CN110061760B - 一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法 - Google Patents

一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，涉及电学技术领域。该方法包括：根据频率搜索的应用场景，初始化频率搜索的控制参数；进一步确定搜索频点范围，并计算当前混频叠加次数h；令频点数量等于h，根据多个不同本地载波与接收信号产生h路复信号；对h路混频复信号和本地码分别进行FFT运算，再将混频复信号FFT运算后的结果和对本地码FFT运算后结果的复共轭相乘并进行IFFT运算，得到h组相关运算结果；对h组相关运算结果进行峰值检测，寻找最大峰值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值。本方法通过叠加预处理的方式提高软并行处理能力，有效减少了FFT运算量，并大幅度提高了频率搜索效率。

Description

一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法
技术领域
本发明涉及电学技术领域，具体涉及一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法。
背景技术
随着扩频通信系统的广泛使用，飞机、卫星等高速移动体的应用与服务范围越来越大。当高速移动体处于高动态下时，速度、运动轨迹可能会不断发生变化，使得信号中产生很大的多普勒频率，特别是在实时性要求很高的情况下，对扩频信号的同步要求变得越来越高。接收机同步过程包括捕获与跟踪，有效提高捕获效率，是提高接收机同步效率的关键因素之一。提高处理速度，一方面，通过增加硬件资源提高并行性；另一方面，通过改进算法，提升处理速度。从算法角度，为了提高同步效率，通常采用基于快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)的方法完成信号的捕获。然而，高动态导致的大范围的多普勒频移搜索需要更多的FFT运算。现有的搜索方法在同等硬件资源的条件下无法有效减少FFT运算量，从而不能进一步提高频率搜索效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，通过叠加预处理的方式提高软并行处理能力，从而减少FFT运算量并提高搜索效率，解决了以往搜索方法在同等硬件资源的条件下无法有效减少FFT运算量且频率搜索效率低的问题。
为了实现上述目的，一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，具体步骤如下：
步骤1：根据频率搜索的应用场景，初始化频率搜索的控制参数，包括输入数字中频信号长度l、中频频率f0、本地生成载波频点数2m+1、搜索步进量Δf、基准混频叠加次数n、多普勒全部搜索频点范围{f0-mΔf,…,f0+mΔf}、循环控制参数k＝0以及判决门限；
步骤2：判断(k+1)n<2m+1是否成立，若是，则进一步确定多普勒搜索频点范围为f0+(kn-m)Δf，...，f0+(kn-m+n-1)Δf，此时，当前混频叠加次数h＝n，若否，则表示剩余搜索频点个数少于n，进一步确定多普勒搜索频点范围为f0+(kn-m)Δf，...，f0+mΔf，此时，当前混频叠加次数h＝2m+1-kn；
步骤3：根据本次多普勒搜索频点的范围，在接收信号捕获过程中，将按照搜索步进量Δf控制后生成的多个不同本地载波与接收信号进行混频，并对多路混频信号进行叠加预处理产生复信号
Figure GDA0002593946270000011
步骤3.1：根据多普勒搜索频点范围确定本次搜索中涉及的频点，频点的数量与当前混频叠加次数h相等；
步骤3.2：根据确定的h个多普勒搜索频点产生h个本地载波的余弦信号和正弦信号，分别与输入数字中频信号进行相乘，产生h路混频信号
Figure GDA0002593946270000021
和
Figure GDA0002593946270000022
其中iil表示第i个本地载波的余弦信号与输入数字中频信号的第l个分量的乘积值，qil表示第i个本地载波的正弦信号与输入数字中频信号的第l个分量的乘积值；
步骤3.3：根据两组信号
Figure GDA0002593946270000023
和
Figure GDA0002593946270000024
得到h路混频复信号
Figure GDA0002593946270000025
步骤3.4：将h路混频复信号进行叠加运算，得到复信号
Figure GDA0002593946270000026
其中
Figure GDA0002593946270000027
步骤4：对h路混频复信号和本地码分别进行FFT运算，再将混频复信号FFT运算后的结果和对本地码FFT运算后结果的复共轭相乘并进行IFFT运算，得到h组相关运算结果，最后对h组相关运算结果进行峰值检测，寻找最大峰值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值；
步骤4.1：对h路混频复信号
Figure GDA0002593946270000028
分别进行FFT运算；
步骤4.2：对本地码进行FFT运算，并取复共轭；
步骤4.3：将步骤4.1得到的结果分别与步骤4.2得到的结果相乘，并进行快速傅里叶逆变换运算，得到h组相关运算结果；
步骤4.4：判断h组相关运算结果中的最大值是否大于判决门限，若是，则继续步骤4.6，若否，则令k＝k+1，继续步骤4.5；
步骤4.5：判断kn>2m是否成立，若是，则搜索结束，若否，则返回步骤2，重新确定多普勒搜索频点范围，计算当前混频叠加次数h；
步骤4.6：寻找最大值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值。
本发明的有益效果：
本发明提出一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，与现有技术相比，在同等硬件资源的条件下可以有效地减少FFT运算量并大幅度提高了频率搜索效率。
附图说明
图1为本发明实施例中高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法的基本原理图；
图2为本发明实施例中高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中，高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法的基本原理如图1所示，接收信号同步中的捕获过程，需要经过码和频率的二维搜索。基本过程为：由于存在多普勒频移，接收信号与不同本地载波(按照固定的步进量控制)经过混频后，完成与本地码的相关运算，通过相关峰值与判决门限的比较判断是否搜索到伪码与载频。本方法中，对多路混频信号进行叠加预处理操作，然后对混叠信号与本地码进行一次相关运算，通过相关峰值判断是否搜索到，若搜索到(出现满足条件的相关峰值)，再分别对预处理操作中的多路信号分别进行相关运算，通过相关峰值找到具体的某路对应的信号，确定对应的本地载波参数。
一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，流程如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：根据频率搜索的应用场景，初始化频率搜索的控制参数，包括输入数字中频信号长度l、中频频率f0、本地生成载波频点数2m+1、搜索步进量Δf、基准混频叠加次数n、多普勒全部搜索频点范围{f0-mΔf,…,f0+mΔf}、循环控制参数k＝0以及判决门限。
本实施例中，选定GPS通信系统C/A码直扩信号频率搜索应用场景,采用NEWSTAR210对真实的直扩GPS信号进行接收采样存储，输入数字中频频率为4123968Hz，中频采样频率为16367667Hz，信号带宽为3MHz，接收时刻，可见星包括：5、12、14、31、32，对其中的5号卫星进行捕获测试，同时，设置输入数字中频信号长度l＝16368，中频频率f0＝4123968Hz，本地生成载波频点数为201，搜索步进量Δf＝500Hz，基准混频叠加次数n＝7，则多普勒全部搜索频点范围为{4073968Hz,…,4173968Hz}。
步骤2：判断(k+1)n<2m+1是否成立，若是，则进一步确定多普勒搜索频点范围为f0+(kn-m)Δf，...，f0+(kn-m+n-1)Δf，此时，当前混频叠加次数h＝n，若否，则表示剩余搜索频点个数少于n，进一步确定多普勒搜索频点范围为f0+(kn-m)Δf，...，f0+mΔf，此时，当前混频叠加次数h＝2m+1-kn。
步骤3：根据本次多普勒搜索频点的范围，在接收信号捕获过程中，将按照搜索步进量Δf控制后生成的多个不同本地载波与接收信号进行混频，并对多路混频信号进行叠加预处理产生复信号
Figure GDA0002593946270000031
步骤3.1：根据多普勒搜索频点范围确定本次搜索中涉及的频点，频点的数量与当前混频叠加次数h相等。
步骤3.2：根据确定的h个多普勒搜索频点产生h个本地载波的余弦信号和正弦信号，分别与输入数字中频信号进行相乘，产生h路混频信号
Figure GDA0002593946270000032
和
Figure GDA0002593946270000041
其中iil表示第i个本地载波的余弦信号与输入数字中频信号的第l个分量的乘积值，qil表示第i个本地载波的正弦信号与输入数字中频信号的第l个分量的乘积值。
步骤3.3：根据两组信号
Figure GDA0002593946270000042
和
Figure GDA0002593946270000043
得到h路混频复信号
Figure GDA0002593946270000044
步骤3.4：将h路混频复信号进行叠加运算，得到复信号
Figure GDA0002593946270000045
其中
Figure GDA0002593946270000046
步骤4：对h路混频复信号和本地码分别进行FFT运算，再将混频复信号FFT运算后的结果和对本地码FFT运算后结果的复共轭相乘并进行IFFT运算，得到h组相关运算结果，最后对h组相关运算结果进行峰值检测，寻找最大峰值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值。
步骤4.1：对h路混频复信号
Figure GDA0002593946270000047
分别进行FFT运算。
步骤4.2：对本地码进行FFT运算，并取复共轭。
步骤4.3：将步骤4.1得到的结果分别与步骤4.2得到的结果相乘，并进行快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)运算，得到h组相关运算结果。
步骤4.4：判断h组相关运算结果中的最大值是否大于判决门限，若是，则继续步骤4.6，若否，则令k＝k+1，继续步骤4.5。
步骤4.5：判断kn>2m是否成立，若是，则搜索结束，若否，则返回步骤2，重新确定多普勒搜索频点范围，计算当前混频叠加次数h。
步骤4.6：寻找最大值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值。
本实施例中，由于5号卫星为可见星，能够完成捕获。按本方法搜索频率时，在进行第15次使用叠加预处理信号判别时满足判决条件，可以确定频点在范围为4126468Hz～4129468Hz的7个频点之中。分别将7个频点对应的7路混频复信号按照步骤8与本地码进行相关运算，通过峰值检测，寻找最大峰值所在组对应的频点，计算频点与中频频率之差4126468Hz-4123968Hz＝2500Hz，综上，完成本次多普勒频率值的搜索。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据频率搜索的应用场景，初始化频率搜索的控制参数，包括输入数字中频信号长度l、中频频率f0、本地生成载波频点数2m+1、搜索步进量△f、基准混频叠加次数n、多普勒全部搜索频点范围{f0-m△f,…,f0+m△f}、循环控制参数k＝0以及判决门限；
步骤2：判断(k+1)n<2m+1是否成立，若是，则进一步确定多普勒搜索频点范围为f0+(kn-m)△f，...，f0+(kn-m+n-1)△f，此时，当前混频叠加次数h＝n，若否，则表示剩余搜索频点个数少于n，进一步确定多普勒搜索频点范围为f0+(kn-m)△f，...，f0+m△f，此时，当前混频叠加次数h＝2m+1-kn；
步骤3：根据本次多普勒搜索频点的范围，在接收信号捕获过程中，将按照搜索步进量△f控制后生成的多个不同本地载波与接收信号进行混频，并对多路混频信号进行叠加预处理产生复信号
Figure FDA0002611343550000011
包括以下步骤：
步骤3.1：根据多普勒搜索频点范围确定本次搜索中涉及的频点，频点的数量与当前混频叠加次数h相等；
步骤3.2：根据确定的h个多普勒搜索频点产生h个本地载波的余弦信号和正弦信号，分别与输入数字中频信号进行相乘，产生h路混频信号
Figure FDA0002611343550000012
和
Figure FDA0002611343550000013
其中iil表示第i个本地载波的余弦信号与输入数字中频信号的第l个分量的乘积值，qil表示第i个本地载波的正弦信号与输入数字中频信号的第l个分量的乘积值；
步骤3.3：根据两组信号
Figure FDA0002611343550000017
和
Figure FDA0002611343550000018
得到h路混频复信号
Figure FDA0002611343550000014
步骤3.4：将h路混频复信号进行叠加运算，得到复信号
Figure FDA0002611343550000015
其中
Figure FDA0002611343550000016
步骤4：对h路混频复信号和本地码分别进行FFT运算，再将混频复信号FFT运算后的结果和对本地码FFT运算后结果的复共轭相乘并进行IFFT运算，得到h组相关运算结果，最后对h组相关运算结果进行峰值检测，寻找最大峰值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值。
2.根据权利要求1所述的高动态大频偏直扩信号的频率搜索方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：对h路混频复信号
Figure FDA0002611343550000021
分别进行FFT运算；
步骤4.2：对本地码进行FFT运算，并取复共轭；
步骤4.3：将步骤4.1得到的结果分别与步骤4.2得到的结果相乘，并进行快速傅里叶逆变换运算，得到h组相关运算结果；
步骤4.4：判断h组相关运算结果中的最大值是否大于判决门限，若是，则继续步骤4.6，若否，则令k＝k+1，继续步骤4.5；
步骤4.5：判断kn>2m是否成立，若是，则搜索结束，若否，则返回步骤2，重新确定多普勒搜索频点范围，计算当前混频叠加次数h；
步骤4.6：寻找最大值所在组，将该组对应的搜索频点值与中频频率f0之差作为搜索到的多普勒频率值。
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