CN105356954A - 一种chirp信号功率的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种chirp信号功率的检测方法和系统，对chirp数字信号进行带通滤波并搬移至基带后进行1/2倍抽取，再对1/2倍抽取的信号进行6倍插值，再进行下变频的操作后进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置，最后对找到起始位置的chirp信号进行移相与功率检测，从而能够更快、更准确地找到chirp信号的帧头与频偏，提高了工作效率及降低了FPGA的使用资源。

Description

一种chirp信号功率的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通讯技术领域，具体涉及一种chirp信号功率的检测方法及系统。

背景技术

卫星导航系统具有大范围、全天候、全天时高精度定位、测速和提供定时服务的能力，在国防和国民经济各个领域得到了广泛应用。随着民用和军事行动对卫星导航系统依赖性的增强，卫星导航领域的竞争必然加剧。当天线没有对准卫星信号时，卫星信号接收到的卫星信号功率就会减弱，这样，将会影响接收机的性能。正如导频信号的格式，有用的数据信号只占小部分时间，在进行功率检测的过程中，由于比较难地知道帧头，那么将使得功率检测的结果无法正确的反映实际天线与卫星信号的对准情况。如何能够准确地根据输入的卫星信号的功率去判断是否天线已经对准了卫星是当前面临的一个巨大的挑战。因此，对于每一帧数据开始的chirp信号进行捕获，找到其帧头与多普勒非常重要。

然而传统的方法是根据FFT结果的门限去判断是否捕获成功，但传统方法的精度很差，导致捕获的效果不明显，更重要的就是资源消耗极大。

发明内容

有鉴如此，有必要提供一种捕获精度高、资源消耗低的chirp信号功率的检测方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种chirp信号功率的检测方法，包括下述步骤：

步骤S110：获取卫星的chirp数字信号；

步骤S120：对所述chirp的数字信号进行带通滤波；

步骤S130：将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取；

步骤S140：对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理；

步骤S150：对经6倍插值后的信号进行下变频处理；

步骤S160：对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒；

步骤S170：根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置；

步骤S180：根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测。

在一些实施例中，其中，步骤S110中，所述chirp的数字信号为采样频率是f_s的A/D序列AD_1_S0与AD_2_S0信号。

在一些实施例中，其中，步骤S120中，带通滤波的中心频率为不包含多普勒的数字中频f₀，带宽大于chirp数字信号的带宽，经步骤S120后得到的信号序列为AD_1_S1与AD_2_S1。

在一些实施例中，步骤S130中，将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取，具体包括下述步骤：

步骤S131：产生与数字中频为f₀且采样频率为f_s的本地同相载波与正交载波分别与AD_1_S1与AD_2_S1进行混频；

步骤S132：对混频的结果分别进行低通滤波，所述低通滤波的带宽不小于所述chirp数字信号带宽；

步骤S133：对滤波的结果进行1/2抽取，此时的采样频率f_s′表示如下：

f_s′＝f_s/2，分别得到AD_1_S2与AD_2_S2。

在一些实施例中，步骤S140中，对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理，具体包括下述步骤：

对AD_1_S2与AD_2_S2序列进行6倍插值与低通滤波，此时的采样频率f_s″表示如下：f_s″＝6f_s′，最终得到序列AD_1_S3与AD_2_S3。

在一些实施例中，步骤S150中，对经6倍插值后的信号进行下变频处理，具体包括下述步骤：

采取4级级联形式的下变频方法，此时的采样频率f_s″′与f_s″的关系如下：f_s″′＝f_s″/625，最终得到序列AD_1_S4与AD_2_S4。

在一些实施例中，步骤S160中，对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒，具体包括下述步骤：

步骤S161：用AD_1_S4分别与h_u和h_d相乘，并做快速傅里叶变换，分别得到AD_1_S4_FFT_U与AD_1_S4_FFT_D，并寻找AD_1_S4_FFT_U的峰值F_U与AD_1_S4_FFT_D的峰值F_D；产生本地上扫频信号与本地下扫频信号

步骤S162：判断D＝F_U-F_D，如果出现D<T，其中，T>0表示一个门限值，则捕获成功，跳出循环，使多普勒f_d等于(F_U+F_D)/2；否则，执行c下一步；

步骤S163：将接收到的AD_1_S4进行向右循环移一个采样点，step＝step+1，重复步骤S161；

其中，当按照如上的方式捕获成功之后，得到的滑动时间t_d表示为：t_d＝(F_U-F_D)/2u

其中u等于0.48/(2T²)，T为62.5×10^-6。

在一些实施例中，步骤S170中，根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置，具体包括下述步骤：

用滑动的时间t_d来找到接收信号中chirp信号出现的起始时刻，进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的起始位置；

用捕获得到的多普勒再进一步对本地信号进行下变频，将其包含的多普勒去除。

在一些实施例中，步骤S180中，根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测，具体包括下述步骤：

步骤S181：对两路信号分别右移固定相位，AD_1_S4移相后变为AD_1_S4_r，AD_2_S4移相后变为AD_2_S4_r；

步骤S182：根据步骤S181中的两路信号，变换为下述三路信号：其中，左路输出S_L表示如下：S_L＝AD_1_S4+AD_2_S4_r；中路输出表示如下：S_S＝AD_1_S4+AD_2_S4；右路输出表示为：S_R＝AD_1_S4_r+AD_2_S4；

步骤S183：对上述三路信号进行求功率，其中，求功率的方法为用每个采样点进行平方、求和及再平均，如果三路信号的功率一样，则表示卫星信号正对准天线，否则就必须重新调整天线的夹角。

此外，本发明还提供了一种chirp信号功率的检测系统，包括：

信号采集模块，用于获取卫星的chirp数字信号；

带通滤波模块，信号连接于所述信号采集模块，用于对所述chirp的数字信号进行带通滤波；

抽取模块，信号连接于所述带通滤波模块，用于将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取；

插值模块，信号连接于所述频谱搬移模块，用于对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理；

下变频模块，信号连接于所述插值模块，用于对经6倍插值后的信号进行下变频处理；

捕获模块，信号连接于所述下变频模块，用于对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒；

校准模块，信号连接于所述捕获模块，用于根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置；

检测模块，信号连接于所述校准模块，用于根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测。

本发明采用上述技术方案带来的技术效果在于：

本发明提供的chirp信号功率的检测方法和系统，对chirp数字信号进行带通滤波并搬移至基带后进行1/2倍抽取，再对1/2倍抽取的信号进行6倍插值，再进行下变频的操作后进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置，最后对找到起始位置的chirp信号进行移相与功率检测，从而能够更快、更准确地找到chirp信号的帧头与频偏，提高了工作效率及降低了FPGA的使用资源。

附图说明

图1是本发明提供的chirp信号功率的检测方法的步骤流程图。

图2是本发明提供的chirp信号功率的检测系统的结构框架图。

图3是本发明提供的chirp信号功率的检测系统的结构示意图。

图4(a)是本发明实施例提供的A/D之后的chirp信号频谱图。

图4(b)是本发明实施例提供的A/D之后的chirp信号局部放大频谱正半部分频谱图。

图4(c)是本发明实施例提供的经过4次1/5抽取之后的chirp信号频谱图。

图4(d)是本发明实施例提供的步骤S160后的chirp信号频谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1及图2所示，为本发明实施例一提供的chirp信号功率的检测方法100包括下述步骤：

步骤S110：获取卫星的chirp数字信号；

优选地，通过天线或/和射频通道获取卫星的chirp数字信号。

优选地，所述chirp的数字信号为采样频率是f_s的A/D序列AD_1_S0与AD_2_S0信号。

步骤S120：对所述chirp的数字信号进行带通滤波；

优选地，带通滤波的中心频率为不包含多普勒的数字中频f₀，带宽大于chirp数字信号的带宽，经步骤S120后得到的信号序列为AD_1_S1与AD_2_S1。

步骤S130：将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取；

具体地，将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取，包括下述步骤：

步骤S131：产生与数字中频为f₀且采样频率为f_s的本地同相载波与正交载波分别与AD_1_S1与AD_2_S1进行混频；

步骤S132：对混频的结果分别进行低通滤波，所述低通滤波的带宽不小于所述chirp数字信号带宽；

步骤S133：对滤波的结果进行1/2抽取，此时的采样频率f_s′表示如下：

f_s′＝f_s/2，分别得到AD_1_S2与AD_2_S2。

步骤S140：对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理；

具体地，对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理，包括下述步骤：

对AD_1_S2与AD_2_S2序列进行6倍插值与低通滤波，此时的采样频率f_s″表示如下：f_s″＝6f_s′，最终得到序列AD_1_S3与AD_2_S3。

优选地，其中低通滤波器的指标与步骤S130的低通滤波器的带宽指标相同。

可以理解，对1/2倍抽取的信号进行6倍插值，从而提高了传输速率。

步骤S150：对经6倍插值后的信号进行下变频处理；

具体地，对经6倍插值后的信号进行下变频处理，包括下述步骤：

采取4级级联形式的下变频方法，此时的采样频率f_s″′与f_s″的关系如下：f_s″′＝f_s″/625，最终得到序列AD_1_S4与AD_2_S4。

可以理解，经变频处理后降低了采样频率。

步骤S160：对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒；

具体地，对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒，包括下述步骤：

步骤S161：用AD_1_S4分别与h_u和h_d相乘，并做快速傅里叶变换，分别得到AD_1_S4_FFT_U与AD_1_S4_FFT_D，并寻找AD_1_S4_FFT_U的峰值F_U与AD_1_S4_FFT_D的峰值F_D；产生本地上扫频信号与本地下扫频信号

步骤S162：判断D＝F_U-F_D，如果出现D<T，其中，T>0表示一个门限值，则捕获成功，跳出循环，使多普勒f_d等于(F_U+F_D)/2；否则，执行c下一步；

步骤S163：将接收到的AD_1_S4进行向右循环移一个采样点，step＝step+1，重复步骤S161；

其中，当按照如上的方式捕获成功之后，得到的滑动时间t_d表示为：t_d＝(F_U-F_D)/2u

其中u等于0.48/(2T²)，T为62.5×10^-6。

步骤S170：根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置；

具体地，根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置，包括下述步骤：

用滑动的时间t_d来找到接收信号中chirp信号出现的起始时刻，进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的起始位置；

用捕获得到的多普勒再进一步对本地信号进行下变频，将其包含的多普勒去除。

步骤S180：根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测。

具体地，根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测，具体包括下述步骤：

步骤S181：对两路信号分别右移固定相位，AD_1_S4移相后变为AD_1_S4_r，AD_2_S4移相后变为AD_2_S4_r；

步骤S182：根据步骤S181中的两路信号，变换为下述三路信号：其中，左路输出S_L表示如下：S_L＝AD_1_S4+AD_2_S4_r；中路输出表示如下：S_S＝AD_1_S4+AD_2_S4；右路输出表示为：S_R＝AD_1_S4_r+AD_2_S4；

步骤S183：对上述三路信号进行求功率，其中，求功率的方法为用每个采样点进行平方、求和及再平均，如果三路信号的功率一样，则表示卫星信号正对准天线，否则就必须重新调整天线的夹角。

请参阅图3，为本发明提供的一种chirp信号功率的检测系统的结构示意图，包括：信号采集模块210、带通滤波模块220、抽取模块230、插值模块240、下变频模块250、捕获模块260、校准模块270及检测模块280。

其中，信号采集模块210用于获取卫星的chirp数字信号；带通滤波模块220信号连接于所述信号采集模块210，用于对所述chirp的数字信号进行带通滤波；抽取模块230信号连接于所述带通滤波模块220，用于将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取；插值模块240信号连接于所述频谱搬移模块230，用于对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理；下变频模块250信号连接于所述插值模块240，用于对经6倍插值后的信号进行下变频处理；捕获模块260信号连接于所述下变频模块250，用于对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒；校准模块270信号连接于所述捕获模块260，用于根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置；检测模块280信号连接于所述校准模块270，用于根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测。

本发明提供的chirp信号功率的检测方法和系统，对chirp数字信号进行带通滤波并搬移至基带后进行1/2倍抽取，再对1/2倍抽取的信号进行6倍插值，再进行下变频的操作后进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置，最后对找到起始位置的chirp信号进行移相与功率检测，从而能够更快、更准确地找到chirp信号的帧头与频偏，提高了工作效率及降低了FPGA的使用资源。

实施例：

1、仿真条件

在MatlabR2008中进行仿真，仿真的天线阵列阵型是的线阵，阵元间距是1/2倍波长。信号为中频70MHz，模数转换之后的采样率为40/3MHz。该仿真中的chirp信号表示为：

其中，该仿真中的数字信号的长度为480ms。其中chirp信号只占前面的7.5毫秒。

该仿真中，本地chirp信号的初始位置与实际接收信号的帧头一样。在该仿真中，门限值T设为300；设初始多普勒为-4000Hz。

2、仿真内容

按照说明书上述具体步骤中所述对仿真条件中的经过射频通道的A/D输入的信号进行下变频、基于交叉FFT算法的功率检测。

该仿真中第一次抽取，选取的是1/2抽取，将40/3MHz的采样频率变为40/6MHz。插值选择的是6倍差值，最终将采样频率变为40MHz。最终的下变频，将采样频率变为64000Hz。

3、仿真结果分析

从仿真结果可以看出，参照图4(c)，该发明中的下变频并没有引起频率混叠，参照图4(d)，在假设本地信号与输入信号的帧头一样，未经对输入信号进行循环平移，该方案得到的两路峰值在间距小于门限值，可以非常精确地得到计算多普勒值，并且可以非常准确地得到滑动次数。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种chirp信号功率的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤S110：获取卫星的chirp数字信号；

步骤S120：对所述chirp的数字信号进行带通滤波；

步骤S130：将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取；

步骤S140：对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理；

步骤S150：对经6倍插值后的信号进行下变频处理；

步骤S160：对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒；

步骤S170：根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置；

步骤S180：根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测。

2.根据权利要求1所述的chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S110中，所述chirp的数字信号为采样频率是f_s的A/D序列AD_1_S0与AD_2_S0信号。

3.根据权利要求2所述的chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S120中，带通滤波的中心频率为不包含多普勒的数字中频f₀，带宽大于chirp数字信号的带宽，经步骤S120后得到的信号序列为AD_1_S1与AD_2_S1。

4.根据权利要求3所述chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S130中，将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取，具体包括下述步骤：

步骤S131：产生与数字中频为f₀且采样频率为f_s的本地同相载波与正交载波分别与AD_1_S1与AD_2_S1进行混频；

步骤S132：对混频的结果分别进行低通滤波，所述低通滤波的带宽不小于所述chirp数字信号带宽；

步骤S133：对滤波的结果进行1/2抽取，此时的采样频率f_s′表示如下：

f_s′＝f_s/2，分别得到AD_1_S2与AD_2_S2。

5.根据权利要求4所述chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S140中，对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理，具体包括下述步骤：

对AD_1_S2与AD_2_S2序列进行6倍插值与低通滤波，此时的采样频率f_s″表示如下：f_s″＝6f_s′，最终得到序列AD_1_S3与AD_2_S3。

6.根据权利要求5所述的chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S150中，对经6倍插值后的信号进行下变频处理，具体包括下述步骤：

采取4级级联形式的下变频方法，此时的采样频率f_s″′与f_s″的关系如下：f_s″′＝f_s″/625，最终得到序列AD_1_S4与AD_2_S4。

7.根据权利要求6所述的chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S160中，对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒，具体包括下述步骤：

步骤S161：用AD_1_S4分别与h_u和h_d相乘，并做快速傅里叶变换，分别得到AD_1_S4_FFT_U与AD_1_S4_FFT_D，并寻找AD_1_S4_FFT_U的峰值F_U与AD_1_S4_FFT_D的峰值F_D；其中，产生本地上扫频信号与本地下扫频信号 $h_d=e^{-j2\mathrm{\&pi;}u(n/f_s-T/2)};$

步骤S162：判断D＝F_U-F_D，如果出现D<T，其中，T>0表示一个门限值，则捕获成功，跳出循环，使多普勒f_d等于(F_U+F_D)/2；否则，执行c下一步；

步骤S163：将接收到的AD_1_S4进行向右循环移一个采样点，step＝step+1，重复步骤S161；

其中，当按照如上的方式捕获成功之后，得到的滑动时间t_d表示为：t_d＝(F_U-F_D)/2u

其中u等于0.48/(2T²)，T为62.5×10^-6。

8.根据权利要求7所述的chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S170中，根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置，具体包括下述步骤：

用滑动的时间t_d来找到接收信号中chirp信号出现的起始时刻，进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的起始位置；

用捕获得到的多普勒再进一步对本地信号进行下变频，将其包含的多普勒去除。

9.根据权利要求8所述chirp信号功率的检测方法，其特征在于，步骤S180中，根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测，具体包括下述步骤：

步骤S181：对两路信号分别右移固定相位，AD_1_S4移相后变为AD_1_S4_r，AD_2_S4移相后变为AD_2_S4_r；

步骤S182：根据步骤S181中的两路信号，变换为下述三路信号：其中，左路输出S_L表示如下：S_L＝AD_1_S4+AD_2_S4_r；中路输出表示如下：S_S＝AD_1_S4+AD_2_S4；右路输出表示为：S_R＝AD_1_S4_r+AD_2_S4；

步骤S183：对上述三路信号进行求功率，其中，求功率的方法为用每个采样点进行平方、求和及再平均，如果三路信号的功率一样，则表示卫星信号正对准天线，否则就必须重新调整天线的夹角。

10.一种chirp信号功率的检测系统，其特征在于，包括：

信号采集模块，用于获取卫星的chirp数字信号；

带通滤波模块，信号连接于所述信号采集模块，用于对所述chirp的数字信号进行带通滤波；

抽取模块，信号连接于所述带通滤波模块，用于将经带通滤波的信号搬移至基带并进行1/2倍抽取；

插值模块，信号连接于所述频谱搬移模块，用于对经1/2倍抽取后信号进行6倍插值并进行低通滤波处理；

下变频模块，信号连接于所述插值模块，用于对经6倍插值后的信号进行下变频处理；

捕获模块，信号连接于所述下变频模块，用于对经下变频处理后的信号进行捕获，找出帧头与多普勒；

校准模块，信号连接于所述捕获模块，用于根据所述帧头与多普勒进行基于交叉FFT的捕获的方式获取接收信号的频偏与起始位置；

检测模块，信号连接于所述校准模块，用于根据所述起始位置的chirp信号进行移相与功率检测。