CN108011652B - 一种扩频信号捕获的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扩频信号捕获的方法和装置，本方案首先对数字采样后的中频信号，进行下变频到零中频，零中频后的数据进行积分，积分后的数据进行比特量化，并进行缓存；接着，将需要捕获的PN扩频码的每个相位与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算，并对每个相位解扩后的数据进行FFT扫频，如果扩频码相位对齐，则会产生大的频率响应，根据FFT峰值能量判断是否捕获到信号。本发明提供的扩频信号捕获方案，能够在几乎不牺牲性能的情况下，对扩频信号进行频率、码相位的准并行搜索，相比传统捕获技术，能够节省硬件资源87％左右，在相同的硬件资源条件下，能够提高捕获速度1000倍左右。

Description

一种扩频信号捕获的方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术，具体涉及扩频通信技术。
背景技术
扩频通信的全称是扩展频谱通信，是一种利用比原始信号(信源产生的信号)本身频带宽得多的射频信号进行通信的信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列(特有的伪随机扩频码序列)来完成的，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。扩频通信早在第二次世界大战期间就已提出，其发展也基本上是在军事领域随着电子对抗发展起来的，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
扩频系统能带来30分贝以上的信噪比改善，使干扰的影响减少了1000倍以上，扩频通信越来越多地应用在各种通信领域，如星基导航技术领域、手机通信领域、图像信息隐藏等众多领域。扩频信号捕获是扩频通信系统数字信号处理的基础，捕获到的频率、PN码相位作为信号实时跟踪的输入条件。扩频信号捕获的速度及灵敏度直接影响到扩频接收机的信号处理性能。对于扩频信号的捕获，需要对信号进行频率及码相位的二维搜索同步。
现有的扩频信号捕获技术，由于受到硬件资源、成本的限制，通常会对某一维采取并行加速，另一维采取串行搜索，甚至二维均采用串行搜索的方式来降低成本。现有的扩频信号捕获技术无法做低成本、高性能，通常会采用减少相干积分时间(造成捕获灵敏度性能下降)、扩频码或频率串行搜索(会造成捕获速度的性能下降)等方式降低成本，但会大大降低捕获性能。
发明内容
针对现有扩频信号捕获技术所存在的问题，需要一种低成本且高性能的扩频信号捕获技术。
由此，本发明所要解决的技术问题是提供一种扩频信号捕获的方法和装置，能够对扩频信号进行频率、码相位的准并行搜索，节省硬件资源，提高捕获速度。
为能够解决上述技术问题，本发明提供的扩频信号捕获的方法包括以下步骤：
(1)对输入的扩频数字中频信号进行下变频到零中频变换，并将从下变频到零中频变换的初始时间作为捕获计时的起始时间；
(2)对零中频信号进行积分，将积分后的数据进行比特量化；
(3)将量化后的数据存入相应的缓存区；
(4)当所有码周期的积分完成后，将产生的需要捕获的PN扩频码与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算；
(5)对解扩后的数据进行单组扩频码相位搜索捕获，获取每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线；当每组扩频码相位搜索捕获完成时，对每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线进行比较，保留最大值；
(6)当所保留的最大值大于当前单次傅里叶变换的能量谱线时，更新当前捕获的PN码编号、最大能量处的PN码相位、多普勒频率以及捕获耗时；
(7)重复步骤5、6，直到所有组PN扩频码相位搜索完成。
在捕获方法的优选方案中，所述步骤(2)中对积分后的数据进行最小为2比特的比特量化。
在捕获方法的优选方案中，所述步骤(3)中缓存数据时的缓冲20或10个码周期。
在捕获方法的优选方案中，所述步骤(5)中进行单组扩频码相位搜索捕获时，包括如下步骤：
(51)将每组PN扩频码中每个码相位与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运；
(52)将解扩后的数据进行第二次积分，将积分后的数据进行第二次比特量化；
(53)对每个相位解扩后的数据进行快速傅里叶变换扫频，从单次快速傅里叶变换后的结果中，找到能量最大的谱线。
在捕获方法的优选方案中，所述步骤(52)中进行第二次积分的长度与所需快速傅里叶变化的长度相对应。
在捕获方法的优选方案中，所述步骤(52)中对积分后的数据进行最小为2比特的比特量化。
为能够解决上述技术问题，本发明提供的扩频信号捕获的装置，包括：
数字下变频模块，所述数字下变频模块接收扩频数字中频信号，并分别与第一积分器、码周期积分完成判决模块以及捕获模块计时器数据连接；
第一积分器，所述第一积分器与第一量化器数据连接；
第一量化器，所述第一量化器与零中频信号缓存模块数据连接；
零中频信号缓存模块，所述零中频信号缓存模块与码周期积分完成判决模块数据连接；
码周期积分完成判决模块，所述码周期积分完成判决模块与单组扩频码相位搜索捕获模块数据连接；
PN码发生器，所述PN码发生器分别与单组扩频码相位搜索捕获模块以及所有扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
单组扩频码相位搜索捕获模块，所述单组扩频码相位搜索捕获模块分别与码周期积分完成判决模块、所有扩频码相位搜索完成判决模块以及捕获结果输出模块数据连接；
所有扩频码相位搜索完成判决模块，所述所有扩频码相位搜索完成判决模块与捕获结果输出模块数据连接；
捕获模块计时器，所述捕获模块计时器与单组扩频码相位搜索捕获模块数据连接；
捕获结果输出模块。
在捕获装置的优选方案中，所述单组扩频码相位搜索捕获模块包括：
移位寄存器，所述移位寄存器分别与PN码发生器、扩频码相关器和单组扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
扩频码相关器，所述扩频码相关器分别与码周期积分完成判决模块、第二积分器、单组扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
第二积分器，所述第二积分器与第二量化器数据连接；
第二量化器，所述第二量化器与快速傅里叶变化器数据连接；
快速傅里叶变化器，所述快速傅里叶变化器与单次最大值检测器数据连接；
单次最大值检测器，所述单次最大值检测器与能量最大值缓存/比较器数据连接；
能量最大值缓存/比较器，所述能量最大值缓存/比较器分别与捕获结果输出模块、捕获模块计时器以及单组扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
单组扩频码相位搜索完成判决模块，所述单组扩频码相位搜索完成判决模块与所有扩频码相位搜索完成判决模块数据连接。
本发明提供的扩频信号捕获方案，能够在几乎不牺牲性能的情况下，对扩频信号进行频率、码相位的准并行搜索，相比传统捕获技术，能够节省硬件资源87％左右，在相同的硬件资源条件下，能够提高捕获速度1000倍左右。
再者，相对于传统的捕获算法无法达到码相位及载波频率的二维并行搜索，捕获信号所用的时间会很长，而本发明提供的方案能够使码相位和载波频率准并行搜索，相同硬件资源下，使捕获速度提高了1000倍左右(以码周期为1023码片的信号为例)，大大提高了扩频接收机捕获性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明中进行扩频信号捕获的流程图；
图2为本发明中扩频信号捕获装置的组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明提供的扩频信号捕获技术，其首先对数字采样后的中频信号，进行下变频到零中频，零中频后的数据进行整码片(或其他所需捕获精度码片的)积分，积分后的数据进行比特量化，并进行缓存；
接着，将需要捕获的PN扩频码的每个相位与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算，并对每个相位解扩后的数据进行FFT扫频，如果扩频码相位对齐，则会产生大的频率响应，根据FFT峰值能量判断是否捕获到信号。
由此实现对扩频信号进行频率、码相位的准并行搜索，这样既节省硬件资源，又提高捕获速度。
参见图1，其所示为基于上述原理进行扩频信号捕获的具体流程图。
由图可知，本发明进行扩频信号捕获的具体过程包括如下步骤：
1)对输入的扩频数字中频信号进行下变频到零中频，并同时启动捕获计时(即将从下变频到零中频变换的初始时间作为捕获计时的起始时间)；
2)对零中频信号进行整码片或其他所需捕获精度码片的积分，将积分后的数据进行N1比特量化，N1最小为2比特；
3)将量化后的数据存入缓存区，缓冲N2个码周期；
4)当所有N2个码周期的积分完成后，将产生的需要捕获的PN扩频码与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算，以GPS L1信号为例N2＝20；
5)解扩后的数据进行第二次积分，积分的长度由所需快速傅里叶变化的长度决定，将积分后的数据进行第二次N3比特量化，N3最小为2比特；
6)对PN扩频码的每个相位解扩后的数据(为完成第二次积分和第二次量化的数据)进行快速傅里叶变换扫频，从单次快速傅里叶变换后的结果中，找到能量最大的谱线；同时对解扩后的数据进行单组扩频码相位搜索捕获，当每组扩频码相位搜索捕获完成时，对每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线进行比较，保留最大值；
7)重复步骤5和6，直到一组PN扩频码相位搜索完成；
8)当所保留的最大值大于当前单次傅里叶变换的能量谱线时，输出当前捕获的PN码编号、最大能量处的PN码相位、多普勒频率以及捕获耗时；
9)更换一组PN扩频码，重复步骤5、6、7、8，直到所有组PN扩频码搜索完毕。
由上可见，本扩频信号捕获方法过程中，实现对扩频信号进行频率、码相位的准并行搜索。
针对上述的扩频信号捕获方法，以下通过一具体实例来说明。
参见图2，其所示为本实例中能够对扩频信号进行频率和码相位进行准并行搜索的扩频信号捕获装置的组成结构示意图。
由图可知，该扩频信号捕获装置100主要包括数字下变频模块101、第一积分器102、第一量化器103、零中频信号缓存模块104、码周期积分完成判决模块105、PN码发生器106、所有扩频码相位搜索完成判决模块107、捕获模块计时器108、捕获结果输出模块109以及单组扩频码相位搜索捕获模块110。
其中，数字下变频模块101用于对数字采样后的中频信号，进行下变频到零中频。该数字下变频模块101接收扩频数字中频信号，并分别与第一积分器102、码周期积分完成判决模块105以及捕获模块计时器108数据连接。
第一积分器102用于对零中频数据进行整码片或其他所需捕获精度的码片积分。该第一积分器102与第一量化器103数据连接。
第一量化器103用于对积分后的整码片零中频数据进行N1比特量化，这里的N1最小为2比特。该第一量化器103与零中频信号缓存模块104数据连接。
零中频信号缓存模块104用于将量化后的数据存入相应的零中频信号缓存区，且缓冲N2个码周期，这里的N2＝20或者10。该零中频信号缓存模块104与码周期积分完成判决模块105数据连接。
码周期积分完成判决模块105用于判断是否已经完成N2个码周期数据的积分、量化和存储(以GPS信号为例，N2设为20，可以得到13dB的处理增益)，若没有完成，则进入数字下变频模块101，若已经完成，则进行单组扩频码相位搜索捕获。该码周期积分完成判决模块105与单组扩频码相位搜索捕获模块110数据连接。
PN码发生器106用于产生需要捕获的PN码。该PN码发生器106分别与单组扩频码相位搜索捕获模块110和所有扩频码相位搜索完成判决模块107数据连接。
单组扩频码相位搜索捕获模块110用于进行单组扩频码相位搜索捕获，获取每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线；当每组扩频码相位搜索捕获完成时，对每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线进行比较，保留最大值。该单组扩频码相位搜索捕获模块110分别与PN码发生器106、所有扩频码相位搜索完成判决模块107以及捕获结果输出模块109数据连接。
所有扩频码相位搜索完成判决模块107用于判决是否已遍历所需捕获的全部PN码。该所有扩频码相位搜索完成判决模块107分别与PN码发生器106、单组扩频码相位搜索捕获模块110以及捕获结果输出模块109数据连接。
捕获模块计时器108从捕获启动开始进行计数，用于推算在捕获期间的PN码由于多普勒频率造成的码相位偏移。
捕获结果输出模块109用于输出当前捕获的PN码编号、最大能量处的PN码相位、多普勒频率及捕获耗时。
在具体实现，单组扩频码相位搜索捕获模块110主要由移位寄存器111、扩频码相关器112、第二积分器113、第二量化器114、快速傅里叶变化器115、单次最大值检测器116、能量最大值缓存/比较器117以及单组扩频码相位搜索完成判决模块118配合组成。
这里的移位寄存器111用于将本地产生的PN码相位左移/右移一个码片，以遍历所有码相位。该移位寄存器111分别与扩频码相关器112、PN码发生器106以及单组扩频码相位搜索完成判决模块118数据连接。
扩频码相关器112用于将产生的PN码与量化后的零中频数据进行相关、解扩。该扩频码相关器112分别与码周期积分完成判决模块105、移位寄存器111、第二积分器113以及单组扩频码相位搜索完成判决模块118数据连接。
第二积分器113第二积分器用于将解扩后的数据进行积分，积分长度由所需快速傅里叶变化的长度决定。该第二积分器113与第二量化器114数据连接。
第二量化器114用于对积分后的数据进行N3比特量化，这里的N3最小为2比特。该第二量化器114与快速傅里叶变化器115数据连接。
快速傅里叶变化器115用于对解扩后的信号进行扫频，以确定多普勒频率。该快速傅里叶变化器115与单次最大值检测器116数据连接。
单次最大值检测器116用于从单次快速傅里叶变化后的结果中，找到能量最大的谱线。该单次最大值检测器116与能量最大值缓存/比较器117数据连接。
能量最大值缓存/比较器117用于对每个码相位的单次傅里叶变化最大的能量谱线进行比较，保留最大值。该能量最大值缓存/比较器117与单组扩频码相位搜索完成判决模块118和捕获结果输出模块109数据连接。
单组扩频码相位搜索完成判决模块118用于判断当前PN码的所有码相位是否遍历搜索完成.该单组扩频码相位搜索完成判决模块118分别与移位寄存器111、扩频码相关器112、能量最大值缓存/比较器117以及所有扩频码相位搜索完成判决模块107数据连接。
据此构成的扩频信号捕获装置100将对数字采样后的中频信号，进行下变频到零中频，零中频后的数据进行整码片(或其他所需捕获精度码片的)积分，积分后的数据进行N比特量化。以8倍码率采样率，整码片积分，最小2比特量化为例，信噪比损失0.49dB，性能损失很小，传统的存储射频的数字采样数据需要32K比特的存储空间，改进后存储量化后的同向和正交数据，只需要4K比特的存储空间，使硬件资源减少了87.5％；并且设置了零中频信号缓存区，存储量化后的数据，这样可以充分利用硬件资源全速解扩运算，大大提高了解扩速度。
当所有N2个码周期的积分完成后，将产生的需要捕获的PN码按相位与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算，N2＝20或者10。
接着，针对解扩后的数据再次进行积分、量化，节省了FFT的输入数据位数，从而降低了FFT的数据存储空间。以量化后的数据进行256点FFT为例，FFT的输入数据位数从5位降低到2位，节省了60％的数据存储空间。
接着，对每个相位解扩后的数据进行FFT扫频，如果扩频码相位对齐，则会产生大的频率响应，继而根据FFT峰值能量判断是否捕获到信号(即对每个相位解扩后的数据进行快速傅里叶变换扫频，从单次快速傅里叶变换后的结果中，找到能量最大的谱线)。据此对解扩后的数据进行单组扩频码相位搜索捕获，当每组扩频码相位搜索捕获完成时，对每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线进行比较，保留最大值；
最后，据此遍历所需捕获的全部PN码，更新当前捕获的PN码编号、最大能量处的PN码相位、多普勒频率以及捕获耗时。
由此，本实例方案通过采用数据缓存和量化技术的相结合，大大减少了数据存储空间，同时又可以充分发挥硬件计算速度，相比传统的码相位串行搜索方式，本发明使捕获速度提高了1023倍(以码周期为1023码片的信号为例)，所付出的性能损失仅为0.98dB。本实例方案还设置了捕获模块计时器，从捕获开始启动计数，能够推算在捕获期间的PN码由于多普勒频率造成的码相位偏移。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种扩频信号捕获的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)对输入的扩频数字中频信号进行下变频到零中频变换，并将从下变频到零中频变换的初始时间作为捕获计时的起始时间；
(2)对零中频信号进行积分，将积分后的数据进行比特量化；
(3)将量化后的数据存入相应的缓存区；
(4)当所有码周期的积分完成后，将产生的需要捕获的PN扩频码与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算；
(5)对解扩后的数据进行单组扩频码相位搜索捕获，获取每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线；当每组扩频码相位搜索捕获完成时，对每个码相位的单次傅里叶变换最大的能量谱线进行比较，保留最大值；
(6)当所保留的最大值大于当前单次傅里叶变换的能量谱线时，更新当前捕获的PN码编号、最大能量处的PN码相位、多普勒频率以及捕获耗时；
(7)重复步骤5、6，直到所有组PN扩频码相位搜索完成。
2.根据权利要求1所述的一种扩频信号捕获的方法，其特征在于，所述步骤(2)中对积分后的数据进行最小为2比特的比特量化。
3.根据权利要求1所述的一种扩频信号捕获的方法，其特征在于，所述步骤(3)中缓存数据时的缓冲20或10个码周期。
4.根据权利要求1所述的一种扩频信号捕获的方法，其特征在于，所述步骤(5)中进行单组扩频码相位搜索捕获时，包括如下步骤：
(51)将每组PN扩频码中每个码相位与存储在缓存区中的零中频数据进行相关及解扩运算；
(52)将解扩后的数据进行第二次积分，将积分后的数据进行第二次比特量化；
(53)对每个相位解扩后的数据进行快速傅里叶变换扫频，从单次快速傅里叶变换后的结果中，找到能量最大的谱线。
5.根据权利要求4所述的一种扩频信号捕获的方法，其特征在于，所述步骤(52)中进行第二次积分的长度与所需快速傅里叶变化的长度相对应。
6.根据权利要求4所述的一种扩频信号捕获的方法，其特征在于，所述步骤(52)中对积分后的数据进行最小为2比特的比特量化。
7.一种扩频信号捕获的装置，其特征在于，所述装置包括：
数字下变频模块，所述数字下变频模块接收扩频数字中频信号，并分别与第一积分器、码周期积分完成判决模块以及捕获模块计时器数据连接；
第一积分器，所述第一积分器与第一量化器数据连接；
第一量化器，所述第一量化器与零中频信号缓存模块数据连接；
零中频信号缓存模块，所述零中频信号缓存模块与码周期积分完成判决模块数据连接；
码周期积分完成判决模块，所述码周期积分完成判决模块与单组扩频码相位搜索捕获模块数据连接；
PN码发生器，所述PN码发生器分别与单组扩频码相位搜索捕获模块以及所有扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
单组扩频码相位搜索捕获模块，所述单组扩频码相位搜索捕获模块分别与码周期积分完成判决模块、所有扩频码相位搜索完成判决模块以及捕获结果输出模块数据连接；
所有扩频码相位搜索完成判决模块，所述所有扩频码相位搜索完成判决模块与捕获结果输出模块数据连接；
捕获模块计时器，所述捕获模块计时器与单组扩频码相位搜索捕获模块数据连接；
捕获结果输出模块。
8.根据权利要求7所述的一种扩频信号捕获的装置，其特征在于，所述单组扩频码相位搜索捕获模块包括：
移位寄存器，所述移位寄存器分别与PN码发生器、扩频码相关器和单组扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
扩频码相关器，所述扩频码相关器分别与码周期积分完成判决模块、第二积分器、单组扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
第二积分器，所述第二积分器与第二量化器数据连接；
第二量化器，所述第二量化器与快速傅里叶变化器数据连接；
快速傅里叶变化器，所述快速傅里叶变化器与单次最大值检测器数据连接；
单次最大值检测器，所述单次最大值检测器与能量最大值缓存/比较器数据连接；
能量最大值缓存/比较器，所述能量最大值缓存/比较器分别与捕获结果输出模块、捕获模块计时器以及单组扩频码相位搜索完成判决模块数据连接；
单组扩频码相位搜索完成判决模块，所述单组扩频码相位搜索完成判决模块与所有扩频码相位搜索完成判决模块数据连接。
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