CN105158779A - 一种改进的pmf_fft的pn码捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的PMF_FFT的PN码捕获方法，首先实现接收信号的下变频，然后实现接收信号与本地码的分段相关，对分段相关得到的P个累加和进行L点FFT，重复进行K次非相干积分后检测非相干积分结果的峰值是否超过门限，若超过门限则FFT峰值对应的频率为多普勒频率，相应的码初相位为接收信号的码相位。本发明提高了捕获灵敏度，减少了捕获所需的时间和算法所需的运算量。

Description

一种改进的PMF_FFT的PN码捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，涉及卫星导航接收机中信号捕获的一种算法。

背景技术

在GPS软件接收机中，为了接收到卫星发送的导航电文，必须实现对GPS信号的稳定精密跟踪，即跟踪环路能够迅速的牵入并保持锁定状态。这就要求接收机能够迅速并较为准确的估计出GPS信号的码相位和多普勒频率，即对PN码的捕获是同时对伪码相位和频率进行二维搜索的过程。

对信号进行码相位和载波多普勒二维搜索是卫星导航接收机中捕获算法的关键环节。传统二维搜索方法的基本步骤是：首先固定一个多普勒频偏值，而后依次对本地码进行移位，每移位一次可得到相应的积分值；当本地码完成一轮移位后，更换下一个频偏值，重复上述过程直至所有频率点全部搜索完成。这种传统的搜索方面占用资源较少，但捕获速度较慢。而基于FFT的并行捕获算法所需资源较多，实现难度较大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于部分匹配滤波器和FFT相结合的捕获算法(PMF-FFT)，能够在提高捕获速度，并减小运算量，是一种易于工程实现的算法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、将AD采样后的接收信号s_IF(n)进行下变频，n为采样点序号，n＝0,1,2,…,N-1，N为采样点数，用于下变频的本地正交载波信号s_LO(n)＝I_LO(n)+jQ_LO(n)，其中I_LO(n)为I支路载波，Q_LO(n)为Q支路载波，将s_IF(n)与s_LO(n)相乘得到N点零中频信号s_0F(n)；

步骤二、将N点零中频信号s_0F(n)与N点本地码采样，将二者同时分为P段，每段长度为M，P≥4且N能被P整除；将每段中的本地码各采样点与零中频信号各采样点对应相乘后进行累加，共得到P个累加和；

步骤三、对P个累加和进行L点FFT，其中表示向上取整；

步骤四、保持本地码的码相位不变，重复步骤一和步骤二K次，K≥1，将K次FFT的结果取模后叠加，得到非相干积分结果；

步骤五、检测非相干积分结果的峰值是否超过设定的门限，若未超过门限则改变本地码的初相位，返回步骤一；若超过门限则非相干积分结果峰值对应的频率为多普勒频率，相应的码初相位为接收信号的码相位。

本发明的有益效果是：在进行PMF_FFT运算之后对FFT结果进行非相干积分的的捕获方法，与目前常用的PMF_FFT捕获方法相比载波跟踪方法相比，本方法的优点是通过非相干积分提高了捕获灵敏度。相比较于传统二维搜索算法，本方法由于采用FFT运算，无需在频率维进行搜索，从而大大减少捕获所需的时间。另一方面，相比较于基于FFT的并行捕获算法，由于在FFT之前进行了PMF运算，因而FFT点数大为减少，从而减少算法所需的运算量。

附图说明

图1是PN码捕获方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明采用图1所示的捕获方法，该捕获方法通过对PMF-FFT结果进行非相干积分的方式实现，步骤如下：

步骤一：实现接收信号的下变频

设经AD采样后的接收信号表示为s_IF(n)，n为采样点序号，n＝0,1,2,…,N-1，N为采样点数。用于下变频的本地正交载波信号为

s_LO(n)＝I_LO(n)+jQ_LO(n)

其中I_LO(n)为I支路载波，Q_LO(n)为Q支路载波。将采样信号与s_LO(n)相乘得到零中频信号s_0F(n)。

步骤二：实现接收信号与本地码的分段相关

将N点零中频信号s_0F(n)与N点本地码采样，将二者同时分为P段(P≥4且N能被P整除)，每段长度为M。将每段中的本地码各采样点与信号各采样点对应相乘后进行累加，得到P个累加和。

步骤三：对P个累加和进行L点FFT

将P个累加和进行FFT的目的是将其变换到数字频域，以便于对其多普勒频偏进行检测。取其中表示向上取整。

步骤四：进行K次非相干积分

保持本地码的码相位不变，重复步骤一和步骤二K(K≥1)次，将K次FFT的结果取模后叠加。

步骤五：门限检测

检测非相干积分结果的峰值是否超过门限，若未超过门限则改变本地码的初相位再次进行搜索，若超过门限则FFT峰值对应的频率为多普勒频率，相应的码初相位为接收信号的码相位。

本实施例是一种将FFT结果进行非相干积分的的捕获方法，具体实施方式如下。

●步骤一：实现接收信号的下变频

用于下变频的本地载波为s_LO(n)＝I_LO(n)+jQ_LO(n)

$I_{LO}\left(n\right)=cos\left(2\mathrm{\π}\frac{f_0}{F_s}n\right),Q_{LO}\left(n\right)=\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{f_0}{F_s}n\right),$ f₀为载波频率，F_s为采样率，F_s≥2f₀。设接收到的数字中频信号可以表示为：

$s_{IF}\left(n\right)=c\left(n\right)e^{j\[2\mathrm{\π}(f_d+f_0)n/F_s\]}---\left(1.1\right)$

其中c(n)为发射信号中的PN码，f_d为多普勒频率。下变频后得到零中频信号：

$s_{0F}\left(n\right)=c\left(n\right)e^{j\[2{\mathrm{\πf}}_{d}n/F_s\]}---\left(1.2\right)$

●步骤二：实现接收信号与本地码的分段相关：

将s_0F(n)分为P段，每段M点并表示为s_0F(m,p)，其中m＝0,1,2,…,M-1,p＝0,1,2,…,P-1。类似地，分段后本地码c_LO(n)表示为c_LO(m,p)，则接收信号与本地码相乘的结果为：

$s_{corr}(m,p)=d(m,p)e^{j\[2{\mathrm{\πf}}_{d}n/F_s\]}---\left(1.3\right)$

d(m,p)＝c(m,p)×c_LO(m,p)(1.4)

其中p＝0,1,…,P-1,m＝0,1,…,M-1，ω_d＝πf_d/F_s。将s_corr(m,p)进行分段累加，得到的P个累加值为：

$s_{acc}\left(p\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}d(m,p)e^{j\[2{\mathrm{\ω}}_d(pN+n)\]}---\left(1.5\right)$

●步骤三：对P个累加值进行L点FFT：

快速傅里叶变换(Fast-Fourier-Transform)是一种是离散傅氏变换的快速算法，特别适用于数字系统实时信号分析与处理。其计算公式为：

$S\left(l\right)=\underset{p=0}{\overset{P-1}{\Σ}}{s}_{acc}\left(p\right)e^{-j2\mathrm{\π}\frac{pl}{P}},l=0,1,2,...,L-1---\left(1.6\right)$

●步骤四：进行K次非相干积分

设第k次FFT得到的结果为S_k(l)，则L次相干积分可以表示为：

$S_{nonacc}\left(l\right)=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Σ}}{\left|S_k\left(l\right)\right|}^2---\left(1.7\right)$

●步骤五：检测FFT结果的峰值是否超过门限

门限T_a＝E[S_nonacc(l)]，其中E[·]表示求均值运算。若S_nonacc(l)的峰值超过T_a，则说明对应码相位偏移量恰好为接收信号中伪随机码的相位值，而FFT峰值处对应的频率值即为多普勒频率，意味着对PN信号的捕获成功。得到的码相位和多普勒频率可提供给跟踪环路作为初始参数，继续后续处理。否则，对本地码序列c_LO(n)向后平移一个采样点，重新返回步骤一。

Claims (1)

1.一种改进的PMF_FFT的PN码捕获方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、将AD采样后的接收信号s_IF(n)进行下变频，n为采样点序号，n＝0,1,2,…,N-1，N为采样点数，用于下变频的本地正交载波信号s_LO(n)＝I_LO(n)+jQ_LO(n)，其中I_LO(n)为I支路载波，Q_LO(n)为Q支路载波，将s_IF(n)与s_LO(n)相乘得到N点零中频信号s_0F(n)；

步骤二、将N点零中频信号s_0F(n)与N点本地码采样，将二者同时分为P段，每段长度为M，P≥4且N能被P整除；将每段中的本地码各采样点与零中频信号各采样点对应相乘后进行累加，共得到P个累加和；

步骤三、对P个累加和进行L点FFT，其中表示向上取整；

步骤四、保持本地码的码相位不变，重复步骤一和步骤二K次，K≥1，将K次FFT的结果取模后叠加，得到非相干积分结果；

步骤五、检测非相干积分结果的峰值是否超过设定的门限，若未超过门限则改变本地码的初相位，返回步骤一；若超过门限则非相干积分结果峰值对应的频率为多普勒频率，相应的码初相位为接收信号的码相位。