CN107247276B - 基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，主要解决现有双块补零方法中相干积累长度和分块数固定不变的缺陷。其实现方案是：在接收端，将接收到的射频信号依次进行滤波、下变频和数字采样，得到原始基带复信号；将发送端采用的导航数据经过扩频调制和成形偏移正交相移键控调制，得到原始本地信号；引入相干积累扩展数据和步进因子，对原始基带复信号和本地信号进行分块组合，得到新的基带复信号数据块和新的本地信号数据块；对新的基带复信号数据块和新的本地信号数据块进行圆周相关，得到相关值数据；根据相关值数据中出现的峰值，判定捕获是否成功。本发明能在小频偏下获得更好的捕获性能，可用于数据传输、卫星定位导航。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种对弱信号的捕获方法，可用于数据传输、卫星定位导航和测距。
背景技术
随着卫星导航技术的不断发展，全球导航定位系统GNSS的应用越来越广泛，美国、俄罗斯、中国、欧盟等都制定了加快发展全球卫星导航技术的政策与计划。无盲区、高灵敏度的定位与导航成为目前最新的技术发展方向，这就要求实现高动态环境下对弱信号的快速捕获。
传统弱信号捕获算法中，串行捕获算法通过不断地调整本地载波频率和本地码相位来实现信号捕获，是一个二维搜索过程；并行频率搜索算法利用一次FFT变换实现频率搜索，对码相位进行一维搜索；并行码相位搜索将时域相关运算变换为频域的乘积运算，通过IFFT变换一次求出各个码相位的相关值，对频率进行一维搜索。这种传统捕获算法存在计算量大、耗时长和硬件资源消耗大的问题。
针对这一问题，Lin.D.M.在“Comparison of Acquisition Methods forSoftware GPS Receiver”(Proceedings of the Institute of Navigation’s ION GPS,2000:2385～2390)中讨论了GPS软件接收机捕获微弱信号的问题，采用了20ms的相干积分时间，提出了双块补零算法DBZP，其核心思想是将长的相关积分操作分割为多个短的相干积分操作，然后采用傅里叶变换进行圆周相关，能够一次计算出所有多普勒频移的相干累积，运算量大大减小。在此基础上，Ziedan N.I.考虑了导航数据位跳变的影响，在“UnaidedAcquisition of Weak GPS Signals Using Circular Correlation or Double BlockZero Padding”(Position Location and Navigation Symposium(PLANS),2004:461～470)中提出了修正DBZP算法MDBZP，引入多普勒补偿和频移减少技术，解决了DBZP总积分时间受限制的问题。Heckler G.W.和Garrison J.L.在“Implementation and Testing of anUnaided Method for the Acquisition of Weak GPS C/A Code Signals”(Navigation,2009,56(4):241～259)中提出快速MDBZP算法FMDBZP，该算法去除了冗余的FFT计算，减小了计算量，提高了算法效率。张文在FMDBZP的基础上提出减小计算量和节省计算空间的改进算法IFMDBZP，该算法重点讨论了导航数据位组合、码相位和多普勒频移的筛选机制。2016年，孟骞等人提出一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法，该算法对参与块内相关运算的基带信号和本地测距码分别进行重构，解决了块内点数与快速傅里叶变换输入点数之间的矛盾，提高了北斗导航接收机弱信号捕获性能。
上述这些基于DBZP的算法主要考虑的是导航数据比特跳变引起检测性能下降的问题，集中对DBZP完成块内循环相关和移块操作后得到的相关值矩阵的频域变换和检测判决部分进行优化和简化。然而在DBZP中，分块长度和分块数由频率分辨率和多普勒频偏搜索范围确定且固定不变，为保证较大的多普勒频偏搜索范围，采用的分块长度较短，但是当频偏较小时，短的分块长度会导致检测性能下降和运算量增加。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，以在频偏较小时，提高捕获性能。
实现本发明目的的技术关键是：优化数据子块组合方式，引入相干积累扩展数据长度和步进因子，通过增加相干积累长度或者分块数来获得更高的捕获性能。其具体步骤包括如下：
1.基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，包括：
(1)在发送端，将一段导航数据经过扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列依次进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频，得到发送的射频信号；
(2)根据进入接收端的信号获得原始基带复信号和原始本地信号：
(2a)将接收到的射频信号经过滤波、下变频、数字采样后，得到长度为Nt的原始基带复信号rn；
(2b)将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到长度为Nt的原始本地信号其中Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，为码相位的估计值；
(3)根据已知的频率分辨率fres和已知的频率搜索范围确定原始基带复信号和原始本地信号的分块数Ns：得到基本数据长度Ls：Ls＝Nt/Ns；
(4)将原始的基带复信号rn和本地信号进行分块组合，组成新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk：
(4a)由原始的基带复信号rn的第(k-1)S+1～Ls+Δl+kS样点组成第k块新的基带复信号数据块Bk，其中Δl是相干积累扩展数据长度，0≤Δl≤Ls，S是步进因子，0<S≤Ls，k＝1,2,3,...,Nt/S；
(4b)由原始本地信号的第(k-1)S+1～Ls+Δl+(k-1)S样点和S个0组成第k块新的本地信号数据块Lk；
(5)对应新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk做圆周相关：
(5a)对新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk分别做Ls+Δl+S点的离散傅里叶变换；
(5b)对新的本地数据块Lk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果取共轭，并与新的基带复信号数据块Bk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果对应相乘，相乘的结果为Mk；
(5c)对相乘结果Mk做Ls+Δl+S点逆傅里叶变换，得到相关值数据Ck；
(5d)保留相关值数据Ck中的前S个数据，舍弃后边Ls+Δl个数据；
(6)保持新的本地数据块Lk不动，将新的基带复信号数据块Bk左移一块，使第k+1块新的基带复信号数据块Bk+1变为第k块新的基带复信号数据块Bk，再将新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk返回步骤(5)，直到移块次数达到一个扩频码周期后完成相关操作；
(7)根据相关值数据Ck是否存在明显的峰值判断是否捕获成功，若存在明显峰值，则认为捕获到信号，同时得到码相位和多普勒频移的估计值，否则捕获失败。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明对数据的分块组合方式进行优化，克服了双块补零方法中分块数和相干积累长度固定不变的缺陷。
第二，本发明引入相干积累扩展数据和步进因子，通过增加分块数或者相干积累长度提高了小频偏下的捕获性能。
附图说明
图1为本发明使用的高动态弱信号捕获系统图；
图2为本发明的实现示意图；
图3为本发明中构造出的第k个新数据块示意图；
图4为用本发明判决捕获信号是否成功的仿真图；
图5为用本发明与现有双块补零方法DBZP在小频偏下的捕获性能仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例和效果做进一步的描述：
参照图1，本实施例应用的是高动态弱信号捕获系统，其包括发送端和接收端，信道模型采用附加载波频偏和相偏的加性高斯白噪声信道。该系统的基本工作原理如下：
发送端，利用扩频码将一段导航数据进行扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频后得到发送的射频信号；
接收端，将接收到的射频信号依次进行滤波、下变频和数字采样后得到原始基带复信号；将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制后得到原始本地信号。对原始基带复信号和本地信号进行分块组合，得到新的基带复信号数据块和新的本地信号数据块，通过对新的基带复信号数据块和新的本地信号数据块进行圆周相关，如果得到具有明显峰值的相关值数据，该相关值数据对应的多普勒频偏和码相位，即为对接收信号的多普勒频偏估计值和码相位估计值。
本发明所涉及的是对原始基带复信号和本地信号的分块组合进行优化，引入相干积累数据长度和步进因子，以克服原DBZP算法的相干积累长度和分块数固定不变的缺陷，在小频偏下获得更好的捕获性能。
参照图2，本发明的实现步骤如下：
步骤1，获取发送的射频信号。
在发送端，将一段导航数据D进行扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列依次进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到发送的基带复信号s(t)：
s(t)＝sI(t)+jsQ(t)
其中sI(t)和sQ(t)分别为同相分量信号和正交分量信号，j为虚数单位；
将发送的基带复信号s(t)经过上变频，得到发送的射频信号fs(t)，射频信号fs(t)经过加性高斯白噪声信道到达接收端，得到进入接收端的射频信号fr(t)；
本发明实施例中采用的扩频码的码长是1024，扩频码的码片速率是1.024MHz，导航数据D的相干积分时间是20ms。
步骤2，根据进入接收端的信号获得原始基带复信号和原始本地信号。
(2a)将到达接收端的射频信号fr(t)依次进行滤波、下变频和数字采样后得到长度为Nt的原始基带复信号rn，表示为：
rn＝s(nTs-τ)exp[j2πfdnTs]+wn
其中，rn是接收信号的第n个采样值，Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，s(nTs-τ)为本地扩频码经过SOQPSK调制之后得到的信号，τ为信号到达接收端的时延，即为码相位，fd为多普勒频移，wn是均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；
本实施例中取原始基带复信号rn的长度Nt＝20480。
(2b)将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到长度为Nt的原始本地信号其中Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，为码相位的估计值；
本实施例中的采样速率fs＝1.024MHz，采样间隔Ts＝1/fs，载波多普勒频偏fd＝1000Hz，码相位τ为200个码片宽度,取原始本地信号的长度Nt＝20480。
步骤3,获取基本数据长度Ls。
根据已知的频率分辨率fres和已知的频率搜索范围Bfd确定原始基带复信号rn和原始本地信号的分块数Ns：
根据步骤(2a)中原始基带复信号rn的长度Nt和原始基带复信号rn的分块数Ns确定基本数据长度Ls：Ls＝Nt/Ns；
本实施例中采用的频率搜索带宽为Bfd＝8KHz，频率分辨率fres＝50Hz。
步骤4,获取新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk。
(4a)对原始的基带复信号rn进行分块组合，由原始的基带复信号rn的第(k-1)S+1～Ls+Δl+kS样点组成第k块新的基带复信号数据块Bk，其中Δl是相干积累扩展数据长度，0≤Δl≤Ls，S是步进因子，0<S≤Ls，k＝1,2,3,...,Nt/S，本实施例中采用的相干积累扩展数据长度Δl＝64，步进因子S＝128。
(4b)对本地信号进行分块组合，由原始本地信号的第(k-1)S+1～Ls+Δl+(k-1)S样点和S个0组成第k块新的本地信号数据块Lk，如图3所示。
步骤5,获得新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk的相关值数据Ck。
(5a)对新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk分别做Ls+Δl+S点的离散傅里叶变换，得到的离散傅里叶变换结果分别为Rk和Sk；
其中，p表示新的基带复信号数据块Bk进行离散傅里叶变换的数据下标索引值，q表示新的本地数据块Lk进行离散傅里叶变换的数据下标索引值，l表示离散频率的索引值，Ls为基本数据长度，Δl为相干积累扩展数据长度，S为步进因子，rn表示基带复信号，表示本地信号，Rk(l)表示Rk中第l点的离散傅里叶变换结果，Sk(l)表示Sk中第l点的离散傅里叶变换结果，Nt为基带复信号和本地信号的长度，是码相位的估计值，j为虚数单位；
(5b)对新的本地数据块Lk的离散傅里叶变换结果Sk取共轭，并与新的基带复信号数据块Bk的离散傅里叶变换结果Rk对应相乘，相乘的结果为Mk；
其中，是新的本地数据块Lk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果Sk的共轭；
(5c)对相乘结果Mk做Ls+Δl+S点逆傅里叶变换，得到相关值数据Ck；
k＝1,2,3,...,Nt/S，l＝1,2,3,...,Ls+Δl+S
其中，Ck(l)表示Ck中第l点的逆傅里叶变换结果，m表示进行逆傅里叶变换的Mk的下标索引值
(5d)保留相关值数据Ck中的前S个数据，舍弃后边Ls+Δl个数据。
步骤6，对新的基带复信号数据块和新的本地数据块进行移块相关操作。
(6a)保持新的本地数据块Lk不动，将新的基带复信号数据块Bk左移一块，使第k+1块新的基带复信号数据块Bk+1变为第k块新的基带复信号数据块Bk；
(6b)将新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk返回步骤(5)，直到移块次数达到一个扩频码周期后完成相关操作。
步骤7，根据相关值数据Ck是否存在明显的峰值判断是否捕获成功：
若相关值数据Ck存在明显峰值，则认为捕获到信号，同时得到码相位估计值和多普勒频移的估计值
否则，捕获失败。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
1.仿真系统参数设置
本发明的仿真使用Matlab 7.6仿真软件，仿真参数设置与实施例中所用参数一致，即信道模型采用附加载波频偏和相偏的加性高斯白噪声信道，导航数据的相干积分时间是20ms，采样率fs＝1.024MHz，频率搜索带宽为Bfd＝8KHz，频率分辨率fres＝50Hz，码片速率为1.024Mchip/s，载波多普勒频偏fd＝1000Hz，码相位为200个码片宽度，相干积累扩展数据长度Δl＝64，步进因子S＝128，仿真次数为5000次。
2.仿真内容
仿真1，用本发明对原始基带复信号和原始本地信号分块组合之后，得到新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk，对Bk和Lk进行相关操作，得到不同多普勒频偏和码相位下的相关值数据，结果如图4所示。
从图4可以看出，在多普勒频偏为1000Hz，码相位为200个码片宽度时，出现了明显的峰值，说明捕获成功。
仿真2，用本发明和现有的双块补零DBZP方法分别对高动态弱信号进行捕获，结果如图5所示。
从图5可以看出，在信噪比SNR的范围为[-35dB,-25dB]时，本实施例的捕获性能优于DBZP的捕获性能。
Claims (4)
1.基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，包括：
(1)在发送端，将一段导航数据经过扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列依次进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频，得到发送的射频信号；
(2)根据进入接收端的信号获得原始基带复信号和原始本地信号：
(2a)将接收到的射频信号经过滤波、下变频、数字采样后，得到长度为Nt的原始基带复信号rn；
(2b)将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到长度为Nt的原始本地信号其中Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，为码相位的估计值；
(3)根据已知的频率分辨率fres和已知的频率搜索范围确定原始基带复信号和原始本地信号的分块数Ns：得到基本数据长度Ls：Ls＝Nt/Ns；
(4)将原始基带复信号rn和原始本地信号进行分块组合，组成新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk：
(4a)由原始基带复信号rn的第(k-1)S+1～Ls+Δl+kS样点组成第k块新的基带复信号数据块Bk，其中Δl是相干积累扩展数据长度，0≤Δl≤Ls，S是步进因子，0＜S≤Ls，k＝1,2,3,...,Nt/S；
(4b)由原始本地信号的第(k-1)S+1～Ls+Δl+(k-1)S样点和S个0组成第k块新的本地信号数据块Lk；
(5)对应新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk做圆周相关：
(5a)对新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk分别做Ls+Δl+S点的离散傅里叶变换；
(5b)对新的本地数据块Lk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果取共轭，并与新的基带复信号数据块Bk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果对应相乘，相乘的结果为Mk；
(5c)对相乘结果Mk做Ls+Δl+S点逆傅里叶变换，得到相关值数据Ck；
(5d)保留相关值数据Ck中的前S个数据，舍弃后边Ls+Δl个数据；
(6)保持新的本地数据块Lk不动，将新的基带复信号数据块Bk左移一块，使第k+1块新的基带复信号数据块Bk+1变为第k块新的基带复信号数据块Bk，再将新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk返回步骤(5)，直到移块次数达到一个扩频码周期后完成相关操作；
(7)根据相关值数据Ck是否存在明显的峰值判断是否捕获成功，若存在明显峰值，则认为捕获到信号，同时得到码相位和多普勒频移的估计值，否则捕获失败。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2a)中计算得到原始基带复信号rn，按如下公式进行：
rn＝s(nTs-τ)exp[j2πfdnTs]+wn
其中，Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，s(nTs-τ)为导航数据经过扩频调制和SOQPSK调制之后的信号，τ为信号到达接收端的码相位延迟，fd为多普勒频移，wn是均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声，j为虚数单位。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5a)对新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk分别做Ls+Δl+S点的离散傅里叶变换，得到的离散傅里叶变换结果分别为Rk和Sk，按如下公式进行：
其中，p表示新的基带复信号数据块Bk进行离散傅里叶变换的数据下标索引值，q表示新的本地数据块Lk进行离散傅里叶变换的数据下标索引值，l表示离散频率的索引值，Ls为基本数据长度，Δl为相干积累扩展数据长度，S为步进因子，rn表示基带复信号，表示本地信号，Rk(l)表示Rk中第l点的离散傅里叶变换结果，Sk(l)表示Sk中第l点的离散傅里叶变换结果，Nt为基带复信号和本地信号的长度，是码相位的估计值，j为虚数单位。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5c)计算得到相关值数据Ck，按如下公式进行：
k＝1,2,3,...,Nt/S，l＝1,2,3,...,Ls+Δl+S
其中，Mk为步骤(5b)中的相乘结果，Ck(l)表示Ck中第l点的逆傅里叶变换结果，m表示进行逆傅里叶变换的Mk的下标索引值。
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