CN110191079B - 非相干联合捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种非相干联合捕获方法及装置，方法包括：将输入信号分为M组子输入信号，对子输入信号进行FFT变换，将M组FFT序列进行圆周移位；将子载波的M组圆周相关结果进行全相干积累，获得相干累积结果的输出平面，将输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度；将所有子载波的多普勒率‑码相位二维平面相干累积，将统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出监测门限的相关峰，根据相关峰在子载波的多普勒率‑码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。本发明实施例充分利用分布在各个子载波上的总扩频增益，在不增加算法复杂度的基础上使捕获系统的信噪比性能得到提升。

Description

非相干联合捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及扩频通信技术领域，更具体地，涉及非相干联合捕获。
背景技术
多载波直接扩频系统常见的搭载平台为低轨卫星，该通信系统具有低信噪比、高动态、宽频带、高扩频比等特征，这就对接收端捕获模块算法的性能提出了更高的要求。由于卫星过境时间短，通信时间窗小，出于安全等因素考虑，多采用短帧突发体制通信，这就要求对于链路信号的准确捕获接收必须要在短时间内完成；另一方面，由星地间相对速度引起的多普勒频偏和码偏会给快速捕获带来较大困难，在大动态的条件下，由于相对运动在各子载波上产生的多普勒频偏各不相同，传统捕获方法无法实现多载波的联合累积，这就意味着多个子载波上的扩频增益无法得到充分利用，如果某个子载波上分配的扩频比和发射功率都比较低，那么很可能因为低于捕获信噪比门限而无法正常接收，极大地限制了接收机捕获在低信噪比下的性能。
联合捕获算法是一种利用多源辅助信息提高捕获灵敏度的同步方法。目前，联合捕获方法多集中于多星联合捕获、多门限联合捕获和时频信号联合捕获，研究侧重点为实现结构、实现策略以及理论精度极限。目前已有的多载波联合捕获算法多是基于各个单载波码相位-多普勒频偏二维平面分别进行搜索和检测，算法复杂度低但性能不佳。基于PVT域的多载波平面非相干累加算法虽具有较低的算法复杂度且利于工程实现，但却没有充分利用上各子载波上的扩频增益，在低信噪比下具有较低的检测概率，同时平面间非相干的累积方式也会导致虚警概率的提升，极大影响系统接收捕获性能。另一种常见的做法是依据每个子载波的功率自适应的设置检测判决门限，并根据子载波频点的先验信息进行联合搜索检测。这种算法相比传统的PVT多载波联合捕获算法在检测概率上具有显著提高，但本质上仍是对子载波直接扩频系统进行捕获，仍未充分利用分布在各个子载波上的总扩频增益，对信噪比性能的提升有限。
发明内容
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的非相干联合捕获方法及装置。
第一个方面，本发明实施例提供一种非相干联合捕获方法，包括：
对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；
将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；
将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；
将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
第二个方面，本发明实施例提供一种非相干联合捕获装置，包括：
FFT变换模块，用于对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；
圆周移位模块，用于将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；
平面修正模块，用于将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；
判决模块，用于将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的非相干联合捕获方法及装置，通过对频偏-码相位二维平面修正为多普勒率-码相位二维平面，可以充分利用分布在各个子载波上的总扩频增益，在不增加算法复杂度的基础上使捕获系统的信噪比性能得到显著提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的非相干联合捕获方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的非相干联合捕获装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的非相干联合捕获方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括S101、S102、S103和S104，具体地：
S101、对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列。
具体地，接收机天线接收导频信号，经由功分器输送到不同的子载波通道，各子载波通道完成正交解调及AD采样，并经过必要的降采样等步骤获得各载波的输入信号。FFT(fast Fourier transform)变换即快速傅里叶变换，可理解的是，本发明实施例预先会获取各子载波的射频频率、射频序列长度L、采样率、码片速率Rc、信号多普勒动态范围等，本发明实施例获得的FFT序列的组数与捕获所需的导频信号码元个数相等，而每一组FFT序列中采样个数与采样率、码片速率以及载频序列长度有关。本发明实施例的并行码相位搜索利用傅里叶变换来代替数字相关器的相关运算，两者是等价的，可以减少搜索次数。
S102、将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果。
本发明实施例的每一组FFT序列进行圆周移位后，即可得到该组FFT序列的频偏-码相位二维搜索平面。
S103、将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面。
需要说明的是，本发明实施例用“多普勒率”维度取代传统的“频偏”维度，本质上是通过平面转换抵消掉载频对不同子载波平面峰值位置的影响。通过对多个子载波平面进行修正，使各个子载波的峰值出现在同一通道，为后续平面累积提供先决条件。
S104、将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
可以理解的是，本发明实施例的监测门限可以由具体应用环境下多次仿真确定，通过将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面进行相干合并，实际上就可以消除噪声的影响，凸显出子载波真正的相关峰信号，若合并后的峰值信号大于预测的门限值，则记录该相关峰在二维平面上的位置，该位置在多普勒因子维度上的值即可认为是多普勒因子的真实值，通过现有技术进行简单计算即可确定子载波的频偏，同理，该位置在码相位维度上的值即可认为是码相位的真实值，同样通过现有技术进行简单计算即可确定传播时延。
本发明实施例的非相干联合捕获方法，充分利用所有子载波上的扩频增益，大大改善了星载接收机在低信噪比大动态环境下接收信号的捕获性能，且具有较低的实现复杂度。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，具体为：
根据所述子载波二维搜索得到的频偏通道和采样率获得所述子载波的频偏估计值；
获取所述子载波的射频频率，根据以下公式将输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度：
Figure GDA0002354967630000061
其中，α表示多普勒率，Rs表示采样率，Ft表示子载波二维搜索得到的第t个频偏通道，
Figure GDA0002354967630000062
即频偏估计值，估计精度为
Figure GDA0002354967630000063
fi表示第i个子载波的射频频率。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，所述将所述输入信号分为M组子输入信号，之前还包括获得所述输入信号的步骤，具体为：
将接收到的导频信号输送至各子载波通道进行正交解调和AD采样处理，获得每条子载波通道的输入信号，所述输入信号为I/Q两路正交解调基带采样序列的形式，输入信号的表达式为：
Figure GDA0002354967630000064
ri(n)表示第i条子载波通道的第n个采样，j表示欧拉公式中的虚数单位，fi表示第i条子载波的射频频率，fs表示采样率，τ0表示子载波码相位延迟(假设各子载波传输过程中码相位延迟近似一致)，Sb,s(n)是子载波发射信号x(n)以Ts为周期重复M次的有限周期信号，α是由于多普勒效应所产生的时间系数，也即多普勒率：
Figure GDA0002354967630000065
v是通信的收发双方相对径向速度，相向运动时v为正，向背运动时v为负；c是无线电传播速度，一般认为是光速，且有v＜＜c。N为后续每组FFT序列中的采样个数，N＝(fs/Rc)*L。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，若根据信道先验信息估计所述子载波的频偏动态范围表示为(-Δfmax,Δfmax)，则所述并行的搜索通道的个数P通过以下公式计算：
Figure GDA0002354967630000071
其中，N表示每组子输入信号中采样的个数；fs表示采样率，Δfmax为频偏的最大值的绝对值。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，根据所述相关峰在所述子载波的所述二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏和传播时延，具体为：
将所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子以及所述子载波的载频的乘积，作为所述子载波的频偏值；
根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的码相位与两倍码片速率的商，作为传播时延。
图2为本发明实施例提供的非相干联合捕获装置的结构示意图，如图2所示，该非相干联合捕获装置包括：FFT变换模块201、圆周移位模块202、平面修正模块203和判决模块204，其中：
FFT变换模块201，用于对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；
圆周移位模块202，用于将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；
平面修正模块203，用于将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；
判决模块204，用于将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
本发明实施例提供的非相干联合捕获装置，具体执行上述各非相干联合捕获方法实施例流程，具体请详见上述各非相干联合捕获方法实施例的内容，在此不再赘述。本发明实施例提供的非相干联合捕获装置通过对频偏-码相位二维平面修正为多普勒率-码相位二维平面，可以充分利用分布在各个子载波上的总扩频增益，在不增加算法复杂度的基础上使捕获系统的信噪比性能得到显著提升。
在上述实施例的基础上，平面修正模块将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度具体为：
根据所述子载波二维搜索得到的频偏通道和采样率获得所述子载波的频偏估计值；
获取所述子载波的射频频率，根据以下公式将输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度：
Figure GDA0002354967630000081
其中，α表示多普勒率，Rs表示采样率，Ft表示子载波二维搜索得到的第t个频偏通道，fi表示第i个子载波的射频频率。
图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(Communications Interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储在存储器330上并可在处理器310上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的非相干联合捕获方法，例如包括：对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的非相干联合捕获方法，例如包括：对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非相干联合捕获方法，其特征在于，包括：
对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；
将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；
将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；
将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
2.根据权利要求1所述的非相干联合捕获方法，其特征在于，所述将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，具体为：
根据所述子载波二维搜索得到的频偏通道和采样率获得所述子载波的频偏估计值；
获取所述子载波的射频频率，根据以下公式将输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度：
Figure FDA0002354967620000011
其中，α表示多普勒率，Rs表示采样率，Ft表示子载波二维搜索得到的第t个频偏通道，fi表示第i个子载波的射频频率。
3.根据权利要求1所述的非相干联合捕获方法，其特征在于，所述将所述输入信号分为M组子输入信号，之前还包括获得所述输入信号的步骤，具体为：
将接收到的导频信号输送至各子载波通道进行正交解调和AD采样处理，获得每条子载波通道的输入信号，所述输入信号为I/Q两路正交解调基带采样序列的形式。
4.根据权利要求1所述的非相干联合捕获方法，其特征在于，若根据信道先验信息估计所述子载波的频偏动态范围表示为(-Δfmax,Δfmax)，则所述并行的搜索通道的个数P通过以下公式计算：
Figure FDA0002354967620000021
其中，N表示每组子输入信号中采样的个数；fs表示采样率，Δfmax为频偏的最大值的绝对值。
5.根据权利要求1所述的非相干联合捕获方法，其特征在于，所述将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，具体为：
在搜索通道p中，将M组FFT序列圆周移位qp位，其中
Figure FDA0002354967620000022
得到圆周移位后的M组FFT序列；
其中，P表示搜索通道的个数。
6.根据权利要求1所述的非相干联合捕获方法，其特征在于，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位分别获得子载波的频偏和传播时延，具体为：
将所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子以及所述子载波的载频的乘积，作为所述子载波的频偏值；
根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的码相位，与两倍码片速率的商，作为传播时延。
7.一种非相干联合捕获装置，其特征在于，包括：
FFT变换模块，用于对任意一个子载波的输入信号，将所述输入信号分为M组子输入信号，对每组子输入信号进行FFT变换，获得所述输入信号的M组FFT序列；
圆周移位模块，用于将所述M组FFT序列提供至并行的多个搜索通道中进行圆周移位，将圆周移位后的M组FFT序列与本地基带采样序列逐点共轭相乘，对逐点共轭相乘的结果进行IFFT变换，获得所述子载波的M组圆周相关结果；
平面修正模块，用于将所述子载波的M组圆周相关结果进行全相干累积，获得全相干累积的输出平面，所述输出平面为频偏-码相位二维平面，将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度，获得多普勒率-码相位二维平面；
判决模块，用于将所有子载波的多普勒率-码相位二维平面相干累积，得到累积后的统计平面，将所述统计平面上的各峰值与预设的监测门限比较，获得超出所述监测门限的相关峰，对于任意一个子载波，根据所述相关峰在所述子载波的多普勒率-码相位二维平面上的多普勒因子和码相位，分别获得子载波的频偏值和传播时延。
8.根据权利要求7所述的非相干联合捕获装置，其特征在于，所述平面修正模块将所述输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度具体为：
根据所述子载波二维搜索得到的频偏通道和采样率获得所述子载波的频偏估计值；
获取所述子载波的射频频率，根据以下公式将输出平面的频偏维度替换为多普勒率维度：
Figure FDA0002354967620000031
其中，α表示多普勒率，Rs表示采样率，Ft表示子载波二维搜索得到的第t个频偏通道，fi表示第i个子载波的射频频率。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述非相干联合捕获方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至6中任意一项所述的非相干联合捕获方法。
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