CN105162493B - 多普勒域和延迟域二维捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多普勒域和延迟域二维捕获方法及装置，属于直接序列扩频通信技术领域。该方法首先对直扩导频信号取FFT变换和圆周移位，然后与本地伪码的FFT变换序列相乘，经过IFFT变换，得到载波多普勒补偿的匹配滤波结果，然后使用内插拟合方法调整匹配滤波结果的采样速率，实现码多普勒补偿，内插拟合的输出结果经过非相干积累和门限判决，得到直扩导频信号的载波频偏和伪码相位。对比现有技术，本发明使用载波多普勒和码多普勒联合补偿的捕获方法，克服了传统捕获方法在高动态、大伪码长度、弱信号环境下的不足，通过内插拟合的方式修正了相关峰走动，从而避免非相干积累中的平台化效应，使捕获性能大幅度提高。

Description

多普勒域和延迟域二维捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及一种多普勒域和延迟域二维捕获方法，尤其适用于高动态、低信噪比环境下直接序列扩频系统导频信号的检测及搜索其多普勒频偏、码偏和伪码相位，属于直接序列扩频通信技术领域。

背景技术

直接序列扩频通信系统基带数字信号处理主要用到捕获和跟踪两个模块。捕获模块主要实现对接收信号载波频率和伪码相位的粗略估计，为跟踪模块的载波环和码环提供频率和码相位的初始值。

假设直接序列扩频通信的扩频码为c(l)，l＝0,1,2,…，L-1，L为扩频码长度。c(l)取值为0或1，采用无线电技术的惯例，c(l)＝0表示逻辑正，c(l)＝1表示逻辑负，并采用根升余弦脉冲成形，脉冲成形滤波器冲击函数为h(t)，则成形后的扩频码形状为

其中T_c为码片周期。

为了便于捕获，直接序列扩频通信的发射端往往在通信开始时发射一段导频信号，即只包含“1”信息码的扩频信号，使基带信号具有周期性。其基带信号形式如下所示：

其中T_s为码元周期，T_s＝LT_c；M为导频信号长度。由上式可知，S_b,s(t)是x(t)以T_s为周期重复M次的有限周期信号。

经过调制后，射频所发出的信号为，

S_send(t)＝cos(2πf_RFt)S_b,s(t)

上式中f_RF为射频频率，并且为了表达简洁方便，认为在发射时载波初相位和码初相位都为0。

经过无线传输过程的多普勒效应和信道延迟，到达接收端的直接序列扩频信号是：

S_rec(t)＝cos(2πf_RFδt+τ₀)S_b,s(δt+τ₀)

其中δ是由于多普勒效应所产生的时间系数，

v是通信的收发双方相对径向速度，相向运动时v为正，向背运动时v为负。c是无线电传播速度，一般认为是光速，且有v＜＜c。τ₀是码相位延迟。

接收机对射频信号进行I/Q两路正交下变频，得到正交基带信号

I(t)＝cos(2πf_RF(δ-1)t+τ₀)S_b,s(δt+τ₀)

Q(t)＝sin(2πf_RF(δ-1)t+τ₀)S_b,s(δt+τ₀)

且有

称r(t)为复基带信号，它包含两部分，载波残余和基带伪码S_b,s(δt+τ₀)。载波残余表现为复正弦波，其频率为称为载波多普勒偏移频率，简称频偏；基带伪码与发送端的基带信号相比具有两方面变化:首先其具有码相位延迟τ₀；其次伪码的形状也相对时间t发生了δ倍的展缩，从码片层面上看，伪码的码片速率从变成其差值 称为伪码多普勒偏移速率，简称为码偏。

由于常规的捕获过程包括对接收信号的载波频率和伪码相位这两个相对独立的参数进行二维搜索。

一种常用的捕获算法是基于快速傅里叶变换的捕获算法(邢方剑,程兰,谢刚等.一种基于快速傅里叶变换和圆周移位的捕获算法[J].科学技术与工程,2014,14(6):196-198,202.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2014.06.044.)，该算法利用了FFT的调制特性和圆周相关性质，其原理如下：

r(t)经过频率为f_s的采样，过采样率f_s/R_c为正整数，则每个码元周期得到的采样数为N＝(f_s/R_c)*L,则整段导频信号的正交基带采样序列为

以其连续N个采样点为一组，共分为M组，得到

n＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…,M-1

分别进行FFT变换，得到R_m(k)＝FFT[r_m(n)]，k＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…,M-1。

接收机生成本地基带采样序列：

并对其取FFT变换，得到

S_b,l(k)＝FFT[S_b,l(n)],k＝0,1,2,…,N-1

利用了FFT的调制特性和圆周相关性质，将R_m(k)圆周移位q位后，和S_b,l(k)的共轭逐点相乘，并取逆快速傅里叶变换，可得到

上其中表示圆周卷积运算。根据圆周卷积的性质，只有当即时，圆周卷积的结果才比较大，否则圆周卷积结果近似于0。通过FFT变换的圆周移位等效实现时域调制的过程称为频偏补偿。基于快速傅里叶变换的捕获算法正是利用了这一原理，通过不断改变R_m(k)圆周移位量q，检测逆快速傅里叶变换输出结果中是否出现峰值，来估计Δf。

当时，忽略由于分辨率带来的误差，认为

由于v＜＜c，忽略采样点之间的微小的相位展缩，认为因此，

根据伪码的自相关性质，可得出，|y_m(n)|的峰值出现在n＝(<τ₀f_s+δmN>)_N 处，基于快速傅里叶变换的捕获算法正是利用了这一原理，通过检测峰值位置，来估计τ₀。

在长距离、弱信号等诸多情况下，捕获模块往往需要通过非相干积累来抬高相关峰高度，以满足捕获准确度要求，但传统算法往往会忽略码偏带来的相关峰走动，在多普勒较大或伪码较长的情况下，相关峰走动会致使非相干累积出现平台化效应，给捕获精确度带来巨大影响。

平台化效应的原理是：如上文所述，|y_m(n)|的峰值出现在n＝(<τ₀f_s+δmN>)_N处，随着m的变化，峰值位置也会随之发生走动，当多普勒较小、伪码长度较短或非相干积累码元数较少时，传统算法往往忽略相关峰的走动，认为(<τ₀f_s+δmN>)_N＝(<τ₀f_s+mN>)_N＝(<τ₀f_s>)_N，所有相关峰都出现在n＝(<τ₀f_s>)_N处；但是在卫星通信等应用环境中，由于高动态、远距离、发射信号功率受限、通信保密需求高等原因，使得多普勒效应强，伪码较长且非相干积累码元数多，致使相关峰不再出现在同一个位置，而呈现小范围的平均分散，非相干积累结果呈现平台状，峰值明显削弱，使捕获精度受到严重影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统伪码捕获方法的不足，提供一种载波多普勒和码多普勒联合补偿方法，实现多普勒域和延迟域的二维捕获，可以保证在高动态、低信噪比条件下，直接序列扩频系统导频信号快速捕获成功。

本发明方法的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多普勒域和延迟域二维捕获方法，包括以下步骤：

1、接收机天线所接收到的导频信号，通过射频前端已完成正交解调及AD采样，并可能经过必要的降采样等步骤，以I/Q两路正交解调基带采样序列的形式提供给数字信号处理部分；I/Q两路正交解调基带采样序列所组成的复序列简称为输入信号r(n)，其形式如前文所述；

2、将r(n)分为M组，每组长度为N个采样，对每一组输入信号进行FFT变换，得到R_m(k)，m＝0,1,2,…,M-1，k＝1,2,…,N-1,N；

3、M组FFT序列被提供给并行搜索通道。共有P条搜索通道，根据一定的信道先验信息估计的频偏动态范围为(-Δf_max,Δf_max), 表示向上取整函数；

4、在搜索通道p中(p＝1,2,…P)，R_m(k)圆周移位q_p位，其中得到R_m((k+q_p))_N，并且与本地存储的本地基带采样序列FFT变换的共轭 逐点相乘，并进行IFFT变换，得到M组圆周相关结果；

5、在搜索通道p中，对步骤4所得到的M组圆周相关结果取模值，进行并串转换，使用插值拟合滤波器对其进行采样速率转换，将采样率从f_s变换到 插值拟合之后的序列经过必要的补零或删减之后，重新进行串并转换，分为M组，每组N个采样点，进行非相干积累；

6、所有搜索通道都有一相同的信号检测门限A，将所有搜索通道非相干积累结果与信号检测门限A进行比较，对所有超过检测门限A的相关峰，记录其峰值及其位置；

7、比较所有通道中的所有超过检测门限的相关峰，取其最大值，其对应通道的FFT变换圆周移位位数为q_max，其峰值在该通道非相干积累序列的下标为n_max，则频偏估计值为码相位估计值为

一种多普勒域和延迟域二维捕获装置，包括依次相连的串并转换/分组模块，FFT模块和多个并联的搜索通道模块以及判决模块；

所述串并转换/分组模块用于将输入信号以码元周期为单位进行分组，该模块原理是延迟-清零电路，串行的输入信号在此延迟缓存，经过1码元周期时间后，将缓存的信号并行输出给FFT模块，然后清零，开始接收下1码元周期的输入信号；

所述FFT模块用于对串并转换/分组模块输出的每一组输入信号进行快速傅里叶变换得到呈分组形式的输入FFT序列；

所述搜索通道用于对输入FFT序列进行圆周移位，并与本地伪码信号的快速傅里叶变换序列相乘，再通过逆快速傅里叶变换、取模值、内插拟合、分组累加和峰值检验，得到相关峰值及其位置；

所述判决模块用于对各搜索通道输出的相关峰进行比较，取其最大值，并根据其对应搜索通道的圆周移位量得到载波多普勒频偏估计值根据其相关峰 所处位置得到对码相位估计值作为捕获模块的输出。

作为优选，所述搜索通道模块进一步由依次相连的圆周平移单元、乘法单元、IFFT单元、取模单元、并串转换单元、插值拟合单元、串并转换单元、累加单元和门限检验单元组成；

所述圆周平移单元按照本搜索通道预设的平移量对分组形式的输入FFT序列进行圆周平移；

所述乘法单元调用预存的本地伪码FFT序列，与圆周平移单元的输出依次相乘；

所述IFFT单元对乘法单元的输出进行逆快速傅里叶变换；

所述取模单元对呈分组形式的IFFT单元输出进行取模值运算；

所述并串转换单元将取模单元输出的每个分组连缀起来，形成串行数据；

所述插值拟合单元根据本搜索通道预设的采样率变换比例对并串转换单元输出的串行数据进行插值拟合，达到信号速率调整的目的；

所述串并转换单元对插值拟合单元所输出的串行数据以码元周期为单位进行分组；

所述累加单元根据预设的积累码元数对串并转换单元输出的多组数据进行累加；

所述门限单元根据预设的门限值，对累加单元的输出结果进行检验，对所有超过门限的值，认为其为相关峰，记录其高度和在序列中的位置。

有益效果

对比传统的伪码捕获方法，本发明方法具有以下特点：

本发明使用载波多普勒和码多普勒联合补偿的捕获方法，克服了传统捕获方法在高动态、大伪码长度、弱信号环境下的不足，通过内插拟合的方式修正了相关峰走动，从而避免非相干积累中的平台化效应，使捕获性能大幅度提高。

附图说明

图1为本发明实施例多普勒域-延迟域二维捕获方法流程示意图；

图2为本发明实施例搜索通道具体实现原理流程示意图；

图3为无噪声情况下使用传统捕获方法和使用本实施例方法得到的非相干 积累一维相关峰仿真图；

图4为噪声情况下使用传统捕获方法得到的二维搜索平面仿真图；

图5为噪声情况下使用本实施例方法得到的二维搜索平面仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例以射频频率为f_RF＝2GHz、扩频序列长度L＝8192、码片速率为R_c＝13.1072Mchip/s，捕获所需的导频信号码元个数为M＝32、信号多普勒动态范围为为例，进一步说明本发明的多普勒域-延迟域二维捕获方法的详细实施步骤。如图1和图2所示。

1.在射频前端完成正交解调及采样率f_s为26.2144MHz的A/D采样，得到上面所述输入信号r(n)。

2.根据非相干积累次数为32次，即M＝32。将r(n)分为32组，每组长度为N＝(f_s/R_c)*L＝16384个采样。由于16384是2的整数幂次方，不需要补零就可以直接进行FFT变换。对每一组输入信号进行FFT变换，得到R_m(k)，k＝1,2,…,16384,m＝0,1,2,…,31。

3. 32组FFT序列被提供给并行搜索通道。根据信号多普勒动态范围，可计算出信号频偏动态范围为(-66.7kHz,66.7kHz),即Δf_max＝66.7kHz,因此共有条搜索通道。

4.在搜索通道p中(p＝1,2,…85)，R_m(k)圆周移位q_p位，其中q_p＝p-43，得到R_m((k+q_p))_N，并且与本地存储的本地基带采样序列FFT变换的共轭 逐点相乘，并进行IFFT变换，得到32组圆周相关结果，每种长度为16384。

5.在搜索通道p中，对步骤4所得到的32组圆周相关结果取模值，进行并串转换，使用插值拟合滤波器对其进行采样速率转换(如林茂六,尹宝智,刘治宇等.高速采样信号数字内插理论与正弦内插算法研究[J].电子学报,2000,28(12):8-10.DOI:10.3321/j.issn:0372-2112.2000.12.003.)，将 采样率从f_s变换到插值拟合之后的序列，如果长度大于MN则只截取前MN个采样，如果长度少于MN的则在最后补零补足MN个采样，然后重新进行串并转换，分为M组，每组N个采样点，进行非相干积累。

6.所有搜索通道都有一相同的信号检测门限A，所述门限由具体应用环境下多次仿真确定。将所有搜索通道非相干积累结果与信号检测门限A进行比较，对所有超过检测门限A的相关峰，记录其峰值及其位置。

7.比较所有通道中的所有超过检测门限的相关峰，取其最大值，其对应通道的FFT变换圆周移位位数为q_max，其峰值在该通道非相干积累序列的下标为n_max，则频偏估计值为码相位估计值为

根据上述方法制作的多普勒域和延迟域二维捕获装置如图1所示，包括依次相连的串并转换/分组模块，FFT模块和多个并联的搜索通道模块以及判决模块；

所述串并转换/分组模块用于将输入信号以码元周期为单位进行分组，该模块原理是延迟-清零电路，串行的输入信号在此延迟缓存，经过1码元周期时间后，将缓存的信号并行输出给FFT模块，然后清零，开始接收下1码元周期的输入信号。

所述FFT模块用于对串并转换/分组模块输出的每一组输入信号进行快速傅里叶变换得到呈分组形式的输入FFT序列；

所述搜索通道用于对输入FFT序列进行圆周移位，并与本地伪码信号的快速傅里叶变换序列相乘，再通过逆快速傅里叶变换、取模值、内插拟合、分组累加和峰值检验，得到相关峰值及其位置；

所述判决模块用于对各搜索通道输出的相关峰进行比较，取其最大值，并根据其对应搜索通道的圆周移位量得到载波多普勒频偏估计值根据其相关峰所处位置得到对码相位估计值作为捕获模块的输出。

如图2所示，所述搜索通道模块进一步由依次相连的圆周平移单元、乘法单元、IFFT单元、取模单元、并串转换单元、插值拟合单元、串并转换单元、累加单元和门限检验单元组成。

所述圆周平移单元按照本搜索通道预设的平移量对分组形式的输入FFT序列进行圆周平移。

所述乘法单元调用预存的本地伪码FFT序列，与圆周平移单元的输出依次相乘。

所述IFFT单元对乘法单元的输出进行逆快速傅里叶变换。

所述取模单元对呈分组形式的IFFT单元输出进行取模值运算。

所述并串转换单元将取模单元输出的每个分组连缀起来，形成串行数据。

所述插值拟合单元根据本搜索通道预设的采样率变换比例对并串转换单元输出的串行数据进行插值拟合，达到信号速率调整的目的。

所述串并转换单元对插值拟合单元所输出的串行数据以码元周期为单位进行分组。

所述累加单元根据预设的积累码元数对串并转换单元输出的多组数据进行累加。

所述门限单元根据预设的门限值，对累加单元的输出结果进行检验，对所有超过门限的值，认为其为相关峰，记录其高度和在序列中的位置。

试验结果

图3所示是在上述实施例的信号体制，省略噪声的情况下，当频偏Δf＝Δf_max＝66.7kHz时，使用传统捕获方法和使用本发明所述捕获方法，所得到的非相干积累一维相关峰对比图。

对比可见，使用传统捕获方法，非相关积累结果会出现平台化，因而使相关峰高度发生大幅度降低，而使用本发明所述的捕获方法则能避免平台化，使相关峰集中于同一处，从而提高相关峰高度。在本实施例中，使用本发明所述方法所得到的相关峰高度是使用传统方法相关峰高度5.3558倍，即本发明所述方法较传统捕获方法的噪声性能提高了7.2882dB。

图4是在上述实施例的信号体制，射频前端有白噪声，当频偏Δf＝Δf_max＝66.7kHz，噪声性能E_b/N₀＝6dB时，使用传统捕获方法，所得到的二维搜索平面仿真图。

图5是在上述实施例的信号体制，射频前端有白噪声，当频偏Δf＝Δf_max＝66.7kHz，噪声的E_b/N₀＝6dB时，使用本发明所述的捕获方法，所得到的二维搜索平面仿真图。

比较可知，在相同的多普勒频偏和信噪比下，使用传统捕获方法，相关峰已淹没在噪声之下，而使用本发明所述的捕获方法，相关峰超出于噪声之上。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多普勒域和延迟域二维捕获方法，其特征在于，包括训练步骤以及分割步骤，具体如下：

步骤一、接收机天线所接收到的导频信号，经正交解调及采样率为f_s的AD采样得到输入信号r(n)；

步骤二、将r(n)分为M组，每组长度为N个采样，对每一组输入信号进行FFT变换，得到R_m(k)，m＝0，1，2，...，M-1，k＝1，2，...，N-1，N；

步骤三、M组FFT序列被提供给P条并行搜索通道，其频偏动态范围为(-Δf_max，Δf_max),其中，Δf_max表示最大频偏，f_s表示输入信号的采样率， 表示向上取整函数；

步骤四、在搜索通道p中,p＝1，2，...，P，R_m(k)圆周移位q_p位，其中得到R_m((k+q_p))_N，并且与本地存储的本地基带采样序列FFT变换的共轭逐点相乘，并进行IFFT变换，得到M组圆周相关结果；(·)^*表示共轭函数；

步骤五、在搜索通道p中，对步骤四得到的M组圆周相关结果取模值，进行并串转换，使用插值拟合滤波器对其进行采样速率转换，将采样率从f_s变换到插值拟合之后的序列经过必要的补零或删减之后，重新进行串并转换，分为M组，每组N个采样点，进行非相干积累；其中，f_RF表示射频频率；

步骤六、所有搜索通道都有一相同的信号检测门限A，将所有搜索通道非相干积累结果与信号检测门限A进行比较，对所有超过检测门限A的相关峰，记录其峰值及其位置；

步骤七、比较所有通道中的所有超过检测门限的相关峰，取其最大值，其对应通道的FFT变换圆周移位位数为q_max，其峰值在该通道非相干积累序列的下标为n_max，则频偏估计值为 码相位估计值为

2.一种多普勒域和延迟域二维捕获装置，其特征在于，包括依次相连的串并转换/分组模块，FFT模块和多个并联的搜索通道模块以及判决模块；

所述串并转换/分组模块用于将输入信号以码元周期为单位进行分组，该模块原理是延迟-清零电路，串行的输入信号在此延迟缓存，经过1码元周期时间后，将缓存的信号并行输出给FFT模块，然后清零，开始接收下1码元周期的输入信号；

所述FFT模块用于对串并转换/分组模块输出的每一组输入信号进行快速傅里叶变换得到呈分组形式的输入FFT序列；

所述搜索通道用于对输入FFT序列进行圆周移位，并与本地伪码信号的快速傅里叶变换序列相乘，再通过逆快速傅里叶变换、取模值、内插拟合、分组累加和峰值检验，得到相关峰值及其位置；

所述判决模块用于对各搜索通道输出的相关峰进行比较，取其最大值，并根据其对应搜索通道的圆周移位量得到载波多普勒频偏估计值根据其相关峰所处位置得到对码相位估计值作为捕获模块的输出；

所述搜索通道模块进一步由依次相连的圆周平移单元、乘法单元、IFFT单元、取模单元、并串转换单元、插值拟合单元、串并转换单元、累加单元和门限检验单元组成；

所述圆周平移单元按照本搜索通道预设的平移量对分组形式的输入FFT序列进行圆周平移；

所述乘法单元调用预存的本地伪码FFT序列，与圆周平移单元的输出依次相乘；

所述IFFT单元对乘法单元的输出进行逆快速傅里叶变换；

所述取模单元对呈分组形式的IFFT单元输出进行取模值运算；

所述并串转换单元将取模单元输出的每个分组连缀起来，形成串行数据；

所述插值拟合单元根据本搜索通道预设的采样率变换比例对并串转换单元输出的串行数据进行插值拟合，达到信号速率调整的目的；

所述串并转换单元对插值拟合单元所输出的串行数据以码元周期为单位进行分组；

所述累加单元根据预设的积累码元数对串并转换单元输出的多组数据进行累加；

所述门限单元根据预设的门限值，对累加单元的输出结果进行检验，对所有超过门限的值，认为其为相关峰，记录其高度和在序列中的位置。