CN107359901A - 一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于卫星信道的非相干扩频调制技术的定时同步方法，涉及伪码同步和符号定时同步。该方法采用匹配滤波法实现码捕获、三路码相关值功率比较的方法实现码跟踪、滑动相关和定时恢复方法实现符号同步。采用该发明，可以实现普通相干扩频解调方法所不具备的对信息时钟和扩频码切普时钟非同源的情况下的扩频解调，实现简单，性能稳定等优点。特别适合卫星信道的固定带宽且符号率在一定范围内可变的非相干扩频调制技术的实际解调应用。

Description

一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星扩频通信领域采用的一种定时同步方法，特别适用于采用信息时钟和扩频码时钟来自不同的时钟源、扩频比为非整数的非相干扩频通信的解调系统。

背景技术

直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机序列扩展频带，同时降低信号频谱密度；在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了解扩输入端信噪比，达到抗干扰的目的。扩频起始相位在相干直接序列扩频中是已知量。

非相干直接序列扩频是应具体应用领域的要求而产生的，其业务数据时钟和扩频码时钟为非同源钟，扩频比可能是非整数倍的，同一扩频码可以支持多种业务速率，由于业务数据时钟与扩频码时钟不同源，与相干直接序列扩频相比多了一个不确定条件，即扩频起始相位，所以扩频后的信号更加接近于噪声，更不容易被截获。时钟非相干给系统带来使用灵活性的同时也增加了接收机实现的复杂度。而在非相干直接序列扩频中是需要从调制数据中恢复出来的未知量，这就增加了同步的难度，应用传统的相干解调的方法已经不能满足非相干扩频的解调需求，本发明针对这种扩频码钟和数据钟非同源的特殊扩频通信体制，提出了一种基于非相干扩频调制技术的同步定时方法。

发明内容

为解决现有技术在卫星通信中采用非相干扩频调制技术时存在的不足，本发明提供了一种非相干扩频解调的同步定时方法，该方法采用匹配滤波和滑动相关定时方法，实现扩频数据信号解调的定时同步，同时适应于相干扩频的解调。

本发明的目的是这样实现的，一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置，包括伪码捕获单元1、解扩定时单元2、伪码跟踪单元3和伪码产生单元4；

所述的伪码捕获单元1用于接收外部输入的扩频信号和伪码产生单元4输入的本地码字，将扩频信号和本地码字进行粗略同步产生捕获同步信号，分别将捕获同步信号和扩频信号均输出至解扩定时单元2和伪码跟踪单元3；解扩定时单元2用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，利用伪码产生单元4输入的本地码字对扩频信号进行解扩，并利用外部输入的时钟进行符号同步生成符号时钟，将符号时钟输出至伪码跟踪单元3，将解扩后的数据输出至外部；伪码跟踪单元3用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，利用符号时钟进行扩频信号和本地码字的精确同步，生成码片时钟，将码片时钟输出至伪码产生单元4；伪码产生单元4用于根据码片时钟产生本地码字，并将本地码字分别输出至码捕获单元1、解扩定时单元2和伪码跟踪单元3。

其中，伪码跟踪单元3包括滑动相关组模块5、误差估计和二阶环路滤波模块6和码钟生成模块7；滑动相关组模块5用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，将扩频信号分别和三路不同时延的本地码字进行滑动相关，输出三路滑动相关数据至误差估计和二阶环路滤波模块6；三路不同时延是本地码字相对于扩频信号的时延，分别+0.5码片、-0.5码片和0码片，误差估计和二阶环路滤波模块6利用解扩定时单元2输入的符号时钟对三路滑动相关数据进行采样，得到超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值，根据三个支路相关值的功率大小进行误差估计从而提取出码片时钟误差，将时钟误差经二阶环路滤波后输出频率控制字至码钟生成模块7；码钟生成模块7利用频率控制字产生码片时钟输出至伪码产生单元4。

其中，解扩定时单元2包括滑动相关器8和符号定时单元9，滑动相关器8根据捕获同步信号完成捕获同步后，将输入的扩频信号和本地码字进行滑动相关，输出滑动相关数据至符号定时单元9；符号定时单元9利用外部输入的时钟对滑动相关数据进行提取得到相关值，利用相关值提取收发符号时钟误差来调整外部输入时钟产生符号时钟，并利用符号时钟采样相关值得到解扩后的数据，将符号时钟输出至伪码跟踪单元3，将解扩后的数据输出至外部。

其中，误差估计和二阶环路滤波模块6中的时钟误差估计公式如下：

式中，error为时钟误差，correlator_e、correlator_l和correlator_p分别是超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值。

一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时方法，包括以下步骤，

(1)伪码产生单元生成一个周期的扩频码字，将扩频码字作为当前本地码字输出至伪码捕获单元、伪码跟踪单元和解扩定时单元；

(2)伪码捕获单元存储一个捕获长度的当前本地码字，将接收的扩频信号和当前本地码字进行粗略同步产生捕获同步信号，分别将捕获同步信号和扩频信号均输出至解扩定时单元和伪码跟踪单元；

(3)解扩定时单元利用外部输入的时钟产生符号时钟输出至伪码跟踪单元；

(4)伪码跟踪单元在完成捕获同步后利用符号时钟进行扩频信号和当前本地码字的精确同步，利用扩频信号和本地码字的相关值来提取出码片时钟误差从而完成本地码片时钟的调整，并输出本地码片时钟至伪码产生单元；

(5)解扩定时单元完成捕获同步后，利用外部输入的时钟进行符号同步生成符号时钟并输出至伪码跟踪单元，并利用当前本地码字对扩频信号进行解扩得到解扩后的数据并输出；

(6)伪码捕获同步后，启动伪码产生单元，根据码片时钟产生新的本地码字，将新的本地码字作为当前本地码字，分别输出至解扩定时单元和伪码跟踪单元，返回步骤(4)。

其中，步骤(4)包括以下步骤；

(401)伪码跟踪单元完成捕获同步后，将扩频信号分别和三路不同时延的本地码字进行滑动相关，得到三路滑动相关数据；

(402)伪码跟踪单元利用符号时钟对三路滑动相关数据进行采样，得到超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值；

(403)伪码跟踪单元根据三个支路的相关值进行时钟误差估计提取出时钟误差，并将时钟误差经二阶环路滤波后得到频率控制字；

(404)伪码跟踪单元利用频率控制字产生码片时钟输出至伪码产生单元。

其中,步骤(5)包括以下步骤：

(501)解扩定时单元完成捕获同步后，将扩频信号和本地码字进行滑动相关，得到滑动相关数据；

(502)解扩定时单元利用外部输入的时钟对滑动相关数据进行提取得到相关值，并根据相关值提取收发符号时钟差来调整外部输入时钟产生符号时钟；

(503)解扩定时单元利用符号时钟采样相关值得到解扩后的数据，将符号时钟输出至伪码跟踪单元，将解扩后的数据输出至外部。

其中,步骤(403)中时钟误差估计的公式如下：

式中，error为时钟误差，correlator_e、correlator_l和correlator_p分别是超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值。

本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用匹配滤波方法实现伪码捕获，采用延迟锁定环来实现伪码跟踪；采用滑动相关和定时恢复模块实现符号同步。可以实现在一定范围内任意扩频比的解调信号的精确同步，其计算复杂度低，信号的信噪比恶化小于0.3dB。

2.本发明可移植性强，功耗低，性能稳定可靠。

3.本发明结构简单，实现复杂度很低，成本低，同时适应于相干和非相干扩频的解调定时，具有推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的原理方框图。

图2是本发明伪码跟踪单元3的电原理图。

图3是本发明解扩定时单元2的电原理图。

具体实施方式

一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置，如图1，包括伪码捕获单元1、解扩定时单元2、伪码跟踪单元3和伪码产生单元4；所述的伪码捕获单元1用于接收外部输入的扩频信号和伪码产生单元4输入的本地码字，将扩频信号和本地码字进行粗略同步产生捕获同步信号，分别将捕获同步信号和扩频信号均输出至解扩定时单元2和伪码跟踪单元3；解扩定时单元2用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，利用伪码产生单元4输入的本地码字对扩频信号进行解扩，并利用外部输入的时钟进行符号同步生成符号时钟，将符号时钟输出至伪码跟踪单元3，将解扩后的数据输出至外部；伪码跟踪单元3用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，利用符号时钟进行扩频信号和本地码字的精确同步，生成码片时钟，将码片时钟输出至伪码产生单元4；伪码产生单元4用于根据码片时钟产生本地码字，并将本地码字分别输出至码捕获单元1、解扩定时单元2和伪码跟踪单元3。

伪码跟踪单元3包括滑动相关组模块5、误差估计和二阶环路滤波模块6和码钟生成模块7；连接框图如图2；滑动相关组模块5用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，将扩频信号分别和三路不同时延的本地码字进行滑动相关，输出三路滑动相关数据至误差估计和二阶环路滤波模块6；三路不同时延是本地码字相对于扩频信号的时延，分别+0.5码片、-0.5码片和0码片，误差估计和二阶环路滤波模块6利用解扩定时单元2输入的符号时钟对三路滑动相关数据进行采样，得到超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值，根据三个支路相关值的功率大小进行误差估计从而提取出码片时钟误差，将时钟误差经二阶环路滤波后输出频率控制字至码钟生成模块7；码钟生成模块7利用频率控制字产生码片时钟输出至伪码产生单元4。

解扩定时单元2包括滑动相关器8和符号定时单元9，连接框图如图3；滑动相关器8根据捕获同步信号完成捕获同步后，将输入的扩频信号和本地码字进行滑动相关，输出滑动相关数据至符号定时单元9；符号定时单元9利用外部输入的时钟对滑动相关数据进行提取得到相关值，利用相关值提取收发符号时钟误差来调整外部输入时钟产生符号时钟，并利用符号时钟采样相关值得到解扩后的数据，将符号时钟输出至伪码跟踪单元3，将解扩后的数据输出至外部。

其中，误差估计和二阶环路滤波模块6中的时钟误差估计公式如下：

式中，error为时钟误差，correlator_e、correlator_l和correlator_p分别是超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值。

一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时方法，包括以下步骤，

(1)伪码产生单元生成一个周期的扩频码字，将扩频码字作为当前本地码字输出至伪码捕获单元、伪码跟踪单元和解扩定时单元；

(2)伪码捕获单元存储一个捕获长度的当前本地码字，将接收的扩频信号和当前本地码字进行粗略同步产生捕获同步信号，分别将捕获同步信号和扩频信号均输出至解扩定时单元和伪码跟踪单元；

(3)解扩定时单元利用外部输入的时钟产生符号时钟输出至伪码跟踪单元；

(4)伪码跟踪单元在完成捕获同步后利用符号时钟进行扩频信号和当前本地码字的精确同步，利用扩频信号和本地码字的相关值来提取出码片时钟误差从而完成本地码片时钟的调整，并输出本地码片时钟至伪码产生单元；

具体包括以下步骤：

(401)伪码跟踪单元完成捕获同步后，将扩频信号分别和三路不同时延的本地码字进行滑动相关，得到三路滑动相关数据；

(402)伪码跟踪单元利用符号时钟对三路滑动相关数据进行采样，得到超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值；

(403)伪码跟踪单元根据三个支路的相关值进行时钟误差估计提取出时钟误差，并将时钟误差经二阶环路滤波后得到频率控制字；

码片时钟误差估计的公式如下：

式中，error为时钟误差，correlator_e、correlator_l和correlator_p分别是超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值。

(404)伪码跟踪单元利用频率控制字产生码片时钟输出至伪码产生单元。

(5)解扩定时单元完成捕获同步后，利用外部输入的时钟进行符号同步生成符号时钟并输出至伪码跟踪单元，并利用当前本地码字对扩频信号进行解扩得到解扩后的数据并输出；

具体包括以下步骤：

(501)解扩定时单元完成捕获同步后，将扩频信号和本地码字进行滑动相关，得到滑动相关数据；

(502)解扩定时单元利用外部输入的时钟对滑动相关数据进行提取得到相关值，并根据相关值提取收发符号时钟差来调整外部输入时钟产生符号时钟；

(503)解扩定时单元利用符号时钟采样相关值得到解扩后的数据，将符号时钟输出至伪码跟踪单元，将解扩后的数据输出至外部。

(6)伪码捕获同步后，启动伪码产生单元，根据码片时钟产生新的本地码字，将新的本地码字作为当前本地码字，分别输出至解扩定时单元和伪码跟踪单元，返回步骤(4)。

Claims (8)

1.一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置，其特征在于：包括伪码捕获单元(1)和伪码产生单元(4)；其特征在于，还包括解扩定时单元(2)和伪码跟踪单元(3)；

所述的伪码捕获单元(1)用于接收外部输入的扩频信号和伪码产生单元(4)输入的本地码字，将扩频信号和本地码字进行粗略同步产生捕获同步信号，分别将捕获同步信号和扩频信号均输出至解扩定时单元(2)和伪码跟踪单元(3)；解扩定时单元(2)用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，利用伪码产生单元(4)输入的本地码字对扩频信号进行解扩，并利用外部输入的时钟进行符号同步生成符号时钟，将符号时钟输出至伪码跟踪单元(3)，将解扩后的数据输出至外部；伪码跟踪单元(3)用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，利用符号时钟进行扩频信号和本地码字的精确同步，生成码片时钟，将码片时钟输出至伪码产生单元(4)；伪码产生单元(4)用于根据码片时钟产生本地码字，并将本地码字分别输出至码捕获单元(1)、解扩定时单元(2)和伪码跟踪单元(3)。

2.根据权利要求1所述的一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置，其特征在于：伪码跟踪单元(3)包括滑动相关组模块(5)、误差估计和二阶环路滤波模块(6)和码钟生成模块(7)；滑动相关组模块(5)用于根据捕获同步信号完成捕获同步后，将扩频信号分别和三路不同时延的本地码字进行滑动相关，输出三路滑动相关数据至误差估计和二阶环路滤波模块(6)；误差估计和二阶环路滤波模块(6)用于利用解扩定时单元(2)输入的符号时钟对三路滑动相关数据进行采样，得到超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值，根据三个支路的相关值的功率进行时钟误差估计提取出码片时钟误差，将码片时钟误差经二阶环路滤波后输出频率控制字至码钟生成模块(7)；码钟生成模块(7)利用频率控制字产生码片时钟输出至伪码产生单元(4)。

3.根据权利要求1所述的一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置，其特征在于：解扩定时单元(2)包括滑动相关器(8)和符号定时单元(9)，滑动相关器(8)根据捕获同步信号完成捕获同步后，将输入的扩频信号和本地码字进行滑动相关，输出滑动相关数据至符号定时单元(9)；符号定时单元(9)利用外部输入的时钟对滑动相关数据进行提取得到相关值，根据相关值提取收发符号时钟误差来调整外部输入时钟产生符号时钟，并利用符号时钟采样相关值得到解扩后的数据，将符号时钟输出至伪码跟踪单元(3)，将解扩后的数据输出至外部。

4.根据权利要求2所述的一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时装置，其特征在于：误差估计和二阶环路滤波模块(6)中的时钟误差估计公式如下：

<mrow> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>e</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>l</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，error为时钟误差，correlator_e、correlator_l和correlator_p分别是超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值。

5.一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)伪码产生单元生成一个周期的扩频码字，将扩频码字作为当前本地码字输出至伪码捕获单元、伪码跟踪单元和解扩定时单元；

(2)伪码捕获单元存储一个捕获长度的当前本地码字，将接收的扩频信号和当前本地码字进行粗略同步产生捕获同步信号，分别将捕获同步信号和扩频信号均输出至解扩定时单元和伪码跟踪单元；

(3)解扩定时单元利用外部输入的时钟产生符号时钟输出至伪码跟踪单元；

(4)伪码跟踪单元在完成捕获同步后利用符号时钟进行扩频信号和当前本地码字的精确同步，利用扩频信号和本地码字的相关值来提取出码片时钟误差从而完成本地码片时钟的调整，并输出本地码片时钟至伪码产生单元；

(5)解扩定时单元完成捕获同步后，利用外部输入的时钟进行符号同步生成符号时钟并输出至伪码跟踪单元，并利用当前本地码字对扩频信号进行解扩得到解扩后的数据并输出；

(6)伪码捕获同步后，启动伪码产生单元，根据码片时钟产生新的本地码字，将新的本地码字作为当前本地码字，分别输出至解扩定时单元和伪码跟踪单元，返回步骤(4)。

6.根据权利要求5所述的一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时方法，其特征在于,步骤(4)包括以下步骤：

(401)伪码跟踪单元完成捕获同步后，将扩频信号分别和三路不同时延的本地码字进行滑动相关，得到三路滑动相关数据；

(402)伪码跟踪单元利用符号时钟对三路滑动相关数据进行采样，得到超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值；

(403)伪码跟踪单元根据三个支路的相关值进行时钟误差估计提取出时钟误差，并将时钟误差经二阶环路滤波后得到频率控制字；

(404)伪码跟踪单元利用频率控制字产生码片时钟输出至伪码产生单元。

7.根据权利要求5所述的一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时方法，其特征在于,步骤(5)包括以下步骤：

(501)解扩定时单元完成捕获同步后，将扩频信号和本地码字进行滑动相关，得到滑动相关数据；

(502)解扩定时单元利用外部输入的时钟对滑动相关数据进行提取得到相关值，并根据相关值提取收发符号时钟差来调整外部输入时钟产生符号时钟；

(503)解扩定时单元利用符号时钟采样相关值得到解扩后的数据，将符号时钟输出至伪码跟踪单元，将解扩后的数据输出至外部。

8.根据权利要求6所述的一种用于卫星信道非相干扩频调制的同步定时方法，其特征在于,步骤(403)中时钟误差估计的公式如下：

<mrow> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>e</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>l</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，error为时钟误差，correlator_e、correlator_l和correlator_p分别是超前支路相关值、滞后支路相关值和中间支路相关值。