CN106603450A - 一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其包含以下步骤：S1、将500kHz的多普勒频偏划分成等间隔的16个搜索子区间，每个子区间独立进行频率搜索；对每个子区间分别设置不同的中心频率，使不同的子区间具有不同的频率偏置；采用FFT频谱分析法对16个搜索子区间进行频率搜索，计算出每个子区间FFT结果的最大值和对应的频率值；从16个子区间FFT结果的最大值中找出最大值；S2、将从16个子区间FFT结果的最大值中找出的最大值对应的频率值加上子区间频率偏置即为捕获到的多普勒频偏。其优点是：快速高精度实现了高动态宽范围信号的捕获，且资源消耗没有增加。

Description

一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法

技术领域

本发明涉及深空通信领域中的信号捕获技术，具体涉及一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法。

背景技术

深空通信中由于航天器在运行过程中具有很高的速度和加速度，且通信距离远路径损耗大，因而接收到的信号为具有较大多普勒频移和频率变化率的微弱信号。

基于二维分区的深空频率捕获算法将多普勒频偏分为N个搜索区间，称为N个通道，每个通道NCO预置为该频率搜索区间的中心频率；每个通道分为M组，每组NCO分别预置为根据一定间隔产生的多普勒频率变化率步进值。这样就形成了一个多普勒频偏和多普勒频率变化率的二维搜索平面，平面中每一个方格代表了一个多普勒频偏值和一个多普勒频率变化率值。对N个通道，每个通道M组下变频后的信号做FFT，并从N*M组的FFT结果中找出最大模值，如果超过设定的门限则认为捕获成功，其所在的通道即为多普勒频偏值，所在的组即为多普勒频率变化率值。这种方法要进行两维的搜索，在宽多普勒频偏的环境下需要的搜索区间多，计算量大，捕获时间长，且要得到高精度估计，需要细化搜索区间，则二维搜索区间数目会急剧增大。这种方法的多通道并行处理，需要多个DDS核，多组滤波器，多个FFT核，这是对资源的很大消耗。

面向深空通信的载波同步方法及装置，该算法受限于每次通信链路建立时都要先发射一段时间的载波信号。基于卷积计算的微波统一测控系统中的载波捕获算法，将下变频后的基带信号与自身信号做卷积计算，通过找到卷积运算的最大值点，并对其做一个映射实现载波捕获，该算法用到多次FFT，逆FFT计算和映射算法，计算较为复杂，工程实现复杂度较高。

因此，常规的高动态宽范围捕获方法捕获时间长、消耗资源多，频率捕获精度低，工程实现复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，能在高动态宽多普勒频偏环境下以较高的频率分辨率和较短的时间完成信号捕获，在频偏高达±500kHz的情况下，保证深空通信接收机在20ms内对信号完成捕获和多普勒频偏校正，频偏捕获精度为62.5Hz，且通过合理划分处理时序，实现快速计算，使得在资源消耗相同的情况下能快速完成捕获。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征是，该方法基于通信体制是残留载波BPSK调制信号，通信速率为2kbps，多普勒频偏范围是500kHz，最大多普勒频率变化率是30kHz/s，所述的高动态宽范围快速信号捕捉包含以下步骤：

S1、将500kHz的多普勒频偏划分成等间隔的16个搜索子区间，每个子区间独立进行频率搜索；对每个子区间分别设置不同的中心频率，使不同的子区间具有不同的频率偏置；采用FFT频谱分析法对16个搜索子区间进行频率搜索，计算出每个子区间FFT结果的最大值和对应的频率值；从16个子区间FFT结果的最大值中找出最大值；

S2、将从16个子区间FFT结果的最大值中找出的最大值对应的频率值加上子区间频率偏置即为捕获到的多普勒频偏。

上述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其中，所述的步骤S1中：

采用串行搜索法对16个搜索子区间进行搜索。

上述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其中，所述的步骤S1具体包含：

S11、将基带信号进行下采样并采样2048个点存储到RAM中；

S12、用高倍时钟连续读取RAM中数据16次，使数据变成连续的数据流，且每次读取都对DDS核的频率进行重置，以产生频率依次步进的载波流；

S13、将产生的载波流和连续的数据流进行16次混频计算；

S14、对16次混频结果进行16次FFT计算；

S15、将FFT计算结果每2048个分为1组，共16组，在每组中计算出FFT结果的平均值和最大值，并计算出最大值点对应的频率值；

S16、在组间找出最大值。

上述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其中，所述的步骤S16后还包含：

S17、将找出的组间最大值和捕获门限值进行比较，如果大于门限值，则捕获成功，此最大值点对应的频率值加上组偏置则为最终的频率值，如果小于门限值，则捕获失败，返回步骤S11进行重新捕获。捕获门限值一般根据本组FFT计算结果的平均值乘以一个系数得到，系数的选择以满足要求的捕获漏检概率和虚警概率为标准。

上述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其中，所述的步骤S15具体包含：

将FFT计算结果每2048个分为1组，共16组，在每组内对FFT结果计算模值，找出模值的最大值，并记录对应的位置。

上述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其中，所述的步骤S1中：

不同的子区间具有不同的频率偏置freq_ctr(64kHz*n)，n表示子区间编号，每个子区间的多普勒频偏搜索范围为[freq_ctr-32kHz,freq_ctr+32kHz]。

本发明与现有技术相比具有以下优点：在深空通信应用中，采用本方法将宽范围的多普勒频偏合理划分成多个搜索子区间逐一搜索，并通过合理安排处理时序，使得多个子区间的频率搜索，FFT计算得以以流水线的形式并行实现，快速高精度实现了高动态宽范围信号的捕获，且资源消耗没有增加；本方法和串行频率搜索方法进行比较仿真性能相同，无性能损失，且实现复杂度低，稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的实施例中串行搜索法对子区间进行搜索的具体实现流程图；

图3为本发明的实施例中串行搜索法对子区间进行搜索的处理时序图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明公开了一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，该方法基于通信体制是残留载波BPSK调制信号，通信速率为2kbps，多普勒频偏范围是±500kHz，最大多普勒频率变化率是30kHz/s，所述的高动态宽范围快速信号捕捉包含以下步骤：S1、将±500kHz的多普勒频偏划分成等间隔的16个搜索子区间，图2中，子区间编号用n标识，每个子区间独立进行频率搜索；对每个子区间分别设置不同的中心频率，这样不同的子区间具有不同的频率偏置freq_ctr(64kHz*n)，每个子区间的多普勒频偏搜索范围为[freq_ctr-32kHz,freq_ctr+32kHz]；子区间的频率搜索采用FFT频谱分析法，将输入信号通过预置频率进行数字下变频，下变频后的信号进行下采样，将采样率降至128kHz或64kHz，然后进行2048点的FFT计算，根据FFT最大值计算出子区间的搜索频率，精度为62.5Hz或31.25Hz，采用串行搜索法对16个搜索子区间进行搜索，首先计算出每个子区间FFT结果的最大值和对应的频率，然后从16个子区间FFT结果最大值中找出最大值；S2、将从16个子区间FFT结果的最大值中找出的最大值所对应的频率值加上子区间频率偏置即为捕获到的多普勒频偏。

对所有子区间的搜索可以采用并行搜索法也可以采用串行搜索法，并行搜索法是各个子区间并行计算，DDS模块，下采样处理模块和FFT资源都需要复制多份，消耗资源多，实现复杂，优点是捕获时间短；串行搜索法仅使用一套资源，将不同的子区间依次计算，消耗资源少，但是捕获时间长。本发明提出一种串行搜索法的快速实现方法，资源消耗和串行搜索相同，但搜索时间大大降低，甚至可以与并行搜索时间相当，通过合理安排处理时序实现快速处理，其处理流程框图见图2，时序图见图3：

具体的，本实施例中，步骤S1可采用FPGA的IP核资源(包含DDS核，数字下变频，FFT核)实现，步骤S1具体包含：

S11、将基带信号进行下采样并采样2048个点存储到RAM中；

S12、用高倍时钟连续读取RAM中数据16次，使数据变成连续的数据流，且每次读取都对DDS核的频率进行重置，以产生频率依次步进的载波流；具体的，在第一次读取RAM之前，将DDS核频率预置成初始频率，在每次重新读取RAM时都要进行DDS核频率的重置，重置频率值为上次的频率值加上64kHz步进值，这样，对16次从RAM读出的数据，DDS核依次产生了频率步进的载波，等效为对16个子区间进行频率搜索；

S13、将产生的载波流和连续的数据流进行16次混频计算；

S14、对16次混频结果进行16次FFT计算；

S15、将FFT计算结果每2048个分为1组，共16组，在每组内对FFT结果计算模值并计算模值的平均值，找出模值的最大值，并记录对应的位置；

S16、在组间找出最大值；

S17、将找出的组间最大值和捕获门限值进行比较，如果大于门限值，按照该最大值对应的位置和组号计算出最终的频率值，如果小于门限值，则捕获失败，返回步骤S11进行重新捕获。捕获门限值一般根据本组FFT计算结果的平均值乘以一个系数得到，系数的选择以满足要求的捕获漏检概率和虚警概率为标准。

本发明方法带来的有益效果是：

1、通过快速处理实现串行搜索，整个过程在较短时间内完成：存储2048个采样点需要16ms，后面以连续数据流的形成实现16个2048点的FFT，处理时钟是102.4M，供需时间2048*16/102.4M＝0.32ms，即共用时间是16.32ms。

2、无须进行频率变化率的搜索：在16.32ms内，以最大多普勒频率变化率30kHz/s计算，最大的多普勒频移是489.6Hz。后续的载波跟踪环路中积分周期是0.5ms，根据克拉美罗上界，载波环的有效跟踪带宽是500Hz。因此，捕获过程中引入的多普勒频移没有超出载波环的有效跟踪带宽，捕获阶段不需再进行多普勒频率变化率的搜索。

3、频率分辨率高：每个搜索子区间的频率范围是[-32kHz，+32kHz]，采样率是128kHz，FFT点数是2048点，因此频率分辨率是62.5Hz。由于路径损耗大，深空通信信号一般都具有极低的信噪比，而载波跟踪锁相环在极低信噪比下需要采用较窄的环路带宽，这就要求系统频率捕获阶段频率估计必须有较高的精度。

4、资源消耗小。本发明采用的方法在资源消耗方面(DDS核，数字下变频，FFT核等)并没有通过复制资源的方式实现并行处理，而是通过RAM的缓存功能，以低时钟存入数据，然后以高倍时钟读出并处理，通过合理安排处理时序，使得多个频率子区间的搜索以流水线的形式实现，在资源消耗相同的前提下大大减小了处理时间，实现快速捕获。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征在于，该方法基于通信体制是残留载波BPSK调制信号，通信速率为2kbps，多普勒频偏范围是±500kHz，最大多普勒频率变化率是30kHz/s，所述的高动态宽范围快速信号捕捉包含以下步骤：

S1、将±500kHz的多普勒频偏划分成等间隔的16个搜索子区间，每个子区间独立进行频率搜索；对每个子区间分别设置不同的中心频率，使不同的子区间具有不同的频率偏置；采用FFT频谱分析法对16个搜索子区间进行频率搜索，计算出每个子区间FFT结果的最大值和对应的频率值；从16个子区间FFT结果的最大值中找出最大值；

S2、将从16个子区间FFT结果的最大值中找出的最大值对应的频率值加上子区间频率偏置即为捕获到的多普勒频偏。

2.如权利要求1所述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征在于，所述的步骤S1中：

采用串行搜索法对16个搜索子区间进行搜索。

3.如权利要求2所述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包含：

S11、将基带信号进行下采样并采样2048个点存储到RAM中；

S12、用高倍时钟连续读取RAM中数据16次，使数据变成连续的数据流，且每次读取都对DDS核的频率进行重置，以产生频率依次步进的载波流；

S13、将产生的载波流和连续的数据流进行16次混频计算；

S14、对16次混频结果进行16次FFT计算；

S15、将FFT计算结果每2048个分为1组，共16组，在每组中计算出FFT结果的平均值和最大值，并计算出最大值点对应的频率值；

S16、在组间找出最大值。

4.如权利要求3所述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征在于，所述的步骤S16后还包含：

S17、将找出的组间最大值和捕获门限值进行比较，如果大于门限值，则捕获成功，此最大值点对应的频率值加上组偏置则为最终的频率值，如果小于门限值，则捕获失败，返回步骤S11进行重新捕获。捕获门限值一般根据本组FFT计算结果的平均值乘以一个系数得到，系数的选择以满足要求的捕获漏检概率和虚警概率为标准。

5.如权利要求2所述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征在于，所述的步骤S15具体包含：

将FFT计算结果每2048个分为1组，共16组，在每组内对FFT结果计算模值，找出模值的最大值，并记录对应的位置。

6.如权利要求1所述的适于深空通信的高动态宽范围快速信号捕捉方法，其特征在于，所述的步骤S1中：

不同的子区间具有不同的频率偏置freq_ctr(64kHz*n)，n表示子区间编号，每个子区间的多普勒频偏搜索范围为[freq_ctr-32kHz,freq_ctr+32kHz]。