CN109633707A - 一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，可以实现卫星导航信号的快速捕获。该方法通过将接收信号经过预平均处理后和本地扩频码码片分别存入相应的存储器中，然后送入变系数匹配滤波器中进行相关累加运算，FFT频率估计器完成匹配滤波器输出数据的频谱分析，验证模块对FFT输出结果的最大值进行第二次验证，可以提高捕获概率，完成捕获检测。本发明采用的预平均处理技术可以达到相同积分时间的同时，节省了一半的硬件资源；二次验证模块可以进行长时间的相干积分，不受匹配滤波器积分长度的限制，不仅可以进一步提高频率的分辨率，还能够提高捕获灵敏度和捕获成功率。

Description

一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，特别涉及一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法。
背景技术
信号捕获是中频信号处理的重要组成部分，用于实现对卫星扩频信号的快速粗略捕获，获得信号的码相位和载波多普勒频率的粗略估计，其性能将直接影响接收机的性能指标。匹配滤波器时域捕获能够实现码相位的并行快速捕获，匹配滤波器阶数的增加会使得硬件资源以几何级数增长，在FPGA中实现起来比较困难。频域FFT并行捕获也是一种快速的捕获方法，可以实现对载波多普勒的并行搜索，但是得到的载波多普勒频率分辨率较差，不能直接输出给跟踪环路使用。
发明内容
本发明在于解决现有技术的不足，提供了一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，克服了传统匹配滤波器硬件消耗资源较多；传统信号捕获方法得到的多普勒分辨率低，转跟踪后牵引时间较长；以及捕获灵敏度和成功率低的缺点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样得到数字中频信号；
(2)对数字中频信号进行数字下变频和低通滤波，然后抽取得到2倍扩频码速率的数字基带信号{t0,t1,t2,...,tN-1}；
(3)对数字基带信号每相邻2点取平均，得到2组新的数字样点序列和并将2组新的数字样点序列分别进行存储；
(4)本地产生扩频码序列，并将扩频码序列进行存储；
(5)采用变系数匹配滤波器将其中一组数字样点序列和扩频码序列进行分段相关运算，得到相关运算结果，并进行存储；
(6)按每个码相位对应的数据存储地址读取存储的相关运算结果；
(7)对读取的每一帧相关数据分别进行FFT运算，得到每一帧相关数据的最大值；
(8)找出所有帧相关数据中的最大值，并得到最大值对应的码相位和频率的索引值；
(9)根据最大值对应的码相位计算出数字样点序列的起始时刻，根据频率的索引值设置本振频率，从起始时刻开始将数字样点序列乘以本振后和扩频码序列进行相关运算，并将相关运算结果与设定的门限值进行比较，当相关运算结果大于设定的门限值时，则捕获成功；否则，返回步骤(5)进行另外一组数字样点序列的捕获。
其中，步骤(5)中，变系数匹配滤波器的系数每一个时钟改变一个，每个时钟输入一个数字样点和一个扩频码，对应输出一个相关运算结果。
本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：将原来的N点长的数据样点变为了2组点长的数据样点，与原来N点长的数据对应的积累时间是相同的，但是使匹配滤波器阶数变为原来的一半，节省了一半的资源；验证模块可以进行长时间的相干积分，不受匹配滤波器积分长度的限制，不仅可以进一步提高频率的分辨率，还能够提高捕获灵敏度和捕获成功率。
附图说明
图1为本发明的实施原理结构图；
图2为本发明的具体实施流程图；
图3为本发明中变系数匹配滤波器的示意图。
具体实施方式
下面参照附图1-3来说明本发明的实施例。
参照图1和图2，一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样得到数字中频信号。
(2)数字下变频器和低通滤波抽取器对数字中频信号进行数字下变频和低通滤波，然后抽取得到2倍扩频码速率的数字基带信号{t0,t1,t2,...,tN-1}。
实施例中，对于GPS的L1C/A信号码速率为1.023MHz，滤波后的基带信号在经过抽取之后，得到2倍码速率2.046MHz的数字基带复信号。
(3)对数字基带信号每相邻2点取平均，得到2组新的数字样点序列和每组之间的间隔为1个样点，每组数字样点的长度为原来数字基带信号长度的1/2，并将2组数字样点分别存储到2个数字存储器中。
实施例中，将24毫秒的数据(数据率为2.046MHz)按照上面的方法分别得到2组新的数字样点序列，分别存储到2个数字存储器中。
(4)本地扩频码产生器本地产生扩频码码片，并将扩频码码片存到码序列存储器中。
实施例中，产生20毫秒的扩频码，总共20ms×1.023MHz＝20460个码片，前4毫秒的扩频码用于变系数匹配滤波模块的相干积分，后16毫秒的扩频码用于验证模块的相干积分。
(5)将一个数字存储器中的一组数字样点序列和扩频码序列送到变系数匹配滤波器进行分段相关运算；其中，变系数匹配滤波器的系数每一个时钟改变一个，每个时钟输入一个数据样点和一个扩频码，对应的输出一个相关结果。
实施例中，变系数匹配滤波器的阶数为16阶，可以同时搜索16个码相位，一个时钟送入一个数据样点和一个扩频码，16个时钟之后开始输出有效的相关结果，之后每个时钟输出一个相关结果。
下面为了简化而言，参见图3所示，以4阶的变系数匹配滤波器为例说明其工作原理。
设数字存储器的数据为{d0,d1,...,dN-1}，码存储器的P码序列为{a0,a1,...,aN-1}，设自左向右滤波器的系数为{c0,c1,c2,c3}，中间延迟单元(D寄存器)分别为D(0)、D(1)、D(2)和输出结果。滤波器系数初始值为全零，每一个时钟变换其中一个系数，其他保持不变。
第1时刻：{c0,c1,c2,c3}＝{a0,0,0,0}
第2时刻：{c0,c1,c2,c3}＝{a0,a1,0,0}
第3时刻：{c0,c1,c2,c3}＝{a0,a1,a2,0}
第4时刻：{c0,c1,c2,c3}＝{a0,a1,a2,a3}
第5时刻：{c0,c1,c2,c3}＝{a4,a1,a2,a3}
第6时刻：{c0,c1,c2,c3}＝{a4,a5,a2,a3}
数据每一个时钟输入一个新数，分别与4个滤波系数相乘后，再与前一级缓存中的中间结果相加存入本级的缓存中，第4级的结果作为滤波器的输出。其具体工作过程如表1所示。
表1 变系数匹配滤波器工作流程表
从上表中可以看出，一个时钟送入一个数据样点和一个扩频码，4个时钟之后开始输出有效的相关结果，之后每个时钟输出一个相关结果，输出序列为：
由上式可以看出，输出序列每一行为一组，分别对应了4个不同的码与数据之间的相位；每一列是同一个码相位的部分匹配相关结果。4阶匹配滤波器可以同时搜索4个码相位，功能相当于4个并行的相关器。随着滤波器的阶数的增加，其并行搜索能力也随之增强，一个N阶的匹配滤波器可以同时搜索N个码相位。
一个N阶的匹配滤波器等效于N个并行相关器，其输出的序列为：
从上式可以看出，输出序列每一行(N个连续样点)为一组，分别对应了N个不同的码与数据之间的相位；每一列是同一个码相位的部分匹配相关结果。
在本次实施中，变系数匹配滤波器的阶数为16阶，FFT点数为64点，对应于上式中N＝16和m＝63。每一行对应16个不同的码与数据之间的相位，每一列是同一个码相位的64段部分匹配相关结果。
(6)将变系数匹配滤波器输出的一帧相关结果存入转置存储器，存储完成后按每个码相位对应的数据存储地址读取数据，送入FFT频率估计器。
实施例中，变系数匹配滤波器输出的数据每64×16个为一帧，输入存取器的时候按行存储，从存储器输出的时候按列读取，从而实现数据的转置存储。
(7)FFT频率估计器对送入的一帧相关数据进行FFT运算，并得到一帧结果的最大值；
实施例中，基2流水线处理方式的FFT模块实现1点输入，1点输出的64点FFT运算，FFT运算分成6级。
(8)最大值检测模块找出FFT频率估计器的最大值，并得到最大值对应的码相位和频率的索引值。
实施例中，最大值检测模块对FFT频率估计器输出的复数序列按照实部平方与虚部平方之和求得能量，然后得到其中的最大值，并计算出最大值对应的码相位和频率的索引值。
(9)验证模块对最大值进行第二次验证，根据最大值对应的码相位计算出验证模块的起始时刻，根据频率的索引值设置验证模块的本振频率，从起始时刻开始将数字样点序列乘以本振后和扩频码序列进行相关运算，并将相关运算结果与设定的门限值进行比较，当相关运算结果大于设定的门限值时，则捕获成功；否则，返回步骤(5)进行另外一组数字样点序列的捕获。
实施例中，验证模块根据最大值对应的码相位(在数据存储器中的位置)，在此基础上增加4092(即4ms×1023)得到验证模块的起始数据位置；为了提高多普勒分辨率，验证模块有3路本振频率，分别是最大值对应的频率值，最大值对应的频率值±100Hz；用上面的3路本振频率积分得到3个结果，得到最大的1个作为验证的结果，将该结果并与设定的门限值进行比较，当二者的比值大于门限值时，则捕获成功；如果二者比于小于门限值，则进行下一轮捕获。由于一轮搜索16个码相位，下一轮捕获时，数字存储器的地址在上一轮初始值的基础上增加16。总共需要搜索N个码相位，则需要捕获N/16轮。如果搜索完所有的码相位，仍没有捕获成功，则捕获结束，继续捕获下一颗卫星。
门限值的设定可以按照如下的方法进行：
接收一个不存在当前扩频码的卫星信号，经过上述捕获步骤，得到最大值检测模块输出的结果，将此值作为门限值。
本发明实施例的一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，达到相同积分时间的同时不仅节省了一半的资源，还可以进一步提高多普勒频率的分辨率，提高捕获灵敏度和捕获成功率。最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
(1)对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样得到数字中频信号；
(2)对数字中频信号进行数字下变频和低通滤波，然后抽取得到2倍扩频码速率的数字基带信号{t0,t1,t2,...,tN-1}；
(3)对数字基带信号每相邻2点取平均，得到2组新的数字样点序列和并将2组新的数字样点序列分别进行存储；
(4)本地产生扩频码序列，并将扩频码序列进行存储；
(5)采用变系数匹配滤波器将其中一组数字样点序列和扩频码序列进行分段相关运算，得到相关运算结果，并进行存储；
(6)按每个码相位对应的数据存储地址读取存储的相关运算结果；
(7)对读取的每一帧相关数据分别进行FFT运算，得到每一帧相关数据的最大值；
(8)找出所有帧相关数据中的最大值，并得到最大值对应的码相位和频率的索引值；
(9)根据最大值对应的码相位计算出数字样点序列的起始时刻，根据频率的索引值设置本振频率，从起始时刻开始将数字样点序列乘以本振后和扩频码序列进行相关运算，并将相关运算结果与设定的门限值进行比较，当相关运算结果大于设定的门限值时，则捕获成功；否则，返回步骤(5)进行另外一组数字样点序列的捕获。
2.根据权利要求1所述的一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法，其特征在于，步骤(5)中，变系数匹配滤波器的系数每一个时钟改变一个，每个时钟输入一个数字样点和一个扩频码，对应输出一个相关运算结果。
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