相关结果，以及最大相关结果对应的码相位和多普勒频率。

对外码解扩的并行度P取决于硬件资源占用率，例如对于M×M的复合码，总共有2M路存储着不同内码相位的存储器，当P=M时意味着所有的外码解扩可以全部并行，捕获时间最短，但资源消耗比较多。可以折中选择P，循环操作存储器M/P次就可以完成所有外码的解扩。

所有频率槽处理单元得到的相关结果及伪码和多普勒信息送入检测判决模块后，检测判决模块找到所有处理单元中最大的相关峰与自适应门限模块得到的门限进行对比，得到当前复合码扩频信号中伪码的相位和多普勒信息。其中频率槽处理单元的个数和扩频信号的动态特性密切相关，可根据需求分析后可进行相应的调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、在本发明中，根据复合码M×M的特点，相干累积时间刚好取一个外码码片的长度，对相干累积后的数据与外码解扩后进行N点FFT运算，实现了内外码同时解扩，提升了捕获过程信号相干累积的信噪比，克服了弱复合码扩频信号下的捕获灵敏度，同时克服了传统的将复合码按照半码片搜索2×M×M个相位无法降低捕获时间的弱点。

2、在本发明中，根据复合码扩频信号的动态特性，采用多频率槽的并行搜索实现技术，与基于相干累积的FFT捕获算法融合形成内码、外码和多普勒频率的三维搜索过程，实现了高动态弱复合码扩频信号下的快速捕获。克服了频率串行搜索或搜索频带窄导致捕获时间较长的弱点。

3、在本发明中，在硬件实现与所有的外码相位进行相关解扩时，对外码解扩的并行度P进行合理折中考虑，可以灵活调整并行度P适应于不同硬件平台需求或不同应用场合下的指标需求，实现架构简单，易于工程实现。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明复合码复合过程框图；

图2为本发明复合码扩频信号捕获实现总体框图；

图3为本发明复合码外码解扩实现框图。

具体实施方式

本发明提出了一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法，可实现复杂信道环境下伪码的快速捕获和载波的估计，根据复合码M×M复合的特点，实现复合码扩频信号内外码同时捕获，兼顾多普勒频移的不确定性，形成内码、外码和多普勒频率的三维搜索过程，最终得到伪码相位与多普勒频率信息。具体实现方案如下：

复合码扩频信号捕获实现总体框图如图2所示。将中频模拟信号进行ADC采样得到数字信号，数字信号送入多频率槽处理单元，每个频率槽处理单元采用基于相干累积的FFT捕获算法对内码、外码进行遍历得到相关结果，最后对所有频率槽处理单元的相关结果进行检测判决，得到码相位与多普勒频率信息。每个频率槽处理单元主要由数字下变频模块、半码片延时处理模块、内码多相位部分相干模块、并串转换模块、外码解扩控制模块、外码解扩与FFT计算模块、FFT结果分析模块组成。

经过ADC采样后的数字信号送入多频率槽处理单元后，首先进行数字下变频得到基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，基带复信号经过2M个半码片延时控制后，得到2M路基带复信号r_m(k)(m=1、2、3，…，2M-1)。内码发生器根据内码NCO产生本地内码,将本地内码与2M路基带复信号相乘，去除基带复信号的内码得到去除内码的基带复信号l_m(k)(m=1、2、3，…，2M-1),分别对2M路基带复信号进行相干累积，累积时间长度为一个内码周期M×TmA，也就是一个外码码片的长度TmB。将不同相位的相干累积结果用2M路存储器进行缓存，缓存的深度N取决于需要累积的信噪比、动态特性。

外码解扩实现框图如图3所示。采用高速率时钟对2M路存储器进行轮流循环读取，并由外码解扩控制模块对读存储器控制时序和外码发生器进行控制，循环与所有的外码相位进行相关解扩，对相关后的结果进行P路FFT运算，将P路FFT计算的结果进行处理判决得到最大相关结果，以及最大相关结果对应的码相位和多普勒频率。对外码解扩的并行度P取决于硬件资源占用率，例如对于M×M的复合码，总共有2M路存储着不同内码相位的存储器，当P=M时意味着所有的外码解扩可以全部并行，捕获时间最短，但资源消耗比较多。可以折中选择P，循环操作存储器M/P次就可以完成所有外码的解扩。

所有频率槽处理单元得到的相关结果及伪码和多普勒信息送入检测判决模块后，检测判决模块找到所有处理单元中最大的相关峰与自适应门限模块得到的门限进行对比，便可得到当前复合码扩频信号中伪码的相位和多普勒信息，其中频率槽处理单元的个数和扩频信号的动态特性密切相关，可根据需求分析后可进行相应的调整。

基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，其中I(k)为同相支路，Q(k)为正交支路，j为纯虚数。

r_m(k)表示经过延迟处理后的基带复信号。

l_m(k)表示对r_m(k)信号进行处理剥离内码后的基带复信号。

Claims

1.一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法，其特征在于：将中频模拟信号进行ADC采样得到数字信号，数字信号送入多频率槽处理单元，每个频率槽处理单元采用基于相干累积的FFT捕获算法对内码、外码进行遍历得到相关结果，最后对所有频率槽处理单元的相关结果进行检测判决，得到码相位与多普勒频率信息；

每个频率槽处理单元主要由数字下变频模块、半码片延时处理模块、内码多相位部分相干模块、并串转换模块、外码解扩控制模块、外码解扩与FFT计算模块，和FFT结果分析模块组成；其中：经过ADC采样后的数字信号送入多频率槽处理单元后，首先用数字下变频模块进行数字下变频得到基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，半码片延时处理模块将基带复信号经过2M个半码片延时控制后，得到2M路基带复信号r_m(k),m=1、2、3，…，2M-1，内码多相位部分相干模块中的内码发生器根据内码NCO产生本地内码,将本地内码与2M路基带复信号相乘，去除基带复信号的内码得到去除内码的基带复信号l_m(k),m=1、2、3，…，2M-1,分别对2M路基带复信号进行相干累积，累积时间长度为一个内码周期M×TmA，也就是一个外码码片的长度TmB，将不同相位的相干累积结果用2M路存储器进行缓存，缓存的深度N取决于需要累积的信噪比、动态特性；

外码解扩采用高速率时钟对2M路存储器进行轮流循环读取，并由外码解扩控制模块对由外码解扩控制模块对读存储器控制时序和外码发生器进行控制，将并串转换的结果与所有的外码相位进行相关解扩，对相关后的结果进行P路FFT运算，将P路FFT计算的结果进行处理判决得到最大相关结果，以及最大相关结果对应的码相位和多普勒频率。

2.根据权利要求1所述的一种高动态弱复合码扩频信号快速捕获方法，其特征在于：所有频率槽处理单元得到的相关结果及伪码和多普勒信息送入检测判决模块后，检测判决模块找到所有处理单元中最大的相关峰与自适应门限模块得到的门限进行对比，得到当前复合码扩频信号中伪码的相位和多普勒信息。