CN106772356A - 单通道单脉冲系统的扩频角跟踪信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单通道单脉冲系统的扩频角跟踪信号捕获方法，主要解决现有技术捕获时延较大，不能满足单通道单脉冲系统捕获的实时性要求的问题。其方案是：1)以系统给定的中频频率为基准，并以系统给定的步长为单位将多普勒频偏区间划分为若干个等长的频率单元；2)通过傅里叶变换的方式将信号变换到频域，求每个频率单元对应的相关值，并求出所有频率单元对应的相关值的最大值；3)根据最大值与系统给定的门限值进行比较，判决信号是否捕获成功，得到角跟踪信号的载波估计值和码相位偏移的估计值。本发明极大地缩短了捕获时间，适用于卫星接收站、车载定向跟踪天线、无人机跟踪遥测等单通道单脉冲体制扩频角跟踪信号自跟踪。

Description

单通道单脉冲系统的扩频角跟踪信号捕获方法

技术领域

本发明属于无线电跟踪测量领域，特别涉及一种扩频角跟踪信号的捕获方法，适用于卫星接收站、车载定向跟踪天线、无人机跟踪遥测等单通道单脉冲体制扩频角跟踪信号自跟踪系统。

背景技术

扩频信号的特点是发送信息所占的带宽远大于信息本身的带宽，在发射端用扩频码对发射信息进行二次调制，扩展了信号的频谱，在接收端用相同的扩频码进行解扩以恢复所传信息。扩频信号可以在低信噪比环境下工作，信号淹没在噪声中，因此具有很高的隐蔽性、抗多径和抗截获的能力，在卫星通信和飞行器测控系统中将得到广泛应用。

传统的扩频信号的捕获方法主要是串行捕获，其主要是通过不断地调整本地码的码相位和本地载波频率来实现信号的捕获，即在设定的范围内任意选定一个载波频率，在这个频率下将本地扩频码序列和输入的信号相乘并进行一个扩频码周期或者更长时间的累加，如果得到的结果比预先设定的门限值大，则判断信号捕获成功，如果得到的结果比预先设定的门限值小，则移动1/2或1码片，改变码相位重复上述过程。当所有可能的码相位都搜索完毕仍然没有捕获到信号，则改变载波频率重复上述过程。如果所有码相位和载波频率全部搜索完毕仍然没有捕获到信号，则本周期捕获信号失败，由于该方法需要搜索全部的扩频码相位和整个多普勒频移范围，而且每次都要计算输入信号与本地扩频码的相关值，所以搜索时间太长。

针对传统扩频信号的捕获方法的不足，赵呈哲和何源洁在论文无人飞行器扩频角跟踪技术研究与应用(无线电工程，2013,43(1)：39-41)中提出来在伪码的搜索捕获阶段，采用8路伪码相位并行搜索的方式，为了在低信噪比下能够准确地完成解扩，还进行了多倍扩频码周期的非相干累加，该方法是通过增加硬件相关器的方式来提升性能，相比传统的串行搜索，其所需解扩时间仅减少为原来的1/8，而且相关模块的硬件资源消耗却增加了8倍。

上述两种捕获方法由于对接收到的扩频信号在进行时域处理时，均要进行相关运算，而在时域内的相关运算需要大量的逻辑运算才能完成，造成捕获的时延较大，不能完成角跟踪信号的实时处理。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种单通道单脉冲体制的扩频角跟踪信号捕获方法，以提高捕获速度，减小捕获时延，满足实时性角跟踪的要求。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种单通道单脉冲系统的扩频角跟踪信号捕获方法，所述单通道单脉冲系统包括单通道合成部分、扩频角跟踪信号捕获部分和信号解算部分，其中：

单通道合成部分，用于在射频将从馈源天线得到的和信号、方位差信号和俯仰差信号合成为一路带有多普勒频偏的扩频信号并输出；

扩频角跟踪信号捕获部分，用于对中频单通道单脉冲信号进行搜索，采用并行码相位捕获方法对信号进行捕获；

信号解算部分，用于对捕获的信号进行解扩，并根据解扩后的信号得到方位误差电压和俯仰误差电压，输出至伺服系统控制天线转动，实现跟踪天线的闭环控制；

其特征在于，扩频角跟踪信号捕获的步骤包括如下：

(1)将系统给定的中频频率作为本地载波频率；

(2)将带有多普勒频偏的中频单通道单脉冲信号分别与本地余弦载波和本地正弦载波混频，得到两路正交信号，分别用i和q表示，将这两路正交信号进行合成，得到一路信号：x(n)＝i+j×q，再将该一路信号x(n)进行傅里叶变换，变换后的序列记为X(k)；

(3)对本地扩频码y(n)进行傅里叶变换，傅里叶变换的结果为Y(k)，对Y(k)取共轭，共轭后得到的序列记为

(4)将步骤(2)中的X(k)与步骤(3)中的相乘，得到乘积：对Z(k)进行傅里叶逆变换得到变换后的序列z(n)，z(n)的模值即为接收信号与本地扩频码的相关值；

(5)改变本地载波频率，重复步骤(2)-(4)，直到遍历多普勒频偏范围，得出所有不同频率的本地载波所对应的接收信号与本地扩频码的相关值；

(6)找出所有相关值中的最大值M，如果该最大值M大于系统给定的门限值T，则捕获成功，执行步骤(7)；如果该最大值M小于系统给定的门限值T,则本周期捕获失败，返回步骤(1)，重新进行捕获；

(7)将最大值M所对应的本地载波频率作为接收信号载波的估计值，将最大值M所对应的位置作为码相位偏移的估计值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于极大地保留了现有单通道单脉冲测控、跟踪系统的设备，因而其单通道合成部分和现有的技术能完全兼容；

2.本发明由于在扩频角跟踪信号捕获部分采用并行码相位的方法进行信号的搜索捕获，故只需要在频率一个维度进行搜索，就可直接根据相关值取得最大值时的位置得到码相位偏移量，与现有技术相比，极大地减少了信号捕获的时间，满足了系统对于实时性的要求；

3.本发明由于将核心部分扩频角跟踪信号捕获部分中，将本地扩频码及其傅里叶变换的共轭的值存储在本地存储器中，不需要每次计算本地扩频码的傅里叶变换，只需要计算接收信号的傅里叶变换即可进行捕获。

附图说明

图1为本发明使用的单通道单脉冲系统框图；

图2为本发明进行扩频角跟踪信号捕获的实现原理框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，现有的单通道单脉冲系统，其包括单通道合成部分、扩频信号捕获部分和信号解算部分。

所述单通道合成部分，包括0/π调制器、低频调制方波发生器、π/2移相器、加法器、带通滤波器和耦合器；通过0/π调制器，将方位差信号与低频调制方波进行调制，并将俯仰差信号与经过π/2移相器移相后的低频调制方波进行调制，然后将通过调制后的俯仰差信号和方位差信号在时域进行相加，并对相加后的信号进行滤波，将滤波后的信号通过一个耦合器与和信号进行耦合，得到以和信号对应的频率为中心频率的单通道角跟踪信号。

所述扩频角跟踪信号捕获部分，包括低噪声放大器LNA、中频下变频器，中频放大器、自动增益控制器AGC、中频滤波器和捕获模块；信号捕获部分将接收到的单通道角跟踪信号经过低噪声放大器放大，并将放大后的信号进行中频下变频得到中频信号，将该中频信号经过中频放大器和AGC处理后进行滤波，并对滤波后的中频角跟踪信号进行捕获。

所述信号解算部分，包括信号解扩、解调模块、混频器和滤波器；对于捕获到信号进行解扩、解调，去除扩频码和调制数据对角误差信号的影响，并将解调后的信号分成两路分别与低频方波进行混频，得到方位角误差电压和俯仰角误差电压，输出至伺服系统控制天线转动，实现跟踪天线的闭环控制；

本发明是对上述系统中扩频角跟踪信号捕获部分的捕获方法的具体实现，以提高捕获速度，减小捕获时延，满足实时性角跟踪的要求。

参照图2，本发明的扩频角跟踪信号捕获方法，其实现步骤包括如下：

步骤1，将系统给定的中频频率作为本地载波频率。

步骤2，将中频单通道单脉冲信号分别与余弦载波和正弦载波进行混频。

本地载波通过正弦表和余弦表生成两路正交的正弦载波和余弦载波，将得到的正弦载波和余弦载波与带有多普勒频偏的中频单通道单脉冲信号进行混频，得到两路正交信号，分别用i和q表示；

将这两路混频后的正交信号i和q合成为一路复信号：x(n)＝i+j×q，其中j为虚数单位；

对复信号x(n)做N点的傅里叶变换，得到变换后的序列为X(k)，其中N的数值为扩频码的长度。

步骤3，求单通道扩频角跟踪信号与本地扩频码的相关值。

3.1)设本地扩频码为y(n)，对y(n)做N点傅里叶变换得到傅里叶变换后的结果Y(k)，取Y(k)的共轭并将y(n)和存储在本地存储器中；

3.2)将步骤(2)中的X(k)与相乘，得到乘积：

3.3)对Z(k)进行傅里叶逆变换，得变换后的序列z(n)，表示如下：

式中，IFFT表示傅里叶逆变换，FFT(x(n))表示x(n)的傅里叶变换，FFT^*(y(n))表示y(n)的傅里叶变换的共轭。

3.4)再对z(n)取模，得到的模值|z(n)|即为单通道扩频角跟踪信号与本地扩频码的相关值。

步骤4，求所有相关值中的最大值。

4.1)以系统给定的中频频率为本地载波的基准频率，以系统给定的步长将多普勒频偏区间划分为若干个等长的频率单元；

4.2)将系统给定的中频频率作为初始频率，以系统给定的步长为单位，先以小于初始频率一个步长的频率单元对应的频率作为本地载波频率，重复步骤2-3；再以大于初始频率一个步长的频率单元对应的频率作为本地载波频率，重复步骤2-3；如此左右交替地改变本地载波的频率，对其两边的频带进行遍历，每改变一次本地载波频率，得到一个单通道角跟踪信号与本地扩频码的相关值，记录所有不同频率的本地载波所对应的相关值；

4.3)取所有相关值中的最大值，记为M；

步骤5，判断捕获是否成功。

将步骤4中的最大值M与系统给定的门限值T进行比较：若M<T,则本次捕获失败，返回步骤1，重新进行捕获；若M>T，则捕获成功，最大值M所对应的本地载波频率即为接收信号载波的估计值，最大值M所对应的位置即为码相位偏移的估计值。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单通道单脉冲系统的扩频角跟踪信号捕获方法，所述单通道单脉冲系统包括单通道合成部分、扩频角跟踪信号捕获部分和信号解算部分，其中：

单通道合成部分，用于在射频将从馈源天线得到的和信号、方位差信号和俯仰差信号合成为一路带有多普勒频偏的扩频信号并输出；

扩频角跟踪信号捕获部分，用于对中频单通道单脉冲信号进行搜索，采用并行码相位捕获方法对信号进行捕获；

信号解算部分，用于对捕获的信号进行解扩，并根据解扩后的信号得到方位误差电压和俯仰误差电压，输出至伺服系统控制天线转动，实现跟踪天线的闭环控制；

其特征在于，扩频角跟踪信号捕获的步骤包括如下：

(1)将系统给定的中频频率作为本地载波频率；

(2)将带有多普勒频偏的中频单通道单脉冲信号分别与本地余弦载波和本地正弦载波混频，得到两路正交信号，分别用i和q表示，将这两路正交信号进行合成，得到一路信号：x(n)＝i+j×q，再将该一路信号x(n)进行傅里叶变换，变换后的序列记为X(k)；

(3)对本地扩频码y(n)进行傅里叶变换，傅里叶变换的结果为Y(k)，对Y(k)取共轭，共轭后得到的序列记为

(4)将步骤(2)中的X(k)与步骤(3)中的相乘，得到乘积：对Z(k)进行傅里叶逆变换得到变换后的序列z(n)，z(n)的模值即为接收信号与本地扩频码的相关值；

(5)改变本地载波频率，重复步骤(2)-(4)，直到遍历多普勒频偏范围，得出所有不同频率的本地载波所对应的接收信号与本地扩频码的相关值；

(6)找出所有相关值中的最大值M，如果该最大值M大于系统给定的门限值T，则捕获成功，执行步骤(7)；如果该最大值M小于系统给定的门限值T,则本周期捕获失败，返回步骤(1)，重新进行捕获；

(7)将最大值M所对应的本地载波频率作为接收信号载波的估计值，将最大值M所对应的位置作为码相位偏移的估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中改变本地载波频率，是以系统给定的中频频率为本地载波的基准频率，以系统给定的步长将多普勒频偏区间划分为若干个等长的频率单元，从基准频率开始左右交替地对其两边的频带进行搜索，以每个频带对应的频率值作为本地载波频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)-(3)所述的傅里叶变换的长度和步骤(4)所述的傅里叶逆变换的长度均为本地扩频码的长度N。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)傅里叶逆变换后的序列z(n)，表示如下：

$\begin{array}{c}z\left(n\right)=IFFT\&lsqb;Z\left(k\right)\&rsqb;\\ =IFFT\&lsqb;X\left(k\right)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{Y\left(k\right)}\&rsqb;\\ =IFFT\&lsqb;FFT\left(x\left(n\right)\right)\&CenterDot;{\mathrm{FFT}}^{*}\left(y\left(n\right)\right)\&rsqb;\end{array}$

式中，IFFT表示傅里叶逆变换，FFT(x(n))表示x(n)的傅里叶变换，FFT^*(y(n))表示y(n)的傅里叶变换的共轭。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)所述的本地扩频码y(n)及其傅里叶变换的共轭的值存储在本地的存储器中。