CN108303717B - 一种复合载波导航信号高动态精捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种NSCC信号高动态快速/精确捕获方法,具体过程为:根据所选取待分析频段,对NSCC数字中频信号内各子载波分别执行Zoom‑FFT操作,获取细化频谱信息;搜索Zoom‑FFT操作后频域峰值点,读取峰值点对应频率,以峰值点对应频率为中心,根据多普勒动态变化范围,确定待监测更新频点范围;对待监测更新的频点范围,执行SlidingFFT操作,以滑动递推模式实时精确估计NSCC各子载波频率信息,完成NSCC各子载波峰值的更新/监测;利用峰值点及其邻近峰值信息,基于sinc函数进行插值估计;基于插值估计结果,获取NSCC各子载波实时精确多普勒频移值,实现高动态精捕获。本发明方法能够以较小运算代价,实现捕获阶段NSCC各载波多普勒频移的精确估计。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,具体涉及一种复合载波导航信号高动态精捕获方法。
背景技术
导航接收机作为地面接收解算设备,能在一定程度上反应出导航系统所能达到的精度及性能。基带数字信号处理单元是接收机核心模块,相关同步算法设计直接影响接收机关键性能指标,其重要性不容忽视。
捕获作为基带处理模块首个环节,其功能定位为期望信号检测,以及信号参数(多普勒频移和伪随机码相位)粗略估计,为后续跟踪环节提供初始值。捕获是接收机运算最为密集的处理单元,这使得捕获算法的设计及优化在关注检测性能的同时,还需兼顾运算量、运算复杂度以及资源占用等处理指标。
复合载波导航信号(Navigation Signal based on Compound Carrier,NSCC),本质上,可视为多个子载波信号的叠加之和,如图1所示。NSCC是基于多载波调制机制/复用技术,并兼顾导航通信服务需求,而设计出的导航通信融合型增强信号体制,其信号时域通用表达式可写为:
其中,i为信号发射端标识索引号,M为子载波数目;m∈[1,M]为子载波编号,Am表示第m个子载波信号幅度,Cm表示第m个子载波上调制的伪随机码(PRN),Dm表示第m个子载波上调制的导航数据,f0表示起始频率,Δfm为第m个子载波频率与起始频率间的频率偏置,为第m个子载波信号的载波初相。信号基于码分隔离(子载波采用不同PRN组合)和频分隔离(子载波采用不同频点组合)区别源端,并抑制信道间干扰。
NSCC特有的复合载波机制和多样化体制参数,赋予其非常宽泛的设计自由度,但同时也为其信号同步算法设计引入技术调整和优化的必要性。
NSCC载波结构复杂且信号组合带宽较大,传统导航信号捕获算法与框架主要针对单载波信号进行设计,直接采用会成倍引入运算量和硬件资源占用,适用性不高。
考虑频率类参数估计算法性能高效,且无需对NSCC各子载波分别开辟估计信道,NSCC多采用基于FFT的频域捕获算法与框架。但是,FFT类频域捕获算法存在频率分辨率与计算量(快速性)互为矛盾体,欲提高频域分析精度必然会要增加信号处理长度,增加运算负担。
考虑NSCC信号尽管组合带宽相对较大,但是子载波频率间隔相对较远(远大于多普勒频移范围),且有效信息主要集中在子载波频点附近(具体为多普勒频域范围),FFT频域内针对子载波频点的估计,根本无须全频带查找,只需根据多普勒频移范围,在感兴趣的频点处,对可疑频带内的峰值谱线信息进行细致搜索与频率估计。
因此,有必要针对NSCC信号体制结构特征与参数配置信息进行算法设计,结合频谱细化分析理论,以较小的运算代价,提升局部频谱分析精度,实现高动态信号的精捕;同时,保证运算简单高效,以适用于环路实时估计,具备工程应用价值。
发明内容
有鉴于此,本发明为弥补传统导航信号捕获方法及框架对NSCC多载波信号的不适应性缺陷,基于频谱估计理论及算法,兼顾频移估计精度与运算复杂度,提出了一种NSCC信号高动态快速/精确捕获方法。
实现本发明的技术方案如下:
一种NSCC信号高动态快速/精确捕获方法,具体过程为:
一,根据所选取待分析频段,对NSCC数字中频信号内各子载波分别执行Zoom-FFT操作,获取细化频谱信息;搜索Zoom-FFT操作后频域峰值点,读取峰值点对应频率,以峰值点对应频率为中心,根据多普勒动态变化范围,确定待监测更新频点范围;
二,对待监测更新的频点范围,执行SlidingFFT操作,以滑动递推模式动态实时精确估计NSCC各子载波频率信息,完成NSCC各子载波峰值的更新/监测;
三,基于步骤二获得的峰值信息,利用峰值点及其邻近峰值信息,基于sinc函数进行插值估计;基于插值估计结果,获取NSCC各子载波实时精确多普勒频移值,实现高动态精捕获。
进一步地,本发明所述待分析频段采用如下过程获取:
首先,对已完成本地载波剥离与伪码剥离的NSCC信号执行FFT运算,搜索NSCC信号各子载波峰值点位置,读取峰值点的频率值;
其次,根据多普勒可能的频移范围,在峰值频率点的频率值左右选取待分析频段。
进一步地,本发明所述Zoom-FFT操作包括低通滤波、下采样和频谱分析,其中设定低通滤波的通带频率范围为[-FAnS/2,FAnS/2],下采样抽取比最大为D=FS/FAnS,其中,FS为全频段FFT分析采样率。
进一步地,本发明在进行频谱分析前,将NSCC子载波信号进行低通滤波及下采样操作,然后根据待分析频段,选择中心频点,作为Zoom-FFT复调制基点,进行复调制频移,将低通滤波及下采样后的NSCC子载波峰值点搬移至零频点得到时域基带信号,再对处理后的NSCC时域基带信号进行FFT频域分析。
有益效果
第一,显著提升NSCC各子载波多普勒频移估计精度
本发明在传统FFT频域捕获基础上,适当引入Zoom-FFT、SlidingFFT及频域插值等频谱细化分析及估计算法,有效克服栅栏相应影响,提升FFT频谱分辨率,使得捕获阶段实现NSCC各载波多普勒频移的精确估计。
第二,有效降低运算复杂度以保证实时性
Zoom-FFT算法在提升FFT频率分辨率的同时不过分增加捕获阶段运算负担,结合SlidingFFT算法,利用上一周期信号FFT运算结果,递推当前阶段某特定频谱信息,少量运算即可实现对捕获信道多普勒频移实时估计,后续频域插值算法通过简单线性运算进而提升频率估计精度,总之,整个捕获过程具备高时效性。
第三,算法简单易现
Zoom-FFT在滤波和下采样后,可针对NSCC各子载波频点进行信号信号搬移,分析感兴趣频段信号频谱,SlidingFFT只需经过简单运算即可实现信号频点更新估计,频域插值仅利用有限频点信息的线性运算即可完成估计,算法流程简单易现,具备较高的工程实现价值。
附图说明
图1.复合载波信号频谱对比图;
图2.复合载波导航信号高动态精捕方法框架图;
图3.复合载波导航信号高动态精捕方法流程图;
图4.NSCC各子载波搜索频段示意图;
图5.复调制ZOOM-FFT算法原理图;
图6.Sliding FFT多点滑动窗示意图;
图7.频率插值算法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明一种复合载波导航信息高动态精捕获方法,该方法将频谱估计理论及算法引入捕获框架,依据NSCC多载波体制结构和参数信息,在传统FFT全频段谱分析基础上,采用ZOOM-FFT算法对可能的NSCC各子载波频段信号进行细化分析,并配合Sliding-FFT算法对感兴趣频段内样值点进行实时连续计算,以便对各子载波频率进行实时更新,最后根据插值DFT频率估计算法,克服栅栏效应提升频率估计精度,实现对NSCC各子载波多普勒频移的精确估计。
本发明所涉及NSCC高动态精捕方法框架见图2,针对NSCC多载波特征及参数配置,对传统FFT频域捕获框架进行调整及优化,在框架后续部分引入信号频谱细化估计算法,以克服常规FFT运算估计精度(分辨率)与运算量(快速性)间的矛盾,在提升NSCC信号频移估计精度的同时不严重增加运算复杂度。
如图3所示,为进一步阐述Zoom-FFT、SlidingFFT及插值算法之于NSCC信号的应用,具体步骤如下:
步骤一,对已完成本地载波剥离与伪码剥离的NSCC信号执行FFT运算,搜索NSCC信号各子载波峰值点位置,读取峰值点的频率值;
捕获环节对接收到的NSCC信号进行去中频处理,得到NSCC数字中频信号,然后利用匹配滤波器对NSCC各子载波分别进行本地伪随机码相关匹配,以便剥离各子载波伪随机码,尽可能提升NSCC信号各子载波频点峰值,保证NSCC中频信号频域分析准确性与精度。
对去本地载波和伪码的NSCC信号执行FFT运算,将NSCC时域信号变换到频域,以便在频域对NSCC各子载波进行频谱分析,搜索峰值点位置,并根据NSCC各子载波幅值参数和频点间隔参数,设置峰值检测判决准则,即:峰值点频域间隔大致与NSCC频点间隔参数设置一致,且对应峰值均大于检测门限Vthreshold,满足该判决准则,才可判定检测到信号,读取峰值点对应粗略频率值,进入后续环节,以此提升峰值检测准确性。
此外,在SNR较低情况下,可先搜索功率(幅值)较高的子载波峰值,然后根据NSCC子载波间隔参数信息,判定/读取其他可能的子载波频率点位置,进入后续环节。
步骤二,根据多普勒可能的频移范围,在峰值点的频率值左右选取待分析频段;
由于NSCC子载波多普勒频移远小于子载波频点间隔(见图4),因此搜索各子载波频移,不必要进行全频段搜索,只需在多普勒频移动态范围内搜索即可。
高动态环境下接收到的NSCC信号会附带较大的多普勒频移动态,即:多普勒值fDoppler变化剧烈,且范围较大,为保证多普勒频移估计准确性,以步骤一搜索到的峰值点的频率为中心频率,根据多普勒频移动态增量,适当选取待分析频带宽度。具体为:
假定步骤一搜索得到的第m个子载波的峰值点频率为fobs-m,NSCC信号可能的多普勒频移最大动态为ΔfDoppler-max,则待分析频带可选为[fobs-m-ΔfDoppler-max,fobs-m+ΔfDoppler-max]。
步骤三,根据所选取待分析频段,对NSCC数字中频信号内各子载波分别执行Zoom-FFT操作,获取细化频谱信息。
针对NSCC各个子载波,根据待分析频段范围,选取合适的低通滤波器滤除待分析频段外频点信息;为防止频谱混叠,还需要对滤波后信号进行下采样,采样率根据待分析频段范围进行适当选取,然后根据步骤二所获得的NSCC各子载波粗略的分析频段,选择中心频点,作为Zoom-FFT复调制基点,进行复调制频移,将NSCC子载波峰值点搬移至零频点得到基带信号,再对处理后的NSCC时域基带信号进行FFT频域分析。
具体Zoom-FFT算法原理见图5。假设全频段FFT分析采样率为FS,则对应频谱分析范围为[-FS/2,FS/2],根据待分析频段所选定的低通滤波器通带频率范围为[-FAnS/2,FAnS/2],为了得到fobs-m附近细化谱,可选定下采样抽取比最大为D=FS/FAnS。对下采样后的NSCC中频时域信号进行FFT分析,若Zoom-FFT运算点数为N,与步骤一中FFT运算点数一致,则Zoom-FFT运算对应可视分辨率为:
可知,对应分辨率较全频段FFT分辨率提升D倍。
此外,在Zoom-FFT运算中,具体低通滤波器参数及下采样抽取比,还需依据待分析频段范围、滤波器过渡带限制影响、信号质量、相关运算量等指标,综合定夺。
步骤四,搜索Zoom-FFT操作后频域峰值点,读取峰值点对应频率,以所述频率为中心,根据多普勒动态变化范围,确定待监测更新频率样值点(频点)范围。具体为:
Zoom-FFT在不增加FFT运算点数的同时提升信号频域分析的频谱可视分辨率,有效降低“栅栏效应”的影响,提升峰值点频率估计精度。对Zoom-FFT运算后的频域信息进行搜索,判决最大峰值点频率为NSCC子载波频点,读取峰值点所对应频率fZF,m;然后,根据多普勒动态变化范围,以频率fZF,m为中心确定Zoom-FFT后续需监测更新的频点范围为:
式中,int表示取整。
步骤五,对需要监测更新的频点范围,执行SlidingFFT操作,以滑动递推模式精确估计NSCC子载波频率信息,完成NSCC各子载波频点实时更新。
接收机对NSCC信号进行捕获,在高动态情况下,需要对NSCC信号各子载波频点进行实时更新,然而,每次频率更新进行Zoom-FFT的运算的数据窗口中有很大一部分数据为上次数据窗中的数据,可基于连续多点滑动窗口采用SlidingFFT利用上一周期Zoom-FFT运算结果进行递推,获取当前监测更新的频点范围内的峰值信息,更新NSCC各子载波峰值捕获。
具体SlidingFFT运算窗口滑动见图6。假设时域NSCC信号采样离散值为s(n),以i为起始位置的N点FFT频谱信息为Si(k),若p为两窗之间的间隔,则以i+p为起始位置的N点FFT频谱为:
可知,多点连续窗滑动SlidingFFT算法利用了前一窗口FFT运算结果递推本窗数据点FFT频域分析中特定频点处的频谱信息。
步骤六,基于步骤五获得特定频点范围峰值信息,利用峰值点及其邻近峰值信息,基于sinc函数,进行插值估计。
SlidingFFT对敏感频段进行实时频点信息更新,搜寻可能的NSCC各子载波频点,然而,子载波频点未必是频域分析中分辨率整数倍,势必会收到栅栏效应影响,使得子载波频点估计出现偏差,此时,可利用频域插值方法,利用峰值及其附近次峰值信息,基于sinc函数特性,进行插值估计,如图7所示,克服栅栏效应,实现有限频率分辨率下的高精度频率估计。
假设经过FFT频域峰值搜索的NSCC信号s(n)第m个子载波的频谱幅度为:
其中,T为NSCC信号分析时长,A为子载波的幅值,fm第m个子载波频点,k为样值点。
则频域插值方法估计的多普勒频移值为:
其中,kbase,m为频域内峰值点对应频率样值点索引位置;a取值为±1,当|S(kbase,m+1)≤|S(kbase,m-1)|时,a=-1;当|S(kbase,m+1)|≥|S(kbase,m-1)|时,a=1。
步骤七、基于频域插值算法估计结果,结合NSCC多载波结构及参数配置信息,获取NSCC各子载波实时精确多普勒频移值。
步骤六基于峰值及左右邻值估计出NSCC子载波多普勒频移值,结合NSCC多载波机制及其参数配置信息,诸如:子载波功率值、子载波频点间隔等信息,辅助判断所估计峰值频率间隔是否与NSCC信号参数中子载波间隔一致,在高SNR情况下,子载波峰值相对较为明显,为增加捕获阶段检测概率,可将判断准则设为:各峰值均较为明显,且高于特定门限值,则判定检测到信号,提取峰值对应频率信息作为NSCC子载波多普勒频移信息,完成信号精捕,牵引如后续跟踪环节;若在低SNR情况下,子载波峰值并非异常明显,则可根据子载波中功率较高(对应频域峰值较为明显)的频点,推断其他子载波可能出现的频点,提取对应频点信息,完成精捕并牵引至后续跟踪环节。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、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NSCC信号高动态快速/精确捕获方法,其特征在于,具体过程为:
一,根据所选取待分析频段,对NSCC数字中频信号内各子载波分别执行Zoom-FFT操作,获取细化频谱信息;搜索Zoom-FFT操作后频域峰值点,读取峰值点对应频率,以峰值点对应频率为中心,根据多普勒动态变化范围,确定待监测更新频点范围;
所述Zoom-FFT操作包括低通滤波、下采样和频谱分析,其中设定低通滤波的通带频率范围为[-FAnS/2,FAnS/2],下采样抽取比最大为D=FS/FAnS,其中,FS为全频段FFT分析采样率;
二,对待监测更新的频点范围,执行SlidingFFT操作,利用上一周期Zoom-FFT运算结果以滑动递推模式动态实时精确估计NSCC各子载波频率信息,完成NSCC各子载波峰值的更新;
三,基于步骤二获得的峰值信息,利用峰值点及其邻近峰值信息,基于sinc函数进行插值估计;基于插值估计结果,获取NSCC各子载波实时精确多普勒频移值,实现高动态精捕获。
2.根据权利要求1所述NSCC信号高动态快速/精确捕获方法,其特征在于,所述待分析频段采用如下过程获取:
首先,对已完成本地载波剥离与伪码剥离的NSCC信号执行FFT运算,搜索NSCC信号各子载波峰值点位置,读取峰值点的频率值;
其次,根据多普勒可能的频移范围,在峰值频率点的频率值左右选取待分析频段。
3.根据权利要求1所述NSCC信号高动态快速/精确捕获方法,其特征在于,在进行频谱分析前,将NSCC子载波信号进行低通滤波及下采样操作,然后选择待分析频段中心频点,作为Zoom-FFT复调制基点,进行复调制频移,将低通滤波和下采样后的NSCC子载波峰值点搬移至零频点得到时域基带信号,再对处理后的NSCC时域基带信号进行FFT频域分析。
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