CN107135013A - 一种直接序列扩频信号快速捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接序列扩频信号快速捕获方法，属于扩频信号接收处理技术领域。本发明包括获得直接序列扩频离散复信号的采样频率以及本地伪码信号的输出速率、多普勒粗捕和多普勒细捕等步骤。本发明将直扩信号的捕获分为“粗捕”和“细捕”两个阶段，其中，第一阶段基于并行码相位搜索算法实现对伪码相位的捕获以及多普勒频移粗捕结果；第二阶段基于分段相关和傅立叶变换技术实现对载波频率的多普勒细捕。这种两阶段捕获方法能够在更低的信噪比容限和高动态搜索范围的前提下实现信号的快速捕获和参数估计，对现有技术是一种重要改进。

Description

一种直接序列扩频信号快速捕获方法
技术领域
本发明属于扩频信号接收处理技术领域，具体涉及一种直接序列扩频信号快速捕获方法。
背景技术
直接序列扩频(简称“直扩”)技术具有良好的保密性、灵活的信道分配能力以及较强的抗多径、多址干扰能力，在个人通信网、无线局域网、移动通信、卫星通信以及军事战术通信等领域得到广泛应用。由于直接序列扩频信号的带宽远大于基带信号带宽，能量分布于更宽的频带，且功率谱密度很低，以至于通常淹没在噪声中。正是由于这些特点使得直接序列扩频信号难于检测，一般检测与估计直扩信号参数的方法都难以满足高动态、低信噪比环境下的快速捕获需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种直接序列扩频信号快速捕获方法，该方法能够在更低的信噪比容限和高动态搜索范围的前提下实现信号的快速捕获和参数估计。
为了实现上述目的，本发明提供的的技术方案是：
一种直接序列扩频信号快速捕获方法，其包括以下步骤：
(1)结合本地伪码信号，对外部输入的直接序列扩频离散复信号采用并行码相位搜索算法进行处理，得到伪码相位和多普勒频移粗捕结果；
(2)根据伪码相位和多普勒频移粗捕结果，采用分段相关和傅里叶变换的方法实现载波多普勒细捕。
可选地，步骤(1)具体包括以下子步骤：
(11)对直接序列扩频离散复信号进行补零处理，获得补零信号；
(12)对补零信号和本地伪码信号分别进行傅里叶变换；
(13)对补零信号的傅里叶变换结果进行循环移位处理，得到补零信号的频移处理结果；
(14)对本地伪码信号的傅里叶变换结果和频移处理结果进行共轭相乘，并对相乘结果进行反傅里叶变换处理，得到信号相关值；
(15)对信号相关值依次进行取模、非相干累积、最大值选取和粗捕门限判决处理，获得伪码相位以及多普勒频移粗捕结果。
可选地，步骤(2)具体包括以下子步骤：
(21)根据多普勒频移粗捕结果，对直接序列扩频离散复信号进行频移处理，得到频移信号；
(22)根据伪码相位捕获结果调整本地伪码信号的相位，使本地伪码信号与直接序列扩频离散复信号对齐；
(23)将频移信号与对齐后的本地伪码信号进行分段相关处理，得到分段相关值；
(24)对分段相关值进行补零处理，得到补零分段相关值；
(25)对补零分段相关值进行傅里叶变换，并对傅里叶变换结果进行取模处理，得到傅里叶变换的模值；
(26)选取模值中的最大值，并对该最大值进行细捕门限判决，根据通过细捕门限判决的最大值确定该最大值所对应的多普勒细捕频率。
由此可见，本发明的有益效果在于：
本发明将直扩信号的捕获分为“粗捕”和“细捕”两个阶段，其中，第一阶段基于并行码相位搜索算法实现对伪码相位的捕获以及多普勒频移粗捕结果；第二阶段基于分段相关和傅立叶变换技术实现对载波频率的多普勒细捕。这种两阶段捕获方法能够在更低的信噪比容限和高动态搜索范围的前提下实现信号的快速捕获和参数估计，对现有技术是一种重要改进。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是直接序列扩频信号快捕技术实现典型框图。
图中：1-时域并行与多普勒粗捕模块，2-多普勒细捕模块，101-补零单元，102-伪码生成器，103-FFT单元，104-复共轭变换，105-循环移位单元，106-IFFT单元，107-取模处理单元，108-非相干累加单元，109-最大值选取单元，110-粗捕门限判决单元，111-乘法器，201-多普勒频移单元，202-延迟单元，203-细捕门限判决单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步地详细说明。
图1所示是直接序列扩频信号快捕技术实现典型框图，其包括时域并行与多普勒粗捕模块1以及多普勒细捕模块2。其中，时域并行与多普勒粗捕模块1利用并行码相位搜索算法完成码相位和多普勒频移粗捕(即第一阶段捕获处理)。时域并行与多普勒粗捕模块1包括补零单元101、伪码生成器102、FFT单元103、复共轭变换104、循环移位单元105、IFFT单元106、取模处理单元107、非相干累加单元108、最大值选取单元109、粗捕门限判决单元110和乘法器111。在时域并行与多普勒粗捕模块1处理结果的基础上，多普勒细捕模块2能给出更高的多普勒频移估计精度(即第二阶段捕获处理)。多普勒细捕模块2包括多普勒频移单元201、延迟单元202和细捕门限判决单元203。基于分段相关器和FFT(Fast FourierTransformation，快速傅立叶变换)技术，多普勒细捕模块2完成对载波多普勒频移的高精度估计。
下面结合图1提供一些具体的实施例：
一种直接序列扩频信号快速捕获方法，其包括以下步骤：
(1)结合本地伪码信号slc(n)，对外部输入的直接序列扩频离散复信号s(n)采用并行码相位搜索算法进行处理，得到伪码相位Δτ和多普勒频移粗捕结果
其中，本地伪码信号slc(n)由伪码生成器102以固定速率fc生成，直接序列扩频离散复信号s(n)的采样频率为fds，s(n)的序列长度为NPCS/2，NPCS是粗捕阶段的FFT点数；
(2)根据伪码相位Δτ和多普勒频移粗捕结果采用分段相关和傅里叶变换的方法实现载波多普勒细捕。
本领域普通技术人员应当理解，傅立叶变换有多种具体的实现方式，目前广泛使用的是快速傅立叶变换，本实施例中所谓的傅立叶变换均是采用快速傅立叶变换技术实现的。
本实施例将直扩信号的捕获分为“粗捕”和“细捕”两个阶段，其中，
第一阶段基于并行码相位搜索算法实现对伪码相位的捕获以及多普勒频移粗捕结果；第二阶段基于分段相关和傅立叶变换技术实现对载波频率的多普勒细捕。这种两阶段捕获方法能够在更低的信噪比容限和高动态搜索范围的前提下实现信号的快速捕获和参数估计，对现有技术是一种重要改进。
作为一个新的实施例，上述实施例中的步骤(1)具体可以包括以下子步骤：
(11)利用补零处理单元101对直接序列扩频离散复信号s(n)进行补零处理，获得补零信号
szero-pad(n)＝[s(0),s(1),...s(NPCS/2-1),0,...,0] (1)
其中，补零的数目为NPCS/2个；
(12)对补零信号szero-pad(n)和本地伪码信号slc(n)分别进行NPCS点FFT变换，得到
(13)对补零信号的傅里叶变换结果Szero-pad(k)进行循环移位处理，得到补零信号的频移处理结果可表示为
其中，Cir(Szero-pad(k),l)表示对进行l点的循环移位，若l＞0代表循环右移l点，若l＜0代表循环左移l点，L是多普勒粗捕的次数；
(14)对本地伪码信号的傅里叶变换结果Slc(k)和频移处理结果进行共轭相乘，并对相乘结果进行IFFT(Inverse Fast FourierTransform，反傅里叶变换)处理，得到信号相关值cl(n)；此处所谓“共轭相乘”是指，将补零信号的频移处理结果与本地伪码傅里叶变换Slc(k)的复共轭进行相乘，或者是将补零信号的频移处理结果的复共轭与本地伪码的傅里叶变换进行相乘；假设采用前者相乘方式，则cl(n)可表示为
其中，(Slc(k))*代表Slc(k)的复共轭；
(15)将cl(n)依次通过取模处理单元107、非相干累积单元108、最大值选取单元109和粗捕门限判决单元110，若判决成功，便可获得伪码相位捕获结果Δτ以及多普勒粗捕结果
本实施例通过FFT/IFFT技术实现时域并行搜索，减小了伪码相位搜索时间；此外，对频谱进行循环移位实现频谱搬移，再进行一次共轭相乘与一次IFFT操作，便可实现下一个多普勒频移搜索，有效降低了多普勒搜索的运算量，减少了处理时间。
作为一个新的实施例，在上述实施例的基础上，步骤(2)具体可以包括以下子步骤：
(21)根据多普勒频移粗捕结果使用多普勒频移单元201对直接序列扩频离散复信号s(n)进行频移处理，得到的频移信号为
(22)根据伪码相位捕获结果Δτ调整本地伪码信号的相位，使本地伪码信号与直接序列扩频离散复信号对齐，对齐后的本地伪码信号为
(23)将频移信号与对齐后的本地伪码信号进行分段相关处理，得到分段相关值；显而易见，该分段相关值是一个数组；
令相干积分长度为Np，分段个数为Nq，则与进行分段相关的结果可记为r(n)，n＝0,2,...,Nq-1；
(24)对分段相关值r(n)进行补零处理，得到补零分段相关值rzero-pad(n)；rzero-pad(n)可表示为
rzero-pad(n)＝[r(0),r(1),...r(Nq),0,...,0] (6)
其中，rzero-pad(n)中的补零个数为NPFS-Nq，NPFS是细捕阶段的傅里叶变换点数；
(25)对补零分段相关值rzero-pad(n)进行傅里叶变换，并对傅里叶变换结果进行取模处理，得到傅里叶变换的模值|Rzero-pad(k)|；|Rzero-pad(k)|可表示为
|Rzero-pad(k)|＝|FFT(rzero-pad(n))|,k＝0,1,2,...,NPFS-1 (7)
其中，|Rzero-pad(k)|代表对Rzero-pad(k)进行取模操作；
(26)选取傅里叶变换模值|Rzero-pad(k)|中的最大值Rmax，
并将该最大值与判决门限进行对比，如果最大值超过门限，则信号快捕成功；反之，信号快捕失败；快捕成功时，根据最大值位置即可确定对应的多普勒细捕频率
该实施例通过分段相关、补零以及FFT变换等技术，极大地提高了多普勒细捕的分辨率。
下面分析一下多普勒粗捕模块1、多普勒细捕模块2的伪码和多普勒估计精度。对于多普勒粗捕模块1，伪码估计误差δτ和多普勒估计误差的精度为
其中，fc是伪码速率(即本地伪码的生成速率)。对于多普勒细捕模块2，多普勒细捕估计误差的精度为
直扩信号快捕处理的多普勒搜索搜索范围由fds、NPCS和L共同决定，即
假设fds＝2fc＝20.46MHz、NPCS＝4096、NP＝512、NPFS＝512、L＝41，则|δτ|≤0.25码片、
显然，只要选择合理的工作参数，本发明可实现高动态、低信噪比环境下的直扩信号快速捕获和参数估计。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种直接序列扩频信号快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)结合本地伪码信号，对外部输入的直接序列扩频离散复信号采用并行码相位搜索算法进行处理，得到伪码相位和多普勒频移粗捕结果；
(2)根据所述伪码相位和多普勒频移粗捕结果，采用分段相关和傅里叶变换的方法实现载波多普勒细捕。
2.根据权利要求1所述的直接序列扩频信号快速捕获方法，其特征在于：步骤(1)具体包括以下子步骤：
(11)对所述直接序列扩频离散复信号进行补零处理，获得补零信号；
(12)对所述补零信号和本地伪码信号分别进行傅里叶变换；
(13)对所述补零信号的傅里叶变换结果进行循环移位处理，得到补零信号的频移处理结果；
(14)对所述本地伪码信号的傅里叶变换结果和所述频移处理结果进行共轭相乘，并对相乘结果进行反傅里叶变换处理，得到信号相关值；
(15)对所述信号相关值依次进行取模、非相干累积、最大值选取和粗捕门限判决处理，获得所述伪码相位以及多普勒频移粗捕结果。
3.根据权利要求2所述的直接序列扩频信号快速捕获方法，其特征在于：步骤(2)具体包括以下子步骤：
(21)根据所述多普勒频移粗捕结果，对所述直接序列扩频离散复信号进行频移处理，得到频移信号；
(22)根据所述伪码相位捕获结果调整所述本地伪码信号的相位，使本地伪码信号与所述直接序列扩频离散复信号对齐；
(23)将所述频移信号与对齐后的本地伪码信号进行分段相关处理，得到分段相关值；
(24)对所述分段相关值进行补零处理，得到补零分段相关值；
(25)对所述补零分段相关值进行傅里叶变换，并对傅里叶变换结果进行取模处理，得到傅里叶变换的模值；
(26)选取所述模值中的最大值，并对该最大值进行细捕门限判决，根据通过细捕门限判决的最大值确定该最大值所对应的多普勒细捕频率。
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