CN105846855A - 一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，对采样后的信号求绝对值，通过FIFO进行采样速率与FFT计算时钟的异步时钟数据传输速率匹配，FIFO存储1024点采样数据，一个完整的1024点数据经FFT变换成频域数据，对1024点频域数据进行幅度最大值搜索得到频率峰值的顺序排列，根据目标信号特性，以及频率可能的取值范围，选择合理的频率值，通常为搜索得到的最大幅度频率值作为频率引导值。在该频率值下，进行码片搜索，当出现的相关峰大于设定门限时，即完成了搜索过程。本发明将信号捕获搜索过程由二维搜索，变为一维码片搜索，大大缩短了信号捕获搜索时间。

Description

一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法
技术领域
本发明涉及一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法。属于通信工程技术领域。
背景技术
在卫星发射过程中，对于上升段和主动段，存在星地间通信信号存在较大多普勒信号，对于S频段的通信信号其多普勒变化范围达到±50KHz以上。
对于扩频信号，要完成其信号捕获过程，需要完成伪码码片相位与载波频率搜索过程，以1023码长、伪码速率为1.023Mchip/s的伪码，多普勒变化范围为±50KHz时，采用通用的二维搜索捕获方法，假设相关积分时间为1ms，码片搜索步长为0.5个码片，频率搜索步长为500Hz，则捕获时间将达到400秒以上，这将使得星地间的扩频通信时间大为减少。
在扩频信号的捕获过程中，一般采用的二维搜索过程，其实现原理如图1所示，频率码片搜索通过合理的步长进行遍历搜索。
对于大动态扩频信号的快速捕获方法，提出过一些方法，总的来说可概括为两种：一种是并行频率搜索，另一种是并行码相位搜索。其基本思想就是将二维搜索变换为一维搜索。但均过于复杂，需要消耗大量的电路资源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，解决大动态扩频信号捕获时间较长的问题，对一般二维搜索方案进行改进，简化捕获过程，降低资源消耗。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，对采样后的求绝对值，解决因PSK调制信号无残留载波问题，绝对值后载波频率变为2倍，通过FIFO(先进先出存储器)进行采样速率与FFT(快速傅氏变换)计算时钟的异步时钟数据传输速率匹配，FIFO存储1024点采样数据，一个完整的1024点数据经FFT变换成频域数据，对1024点频域数据进行幅度最大值搜索得到频率峰值的顺序排列，根据目标信号特性，以及频率可能的取值范围，选择合理的频率值，通常为搜索得到的最大幅度频率值作为频率引导值。在该频率值下，进行码片搜索，当出现的相关峰大于设定门限时，即完成了搜索过程。
从上述搜索过程可知，信号捕获搜索过程由二维搜索，变为一维码片搜索，大大缩短了信号捕获搜索时间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过基于频率引导的方法，将大动态范围的扩频信号的二维搜索捕获过程，简化为一维搜索捕获过程，其捕获时间基本为码片搜索捕获时间，与信号的多普勒动态范围无关，当多普勒动态越大时，本发明捕获时间优势越明显，适用于捕获低轨卫星的大动态多普勒扩频信号。
附图说明
图1为传统的扩频信号二维搜索原理图。
图2为基于频率引导的扩频信号快速捕获原理图。
图3为频率差异引起的相关结果幅度。
图4为本发明的伪码相关函数图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，如图2所示，具体过程为：
第一步、对本地信号和接收信号混频后的信号，先进行平滑滤波，再求绝对值，得到新的数字信号；
第二步、对新的数字信号进行抽取滤波，并进行FIFO缓存；
第三步、当FIFO缓存数据已满1024个点时，送复数FFT计算单元进行计算，再进行模值计算；
第四步、对FFT计算得到的1024个频域幅度值，进行最大值搜索，并按值的大小顺序排列；
第五步、以最大幅度值的频率值作为引导值，对本地载波进行频率赋值；
第六步、控制本地码片以半个码片长度，进行码片搜索；
第七步、当本地信号与接收的信号的相关峰大于设定的门限值时，判定完成扩频信号的捕获过程，当前搜索到的码片相位与频率引导值即输入信号的频率值与码片相位。
本发明提供的方法可在FPGA中实现，也可以分离器件实现，由于FPGA使用的普遍使用，本文假定是在Altera公司Stratix系列FPGA中实现的。
本发明第一步对混频后得到的号，先进行平滑滤波去除高频分量，保留低频分量，该信号仍然是扩频信号，直接对其进行FFT计算是不能得到载波频率值，对该信号求平方后，可以得到二倍频率的载波信号，为简化计算，在第一步中以绝对值代替平方计算。
第二步抽取滤波的阶数选取与频率引导值的关系
通过信号抽取降低数据采样率，假设数据采样周期为Tc，经过n倍抽取后采样周期为n*Tc，则在该采样时钟下，1024点数据FFT变换后，其频率范围为0～1/(2n*Tc)，频率分辨率为(1/(1024*n*Tc))。
假设对70MHz中频信号进行带通采样，采样率为56MHz，抽取倍数为128倍，则可计算得到频率范围为0～218.75KHz，频率分辨率为213.62Hz。因为进行了绝对值运算，实际的多普勒搜索范围为：0～109KHz，频率分辨率为106.8Hz。
本地信号与接收信号频率差异时，会引起相关结果变化，其关系如图3所示，其中纵坐标表示以最大值归一化后的信号幅度，横坐标表示两信号的频率差，当频率差为0时，相关得到最大值。其中Tcoh表示相关器积分时间。为了相关积分能够很好地工作，本地信号与接收信号的频率差不应超过1/(2*Tcoh)。对于积分时间为1ms时，频率差不应超过500Hz。
由此可见，抽取倍数的选取应考虑：频率分辨率应小于1/(2*Tcoh)，频率范围应大于实际接收信号的最大多普勒(包括本地本振源信号的频率偏差)。
第六步码片搜索及搜索步长
相关峰除与频率差相关外，还与本地伪码发生器产生的伪码码相位、接收信号的伪码码相位两者的码相位差有关。不考虑频率差因素，仅从伪码相位考虑，则可用伪码的自相关函数表示，如图4所示。
由图可知，当本地伪码发生器产生的伪码码相位、接收信号的伪码码相位对齐时，相关峰最大，当两者差到一个码片，两者基本不相关，这是由伪码信号本身的特性决定的。由此一般选择伪码码相位搜索步长为0.5个码片长度。
要想确定接收信号的伪码码相位，可靠的方法是，本地产生各种可能的码相位伪码与接收伪码信号进行相关运算，其相关峰满足要求时的本地伪码码相位即接收信号的码相位。为此，是对本地伪码信号发生器，进行一个伪码周期内的移相控制，每次移0.5个码片长度，逐一计算其相关峰，直至满足要求的相关峰出现。
第七步相关峰门限值的设定
合理地选取相关峰门限值，是通过两个方面来考虑的：一方面，过小的门限值容易造成虚警，也就是容易将噪声或干扰信号误判为信号，而认为系统捕获了扩频信号；另一方面，过大的门限值，又容易造成漏警，即系统不能捕获扩频信号。对于信噪较好时，相关峰门限值可以设的高一些，而信噪比较差时，相关峰门限值的设定就较为困难。对于相关峰门限值的设定问题，一般扩频信号捕获方法与本方法是相同的，不是本方法的重点，在此不详述。
最大捕获时间
本方法捕获时间与FFT引导值计算时间、码片搜索时间有关。FFT引导值计算时间主要是收集1024点数据所用时间，FFT计算采用高速时钟，用时很小，在此忽略不计。假设相关积分时间为一个伪码周期，可用下式计算：
T最大捕获＝1024*(n/Tc)+(2*L伪码)*(L伪码/R伪码)
其中：T最大捕获表示最大捕获时间；
L伪码表示伪码长度；
R伪码表示伪码码片速率；
而采用一般扩频信号捕获方法，相同条件下，最大捕获时间可由下式计算：
T最大捕获＝(2*fd/fstep)*(2*L伪码)*(L伪码/R伪码)
其中：T最大捕获表示最大捕获时间；
表示最大多普勒频偏；
表示频率搜索步长，其取值应小于L伪码/(2*R伪码)；
L伪码表示伪码长度；
R伪码表示伪码码片速率；
假设扩频信号的指标要求为：最大多普勒频偏为±100KHz，伪码码长1023，伪码速率1.023MPS，采样速率为56MHz，抽取倍数为128倍，频率搜索步长500Hz，码片搜索步长为0.5个码片。则采用本方法的最大捕获时间为：2.048秒，而采用一般捕获方法的最大捕获时间为818.4秒。当最大多普勒频偏越大时，本方法优势越明显。
由此可见，本方法大缩短了具有大动态多普勒频偏的扩频信号捕获时间。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
第一步、对本地信号和接收信号混频后的信号，先进行平滑滤波，再求绝对值，得到新的数字信号；
第二步、对新的数字信号进行抽取滤波，并进行FIFO缓存；
第三步、当FIFO缓存数据已满1024个点时，送复数FFT计算单元进行计算，再进行模值计算；
第四步、对FFT计算得到的1024个频域幅度值，进行最大值搜索，并按值的大小顺序排列；
第五步、以最大幅度值的频率值作为引导值，对本地载波进行频率赋值；
第六步、控制本地码片以半个码片为长度，进行码片搜索；
第七步、当本地信号与接收的信号相关峰大于设定的门限值时，判定完成扩频信号的捕获过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，其特征在于：第二步的抽取倍数选取应考虑：频率分辨率应小于1/(2*Tcoh)，频率范围应大于实际接收信号的最大多普勒，其中Tcoh表示相关器积分时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率引导的大动态扩频信号快速捕获方法，其特征在于：第六步中的本地信号和接收信号的伪码码相位搜索步长为0.5个码片长度，接收信号的伪码码相位是对本地伪码信号发生器，进行一个伪码周期内的移相控制，每次移0.5个码片长度，逐一计算其相关峰，直至满足要求的相关峰出现。
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