CN107425904A - 一种基于频率槽和fft的pcma系统时延和频差快速粗捕方法 - Google Patents

一种基于频率槽和fft的pcma系统时延和频差快速粗捕方法 Download PDF

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王青杰
李大鹏
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Abstract

本发明公开了一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速捕获方法。首先根据卫星和地面站所采用的时钟源长期和短期稳定度，计算频差搜索范围，划分相应的频率槽宽度和频率槽个数，并根据地面站和卫星之间的几何关系估计时延的搜索范围；第二步：在每个频率槽内，利用部分非周期序列相关和FFT的关系，采用FFT计算接收的PCMA混合信号和本地复现信号的相关峰值；第三步：从所有的频率槽相关峰值中选择模值最大的，并根据设定的阈值判定是否捕获成功，否则就更精细地划分频率槽。捕获成功之后，粗捕频差精确到一个频率槽内，粗捕时延精确到一个采样周期，降低了下一步频差和时延精确捕获环节的实施复杂度。本发明有效加速了PCMA系统的时延和频差粗捕过程。

Description

一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速粗捕方法
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速粗捕方法。
背景技术
成对载波多址接入(Paired Carrier Multiple Access,PCMA)是由美国ViaSat公司的Mark Dankberg在1998年首次提出。主要针对的是采用透明转发器并且信号可自环(每一个终端发出的信号可以被包括它本身在内的任何一个终端接收到)的双向卫星通信系统。每一个卫星终端发送一个上行信号，同时从另一个终端接收一个下行信号，因此每一方收到的下行信号是双方通信信号的叠加，这个信号叫PCMA混和信号。
由于每个终端都确切知道自身所发送的上行信号，而且也确切知道该信号的转发、处理过程，所以该终端可对自己发送转发回的下行信号进行估计，并从叠加的PCMA混合信号中抵消滤除，从而正确恢复出对方发来的信号和数据。这个过程被称为PCMA自干扰对消，也是PCMA系统的关键。时延和频差的粗捕获是PCMA自干扰对消的重要环节，它是后续时延和频差精捕的基础。
时延和频差的捕获是一个二维搜索过程，两者中任何一个偏差过大，信号都不会表现出很好的相关性(一般的讲，对数字信号，当信号时延超过半个波特的时候，这两个信号会表现出不相关)。而时延和频差的联合估计常用的算法是相关函数的自然推广，也就是求解下面的模糊函数：
这里的τ,f分别表示时延和频差，s1(t),s2(t)是包含同一成分的两个信号的包络，使得|A(τ,f)|达到峰值的τ,f就是我们要找的时延和频差。因此，整个捕获过程就集中在以上模糊函数的求解上。
对于上式，如果f＝0，则上式就是传统的互相关函数。如果f≠0，则上式可以看着是其中s1频谱搬移f后再与s2做相关。对于给定的SNR和给定的输入带宽，积分时间T确定了τ,f所能达到的精度。可看着是一个低通滤波器，带宽大约为大的T意味着更窄的滤波，更低的背景能量可以通过。
定义：
为混合乘积，当
则代入(2)可得到：
r(t；τ)＝u(t)u*(t-D)exp[j2π(f1-f2)t]exp[-j2πf2(τ-D)] (4)
当f1-f2≠0的时候，混合积的直流分量变成了一个频率为f1-f2的正弦波。而模糊函数算符变成了一个中心频率在f的带通滤波器，也可以看着是将混合乘积外差一个频率f，然后经过低通滤波器。当f和f1-f2很好的适配到以内的时候，低通滤波器将产生一个很强的输出，并在f＝f1-f2的时候达到峰值。当然，这也要求时延τ和D要很好的匹配在信号带宽的倒数范围内，以使混合乘积自身也有显著的幅度。因此，频差和时延的捕获是一个二维的并行搜索过程，频差的影响可以采用划分频率槽的方法予以解决。在一个频率槽内，可以暂时认为模糊函数的输出由时由时延引起的相关值决定。对于周期序列，求其自相关过程可以通过周期相关的办法实现，而周期相关可以通过FFT来快速计算，这是CDMA系统常采用的快速捕获算法。
与CDMA系统所采用的伪码周期序列不同，PCMA系统中本地复现的信号和自干扰信号都是非周期序列，对于非周期序列，不能直接利用周期相关和DFT的直接对应关系进而通过FFT快速计算相关结果。
发明内容
本发明目的在于解决上述时延和频差的快速粗捕问题，提出了一种基于频率槽和FFT的PCMA时延和频差快速捕获方法,本发明利用部分序列滑动相关和周期序列循环相关的关系，通过补零，利用循环相关和DFT的关系，采用FFT来快速实现PCMA本地复现的非周期信号和自干扰非周期信号的滑动相关运算。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速捕获方法，具体包括如下步骤：
步骤1：根据卫星和地面站时钟源长期和短期稳定度以及通信频率，估算可能的频差范围ΔF，选择频率槽宽度Δf，进而确定划分频率槽个数
步骤2：根据卫星和地面站几何关系，估算传播时延(Δt)和可能的误差范围，并对本地复现信号进行Δt延时；
步骤3：同一时刻，分别取长度为2N的本地复现信号s1(n)和接收的长度为2N的PCMA混合信号s2(n)做2N点的FFT变换，变换后频域信号分别为S1(k)和S2(k)；
步骤4：对S1(k)进行频率偏移，偏移间距为频率槽宽度Δf，得到一系列不同频偏的序列完成划分M个频率槽的过程；
步骤5：分别取的共轭，与S2(k)做共轭乘法，得M个共轭乘后频域序列
步骤6：分别对步骤5中得到的M个长度为2N的频域信号 进行IFFT变换，并分别取前N点，并取绝对值，得到M个长度为N的滑动相关绝对值序列
步骤7：从M个序列中取得绝对值最大的值所在的序列与当前判定门限进行比较，如果检测成功，输出捕获标志；否则，减小频率偏移间距Δf，重新从步骤4开始。
进一步，在时延和频差粗捕完成之后，在选中的频率槽内，可采用划分子频率槽的方法以进一步缩小频差范围，从而进一步降低后续时延和频差精确捕获环节的实施复杂度。
进一步，步骤3中所述本地复现信号s1(n)包含N个补零。
进一步，上述滑动相关的计算过程如下：
步骤1：假设参与运算的两个非周期序列分别是s2(n)和s1(n)，某同一个时刻开始，从s2(n)中取出长度为2N的截断序列s'2(n)；从s1(n)中取出长度为N的截断序列s1"(n)，将s1"(n)补充N个0，形成长度为2N的新序列s1'(n)＝[s1"(n),zeros(1,N)]，其中zeros(1,N)表示补充的N个0，至此数据准备完毕；
步骤2：求序列的变换结果，S2(k)＝FFT(s'2(n),2N)，S1(k)＝FFT(s1'(n),2N)，上述表达式中FFT(datsrc,points)函数是对数据源datsrc作FFT运算，数据源的点数是points；
步骤3：求S1(k)的共轭然后做积，得到
步骤4：进行IFFT变换，此y(n)序列也是一个2N点的序列，鉴于前面s1'(n)序列是后部补0的序列，y(n)中只有前N点有效，后面的点无效被剔除，剔除得到的新序列记为r(n)，长度为N，即为部分序列相关的结果，因此，根据此式，采用FFT可快速计算滑动相关过程。
有益效果：
1、本发明通过频率槽划分，利用非周期序列滑动相关和周期序列循环相关的关系，通过FFT快速的计算PCMA系统中本地复现的非周期序列和接收的自干扰非周期序列之间的相关值，加速了PCMA系统的时延和频差粗捕过程，且实现简单。
2、本发明粗捕过程完成之后，频差缩小到一个频率槽内，时延精确到一个采样间隔，降低了后续时延和频差的精确捕获和跟踪环节实现复杂度。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明方法具体实现流程图。
图3为本发明FFT快速计算滑动相关结果示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明首先根据卫星和地面站所采用的时钟源长期和短期稳定度，计算频差搜索范围，划分相应的频率槽宽度和频率槽个数；其次在每个频率槽内，根据地面站和卫星之间的距离，估计时延的搜索范围，并采用FFT计算接收的PCMA信号和本地复现信号的相关峰值，确定最可能的时延；接着在最可能的时延点，根据超前、即时和滞后三支路的相关峰值对比度，确认是否是假捕获，否就更精细地划分频率槽，重复第二步流程。本发明提供的二维快速粗捕方法实施之后，频差精确到一个频率槽内，时延精确到一个采样周期，为下一步实施频差和时延精确捕获打下了坚实的基础。
本发明的核心是利用了非周期序列的滑动相关和周期序列的循环相关之间的关系，进而可利用FFT直接计算非周期序列的滑动相关值，根据相关峰的位置确定时延。
在一个频率槽内，滑动相关运算过程是将含有相同部分的一个序列相对另一个序列进行移动，对应点乘积后累加的过程。序列的移动代表着时延的调整，在两个序列时延调整对齐之后，相关结果会最大，据此可对时延进行估计，并且精度控制在一个采样点内。根据滑动相关与循环相关之间的关系，并结合循环相关与傅里叶变换的关系，最终基于FFT的滑动相关具体计算过程如下：
步骤1：假设参与运算的两个非周期序列分别是s2(n)和s1(n)，某同一个时刻开始，从s2(n)中取出长度为2N的截断序列s'2(n)；从s1(n)中取出长度为N的截断序列s1"(n)，将s1"(n)补充N个0，形成长度为2N的新序列s1'(n)＝[s1"(n),zeros(1,N)]，其中zeros(1,N)表示补充的N个0。至此，数据准备完毕。
步骤2：求序列的变换结果，S2(k)＝FFT(s'2(n),2N)，S1(k)＝FFT(s1'(n),2N)，上述表达式中FFT(datsrc,points)函数是对数据源datsrc作FFT运算，数据源的点数是points。
步骤3：求S1(k)的共轭然后做积，得到
步骤4：进行IFFT变换，此y(n)序列也是一个2N点的序列，鉴于前面s1'(n)序列是后部补0的序列，y(n)中只有前N点有效，后面的点无效被剔除，剔除得到的新序列记为r(n)，长度为N，即为部分序列相关的结果。因此，根据此式，采用FFT，可快速计算滑动相关过程。
如图2所示,以基于FFT的滑动相关快速算法为基础，本发明提供的基于频率槽的时延和频差快速粗捕方法具体实现过程如下：
步骤1：根据卫星和地面站时钟源长期和短期稳定度以及通信频率，估算可能的频差范围，选择频率槽宽度(Δf)，进而确定划分频率槽个数
步骤2：根据卫星和地面站几何关系，估算传播时延(Δt)和可能的误差范围，并对本地复现信号进行Δt延时；
步骤3：同一时刻，分别取长度为2N的本地复现信号s1(n)(含N个补零)和接收的长度为2N的PCMA混合信号s2(n)做2N点的FFT变换，变换后频域信号分别为S1(k)和S2(k)；
步骤4：对S1(k)进行频率偏移，偏移间距为频率槽宽度Δf，得到一系列不同频偏的序列这实际上就是划分M个频率槽的过程；
步骤5：分别取的共轭，与S2(k)做共轭乘法，得M个共轭乘后频域序列
步骤6：分别对步骤5中得到的M个长度为2N的频域信号 进行IFFT变换，并分别取前N点，并取绝对值，得到M个长度为N的滑动相关绝对值序列
步骤7：从M个序列中取得绝对值最大的值所在的序列与当前判定门限进行比较。如果检测成功，输出捕获标志；否则，减小频率偏移间距Δf，重新从步骤4开始。
步骤8：可选，捕获成功之后，可在捕获的频率槽内进一步的划分适量的子频率槽，回到步骤4，进一步缩小频差的范围。
图3显示了该发明方法实施之后，在一个频率槽内用FFT/IFFT快速计算的非周期序列滑动相关结果示意图。从图中可以清晰看到，相关峰值出现在第500个采样点，也就是本地复现信号和PCMA混合信号(中的干扰信号)的时延为500个采样间隔，这与人为设定的时延完全相吻合。验证了方法的有效性和正确性。

Claims (4)

1.一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：根据卫星和地面站时钟源长期和短期稳定度以及通信频率，估算可能的频差范围ΔF，选择频率槽宽度Δf，进而确定划分频率槽个数
步骤2：根据卫星和地面站几何关系，估算传播时延(Δt)和可能的误差范围，并对本地复现信号进行Δt延时；
步骤3：同一时刻，分别取长度为2N的本地复现信号s1(n)和接收的长度为2N的PCMA混合信号s2(n)做2N点的FFT变换，变换后频域信号分别为S1(k)和S2(k)；
步骤4：对S1(k)进行频率偏移，偏移间距为频率槽宽度Δf，得到一系列不同频偏的序列完成划分M个频率槽的过程；
步骤5：分别取的共轭，与S2(k)做共轭乘法，得M个共轭乘后频域序列
步骤6：分别对步骤5中得到的M个长度为2N的频域信号进行IFFT变换，并分别取前N点，并取绝对值，得到M个长度为N的滑动相关绝对值序列
步骤7：从M个序列中取得绝对值最大的值所在的序列与当前判定门限进行比较，如果检测成功，输出捕获标志；否则，减小频率偏移间距Δf，重新从步骤4开始。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速粗捕方法，其特征在于，在时延和频差粗捕完成之后，在选中的频率槽内，可采用划分子频率槽的方法以进一步缩小频差范围，从而进一步降低后续时延和频差精确捕获环节的实施复杂度。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速粗捕方法，其特征在于，步骤3中所述本地复现信号s1(n)包含N个补零。
4.根据权利要求1所述的一种基于频率槽和FFT的PCMA系统时延和频差快速粗捕方法，其特征在于，所述滑动相关的计算过程如下：
步骤1：假设参与运算的两个非周期序列分别是s2(n)和s1(n)，某同一个时刻开始，从s2(n)中取出长度为2N的截断序列s'2(n)；从s1(n)中取出长度为N的截断序列s″1(n)，将s″1(n)补充N个0，形成长度为2N的新序列s′1(n)＝[s″1(n),zeros(1,N)]，其中zeros(1,N)表示补充的N个0，至此数据准备完毕；
步骤2：求序列的变换结果，S2(k)＝FFT(s'2(n),2N)，S1(k)＝FFT(s′1(n),2N)，上述表达式中FFT(datsrc,points)函数是对数据源datsrc作FFT运算，数据源的点数是points；
步骤3：求S1(k)的共轭然后做积，得到
步骤4：进行IFFT变换，此y(n)序列也是一个2N点的序列，鉴于前面s′1(n)序列是后部补0的序列，y(n)中只有前N点有效，后面的点无效被剔除，剔除得到的新序列记为r(n)，长度为N，即为部分序列相关的结果，因此，根据此式，采用FFT可快速计算滑动相关过程。
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