CN109655847A - 一种适于动态信号的快速捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适于动态信号的快速捕获方法，该方法包含：采用频域并行码相位搜索法进行第一次粗搜索，频率维采用串行搜索法；在第一次粗搜索得到的多普勒频偏值的一定窄带宽范围内，以更小的步进串行进行频率搜索，完成二次搜索；根据二次搜索的多普勒频偏值换算出码速率多普勒值，进而换算出捕获时间内的码位移，得到最终需要补偿的码相位，实现相位修正。本发明采用基于二次搜索和相位修正的方法补偿动态信号在捕获时间内产生的频偏和码相位偏移，可解决传统捕获方法存在捕获时间长、捕获完成时频偏和码相位已发生变化或捕获性能满足要求但对硬件要求太高等问题，既可满足动态信号的捕获要求，又可基于通用硬件平台实现。

Description

一种适于动态信号的快速捕获方法
技术领域
本发明涉及动态环境下的信号捕获领域，特别涉及一种适于动态信号的快速捕获方法。
背景技术
用户终端与航天器之间较高的相对速度和相对加速度，会产生较大的多普勒频偏和多普勒变化率，因此用户终端需解决动态环境下的信号捕获问题。
专利申请1(基于优化并行码相位搜索的GPS捕获电路，CN106093981A，2016)采用频域并行码相位搜索法将时域的相关运算变换成频域的乘法运算可并行完成码相位的搜索，但频率维仍需要串行搜索，在高动态信号环境下，多普勒搜索范围较宽，捕获时间较长，当捕获完成时多普勒频率已经发生变化，码相位也在捕获时间内产生位移，因此捕获到的频率和码相位由于信号的动态特性而存在偏差。
专利申请2(高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置，CN101005293A，2007)通过分段相关并进行FFT计算估计信号的频偏，但对码相位的搜索需要对扩频序列的每一个码相位进行滑动遍历搜索，在扩频码序列较长时捕获时间较长，同样存在上述问题。
专利申请3(一种基于匹配滤波的GPS捕获单元设计方法，CN102928854A，2013)采用匹配滤波法，在一个或几个时钟周期内完成整个扩频码序列的相关(假设扩频码序列长度为N)，然后滑动一个码相位单位并计算相关结果，对相关结果进行FFT计算估计多普勒频率，整个搜索过程只需要N的一倍或几倍个时钟周期即可完成，捕获时间短，但是这个算法对硬件要求较高，且在扩频码序列长度增加时对资源的要求会直线增长，该算法的应用也因此受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于动态信号的快速捕获方法，针对动态信号，采用基于二次搜索和相位修正的方法补偿动态信号在捕获时间内产生的频偏和码相位偏移，在对硬件资源要求不高的前提下可以准确捕获到动态信号的多普勒频率及扩频序列的码相位，可以解决传统捕获方法存在捕获时间长、捕获完成时频偏和码相位已经发生变化、或者捕获性能满足要求但对硬件要求太高等问题，能在高动态信号环境下完成扩频信号频率和码相位的准确捕获，既可以满足动态信号的捕获要求，又可以基于通用硬件平台即可实现。
为了达到上述目的，本发明提供通过以下技术方案实现：
一种适于动态信号的快速捕获方法，包含以下步骤：
采用频域并行码相位搜索法进行第一次粗搜索，其中，频率维采用串行搜索法；
在第一次粗搜索得到的多普勒频偏值的一定窄带宽范围内，以更小的步进串行进行频率搜索，完成二次搜索；
根据二次搜索的多普勒频偏值换算出码速率多普勒值，进而换算出捕获时间内的码位移，得到最终需要补偿的码相位，实现相位修正。
优选地，所述第一次粗搜索过程中进一步包含：
S1、根据多普勒范围和通信速率，确定粗搜步长，得到若干个第一串行频率搜索单元，初始化第一串行频率搜索单元的编号n为0，初始化第一本地载波NCO频率；
S2、本地产生的载波信号对接收信号进行下变频，变频后的基带信号进行频域并行码相位搜索，并记录谱峰；
S3、第一串行频率搜索单元的编号n加1，得到另一第一本地载波NCO频率，重复执行所述步骤S2，直到所有的第一串行频率搜索单元全部搜索完成，得到若干组第一搜索结果；
S4、在所有组第一搜索结果中搜索谱峰的最大值，根据最大谱峰所在的第一串行频率搜索单元的编号计算出粗搜频率值Fco。
优选地，所述步骤S1中，初始化的第一本地载波NCO频率为多普勒范围下限。
优选地，所述步骤S3中，所述另一第一本地载波NCO频率＝多普勒范围下限+n*粗搜步长。
优选地，所述二次搜索过程中进一步包含：
S5、根据第一次粗搜方法得到的粗搜频率值Fco确定二次搜索的多普勒范围，设定二次搜索的频率搜索步长，得到若干个第二串行频率搜索单元，初始化第二串行频率搜索单元的编号m为0，初始化第二本地载波NCO频率；
S6、本地产生的载波信号对接收信号进行下变频，变频后的基带信号进行频域并行码相位搜索，并记录谱峰，其中，二次搜索时间记作Tcap2；
S7、第二串行频率搜索单元的编号m加1，得到另一第二本地载波NCO频率，重复执行所述步骤S6，直到所有第二串行频率搜索单元的二次搜索全部完成，得到若干组二次搜索结果；
S8、在所有组二次搜索结果中找到谱峰的最大值，计算出对应的多普勒频偏值Ffine，并记录谱峰的位置pos_ca；
S9、根据所述多普勒频偏值Ffine计算码速率多普勒fCA，得出捕获时间内产生的码位移，其中，码位移＝码速率多普勒fCA*二次搜索时间Tcap2，最终得到需要补偿的码相位pos_ca_final＝pos_ca+fCA*Tcap2。
优选地，所述步骤S5中，二次搜索的多普勒范围为粗搜频率值Fco±x，x为一定大小的频率值。
优选地，所述步骤S5中，初始化的第二本地载波NCO频率为二次搜索的多普勒范围下限。
优选地，所述另一第二本地载波NCO频率＝二次搜索的多普勒范围下限+m*二次搜索的频率搜索步长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：针对动态信号要求捕获时间短，且捕获频率和码相位在捕获时间内产生偏差的问题，本发明采用基于二次搜索和相位修正的捕获方法，通过增加二次搜索模块，以较小的时间开销可以获得更高的多普勒捕获精度，同时保证了较短的捕获时间，并通过相位修正方法消除捕获时间内产生的码相位偏差，进而提高了码相位捕获精度；同时该算法对硬件资源要求不高，可在一般通用硬件平台上实现，和匹配滤波等算法相比具有很好的适用性。
附图说明
图1为本发明的码相位并行搜索、频率串行搜索的捕获原理框图；
图2为本发明的基于二次搜索和相位修正的捕获流程框图。
具体实施方式
为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的适于动态信号的快速捕获方法采用基于二次搜索和相位修正的方法实现动态信号的捕获，对不同体制的信号具有通用性。下文以非相干直接序列扩频，通信频段为2.2GHz，通信速率是8kbps，扩频码长度是1023，扩频码速率是10.23Mcps，多普勒范围是±80kHz，多普勒变化率是10kHz/s的信号体制为例进行介绍。
如图1所示，第一次搜索采用频域并行码相位搜索法，频率维采用串行搜索法。具体地，首先初始化频率为多普勒范围的下限-80kHz，用此频率对接收信号进行混频得到下变频后的基带信号，分别计算基带信号和扩频码序列的FFT(快速傅里叶变换)，然后将两者进行共轭相乘得到乘积，对乘积进行IFFT(快速傅里叶反变换)计算并搜索IFFT结果的模值，记录谱峰的最大值和对应位置；依次将频率增加一个搜索步长后重新进行前面步骤的计算，直到完成整个多普勒范围(±80kHz)内的搜索，搜索出所有谱峰的最大值和对应位置，根据所在的组号可以计算出多普勒频率，根据最大值的对应位置可以得出码相位的位置。
上述方法涉及到多次混频、FFT、IFFT等运算，可以采用快速处理方法。具体地，存储1个bit时间长度的样点数据到RAM(随机存取存储器)中，然后采用高时钟域读出并在高时钟域进行所有的运算。
第一次搜索在整个多普勒范围内以预定频率步长进行搜索，当通信速率较低时，频率步长不能太大，因此在多普勒范围较宽时，搜索区间较多，即时采用高时钟域快速处理方法，第一次搜索也需要较长的时间。以本发明为例，搜索步长为1kHz，共161个搜索区间，采用16个bit非相干累积，高倍时钟速率是120MHz时，捕获时间为175ms，在捕获时间内产生的多普勒频偏为1750Hz，最大码相位偏移(发生在80kHz/-80kHz频偏处)是65.1个chip，显然第一次搜索到的频率和码相位值存在较大的偏差。
如图2所示，本发明采用基于二次搜索和相位修正的捕获方法，在完成第一次粗搜的基础上，增加二次搜索模块。二次搜索在第一次搜索到多普勒频偏值左右较窄带宽范围内以更小的步进串行进行频率搜索，可以得到精度更高的多普勒频偏值。二次搜索仅在第一次搜索值的左右进行几次搜索，搜索带宽窄，利用快速处理算法可以在很短时间内完成。根据二次搜索的多普勒频偏值可以换算出码速率多普勒值，进而换算出捕获时间内的码位移，并对捕获到的码相位进行相位修正，可以防止捕获时间导致的码相位偏差，因此二次搜索和相位修正可以用很短的时间带来更高的频率捕获精度和码相位捕获精度。
假设粗搜频率值为Fco，二次搜索区间定为[Fco-5kHz，Fco+5kHz]，搜索步长定为500Hz，采用相同的方法进行搜索，则二次搜索时间Tcap2为22ms。其中，Tcap2内的多普勒频率变化值可以忽略，而码位移可以根据捕获到的多普勒频偏(假设为Ffine)进行换算。多普勒频偏Ffine是在2.2G载频上估计出来的多普勒频偏，将其换算到10.23Mcps的码速率上，得到码多普勒频率值(记作fCA)，fCA和Tcap2的乘积为捕获时间内的码位移，用该码位移修正捕获到的码相位，并根据修正之后的码相位调整本地码NCO，可得到和接收基带信号码相位一致的本地扩频码序列，至此，完成动态信号环境下多普勒频偏和码相位的精确捕获。
如图2所示，基于上述，作为本发明的一个实施例，本发明采用二次搜索和相位修正的方法实现动态信号捕获的具体步骤如下：
S1、根据多普勒范围±80kHz和通信速率8kbps，确定粗搜步长为1kHz，则共161个串行频率搜索单元，初始化串行频率搜索单元编号n为0，初始化本地载波NCO频率为-80kHz；
S2、本地产生的载波信号对接收信号进行下变频，变频后的基带信号进行频域并行码相位搜索，并记录谱峰；
S3、串行频率搜索单元编号n加1，得到本地载波NCO频率为-80kHz+n*1kHz，然后重复步骤S2的操作，直到161个串行频率搜索单元全部搜索完成；
S4、在161组结果中搜索谱峰的最大值，根据最大谱峰所在的单元编号计算出粗搜频率值Fco；
S5、根据粗搜结果确定二次搜索的多普勒范围为[Fco-5kHz,Fco+5kHz]，二次搜索的频率搜索步长定为500Hz，初始化串行搜索单元编号m为0，初始化本地载波NCO频率为Fco-5kHz；
S6、本地产生的载波信号对接收信号进行下变频，变频后的基带信号进行频域并行码相位搜索，并记录谱峰；
S7、串行搜索单元编号m加1，得到本地载波NCO频率为Fco-5kHz+m*500Hz，然后重复步骤S6的操作，直到二次搜索所有串行搜索单元全部完成；
S8、在所有组二次搜索结果中找到谱峰的最大值，计算出对应的频率值Ffine，并记录谱峰的位置pos_ca，Ffine即为最终计算出的多普勒频偏值，但是码相位还需要对pos_ca的值进行相位修正(如下步骤S9所示)；
S9、根据载波多普勒Ffine计算码速率多普勒fCA(根据载波频率和扩频码速率的关系进行换算)，fCA*Tcap2为捕获时间产生的码位移，则最终需要补偿的码相位pos_ca_final＝pos_ca+fCA*Tcap2，至此多普勒频率和码相位捕获完成。
综上所述，第一次搜索在整个多普勒频偏范围内进行粗搜索，得到粗搜频率值：第一次搜索搜索范围宽，搜索时间长，捕获到的多普勒频偏和码相位存在偏差，码相位丢弃不用，该多普勒频偏用来确定二次搜索的频率搜索范围。二次搜索在较窄带宽内进行，捕获时间短：二次搜索频率区间以粗搜频率值为中心，在左右较窄带宽内以更小的步进进行搜索，具有更高的频率搜索精度，且只需要较短的时间即可完成。采用码相位修正，消除捕获时间产生的码相位偏差：根据二次搜索的多普勒频偏值换算出码速率多普勒，计算出Tcap2时间内的码位移，对捕获到的码相位进行相位修正，消除了捕获时间带来的相位偏差，提高了码相位捕获精度。本发明对硬件要求不高，在通用的硬件平台上实现了对动态信号多普勒频率和码相位的准确捕获，采用额外的二次搜索的方法，通过22ms的时间开销，可以避免对硬件资源的严苛要求，降低硬件成本，节省下来的硬件资源，可进行其他复杂系统设计。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，包含以下过程：
采用频域并行码相位搜索法进行第一次粗搜索，其中，频率维采用串行搜索法；
在第一次粗搜索得到的多普勒频偏值的一定窄带宽范围内，以更小的步进串行进行频率搜索，完成二次搜索；
根据二次搜索的多普勒频偏值换算出码速率多普勒值，进而换算出捕获时间内的码位移，得到最终需要补偿的码相位，实现相位修正。
2.如权利要求1所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，
所述第一次粗搜索过程中进一步包含：
S1、根据多普勒范围和通信速率，确定粗搜步长，得到若干个第一串行频率搜索单元，初始化第一串行频率搜索单元的编号n为0，初始化第一本地载波NCO频率；
S2、本地产生的载波信号对接收信号进行下变频，变频后的基带信号进行频域并行码相位搜索，并记录谱峰；
S3、第一串行频率搜索单元的编号n加1，得到另一第一本地载波NCO频率，重复执行所述步骤S2，直到所有的第一串行频率搜索单元全部搜索完成，得到若干组第一搜索结果；
S4、在所有组第一搜索结果中搜索谱峰的最大值，根据最大谱峰所在的第一串行频率搜索单元的编号计算出粗搜频率值Fco。
3.如权利要求2所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，
所述步骤S1中，初始化的第一本地载波NCO频率为多普勒范围下限。
4.如权利要求3所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，
所述步骤S3中，所述另一第一本地载波NCO频率＝多普勒范围下限+n*粗搜步长。
5.如权利要求2所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，
所述二次搜索过程中进一步包含：
S5、根据第一次粗搜方法得到的粗搜频率值Fco确定二次搜索的多普勒范围，设定二次搜索的频率搜索步长，得到若干个第二串行频率搜索单元，初始化第二串行频率搜索单元的编号m为0，初始化第二本地载波NCO频率；
S6、本地产生的载波信号对接收信号进行下变频，变频后的基带信号进行频域并行码相位搜索，并记录谱峰，其中，二次搜索时间记作Tcap2；
S7、第二串行频率搜索单元的编号m加1，得到另一第二本地载波NCO频率，重复执行所述步骤S6，直到所有第二串行频率搜索单元的二次搜索全部完成，得到若干组二次搜索结果；
S8、在所有组二次搜索结果中找到谱峰的最大值，计算出对应的多普勒频偏值Ffine，并记录谱峰的位置pos_ca；
S9、根据所述多普勒频偏值Ffine计算码速率多普勒fCA，得出捕获时间内产生的码位移，其中，码位移＝码速率多普勒fCA*二次搜索时间Tcap2，最终得到需要补偿的码相位pos_ca_final＝pos_ca+fCA*Tcap2。
6.如权利要求5所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，
所述步骤S5中，二次搜索的多普勒范围为粗搜频率值Fco±x，x为一定大小的频率值。
7.如权利要求5或6所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S5中，初始化的第二本地载波NCO频率为二次搜索的多普勒范围下限。
8.如权利要求7所述的适于动态信号的快速捕获方法，其特征在于，
所述另一第二本地载波NCO频率＝二次搜索的多普勒范围下限+m*二次搜索的频率搜索步长。
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