CN107132556A - 基于组合fft的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法 - Google Patents

基于组合fft的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法，包括步骤：对输入中频信号进行去载波操作得到混频信号x(n)；将混频信号x(n)和本地测距码信号分解为DIF‑FFT形式，然后分别对其进行FFT变换和取共轭操作，得到结果X′(k)、X″(k)、H′*(k)和H″*(k)；将X′(k)与H′*(k)，X″(k)与H″*(k)对应相乘得到结果Y′(k)和Y″(k)；对Y′(k)和Y″(k)进行FFT变换得到中间结果p1(n)和p2(n)；将p1(n)和p2(n)按DIF‑FFT方式组合得到p(n)；最后，根据p(n)可得其最终相关结果y(n)。本发明与传统并行码相位算法的捕获性能基本相当，在改进运算速度的同时，未降低捕获灵敏度。

Description

基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法
技术领域
本发明涉及软件接收机接收信号捕获领域，尤其是一种基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法。
背景技术
软件接收机基于通用嵌入式平台，可深入到接收机信号通道内部控制卫星信号的处理过程，具有良好的开放性，现已成为未来定位接收机的发展方向。随着卫星信号长度的增加和接收机处理算法的复杂化，对信号处理平台处理性能的要求也越来越高。为了满足信号处理系统的硬件实现需求，数字信号处理器(DSP)已经从一开始的单处理器多板卡系统发展为现在的多处理器并行系统，大大提高了算法运算速度。相比单核DSP，多核DSP具有更高的并行处理能力。但核的数量增多带来了芯片面积增大，长线之间数据交换和互连延时会很大程度制约芯片性能提高的技术问题。因此，需合理地设计并行算法以最大程度地开发多核处理器的并行性。
现有的软件接收机信号捕获方法主要是传统并行码相位捕获算法，传统并行码相位捕获算法中单个FFT变换序列各点间运算相互关联，仅可由多核数字信号处理平台中单核完成N点序列的FFT变换，信号处理速度较慢。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，提高软件接收机信号捕获过程中的信号处理速度，本发明提出一种基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法。
本发明所采用的技术方案为：
基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法，包括以下步骤：
(1)对输入的中频信号进行去载波操作，得到混频信号x(n)；
(2)将混频信号x(n)和本地测距码信号h(n)分解为以下形式：
式中，为旋转因子，N为采样点数；
(3)分别对x1(n)、x2(n)、h1(n)、h2(n)依次进行FFT变换和取共轭操作，得到X′(k)、X″(k)、H′*(k)、H″*(k)；其中，X′(k)为X(k)的偶序列，X″(k)为X(k)的奇序列；H′*(k)为H*(k)的偶序列，H″*(k)为H*(k)的奇序列；X(k)为x(n)的FFT变换结果，H*(k)为h(n)的FFT变换结果H(k)的复共轭；
(4)将X′(k)与H′*(k)相乘，记乘积为Y′(k)；将X″(k)与H″*(k)相乘，记乘积为Y″(k)；
(5)对Y′(k)和Y″(k)分别进行FFT变换，得到对应的中间结果p1(n)和p2(n)；根据p1(n)和p2(n)组合得到p(n)，p(n)计算公式为：
(6)根据步骤(5)得到的p(n)得到捕获的信号y(n)：
进一步的，所述步骤(1)中去载波操作的步骤为：
首先根据输入信号多普勒频率搜索范围确定本地载波频率fd，并生成该频率下的本地载波：
然后对输入信号s(n)进行去载波操作，得到混频信号x(n)：
x(n)＝s(n)*loc(n)。
有益效果：本发明在北斗B2信号结构和传统并行码相位算法的基础上，提出基于DIF-DIT FFT的北斗B1信号快速捕获方法。相对于传统并行码相位捕获算法中单个FFT变换序列各点间运算相互关联，仅可由多核数字信号处理平台中单核完成N点序列的FFT变换而言，本发明由于FFT运算部分之间无数据交换，可分别在双核上并行处理，加快信号处理速度。本发明与传统并行码相位算法的捕获性能基本相当，在改进运算速度的同时，未降低捕获灵敏度。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为传统并行码相位算法的原理图；
图3为DIF-FFT运算结构图；
图4为DIT-FFT运算结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
(1)传统并行码相位捕获算法
当信号由卫星传播到地面接收机时已淹没在噪声中，伪随机码码相位和载波频率也发生了变化，需对信号进行捕获将其从噪声中识别出来(raise)。卫星信号捕获主要利用了伪随机码的相关特性，并行码相位捕获算法原理图如图2所示，并行码相位捕获算法包括如下步骤：
步骤1：去载波。首先根据输入信号多普勒频率搜索范围确定本地载波频率fd并生成该频率下本地载波：
然后对输入信号s(n)进行去载波操作得到混频信号x(n)。
x(n)＝s(n)*loc(n) (1)
步骤2：将混频信号与本地测距码间的时域相关运算转换为频域的相乘运算。两信号时域相关形式如式(2)所示。然后通过FFT操作将相关运算由时域转换为频域，过程如式(3)所示。式中H*(k)为H(k)的复共轭。N为待处理信号的采样点数。
步骤3：利用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)将频域相乘结果转换为时域相关结果，过程如式(4)所示。
y(n)＝IFFT[Y(k)] (4)
如果相关结果峰值超过所设门限值，则捕获成功，否则调整本地载波频率重复上述操作。
(2)基于DIF-DIT FFT的并行捕获原理
在并行码相位捕获算法中，FFT运算是该算法的核心。因此，通过改进FFT运算结构可进一步优化该算法。
1)基-2FFT运算结构
FFT运算是DFT运算的快速算法。基-2FFT是较常用的FFT运算结构，同时，基-2FFT运算结构又包括DIF基-2FFT和DIT基-2FFT。两结构运算过程示意图如图3和图4所示。DIF基-2FFT可看作将N点序列分成前后两部分，然后将两序列组合过后，分别进行N/2点FFT。组合方式如式(5)所示。DIT基-2FFT可看作先将原序列分成奇偶两序列，然后再分别做N/2点FFT，最后将结果组合在一起得到最终FFT结果X(k)，组合方式如式(6)所示。
式中，和均为旋转因子，
2)基于DIF-DIT FFT的快速捕获算法原理
首先将输入信号去载波后得到混频x(n)，过程如式(1)所示。然后将混频信号x(n)和本地测距码信号h(n)分别按照式(5)所示方式组合成x1(n)、x2(n)、h1(n)和h2(n)。此时，分别对x1(n)、x2(n)、h1(n)和h2(n)依次进行FFT变换和取共轭操作，过程如式(7)所示。由图3可知，X′(k)为X(k)的偶序列，X″(k)为X(k)的奇序列。同理，H′*(k)为H*(k)的偶序列，H″*(k)为H*(k)的奇序列。则将X′(k)与H′*(k)对应相乘可到Y(k)的偶序列，X″(k)与H″*(k)相乘结果为Y(k)的奇序列。
IFFT运算与FFT运算过程相似，因此在嵌入式实现过程中，IFFT可直接利用已有的FFT程序进行计算而无需再进行编程。IFFT利用FFT程序得到计算结果的过程如下所示：
①利用FFT程序由Y(k)求出p(n)，如式(9)所示：
p(n)＝FFT[Y(k)] (9)
②计算即为y(n)，如式(10)所示：
Y′(k)和Y″(k)分别为Y(k)的偶序列和奇序列。根据图4和式(6)可知，其FFT变换结果进行组合即可得到p(n)。然后根据式(10)可得到最终相关结果y(n)。对应的运算过程下式所示：
p1(n)＝FFT[Y′(k)]，p2(n)＝FFT[Y″(k)] (11)
综上所述，本发明原理图如图1所示，运算过程为：
第一步：对输入中频信号进行去载波操作得到混频信号x(n)；
第二步：将混频信号x(n)和本地测距码信号分成前后两部分，并按照式(5)所示方式组合在一起。然后分别对其进行FFT变换和取共轭操作，得到结果X′(k)、X″(k)、H′*(k)和H″*(k)。对于单颗卫星，算法在对信号进行捕获的过程中需对载波多普勒频移进行多次搜索，而每一次相关过程中本地测距码信号均相同。因此可将本地测距码信号FFT结果保存在内存中以供调用，无需重复计算H′*(k)和H″*(k)值。
第三步：将X′(k)与H′*(k)，X″(k)与H″*(k)对应相乘得到结果Y′(k)和Y″(k)。
第四步：对Y′(k)和Y″(k)进行FFT变换得到中间结果p1(n)和p2(n)。将p1(n)和p2(n)按式(12)方式组合得到p(n)。
第五步：最后，根据式(10)可得其最终相关结果y(n)。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对输入的中频信号进行去载波操作，得到混频信号x(n)；
(2)将混频信号x(n)和本地测距码信号h(n)分解为以下形式：
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式中，为旋转因子，N为采样点数；
(3)分别对x1(n)、x2(n)、h1(n)、h2(n)依次进行FFT变换和取共轭操作，得到X′(k)、X″(k)、H′*(k)、H″*(k)；其中，X′(k)为X(k)的偶序列，X″(k)为X(k)的奇序列；H′*(k)为H*(k)的偶序列，H″*(k)为H*(k)的奇序列；X(k)为x(n)的FFT变换结果，H*(k)为h(n)的FFT变换结果H(k)的复共轭；
(4)将X′(k)与H′*(k)相乘，记乘积为Y′(k)；将X″(k)与H″*(k)相乘，记乘积为Y″(k)；
(5)对Y′(k)和Y″(k)分别进行FFT变换，得到对应的中间结果p1(n)和p2(n)；根据p1(n)和p2(n)组合得到p(n)，p(n)计算公式为：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>N</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mi>N</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>N</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
(6)根据步骤(5)得到的p(n)得到捕获的信号y(n)：
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2.根据权利要求1所述的基于组合FFT的多核北斗软件接收机信号并行捕获方法，其特征在于，所述步骤(1)中去载波操作的步骤为：
首先根据输入信号多普勒频率搜索范围确定本地载波频率fd，并生成该频率下的本地载波：
<mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>n</mi> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>
然后对输入信号s(n)进行去载波操作，得到混频信号x(n)：
x(n)＝s(n)*loc(n)。
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