CN105553506A

CN105553506A - 一种长码扩频信号的快速捕获方法及装置

Info

Publication number: CN105553506A
Application number: CN201510930181.2A
Authority: CN
Inventors: 杨峰
Original assignee: CETC 2 Research Institute
Current assignee: CETC 2 Research Institute; Southwest China Research Institute Electronic Equipment
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: CN105553506B

Abstract

本发明公开了一种长码扩频信号的快速捕获方法及装置，属于扩频通信领域。本发明技术要点：步骤1：将信号接收机接收的长码扩频信号进行下变频，得到中频信号，对中频信号采样后得到中频采样信号；步骤2：对中频采样信号进行载频分析得到中频采样信号的载频；步骤3：使用载频调制扩频序列得到中频长码扩频调制序列；步骤4：将中频采样信号s(n)分为M个数据分块；步骤5：将长码扩频调制序列与数据分块进行相关运算；确定相关峰值最大的数据分块，令该数据分块为s_j(n)；步骤6：确定长码扩频调制序列与数据分块s_j(n)的相关峰值Y(k)和相位偏移l。

Description

一种长码扩频信号的快速捕获方法及装置

技术领域

本发明属于扩频通信领域，特别涉及卫星导航系统中频采样长码扩频信号的一种快速捕获方法。

背景技术

直接序列扩频系统是目前使用最广泛的抗干扰通信系统，将待发送的信息用伪随机序列扩展到很宽的频带上，系统射频带宽比原始信号带宽要宽很多；接收端采用与发送端相同的伪随机序列对接收信号进行相关处理，恢复出原始信息。由于直接序列扩频系统具有非常好的抗干扰能力，在很多军用和民用领域，如全球定位系统(GPS)、CDMA/WCDMA移动通信系统、跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)等，都得到了非常广泛的应用。

在直接序列扩频系统接收端，对扩频码信号的捕获是信号解调的前提。首先判断接收信号与本地扩频码相位差大小，若不满足捕获要求，则调整时钟再进行搜索，直到收发相位差小于一个码元时，停止搜索进入跟踪状态。对捕获到的信号进行跟踪，并进一步减小收发相位差到要求的误差范围内，以满足信号解调的需要。与此同时，不断对同步信号进行检测，一旦发现同步信号丢失，马上进入初始捕获阶段。典型的扩频码捕获结构如图1所示。

在直接序列扩频系统中，长度较短的扩频序列(如GPS系统中长度为1023位的民用C/A码)信号易被侦收、分析、干扰和欺骗，在许多扩频系统中，为了提高抗干扰/防欺骗能力，一般采用长周期扩频序列，比如GPS系统的P码长度超过2⁴²位，码周期大约为7天，相比于C/A码，长周期扩频码具有抗干扰能力强、防欺骗和定位精度高的优点。

常用的扩频信号捕获方法，包括滑动相关法、同步头法、发射参考信号法、匹配滤波器法等，对周期较短的扩频序列是有效的，但是对于长码扩频信号，如GPS系统P码，这些方法由于捕获速度慢而制约了接收机的性能。

由于长码扩频信号在抗干扰、抗欺骗方面的优点，其应用领域越来越广泛，对于长码扩频信号的捕获，常见的信号捕获方法包括：

XFAST算法

XFAST算法原理如图2所示，采集中频输入信号序列长度为L，本地参考码长度为L×M，将本地码分成M个子序列，对每个长度为L的子序列进行算术合并(重叠)，叠加的码序列和输入信号长度都是L，使用FFT技术完成频域捕获搜索。

但是各区段叠加的码片之间存在一定的互相关性，叠加操作将产生背景噪声，降低信噪比；此外接收信号的数据调制使XFAST算法受到信号极性翻转的影响，进一步降低了信噪比。

基于并行相关器的方法

基于并行相关器的捕获原理如图3所示，利用FFT将二维搜索转换为一维搜索，提高了捕获速度。

但是在接收机不确定时间误差的情况下，并行相关器的并行度决定了捕获时间，增大并行相关器的规模会成倍的增加功耗和硬件资源开销；与XFAST算法类似，调制数据极性翻转会导致相干积累增益降低，降低系统的信噪比。

基于FFT的并行相关捕获算法

基于FFT的并行相关捕获算法原理如图4所示，利用FFT代替大规模并行相关器，降低计算量从而提高了速度。

但对于周期较长的扩频信号来说，FFT的点数是难以接受的；时间上的不确定性对应码段不是周期序列，该方法不适用；此外未考虑接收信号存在频偏的情况，较大的频偏会导致相关峰过小从而增加门限检测的漏报概率。

综上，现有长码扩频信号捕获方法存在信噪比降低、运算量大、硬件复杂度高、捕获时间长、漏报概率高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种降低搜索算法复杂度、提高捕获速度的长码扩频信号的快速捕获方法及装置。

本发明提供的长码扩频信号的快速捕获方法，包括：

步骤1：将信号接收机接收到的长码扩频信号下变频到中频，得到中频信号s(t)，对中频信号采样后得到中频采样信号s(n)；

步骤2：对中频采样信号s(n)进行载频分析得到中频采样信号s(n)的载频

步骤3：用载频调制扩频序列p(n)得到中频长码扩频调制序列p_IF(n)；

步骤4：将中频采样信号s(n)分为M个数据分块：s(n)＝[s₁(n),s₂(n),…,s_i(n),…,s_M(n)]；

步骤5：将长码扩频调制序列p_IF(n)与数据分块s_i(n)，i＝1、2、…、M，进行相关运算；确定相关峰值最大的数据分块，令该数据分块为s_j(n)；

步骤6：确定长码扩频调制序列p_IF(n)与数据分块s_j(n)的相关峰值Y(k)和相位偏移l。

进一步，步骤3中长码扩频调制序列其中△T为采样时间间隔。

步骤5进一步包括：

步骤51：分别对长码扩频调制序列p_IF(n)、各个数据分块s_i(n)，i＝1、2、…、M，进行快速傅里叶变换：P(f)＝FFT(p_IF(n))；S_i(f)＝FFT(s_i(n))，i＝1、2、…、M；

步骤52：确定相关峰值最大的数据分块，令其为s_j(n)：

max(IDFT(P(f)·S_i(f)^H)),i＝1、2、…、M。

所述步骤6进一步包括：相关峰值Y(k)＝max{IFFT(P(f)·S_j(f)^H)}，相位偏移l为使得相关值IFFT(P(f)·S_j(f)^H)取Y(k)时的偏移量。

进一步，步骤4中，至少第1～M-1个数据分块的长度为L或L的整数倍；L＝L_p×f_s/f_r，式中L_p为本地长码扩频序列p(n)的长度，f_s为采样频率，f_r为所述长码扩频信号的码率。

本发明中长码扩频信号的快速捕获装置，包括：

中频采样单元，用于将信号接收机接收到的长码扩频信号下变频到中频，得到中频信号s(t)，对中频信号采样后得到中频采样信号s(n)；

载频分析单元，用于对中频采样信号s(n)进行载频分析得到中频采样信号s(n)的载频

长码扩频序列调制单元，将扩频序列p(n)使用载频调制得到中频长码扩频调制序列p_IF(n)；

中频采样信号分块单元，用于将中频采样信号s(n)分为M个数据分块：s(n)＝[s₁(n),s₂(n),…,s_i(n),…,s_M(n)]；

相关峰数据块搜索单元，用于将长码扩频调制序列p_IF(n)与数据分块s_i(n)，i＝1、2、…、M，进行相关运算；确定相关峰值最大的数据分块，令该数据分块为s_j(n)；

单块数据捕获单元，用于确定长码扩频调制序列p_IF(n)与数据分块s_j(n)的相关峰值Y(k)和相位偏移l。

进一步，长码扩频序列调制单元利用公式计算长码扩频调制序列，其中△T为采样时间间隔。

进一步，相关峰数据块搜索单元包括：

快速傅里叶变换子单元，用于分别对长码扩频调制序列p_IF(n)、各个数据分块s_i(n)，i＝1、2、…、M，进行快速傅里叶变换：P(f)＝FFT(p_IF(n))；S_i(f)＝FFT(s_i(n))，i＝1、2、…、M；

相关运算子单元，用于确定相关峰值最大的数据分块，令其为s_j(n)：

max(IDFT(P(f)·S_i(f)^H)),i＝1、2、…、M。

进一步，所述单块数据捕获单元进一步用于：用于利用公式Y(k)＝max{IFFT(P(f)·S_j(f)^H)}计算数据分块s_j(n)的相关峰值，相位偏移l为使得相关值IFFT(P(f)·S_j(f)^H)取Y(k)时的偏移量。

进一步，至少第1～M-1个数据分块的长度为L或L的整数倍；L＝L_p×f_s/f_r，式中L_p为本地长码扩频序列p(n)的长度，f_s为采样频率，f_r为所述长码扩频信号的码率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明将接收到的长码扩频信号进行分块，然后利用接收机本地的长码扩频序列分别与各个数据分块分别进行相关运算，然后在搜索到的单块数据中完成精确捕获，并通过频域搜索方法降低算法复杂度，实现长码扩频信号的快速捕获，降低了捕获算法的复杂度，有效缩短了捕获时间。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为典型的扩频信号捕获框图；

图2为XFAST捕获算法原理框图；

图3为基于并行相关器的捕获原理框图；

图4为基于FFT并行捕获原理框图；

图5为本发明提出的快速捕获方法流程图；

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本一个具体实施例是这样的，包括：

步骤1：信号接收机的接收天线收到长码扩频信号f(t)后，通过变频模块将射频信号下变频到中频，得到中频信号s(t)，经中频直接采样后得到中频采样信号s(n)。下变频技术及采样技术均为本领域技术人员知晓的常规技术手段，在此不再赘述。

步骤2：对存储的中频采样信号s(n)进行载频分析，估计得到信号载频

步骤3：取接收机本地的长度为L_p的长码扩频序列p(n)，使用载频调制扩频序列。

在一个优选实施例中，使用以下公式调制长码扩频序列：

其中△T为步骤1中的采样时间间隔。

步骤4：将存储的中频采样信号s(n)分为M个数据分块，分块信号可以写为：

s(n)＝[s₁(n),s₂(n),…,s_i(n),…,s_M(n)]。

在一个优选实施例中，尽量使每个数据分块s_i(n)长度为L或L的整数倍：

L＝L_p×f_s/f_r；

式中L_p为本地扩频相关序列p(n)长度，f_s为步骤1中采样的采样频率，f_r为长码扩频信号的码率。

在实际应用时，中频采样信号s(n)不必然能被数据分块长度整除，此时保证前M-1个数据分块的长度相同且为L或L的整数倍的即可。

步骤5：将长码扩频调制序列p_IF(n)逐一与数据分块s_i(n)，i＝1、2、…、M，进行相关运算；确定相关峰值最大的数据分块，令该数据分块为s_j(n)。

在一个较优的实施例中，为了提高长码扩频调制序列p_IF(n)与分块数据s_i(n)相关运算速度，将长码扩频调制序列p_IF(n)和分块信号s_i(n)分别进行离散傅立叶变换：

P(f)＝DFT(p_IF(n))；

S_i(f)＝DFT(s_i(n))；i＝1、2、…、M。

进行频域快速搜索得到本地长码扩频调制序列p_IF(n)与分块信号s_i(n)的分块相关峰值R(j)为：

R(j)＝max(IDFT(P(f)·S_i(f)^H)),i＝1,2,…,M。

采用快速傅里叶变换FFT实现离散傅里叶变换DFT可以进一步降低搜索复杂度、提高捕获速度。

步骤6：确定长码扩频调制序列p_IF(n)与数据分块s_j(n)的相关峰值Y(k)和相位偏移l：

[Y(k),l]＝max{IDFT(P(f)·S_j(f)^H)}；

式中P(f)为长码扩频调制序列p_IF(n)的离散傅立叶变换，S_j(f)为分块数据s_j(n)的离散傅立叶变换，相关结果中Y(k)为最大相关峰值，偏移量l为Y(k)对应的相位偏移量。当找到长码扩频信号与本地长码扩频调制序列相关最大值及相位偏移量时便完成了一次信号捕获。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种长码扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，包括：

步骤3：对本地扩频序列p(n)用载频调制得到中频长码扩频调制序列p_IF(n)；

2.根据权利要求1所述的一种长码扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，步骤3中长码扩频调制序列其中△T为采样时间间隔。

3.根据权利要求1所述的一种长码扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，步骤5进一步包括：

步骤52：确定相关峰值最大的数据分块，令其为s_j(n)：

max(IDFT(P(f)·S_i(f)^H)),i＝1、2、…、M。

4.根据权利要求1所述的一种长码扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤6进一步包括：相关峰值Y(k)＝max{IFFT(P(f)·S_j(f)^H)}，相位偏移l为使得相关值IFFT(P(f)·S_j(f)^H)取Y(k)时的偏移量。

5.根据权利要求1所述的一种长码扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，步骤4中，至少第1～M-1个数据分块的长度为L或L的整数倍；L＝L_p×f_s/f_r，式中L_p为本地长码扩频序列p(n)的长度，f_s为采样频率，f_r为所述长码扩频信号的码率。

6.一种长码扩频信号的快速捕获装置，其特征在于，包括：

长码扩频序列调制单元，将本地扩频序列p(n)使用载频调制得到中频长码扩频调制序列p_IF(n)；

7.根据权利要求6所述的一种长码扩频信号的快速捕获装置，其特征在于，长码扩频序列调制单元利用公式计算长码扩频调制序列，其中△T为采样时间间隔。

8.根据权利要求6所述的一种长码扩频信号的快速捕获装置，其特征在于，相关峰数据块搜索单元进一步包括：

max(IDFT(P(f)·S_i(f)^H)),i＝1、2、…、M。

9.根据权利要求6所述的一种长码扩频信号的快速捕获装置，其特征在于，所述单块数据捕获单元进一步用于：用于利用公式Y(k)＝max{IFFT(P(f)·S_j(f)^H)}计算数据分块s_j(n)的相关峰值，相位偏移l为使得相关值IFFT(P(f)·S_j(f)^H)取Y(k)时的偏移量。

10.根据权利要求6所述的一种长码扩频信号的快速捕获装置，其特征在于，至少第1～M-1个数据分块的长度为L或L的整数倍；L＝L_p×f_s/f_r，式中L_p为本地长码扩频序列p(n)的长度，f_s为采样频率，f_r为所述长码扩频信号的码率。