CN110007322B - 基于相干降采样的北斗b1i信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相干降采样的北斗B1I信号捕获方法，通过相干降采样的采样方式减少了参与FFT的点数，使采样频率不再局限在固定的频率点上，减少了捕获算法的计算复杂度，结构简单，在不影响信噪比的同时有效提高了捕获效率，能够实现北斗B1I信号的快速捕获。

Description

基于相干降采样的北斗B1I信号捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种卫星信号的捕获方法，具体涉及一种基于相干降采样的北斗B1I信号捕获方法，适用于北斗B1I信号的捕获。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，致力于为全球用户提供稳定可靠的卫星导航服务。信号捕获是北斗系统软件接收机中的关键技术，用于搜索所有可见卫星并获得相应卫星的伪码相位和多普勒频移的粗略值。

传统的捕获方法有串行频率捕获法、并行码相位捕获法和并行频率捕获法三种。三种算法的核心思想都是利用北斗伪随机码的强自相关性实现对信号的捕获。串行频率捕获法利用时域相关器对信号的载波频率和伪码相位进行扫描式的二维搜索，算法不具有并行性，因为对于每一个伪码相位和载波频率的组合，其积分时间是固定的，且伪码相位和载波频率的组合有很多种，所以捕获时间很长；并行频率捕获法通过FFT(Fast FourierTransformation，快速傅氏变换)运算一次就完成对一个码单元内所有频率的搜索，所以只需要对伪码相位进行遍历，算法的并行性不够高，需要循环遍历的次数多，捕获效率低；并行码相位法是基于FFT和信号卷积的原理，将对码相位和载波频率的搜索转换为仅对频率的搜索，只对载波频率进行遍历。该算法是三种传统算法中并行性最强、捕获效率最高的方法，但是其结构复杂，采样频率的选择有限且参与FFT的点数相对较多，影响了卫星信号的捕获速度。

传统的并行频率捕获算法在实现了码相位剥离后，仍以原始的采样频率对信号进行采样。但是被剥离了码相位后的卫星信号带宽减小到10kHz左右，仍保持较高的采样频率会使参与FFT运算的数据量非常大，不利于信号的快速捕获。因此本文提出了一种新的捕获算法，在输入中频信号剥离伪码和载波后通过相干降采样的方式对其进行采样，使参与FFT的点数减少，不影响信号信噪比的同时提高了捕获效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于相干降采样的北斗B1I信号捕获方法，将其应用于软件接收机中，能够在节约资源的同时有效提高捕获速度。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于相干降采样的北斗信号捕获算法，包括以下步骤：

步骤一：软件接收机读取经过射频前端电路滤波、放大处理后的数字中频信号；

步骤二：设定捕获卫星的PRN码(pseudo random noise code，伪随机噪声码)，将该卫星作为捕获对象；

步骤三：生成本地载波信号，将数字中频信号与本地载波信号混频；

步骤四：根据设定的PRN码生成相应的本地伪码信号，将步骤三得到的混频信号与本地伪码信号在某相位处对齐并进行相关累加；

步骤五：对累加结果相干降采样；

步骤六：对相干降采样结果进行离散傅里叶变换，记录峰值能量；

步骤七：将本地伪码信号移1位后重复执行步骤四到步骤六。由于北斗B1I信号的伪随机码的码速率为2.046MHz，码长为2046个码片，所以如此循环2046次，可以遍历完所有的伪码相位并得到2046个峰值能量。遍历得到的所有峰值，将峰值结果中的最大值作为检测值；

步骤八：将检测值和设定的门限值进行比较，若高于门限值则捕获成功，否则执行步骤九；

步骤九：改变本地载波信号频率，重复执行步骤三到步骤八，直到捕获到卫星信号或搜索完所有可能的频率点。

步骤十：若在所有的频率点上都捕获不到信号，改变设定的PRN码，重复执行步骤二到步骤九，直到捕获完所有可见卫星。

优选的，步骤一中，数字中频信号表达式为：

其中，n表示采样后得到的离散信号的数据点中的第n个采样数据；j是PRN码；A^j是信号振幅；C^j是C/A码；D^j是导航电文比特；f_IF是载波中心频率；

是多普勒频移；

是初始载波相位；w(n)是高斯白噪声。

优选的，步骤三中，将数字中频信号s^j(n)与本地载波信号S_IF混频，过程表示如下：

其中，f_IF表示载波中心频率；本地载波信号S_IF＝exp[-i(2πf_IF)n]；i表示虚数单位。

优选的，步骤四中，将步骤三得到的混频信号

和本地伪码信号C(n-m)在某相位处对齐并进行相关累加，过程表示如下：

m代表本地伪码的码相位，m＝0,1,2...2045。

优选的，步骤五中，对累加结果相干降采样结果表示如下：

k表示相干降采样结果的第k个数据点，M表示相干降采样累加点数。

优选的，步骤六中，离散傅里叶变换的步骤包括：

首先对无限长序列x^j(k)进行加窗处理，得到信号

该过程表示为：

其中，Ts表示采样周期，L表示FFT点数；

根据时域相乘等于频域卷积原理，将信号

转为频域信号X(f)，再对频域信号X(f)进行离散加窗处理得到信号X′(kk)，过程表示为：

对信号X′(kk)取模，得到取模结果为：

将得到的信号X(kk)的峰值作为检测值；

其中，f表示将时域信号变到频域信号之后的频率，kk表示对频域信号离散加窗之后得到的信号的数据点中的第kk个数据，Δf表示采样每一小格的频率值，

分别表示I支路和Q支路的分量。

有益效果：本发明通过相干降采样的采样方式减少了参与DFT的点数，使采样频率不再局限在固定的频率点上，减少了捕获算法的计算复杂度，结构简单，在不影响信噪比的同时有效提高了捕获效率，能够实现北斗B1I信号的快速捕获。

附图说明

图1是基于相干降采样的北斗B1I信号捕获算法的结构示意图。

图2是本发明中相干降采样模块的示意图。

图3是基于相干降采样的北斗B1I信号捕获算法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

基于相干降采样的并行频率捕获算法的原理图如图1所示。具体实施时，接收天线可以将北斗卫星发射的电磁波信号转换为电压信号或电流信号，随后将信号送入射频前端进行处理。在经过射频前端模块中前置滤波器和前置放大器的滤波放大后，信号变为频率较低、载噪比较高的中频信号，再经过A/D转换器的采样，得到的数字中频信号表达式为：

其中，n表示采样后得到的离散信号的数据点中的第n个采样数据；j是PRN码；A^j是信号振幅；C^j是C/A码；D^j是导航电文比特；f_IF是载波中心频率；

是多普勒频移；

是初始载波相位；w(n)是高斯白噪声。对该信号的处理过程为：

第一步：将数字中频信号与本地载波信号相乘，实现对信号的下变频，过程表示如下：

其中，f_IF表示载波中心频率，本地载波信号S_IF＝exp[-i(2πf_IF)n]；i表示虚数单位。

第二步：将得到的零中频数字信号和本地伪码信号C(n-m)相乘，完成伪码的剥离，过程表示如下：

在信号捕获的过程中，可以通过改变m值来调整本地生成的伪码相位。当m＝0时，本地伪码和输入信号的相位对齐，即可实现伪码剥离。m代表本地伪码的码相位，因为北斗B1信号码长为2046个码片，m＝0,1,2...2045。C表示本地伪码序列。

第三步：对已经实现载波剥离和伪码剥离后的信号

进行相干降采样，将采样频率减小为原始采样频率的1/M。首先将采集到的数据点数补零至M的整数倍，然后对数据进行相干降采样，得到的降采样结果表示如下：

k表示相干降采样结果的第k个数据点，M表示相干降采样累加点数。

相干降采样的运算过程如图2所示。以处理采集4092个数据点为例，首先将数据补零至4096个数据点，然后以M＝64对原始信号进行相干降采样，即可得到64点相干降采样结果。

第四步：对降采样结果进行离散傅里叶变换得到峰值，并将结果取模作为检测值；

首先对无限长序列x^j(k)进行加窗处理，得到信号

该过程表示为：

其中，Ts表示采样周期，L表示FFT点数。

根据时域相乘等于频域卷积原理，将信号

转为频域信号X(f)，再对频域信号X(f)进行离散加窗处理得到信号X′(kk)，过程表示为：

对信号X′(kk)取模，得到取模结果为：

将得到的信号X(kk)的峰值作为检测值。

其中，f表示把时域信号变到频域信号之后的频率，kk表示对频域信号离散加窗之后得到的信号的数据点中的第kk个数据，Δf表示采样每一小格的频率值，

分别表示I支路和Q支路的分量。

第五步：将检测值与之前设定的门限值进行比较。若结果大于设定的门限值，说明捕获成功。若没有通过门限判决，那么改变本地伪码相位重新进行检测。当检测完全部2046个码片后，若还没有通过门限判决的结果，那么改变本地载波频率重新进行检测。若搜索完全部频率点仍没有大于门限值的结果，那么改变PRN码，进行下一颗星的搜索。

基于相干降采样的并行频率捕获算法的流程框图如图3所示，包括如下步骤：

步骤一：软件接收机读取经过射频前端电路的滤波、放大处理后的数字中频信号；

步骤二：设定捕获卫星的PRN码，将该卫星作为捕获对象。

步骤三：生成本地载波信号，将数字中频信号与本地载波信号混频，通过数字下变频模块将数字中频信号变为零中频数字信号。

步骤四：根据设定的PRN码生成相应的本地伪码信号，将零中频数字信号累积降速至本地伪码信号的频率，再与本地伪码信号在某相位处对齐并进行相关累加。

步骤五：对累加结果相干降采样。

步骤六：对相干降采样结果进行离散傅里叶变换，记录峰值能量。

步骤七：将本地伪码信号移1位后重复执行步骤四到步骤六。由于北斗B1I信号的伪随机码的码速率为2.046MHz，码长为2046个码片，所以如此循环2046次，可以遍历完所有的伪码相位并得到2046个峰值能量。遍历得到的所有峰值，将峰值结果中的最大值作为检测值。图中的count是循环次数。

步骤八：将检测值和设定的门限值进行比较，若高于门限值则捕获成功，否则执行步骤九。

步骤九：改变本地载波信号频率，重复执行步骤三到步骤八，直到捕获到卫星信号或搜索完所有可能的频率点。

步骤十：若在所有的频率点上都捕获不到信号，改变设定的PRN码，重复执行步骤二到步骤九，直到捕获完所有可见卫星。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，通过改进和润饰所形成的等同替换或等效变换，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.基于相干降采样的北斗B1I信号捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：软件接收机读取经过射频前端电路滤波、放大处理后的数字中频信号；

步骤二：设定捕获卫星的PRN码，将该卫星作为捕获对象；

步骤三：生成本地载波信号，将数字中频信号与本地载波信号混频；

步骤四：根据设定的PRN码生成相应的本地伪码信号，将步骤三得到的混频信号与本地伪码信号在某相位处对齐并进行相关累加；

步骤五：对累加结果相干降采样；

步骤六：对相干降采样结果进行离散傅里叶变换，记录峰值能量；

步骤七：将本地伪码信号移1位后重复执行步骤四到步骤六，如此循环2046次，遍历完所有的伪码相位并得到2046个峰值能量，将峰值结果中的最大值作为检测值；

步骤八：将检测值和设定的门限值进行比较，若高于门限值则捕获成功，否则执行步骤九；

步骤九：改变本地载波信号频率，重复执行步骤三到步骤八，直到捕获到卫星信号或搜索完所有可能的频率点；

步骤十：若在所有的频率点上都捕获不到信号，改变设定的PRN码，重复执行步骤二到步骤九，直到捕获完所有可见卫星；步骤一中，数字中频信号表达式为：

其中，n表示采样后得到的离散信号的数据点中的第n个采样数据；j是PRN码；A^j是信号振幅；C^j是C/A码；D^j是导航电文比特；f_IF是载波中心频率；

是多普勒频移；

是初始载波相位；w(n)是高斯白噪声；

步骤三中，将数字中频信号s^j(n)与本地载波信号S_IF混频，过程表示如下：

其中，f_IF表示载波中心频率；本地载波信号S_IF＝exp[-i(2πf_IF)n]；i表示虚数单位；

步骤四中，将步骤三得到的混频信号

和本地伪码信号C(n-m)在某相位处对齐并进行相关累加，过程表示如下：

m代表本地伪码的码相位，m＝0,1,2,...,2045；

步骤五中，对累加结果相干降采样结果表示如下：

k表示相干降采样结果的第k个数据点，M表示相干降采样累加点数；

步骤六中，离散傅里叶变换的步骤包括：

首先对无限长序列x^j(k)进行加窗处理，得到信号

该过程表示为：

其中，Ts表示采样周期，L表示FFT点数；

根据时域相乘等于频域卷积原理，将信号

转为频域信号X(f)，再对频域信号X(f)进行离散加窗处理得到信号X′(kk)，过程表示为：

对信号X′(kk)取模，得到取模结果为：

将得到的信号X(kk)的峰值作为检测值；

其中，f表示将时域信号变到频域信号之后的频率，kk表示对频域信号离散加窗之后得到的信号的数据点中的第kk个数据，Δf表示采样每一小格的频率值，

分别表示I支路和Q支路的分量。

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