CN105141339B - 一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，该方法包括以下步骤：1、正交下变频后的基带接收信号与本地扩频码信号相关累积并在频域进行峰值检测；2、根据峰值检测结果判断接收信号中是否存在调制数据；3、存在调制数据时根据最大峰值和次大峰值检测结果确定实际多普勒频偏对应的谱线位置和功率；4、无调制数据时以最大峰值位置对应于实际多普勒频偏；5、进行捕获是否成功判断；6、输出捕获结果。该方法根据接收信号和本地信号的相关累积结果进行分析，判断接收信号中是否存在调制数据，然后对无调制数据和有调制数据的两种情况采用相应的多普勒频偏定位方法，实现适用于两种情况的信号捕获，方法实现简单且捕获性能好。
Description
技术领域
本发明涉及测控技术领域，特别涉及一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，用于在航天器扩频接收机上实现兼容无调制数据和调制‘1’、‘0’交替数据的两种捕获序列模式。
背景技术
目前，直接序列扩频测控体制在中继测控领域以及地基测控领域有着广泛的应用，航天器测控有着接收电平动态范围大、频率多普勒动态范围大等特点，随着航天器对扩频体制测控产品捕获性能的要求不断提高，需要研制一种能够同时兼容无调制数据和调制‘1’、‘0’交替数据的两种捕获序列模式的航天器测控产品。
针对上述需求，提出了一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，通过航天器型号测控产品功能性能测试、环境试验等，充分验证了该方法的有效性和可行性。
(1)查阅文献，查阅了万方数据库、国外报告数据库、国防科技信息资源服务系统，国家科技图书文献中心等相关系统，在目前所能查到的相关文献资料中，关于捕获跟踪方法中消除数据跳变对信号捕获判决的影响，研究较多的是相干积分中数据比特跳变的问题，即在弱信号捕获时，要加长相干积分时间，积分结果就会受到数据比特跳变的影响。针对这一问题，很多文献提出了相应的解决方法，采用的主要是先猜后检测的方法，首先考虑到数据比特的值只有0和1两种可能，先猜后检法在猜定当前比特值分别为0与1的两种情况下，继续相干积分，其中一个相干积分是加法运算，而另一个实际上是减法计算，考虑到其中一种必定是正确的，而另一种又必定是错误的，检验、比较两个相干积分结果，其中绝对值较大的一个被认为是相应于当前比特值被正确猜中的相干积分结果。比如:
《A Software GPS Receiver for Weak Signals》(作者：D.M.Lin,J.B.Y.Tsui)，该论文介绍了捕获方法中相干积分时间T为10ms(数据速率为50bps)，数据比特和比特边缘未知。分别计算两个累积，它们间隔10ms，将20ms的采样分成两部分。然后，再将相应的每个10ms进行非相干积分。这种方法能保证至少有一组不含有数据翻转，本文将它称为半比特法。
《Block Acquisition of Weak GPS Signals in a Software Receiver》(作者:M.L.Psiaki)；用20ms的相干积分(数据速率为50bps)，然后进行非相干积分，称之为全比特法。由于不知道数据比特的翻转位置，要在每个可能的比特边缘位置开始积分，这样就会形成20组结果。含有最大值的那组开始未知，就是正确的比特边缘位置。
《基于FFT的直扩系统中弱信号捕获方法》(作者：李达飞)；文章采用多段数据延时的方法解决了相关累加过程中跨越数据跳变沿的问题。对接收到的数据以一个伪码周期为间隔，每次存储一个数据位长度的数据进行相关累加运算，这样就得到N个相关结果，这些结果中肯定有一个不含有数据跳变沿，即求出这一系列相关累加结果中的最大值就是不受跳变影响的有效数据。
传统的先猜后检测的方法，虽然可以消除符号的影响，一方面需要大量冗余的计算，复杂度高，另一方面,随着数据速率的增加,以上检测方法实现起来会变得越来越复杂。
《消除数据调制影响的FFT捕获方法》(作者：张国良)，一文中提出了一种解决此问题的方法:通过对I和Q两路信号的运算，构造一个不受数据调制影响的复信号，对此信号作FFT完成捕获。但该方法是通过大量增加运算(乘法次数)的复杂度来消除数据调制的影响的，不宜用于工程FPGA实现。
(2)查询专利，在国家专利局专利数据库查询中输入“符号影响”，“数据跳变”，“信号捕获”，“数据调制”等关键词，均未查到与本专利相似的专利。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术不足，提出一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，该方法根据接收信号和本地信号的相关累积结果进行分析，判断接收信号中是否存在调制信号，然后对无调制信号和有调制信号的两种情况采用相应的多普勒频偏定位方法，实现适用于两种情况的信号捕获，方法实现简单且捕获性能好。
本发明的上述目的通过如下方案实现：
一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，包括以下步骤：
(1)、将接收信号与本地扩频码信号进行相关累积计算，然后在频域对所述相关累积结果进行功率峰值检测，记录检测得到的最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2，以及所述最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现的位置KPEAK1和KPEAK2；其中KPEAK1和KPEAK2为正整数且取值范围均为0～N，N为相关累积结果在频域的谱线个数；
(2)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的数值，以及所述两个峰值出现的位置关系，判断接收信号中是否存在调制数据，其中：如果接收信号中存在调制数据，则进入步骤(3)；如果接收信号中不存在调制数据，则进入步骤(4)；
(3)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现的位置KPEAK1和KPEAK2，确定实际多普勒频偏对应的谱线位置Kdop，并计算得到所述谱线的功率值Vdop，然后进入步骤(5)；
(4)、最大峰值VPEAK1出现的位置对应于实际多普勒频偏，即实际多普勒频偏对应谱线的功率值Vdop＝VPEAK1，然后进入步骤(5)；
(5)、将实际多普勒频移对应谱线的功率值Vdop与设定的捕获门限Vth进行比较：如果Vdop≥Vth，则判断捕获成功，进入步骤(6)；如果Vdop<Vth，则判断捕获失败，调整本地扩频码信号的相位，并返回步骤(1)；
(6)、输出捕获结果。
上述的消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，在步骤(2)中，根据如下方法判断接收信号是否存在调制数据：
(2a)、判断最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的比例关系，其中：如果VPEAK1<A×VPEAK2，则进入步骤(2b)；如果VPEAK1≥A×VPEAK2，则进入步骤(2g)；其中，A为设定的比例系数；
(2b)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现位置进行如下判断，其中：
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2都出现在中心谱线的同一侧，即：0≤KPEAK1<N/2且0≤KPEAK2<N/2，或者N/2≤KPEAK1<N且N/2≤KPEAK2<N，则进入步骤(2c)；
如果最大峰值VPEAK1出现在中心谱线的左侧且次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的右侧，即0≤KPEAK1<N/2且N/2≤KPEAK2<N，则进入步骤(2d)；
如果最大峰值VPEAK1出现在中心谱线的右侧且次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的左侧，即N/2≤KPEAK1<N且0≤KPEAK2<N/2，则进入步骤(2e)；
(2c)、如果M-B<|KPEAK1-KPEAK2|<M+B，则进入步骤(2f)；如果|KPEAK1-KPEAK2|≤M-B或|KPEAK1-KPEAK2|≥M+B，则进入步骤(2g)；其中，M＝(N×Rb)/Fs，Rb为设定的调制数据速率，Fs为系统FFT采样频率，B设定的正整数；
(2d)、如果M-B<N-KPEAK2+KPEAK1<M+B，则进入步骤(2f)；如果N-KPEAK2+KPEAK1≤M-B或N-KPEAK2+KPEAK1≥M+B，则进入步骤(2g)；
(2e)、如果M-B<N-KPEAK1+KPEAK2<M+B，则进入步骤(2f)；如果N-KPEAK1+KPEAK2≤M-B或N-KPEAK1+KPEAK2≥M+B，则进入步骤(2g)；
(2f)、判断接收信号中存在调制数据，然后进入步骤(2h)；
(2g)、判断接收信号中不存在调制数据，然后进入步骤(2h)；
(2h)、结束。
上述的消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，在步骤(2a)中，比例系数A的取值范围为：2≤A≤8。
上述的消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，在步骤(2c)中，正整数B＝1或2。
上述的消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，在步骤(3)中，在接收信号中存在调制数据时，通过如下方法确定实际多普勒频偏对应的谱线位置Kdop：
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2都出现在中心谱线的同一侧，即：0≤KPEAK1<N/2且0≤KPEAK2<N/2，或者N/2≤KPEAK1<N且N/2≤KPEAK2<N，则Kdop＝(KPEAK1+KPEAK2)/2；
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的两侧，即：0≤KPEAK1<N/2且N/2≤KPEAK2<N，或者N/2≤KPEAK1<N且0≤KPEAK2<N/2，则Kdop＝(KPEAK1+KPEAK2-N)/2。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)、本发明采用相关峰检测结果判断接收信号中是否存在调制数据，且判断结果不受数据与扩频码之间的相位关系影响，并且对调制数据的速率无要求，相对于现有技术中的调制信号判断方法，本发明避免了数据与扩频码相位不相干或调制数据速率变化给扩频信号捕获带来的不利影响；
(2)、本发明对有调制信号和无调制信号的情况进行分别处理，通过相关峰检测结果确定实际多普勒频偏对应的谱线位置，可以适用于无调制数据情况，也能适应“1”、“0”交替的调制数据情况，对两种捕获序列模式的兼容性较好；
附图说明
图1a为接收信号中无调制数据时的相关峰检测仿真结果；
图1b为接收信号中有调制了“1”、“0”交替数据时相关峰检测仿真结果；
图2为本发明的消除数据符号影响的扩频信号捕获方法处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
在扩频信号捕获处理中，对信号的捕获包括多普勒载波捕获以及扩频码相位捕获。航天器产品具有多普勒频率动态范围较大的特点，因此通常采用频域并行搜索的部分相关FFT算法。该方法进行扩频信号捕获时，发送端若无调制数据，当本地产生伪码相位与接收信号的伪码相位对齐，FFT运算结果有单一峰值，通过合理设置相应门限即可检测到该峰值出现的位置，该位置就是实际多普勒频偏，如图1a所示；但是如果发送端信号调制了‘1’、‘0’交替数据，本地扩频码信号相位发生频谱扩散，产生多个频谱，且最大峰值也不是实际多普勒频偏，如图1b所示。
针对以上出现的问题，本发明提出了一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，该方法通过峰值检测结果判断接收信号中是否存在调制信号，然后根据有无调制信号的两种情况，采用相应的实际多普勒频偏确定方法，实现信号捕获，如图2所示的方法处理流程图，本发明的捕获方法包括如下步骤：
(1)、将正交下变频后的基带接收信号与本地扩频码信号进行相关累积计算，然后在频域对所述相关累积结果进行功率峰值检测，即采用部分相关FFT算法实现峰值检测。根据检测结果，记录检测得到的最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2，以及所述最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现的位置KPEAK1和KPEAK2；其中KPEAK1和KPEAK2为正整数且取值范围均为0～N，N为相关累积结果在频域的谱线个数，即将所述结果转换到频域时的FFT变换点数；
(2)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的数值，以及所述两个峰值出现的位置关系，判断接收信号中是否存在调制数据，其中：如果接收信号中存在调制数据，则进入步骤(3)；如果接收信号中不存在调制数据，则进入步骤(4)；
理论上说，如果接收信号不存在调制数据，则最大峰值VPEAK1与其他谱线的功率值相差较大，而存在调制数据时，最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2大小相近，因此可以通过最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的比例关系判断出接收信号中是否存在调制数据。但是在算法实际实现过程中，由于FFT运算存在栅栏效应，因此即使接收信号中不存在调制数据，也有可能出现最大峰值与次大峰值功率相近的情况，为了避免栅栏效应的影响，还需要在VPEAK1<A×VPEAK2情况下对最大峰值和次大峰值的谱线位置即间隔进行进一步分析。因此在本发明中采用如下方法判断接收信号是否存在调制数据：
(2a)、首先判断最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的比例关系，其中：如果VPEAK1<A×VPEAK2，则进入步骤(2b)；如果VPEAK1≥A×VPEAK2，则进入步骤(2g)；其中，A为设定的比例系数，该比例系数A的取值范围会影响最大峰值和次大峰值是否相近的判断结果，在实际实现时可根据接收信号信噪比情况，选取A＝2,3，…8。
(2b)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现位置进行如下判断，其中：
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2都出现在中心谱线的同一侧，即：0≤KPEAK1<N/2且0≤KPEAK2<N/2，或者N/2≤KPEAK1<N且N/2≤KPEAK2<N，则进入步骤(2c)；
如果最大峰值VPEAK1出现在中心谱线的左侧且次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的右侧，即0≤KPEAK1<N/2且N/2≤KPEAK2<N，则进入步骤(2d)；
如果最大峰值VPEAK1出现在中心谱线的右侧且次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的左侧，即N/2≤KPEAK1<N且0≤KPEAK2<N/2，则进入步骤(2e)；
(2c)、如果M-B<|KPEAK1-KPEAK2|<M+B，则进入步骤(2f)；如果|KPEAK1-KPEAK2|≤M-B或|KPEAK1-KPEAK2|≥M+B，则进入步骤(2g)；其中，M＝(N×Rb)/Fs，Rb为设定的调制数据速率，Fs为系统FFT采样频率，B设定的正整数；
(2d)、如果M-B<N-KPEAK2+KPEAK1<M+B，则进入步骤(2f)；如果N-KPEAK2+KPEAK1≤M-B或N-KPEAK2+KPEAK1≥M+B，则进入步骤(2g)；
(2e)、如果M-B<N-KPEAK1+KPEAK2<M+B，则进入步骤(2f)；如果N-KPEAK1+KPEAK2≤M-B或N-KPEAK1+KPEAK2≥M+B，则进入步骤(2g)；
(2f)、判断接收信号中存在调制数据，然后进入步骤(2h)；
(2g)、判断接收信号中不存在调制数据，然后进入步骤(2h)；
(2h)、结束接收信号是否存在调制信号检测。
在步骤(2c)～(2d)中，涉及到整数B的设定，该整数B的设定原则如下：按照理论计算，不考虑FFT运算的栅栏效应，B应取1，但实际工程实现中，考虑到FFT运算的栅栏效应无法避免，需要设置B取2，若B大于2，则错捕概率将会增加。
(3)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现的位置KPEAK1和KPEAK2，确定实际多普勒频偏对应的谱线位置Kdop，并计算得到所述谱线的功率值Vdop，然后进入步骤(5)；
该步骤是在接收信号中存在调制数据时，确定实际多普勒频偏对应的谱线位置Kdop，具体确定方法如下：
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2都出现在中心谱线的同一侧，即：0≤KPEAK1<N/2且0≤KPEAK2<N/2，或者N/2≤KPEAK1<N且N/2≤KPEAK2<N，则Kdop＝(KPEAK1+KPEAK2)/2；
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的两侧，即：0≤KPEAK1<N/2且N/2≤KPEAK2<N，或者N/2≤KPEAK1<N且0≤KPEAK2<N/2，则Kdop＝(KPEAK1+KPEAK2-N)/2。
(4)、最大峰值VPEAK1出现的位置对应于实际多普勒频偏，即实际多普勒频偏对应谱线的功率值Vdop＝VPEAK1，然后进入步骤(5)；
(5)、将实际多普勒频移对应谱线的功率值Vdop与设定的捕获门限Vth进行比较：如果Vdop≥Vth，则判断捕获成功，进入步骤(6)；如果Vdop<Vth，则判断捕获失败，调整本地扩频码信号的相位，并返回步骤(1)；
(6)、输出捕获结果。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将接收信号与本地扩频码信号进行相关累积计算，然后在频域对所述相关累积结果进行功率峰值检测，记录检测得到的最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2，以及所述最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现的位置KPEAK1和KPEAK2；其中KPEAK1和KPEAK2为正整数且取值范围均为0～N，N为相关累积结果在频域的谱线个数；
(2)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的数值，以及所述两个峰值出现的位置关系，判断接收信号中是否存在调制数据，其中：如果接收信号中存在调制数据，则进入步骤(3)；如果接收信号中不存在调制数据，则进入步骤(4)；
其中，上述判断接收信号中是否存在调制数据的具体实现方法如下：
(2a)、判断最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2的比例关系，其中：如果VPEAK1<A×VPEAK2，则进入步骤(2b)；如果VPEAK1≥A×VPEAK2，则进入步骤(2g)；其中，A为设定的比例系数；
(2b)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现位置进行如下判断，其中：
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2都出现在中心谱线的同一侧，即：0≤KPEAK1<N/2且0≤KPEAK2<N/2，或者N/2≤KPEAK1<N且N/2≤KPEAK2<N，则进入步骤(2c)；
如果最大峰值VPEAK1出现在中心谱线的左侧且次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的右侧，即0≤KPEAK1<N/2且N/2≤KPEAK2<N，则进入步骤(2d)；
如果最大峰值VPEAK1出现在中心谱线的右侧且次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的左侧，即N/2≤KPEAK1<N且0≤KPEAK2<N/2，则进入步骤(2e)；
(2c)、如果M-B<|KPEAK1-KPEAK2|<M+B，则进入步骤(2f)；如果|KPEAK1-KPEAK2|≤M-B或|KPEAK1-KPEAK2|≥M+B，则进入步骤(2g)；其中，M＝(N×Rb)/Fs，Rb为设定的调制数据速率，Fs为系统FFT采样频率，正整数B＝1或2；
(2d)、如果M-B<N-KPEAK2+KPEAK1<M+B，则进入步骤(2f)；如果N-KPEAK2+KPEAK1≤M-B或N-KPEAK2+KPEAK1≥M+B，则进入步骤(2g)；
(2e)、如果M-B<N-KPEAK1+KPEAK2<M+B，则进入步骤(2f)；如果N-KPEAK1+KPEAK2≤M-B或N-KPEAK1+KPEAK2≥M+B，则进入步骤(2g)；
(2f)、判断接收信号中存在调制数据，然后进入步骤(2h)；
(2g)、判断接收信号中不存在调制数据，然后进入步骤(2h)；
(2h)、结束；
(3)、根据最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现的位置KPEAK1和KPEAK2，确定实际多普勒频偏对应的谱线位置Kdop，并计算得到所述谱线的功率值Vdop，然后进入步骤(5)；
(4)、最大峰值VPEAK1出现的位置对应于实际多普勒频偏，即实际多普勒频偏对应谱线的功率值Vdop＝VPEAK1，然后进入步骤(5)；
(5)、将实际多普勒频移对应谱线的功率值Vdop与设定的捕获门限Vth进行比较：如果Vdop≥Vth，则判断捕获成功，进入步骤(6)；如果Vdop<Vth，则判断捕获失败，调整本地扩频码信号的相位，并返回步骤(1)；
(6)、输出捕获结果。
2.根据权利要求1所述的一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，其特征在于：在步骤(2a)中，比例系数A的取值范围为：2≤A≤8。
3.根据权利要求1所述的一种消除数据符号影响的扩频信号捕获方法，其特征在于：在步骤(3)中，在接收信号中存在调制数据时，通过如下方法确定实际多普勒频偏对应的谱线位置Kdop：
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2都出现在中心谱线的同一侧，即：0≤KPEAK1<N/2且0≤KPEAK2<N/2，或者N/2≤KPEAK1<N且N/2≤KPEAK2<N，则Kdop＝(KPEAK1+KPEAK2)/2；
如果最大峰值VPEAK1和次大峰值VPEAK2出现在中心谱线的两侧，即：0≤KPEAK1<N/2且N/2≤KPEAK2<N，或者N/2≤KPEAK1<N且0≤KPEAK2<N/2，则Kdop＝(KPEAK1+KPEAK2-N)/2。
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