CN105388501A - 一种星载北斗通信系统快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于星载北斗通信领域，公开了一种星载北斗通信系统快速捕获方法。本发明方法采用基于分时复用和频偏迭代运算的折叠匹配滤波器结构，通过分时复用的流程控制实现了大范围频偏的捕获，通过频偏迭代运算结构的折叠匹配滤波器设计解决了捕获速度与硬件资源占用之间的矛盾，实现了星载环境下大范围频偏的捕获能力，具有捕获速度快、硬件资源占用低等优点，便于降低硬件成本，有很高的实用价值。

Description

一种星载北斗通信系统快速捕获方法

技术领域

本发明属于星载北斗通信领域，涉及一种星载北斗通信系统快速捕获方法。

背景技术

由于低轨卫星的运动速度很快，通常达到数十马赫，由此引起的多普勒频偏很大，高达数十KHz到上百KHz，是车载系统或手持系统载波频偏变化范围的数十倍，且变化速率很快，因此对星载北斗通信系统的快速捕获信号能力提出了很高的要求。由于应用环境特殊以及上述难点存在，目前尚未查到相关领域的文献或报道。大家研究的焦点主要集中在常规领域(车载、机载、手持等)北斗通信系统捕获方法，主要分为以下几种：时域滑动相关法，时域匹配滤波法，频域FFT算法等。时域滑动相关法实现简单，利用扩频码与接收信号做滑动相关，并与接收门限比较，若大于门限则捕获成功，否则将扩频码延迟一个码片后重新滑动相关。时域匹配滤波法采用多个匹配滤波器并行运算，每个匹配滤波器配置不同的频偏值，将多个匹配滤波器的匹配结果进行比较，最大值所配置的频偏值即为捕获到的实际频偏。此外，还有中国专利“CN102901973A基于北斗卫星的信号实时并行快速捕获方法”、中国专利“CN1635757一种多波束频偏提取方法及其装置”及中国专利“CN104360357A基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法及系统”提到的FFT算法捕获频偏，将接收信号经过FFT变换到频域，根据频域相关峰值对应的频率获取频偏值。

时域滑动相关法捕获速度太慢，不适用于频偏快速变化的星载环境。时域匹配滤波法要完成多个频带的捕获需要多个匹配滤波器并行实现，硬件资源消耗极大，同样问题还存在于中国专利“CN102901973A基于北斗卫星的信号实时并行快速捕获方法”、中国专利“CN1635757一种多波束频偏提取方法及其装置”及中国专利“CN104360357A基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法及系统”所述的技术方案，上述提到的专利均采用FFT算法捕获载波频偏，将时域信号做FFT变换运算量太大，对芯片硬件资源及时钟处理需求较高，致使芯片成本数倍增长，不利于星载通信系统控制成本，尤其是低成本应用场合该问题更为突出(例如小卫星)。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提出一种既具有大范围频偏快速捕获能力，又能够节省硬件资源、降低成本、易于工程实现的星载北斗通信系统捕获方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种星载北斗通信系统快速捕获方法，其包括以下步骤：

定义：快捕功能单元的频率总捕获范围为±MkHz，按频率等间隔划分为N个子频率带，每个子频带的捕获范围为±(M/N)kHz；

步骤S1：子频带驻留计时器清零：定义计时变量为t，则执行t＝0；子频带计数器初值设置为1：定义计数变量为k，则执行k＝1；

步骤S2：子频带驻留计时器启动，在时钟控制下执行t＝t+1；

步骤S3：判断计时变量t是否小于驻留时长T，若t<T，转步骤S4，否则转步骤S5；

步骤S4：将折叠匹配滤波器输出的扩频码与星载北斗通信系统接收信号之间的相关值与设定的门限值比较，相关值大于门限值则表明捕获成功，转到捕获模块的后级处理；否则，重复步骤S3；

步骤S5：判断子频带计数器的计数变量k是否小于N，若k<N，则执行t＝0，k＝k+1，然后转到步骤S2重新开始下一个子频带的捕获；否则，认定捕获失败。

其中，所述步骤S4中，所述折叠匹配滤波器为基于分时复用和频偏迭代运算的滤波器结构，其包括串联的多个子匹配滤波器，每个子匹配滤波器后端设置一个延时单元。

其中，所述步骤S4中，所述折叠匹配滤波器计算相关值的过程为：

定义：子频带捕获步进设定为(△f)kHz，则子频带可按步进等间隔划分为K个超子频带，其中：K＝M/(N×△f)；

步骤S41：将扩频码周期长度为L的扩频码等间隔划分成p个小段，每个小段各使用一个子匹配滤波器进行捕获，p个子匹配滤波器结构相同；每个小段的扩频码长度为L₁，则

L₁＝L/p(5-2)

步骤S42：每个子匹配滤波器按时钟频率每次并行送入4比特扩频码与接收信号进行相关运算，每一比特相关运算结果经过延时单元与前一比特相关运算结果累加，p个子匹配滤波器分别得到p个相关值R₁～R_p；经过K个时钟周期完成L₁比特扩频码的更新，其中：

K＝L₁/4(5-3)

步骤S43：给定每个子匹配滤波器的相位差ω₁～ω_p，令ω₁＝2×π×△f；ω₂＝2×ω₁；依次类推，ω_p＝p×ω₁。将相关值R₁在时钟控制下按下式更新(K-1)次：

R₁＝R₁×e^jω1(5-4)

为了便于描述，将第0次更新值记为R_1,1，第1次～第(K-1)次更新值依次记录为：R_1,2～R_1,K；

同理，对R2～Rp完成(K-1)次更新，以得到所述相关值。

其中，所述步骤S4中，所述折叠匹配滤波器计算相关值之后，还进行了以下处理过程：

步骤S44：将p个子匹配滤波器的相关运算结果经过延时单元后累加，

$Corr\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}{R}_{i,j},j=1,2,......,K---(5-5)$

步骤S45：将累加得到的相关值送入比较器与门限值进行比较，小于门限值继续进行匹配运算；若大于门限值则认为捕获成功，从而完成扩频码伪码相位捕获；同时，判断K个Corr(j)的最大值，并将对应的j输出，经过下式计算得到实际频偏估计值完成载波频偏捕获：

$\hat{f}=-(j\&times;\mathrm{\&Delta;}f)kHz---(5-6)$

经过上述步骤，即可完成星载北斗通信系统的快速捕获，得到最大频偏对应的扩频码捕获。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的星载北斗通信系统快速捕获方法，与现有技术相比，频偏捕获范围大、捕获速度快，硬件资源占用低，实用价值高，适用于低成本星载北斗通信系统应用场合。

附图说明

图1为本发明实施例的子频带切换及快速捕获流程图。

图2为传统折叠匹配滤波器结构框图。

图3为本发明实施例的并行折叠匹配滤波器结构框图。

图4为本发明实施例的子匹配滤波器结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例星载北斗通信系统快速捕获方法中，将快捕功能单元的频率总捕获范围(定义为±MkHz)按频率等间隔划分为N个子频率带，每个子频带的捕获范围为±(M/N)kHz，则快速捕获方法包括下列步骤：

步骤S1：子频带驻留计时器清零：定义计时变量为t，则执行t＝0；子频带计数器初值设置为1：定义计数变量为k，则执行k＝1。

步骤S2：子频带驻留计时器启动，在时钟控制下执行t＝t+1。

步骤S3：判断计时变量t是否小于驻留时长T，若t<T，转步骤S4，否则转步骤S5。

步骤S4：将折叠匹配滤波器输出的扩频码与星载北斗通信系统接收信号之间的相关值与设定的门限值比较，相关值大于门限值则表明捕获成功，转到捕获模块的后级处理，例如跟踪模块。否则，重复步骤S3。

步骤S5：判断子频带计数器的计数变量k是否小于N，若k<N，则执行t＝0，k＝k+1，然后转到步骤S2重新开始下一个子频带的捕获；否则，认定捕获失败。

从上述步骤可以看出，多个子频带分时共用一个捕获模块，达到了硬件资源复用的目的，与不采用分时复用的流程控制相比，所占用的硬件资源缩减到后者的1/N，能够提高捕获的处理效率，提高捕获速度。

进一步地，为了保证每个子频带的捕获速度满足使用需求，下面主要对本实施例设计的基于频偏迭代运算的折叠匹配滤波器进行说明。

为了便于描述，定义以下参数：子频带捕获步进设定为(△f)kHz，则子频带可按步进等间隔划分为K个超子频带，其中：

K＝M/(N×△f)(5-1)

在捕获速度方面，匹配滤波器结构优于相关器结构，是较理想的选择。由于匹配滤波器的阶数与扩频码周期直接相关，为了易于硬件实现，工程实践常采用折叠匹配滤波器结构。传统的折叠匹配滤波器结构如图2所示，一个折叠匹配滤波器只能完成一个超子频带的捕获(图2所示的中心频点定义为ω₁)，要想完成K个超子频带的捕获(K为捕获频带个数，下面有公式详细说明)，则需要K个折叠匹配滤波器并行捕获，中心频点依次设置为ω₁～ω_K，硬件资源消耗极大。

由上可见，传统的匹配滤波法不能同时解决捕获速度和硬件占用资源两者之间的矛盾。本文对传统折叠匹配滤波器进行了改进，利用一个折叠匹配滤波器结构，在时钟控制下进行频偏的迭代运算，完成了K个超子频带的捕获。经过分析可知，其硬件资源是传统折叠匹配滤波器结构的1/K，且速度与传统匹配滤波器相当，实现了快速捕获与硬件资源复用的统一。

本文设计的折叠匹配滤波器整体结构框图如图3所示，其包括串联的多个子匹配滤波器，每个子匹配滤波器后端设置一个延时单元。具体实施过程如下：

步骤S41：将扩频码周期长度为L的扩频码(图3中标记为Pn)等间隔划分成p个小段，每个小段各使用一个子匹配滤波器进行捕获，子匹配滤波器结构相同。每个小段的扩频码长度为L₁，则

L₁＝L/p(5-2)

步骤S42：每个子匹配滤波器按时钟频率每次并行送入4比特扩频码与星载北斗通信系统接收信号进行相关运算，每一比特相关运算结果经过延时单元与前一比特相关运算结果累加，如图4所示，p个子匹配滤波器分别得到p个相关值R₁～R_p。经过K个时钟周期完成L₁比特扩频码的更新，其中：

K＝L₁/4(5-3)

步骤S43：给定每个子匹配滤波器的相位差ω₁～ω_p，令ω₁＝2×π×△f；ω₂＝2×ω₁；依次类推，ω_p＝p×ω₁。将相关值R₁在时钟控制下按下式更新(K-1)次：

R₁＝R₁×e^jω1(5-4)

为了便于描述，将第0次更新值记为R_1,1，第1次～第(K-1)次更新值依次记录为：R_1,2～R_1,K。

同理对R2～Rp完成(K-1)次更新。

步骤S44：将p个子匹配滤波器的相关运算结果经过延时单元后累加。

$Corr\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}{R}_{i,j},j=1,2,......,K---(5-5)$

步骤S45：将累加得到的相关值送入比较器与门限进行比较，小于门限继续进行匹配运算。若大于门限则认为捕获成功，从而完成扩频码伪码相位捕获；同时，判断K个Corr(j)的最大值，并将对应的j输出，经过下式计算得到实际频偏估计值完成载波频偏捕获：

$\hat{f}=-(j\&times;\mathrm{\&Delta;}f)kHz---(5-6)$

经过上述步骤，即可完成星载北斗通信系统的快速捕获。

由以上技术方案可以看出，本发明的关键是设计了一个基于分时复用和频偏迭代运算的折叠匹配滤波器结构，通过分时复用的流程控制实现了大范围频偏的捕获，通过频偏迭代运算结构的折叠匹配滤波器设计解决了捕获速度与硬件资源占用之间的矛盾，实现了星载环境下大范围频偏的捕获能力，具有捕获速度快、硬件资源占用低等优点，便于降低硬件成本，有很高的实用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种星载北斗通信系统快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

定义：快捕功能单元的频率总捕获范围为±MkHz，按频率等间隔划分为N个子频率带，每个子频带的捕获范围为±(M/N)kHz；

步骤S1：子频带驻留计时器清零：定义计时变量为t，则执行t＝0；子频带计数器初值设置为1：定义计数变量为k，则执行k＝1；

步骤S2：子频带驻留计时器启动，在时钟控制下执行t＝t+1；

步骤S3：判断计时变量t是否小于驻留时长T，若t<T，转步骤S4，否则转步骤S5；

步骤S4：将折叠匹配滤波器输出的扩频码与星载北斗通信系统接收信号之间的相关值与设定的门限值比较，相关值大于门限值则表明捕获成功，转到捕获模块的后级处理；否则，重复步骤S3；

步骤S5：判断子频带计数器的计数变量k是否小于N，若k<N，则执行t＝0，k＝k+1，然后转到步骤S2重新开始下一个子频带的捕获；否则，认定捕获失败。

2.如权利要求1所述的星载北斗通信系统快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述折叠匹配滤波器为基于分时复用和频偏迭代运算的滤波器结构，其包括串联的多个子匹配滤波器，每个子匹配滤波器后端设置一个延时单元。

3.如权利要求1所述的星载北斗通信系统快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述折叠匹配滤波器计算相关值的过程为：

定义：子频带捕获步进设定为(△f)kHz，则子频带可按步进等间隔划分为K个超子频带，其中：K＝M/(N×△f)；

步骤S41：将扩频码周期长度为L的扩频码等间隔划分成p个小段，每个小段各使用一个子匹配滤波器进行捕获，p个子匹配滤波器结构相同；每个小段的扩频码长度为L₁，则

L₁＝L/p(5-2)

步骤S42：每个子匹配滤波器按时钟频率每次并行送入4比特扩频码与接收信号进行相关运算，每一比特相关运算结果经过延时单元与前一比特相关运算结果累加，p个子匹配滤波器分别得到p个相关值R₁～R_p；经过K个时钟周期完成L₁比特扩频码的更新，其中：

K＝L₁/4(5-3)

步骤S43：给定每个子匹配滤波器的相位差ω₁～ω_p，令ω₁＝2×π×△f；ω₂＝2×ω₁；依次类推，ω_p＝p×ω₁。将相关值R₁在时钟控制下按下式更新(K-1)次：

R₁＝R₁×e^jω1(5-4)

为了便于描述，将第0次更新值记为R_1,1，第1次～第(K-1)次更新值依次记录为：R_1,2～R_1,K；

同理，对R2～Rp完成(K-1)次更新，以得到所述相关值。

4.如权利要求3所述的星载北斗通信系统快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述折叠匹配滤波器计算相关值之后，还进行了以下处理过程：

步骤S44：将p个子匹配滤波器的相关运算结果经过延时单元后累加，

$Corr\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}{R}_{i,j},j=1,2,......,K---(5-5)$

步骤S45：将累加得到的相关值送入比较器与门限值进行比较，小于门限值继续进行匹配运算；若大于门限值则认为捕获成功，从而完成扩频码伪码相位捕获；同时，判断K个Corr(j)的最大值，并将对应的j输出，经过下式计算得到实际频偏估计值完成载波频偏捕获：

$\hat{f}=-(j\&times;\mathrm{\&Delta;}f)kHz---(5-6)$

经过上述步骤，即可完成星载北斗通信系统的快速捕获，得到最大频偏对应的扩频码捕获。