CN110958035A - 一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置，包括接收机天线、射频前端、频率并行搜索模块、FFT模块、伪码相关模块、存储器模块、非相干积累模块、峰值检测模块、相关积累存储模块以及三角包络拟合模块；接收机天线与射频前端相连，射频前端与频率并行搜索模块相连，频率并行搜索模块与FFT模块相连，FFT模块和存储器模块均与伪码相关模块相连，伪码相关模块与非相干积累模块相连，非相干积累模块与峰值检测模块相连，峰值检测模块与相关积累存储模块相连，相关积累存储模块与三角包络拟合模块相连。本发明实现简单，无需加入额外复杂结构，保证了捕获速度，在捕获时间受限的情况下能够快速、准确地完成载波多普勒频率精估。

Description

一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置及方法

技术领域

本发明属于直接序列扩频通信以及多普勒频率精估技术领域，涉及一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置及方法。

背景技术

直接序列扩频系统的基带信号处理一般包括捕获、跟踪两个模块，其中捕获模块需要实现对接收信号载波频率和伪码相位的二维粗略估计，捕获成功后将得到的粗估值送入跟踪模块作为跟踪模块的初始值。

在天基测控、卫星通信等应用环境中，由于传输距离远、信号发射功率受限等原因，大频偏情况下的直接序列扩频信号快速捕获将面临前所未有的难题。为了在要求的时间内快速捕获到信号，通常需要设置较大的频率搜索步进，以减少频率搜索通道数量，但这将导致捕获之后残余的载波多普勒频率误差较大，甚至超过后续载波跟踪环路的频率牵入范围，最终导致跟踪环路无法锁定信号。

针对大频偏、低信噪比下捕获中载波多普勒频率估计精度不足的问题，目前的常用的方法是通过在捕获与跟踪模块之间加入二次捕获模块对载波多普勒频率进行精估。其中一种实现较为简单的结构是二倍频FFT估计法，该方法通过将捕获之后的信号进行二倍频，消除数据跳变的影响，之后利用FFT对信号进行载波多普勒频率估计，但此方法在二倍频的同时引入了信噪比的恶化，想要获得精确的载波多普勒频率估计，所需积累时间较长；另一种解决途径是基于sinc包络拟合的频率精估方法，该方法利用多个sinc包络上的采样点对sinc包络进行拟合，以获取sinc包络顶点的频率估计值，但由于低信噪比下受噪声影响较大，无法准确获得sinc包络采样点的取值，因此在信噪比条件较为恶劣的环境中该方法无法保证频率估计精度。

上述已有的载波多普勒频率精估技术虽然能实现频率精估，但依然存在不便于硬件实现或无法在低信噪比下使用的问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置及方法，旨在克服低信噪比下，捕获中载波多普勒频率估计精度不足的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置(简称本装置)；本装置包括接收机天线、射频前端、存储器模块、频率并行搜索模块、FFT模块、伪码相关模块、非相干积累模块、峰值检测模块、相关积累存储模块以及三角包络拟合模块；

其中，射频前端包括下变频单元以及AD采样单元；

伪码相关模块包括预存的本地伪码快速傅立叶变换、乘法单元以及逆快速傅立叶变换单元；

频率并行搜索模块包含L个频率通道；

本装置的各模块连接关系如下：

接收机天线与射频前端相连，射频前端与频率并行搜索模块相连，频率并行搜索模块与FFT模块相连，FFT模块和存储器模块均与伪码相关模块相连，伪码相关模块与非相干积累模块相连，非相干积累模块与峰值检测模块相连，峰值检测模块与相关积累存储模块相连，相关积累存储模块与三角包络拟合模块相连；

本装置的各模块功能如下：

接收机天线用于接收信号；

射频前端用于对接收信号进行下变频和采样；

存储器模块用于存储经过FFT变换后一个周期的本地伪码序列；

并行搜索模块用于按固定频率步进产生本地载波，再与接收信号相乘，以剥离多普勒频率，再将此剥离多普勒频率后的信号输出FFT模块；

FFT模块用于对并行搜索模块输出的每一组序列进行快速傅立叶变换，得到伪码相关模块的输入FFT序列；

伪码相关模块用于将FFT模块的输出序列与本地伪码信号的快速傅立叶变换序列相乘，再通过逆快速傅立叶变换得到相关结果，取模值，其中乘法单元调用预存的本地伪码FFT序列，与折叠相加后FFT模块的输出依次相乘，IFFT单元对乘法单元的输出进行逆快速傅立叶变换，取模单元对IFFT单元的输出进行取模运算；

非相干积累模块用于将伪码相关模块输出的结果按照相应位置进行非相干累加，提高输出信噪比；

峰值检测模块用于比较非相干积累模块输出的相关结果，找出其中的最大值，根据其所处的搜索通道位置得到载波多普勒频率估计值f_max，并由峰值检测模块输出的峰值位置得到码相位估计值

作为捕获结果P_max；

相关积累存储模块用于存储捕获结果P_max以及其左右相邻各一搜索通道内的相关结果P_mid和P_min，并存储三个搜索通道对应的载波多普勒频率值f_max，f_mid和f_min；

三角包络拟合模块用于计算相关积累存储模块中三个相关结果P_max，P_mid和P_min所构成的三角包络，将三角包络顶点P_v所对应的频率值f_v作为载波多普勒频率的精估结果；

本发明还提供一种基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，包括以下步骤：

步骤一、接收机天线接收信号，再通过射频前端进行下变频及采样；

其中，下变频通过下变频单元实现，输出为带有数据调制的复信号；采样通过AD采样单元实现，采样率为f_s，采样结果为带有数据调制的基带采样序列，采样结果可以用如下公式(1)表示：

其中，N为总体采样点数；t_s＝1/f_s为时域采样间隔，D(nt_s)代表nt_s采样时刻的调制数据，为二进制数据，n代表第n个采样点；C(nt_s-τ₀)表示接收信号的伪码，τ₀代表伪码初始相位，

表示载波多普勒频率，其中，c为光速，v为本装置相对于卫星的运动速度，f_RF为射频载波频率，ξ＝v/c，代表本装置相对于卫星的运动速度与光速的比值；exp代表以e为底的幂级数；j代表虚数单位；

为射频载波初始相位；

步骤二、伪码相关模块以和AD采样单元的相同采样率对存储器模块产生的一个周期伪码序列进行采样，再输入FFT模块进行处理后存入存储器模块，具体为：

步骤2.1伪码相关模块以和AD采样单元的相同采样率对存储器模块产生的一个周期伪码序列，即对本地伪码进行采样，得到采样输出；

其中，所述的相同采样率为f_s；采样输出记为

其表达式为如下公式(2)：

其中，

表示带有估计相位的本地伪码；

为本地伪码的估计相位，N_c＝T_cf_s是本地伪码一个伪码周期的采样点数，T_c＝LT_cp为本地伪码的伪码周期，T_cp＝1/R_cp为一个本地伪码的码片持续时间，R_cp为本地伪码的码速率；

步骤2.2FFT模块对步骤2.1的采样输出进行FFT变换并取共轭；

其中，FFT变换并取共轭得到

其表达式为如下公式(3)：

其中，

表示对本地伪码的采样输出进行FFT变换，

表示对FFT变换后的结果取共轭，k表示本地伪码经过FFT处理后变换到频域的点数；

步骤2.3将步骤2.2所得的结果存入存储器模块；

步骤三、频率并行搜索模块确定搜索频率，并进行载波多普勒剥离，具体为：

步骤3.1频率并行搜索模块根据信道先验信息估计载波多普勒频偏范围；

其中，所述的信道先验信息为可预知的最大载波多普勒频偏；所述的载波多普勒频偏范围，记为：(-f_d,max,f_d,max)，f_d,max即最大载波多普勒频偏；

步骤3.2将频偏范围按固定搜索步进划分成多个频率单元；

其中，固定搜索步进，记为Δf_d，划分成L个频率单元，且第l个本地频率单元对应的搜索频率可以用如下公式(4)表示：

f_l＝-f_d,max+lΔf_d,l＝0,1,2,...,L-1 (4)

其中，

表示对2f_d,max/Δf_d向上取整：

步骤3.3频率并行搜索模块将本地载波与接收信号相乘完成载波多普勒剥离，具体为：

所述的载波多普勒剥离可以用如下公式(5)表示：

其中，P_l表示非相干积累模块中的累加次数；

步骤四、伪码相关模块计算步骤3.3中载波多普勒频率剥离后的信号与本地伪码的循环相关结果，并取模值，具体为：

步骤4.1先将第l条搜索通道的接收信号r_l(n)以每行采样点长度为一个伪码周期N_c，分为P_l行，令i＝0,1,...,P_l-1，经过划分后的r_l(n)可写为：

步骤4.2伪码相关模块对步骤4.1划分后的信号按行做FFT，得到每行的FFT结果如下公式(7)：

r_l′(p_l,k)＝FFT[r_l(p_l,n)],k＝0,1,2,...,N_c-1 (7)

步骤4.3伪码相关模块取步骤4.2的结果与步骤2.2的结果进行逐点相乘，并进行IFFT变换，得到第l条频率搜索通道的P_l次相关结果y_l(p_l,n)如下公式(8)：

其中，

表示循环卷积，此时上式(8)可化简为：

步骤五、非相干积累模块将步骤4.3所得的每个频率搜索通道内的P_l个相关结果进行非相干累加，得到长度为N_c的相关序列，如下公式(11)：

步骤六、峰值检测模块对步骤五所得所有频率搜索通道内的相关积累结果进行幅值大小比较，设第l₀条频率搜索通道内出现最大幅值，则选取其结果定义为P_max；

步骤七、相关积累存储模块存储峰值检测模块所检测得到的幅值最大结果P_max，及其左右相邻各一频率通道内的相关积累结果，具体为：

步骤7.1相关积累存储模块存储峰值检测模块所检测得到的幅值最大结果P_max，包括其对应的频率值f_max和相位值

步骤7.2相关积累存储模块同时存储与P_max左右相邻各一频率通道l₀-1和l₀+1内，相同相位

处的相关积累结果，并比较三个相关积累结果的幅值大小，三个相关积累结果幅值可表示为：

其中，

R_c(·)表示伪码相关函数。

将

按照大小进行排序，分别将其对应的点定义为P_max，P_mid和P_min，同时也存储其相应的频率值f_max，f_mid和f_min以及幅值A_max，A_mid和A_min；

步骤八、三角包络拟合模块利用P_max，P_mid和P_min三个相关积累结果拟合三角包络，求取三角包络顶点位置，具体为：

步骤8.1连接P_max和P_min构成三角包络的一条斜边，可表示为：

步骤8.2以公式(15)的斜率取反，过P_mid作另一条斜边为：

步骤8.3求取步骤8.1和步骤8.2中两条斜边的交点，即为三角包络的顶点，记作P_v，利用三角包络与sinc包络顶点的位置具有相似性可知，P_v所对应的频率值即为精化后的载波多普勒频率值；

至此，从步骤一到步骤八完成了一种基于三角包络拟合的频率二次捕获方法。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于三角包络拟合的频率二次捕获装置及方法，与基于二倍频FFT和sinc包络拟合的频率精估算法与装置相比，具有如下有益效果：

1.本发明建立在传统码域并行搜索捕获结构的基础上，实现简单，无需加入额外的复杂结构，保证了捕获速度，在捕获时间受限的情况下能够快速、准确地完成载波多普勒频率精估；

2.通过利用三角包络与sinc包络顶点位置的相似性，避免选取大量点数来拟合sinc包络，在低信噪比下可通过非相干积累有效获取信噪比增益，只需三点便可完成载波多普勒频率精估。

附图说明

图1为本发明系统原理图；

图2为利用三角包络拟合sinc包络获取频率精化结果图；

图3为载波多普勒频率精估结果图；

图4为本方法与二倍频FFT以及sinc包络拟合方法所得频率精化结果比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

本实施例阐述了将本发明“一种基于三角包络拟合的频率二次捕获方法及装置”应用于大频偏、低信噪比下直接序列扩频信号载波多普勒频率精估的结构框图。本实施例以射频频率为f_RF＝2.2GHz，伪码周期为1023，码片速率为R_cp＝3.069Mcps，数据速率为R_D＝2kbps，取相关时间长度为1个伪码周期，载波多普勒频率为f_d∈(-200kHz,200kHz)为例，由图1可以看出，接收机天线接收信号，再通过射频前端下变频和采样，再进行频率并行搜索，其结果输出给FFT模块，FFT模块处理后，输出值伪码相关模块并与存储器模块中存储的本地伪码序列FFT结果进行相关运算，再经非相干积累模块进行信噪比积累，之后将相关积累结果输出给峰值检测模块完成检测，利用相关积累存储模块对三个相关积累结果进行存储，最终经过三角包络拟合模块处理得出载波多普勒频率精估结果。

图2可直观显示本实施例中，利用三角包络拟合sinc包络获取频率精化结果的过程，图2中，横坐标表示载波多普勒频率估计值，纵坐标表示归一化幅值。

实施例2

本实施例按照实施例1所述的参数具体阐述了执行本发明步骤一到八后载波多普勒频率精估结果，如图3所示；

图3中，横坐标表示捕获之后的频差，其单位为Hz；纵坐标表示频率精化之后的频差，单位为Hz；

从图3中可以看出，本实施例中，捕获之后最大频差可达1kHz，经过本方法对载波多普勒频率进行精化后，残余频差最大不超过90Hz，极大地优化了捕获之后的频率误差，更有利于后续跟踪环路快速稳定地锁定信号。

同时将本方法与二倍频FFT以及sinc包络拟合方法所得频率精化结果进行比较，比较结果如图4；

图4中，横坐标表示符号信噪比(Eb/N0)，其单位dB；纵坐标表示频率精化概率；

从图4中可见，本实施例中，在符号信噪比为4dB的情况下，本方法即可获得大于95％的频率精化概率，明显优于其他两种方法，尤其是在低信噪比环境中，相同时间的要求下，本方法的频率精华概率相较于其他两种方法具有巨大优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三角包络拟合的频率二次捕获装置，其特征在于，包括接收机天线、射频前端、频率并行搜索模块、FFT模块、伪码相关模块、存储器模块、非相干积累模块、峰值检测模块、相关积累存储模块以及三角包络拟合模块；接收机天线与射频前端相连，射频前端与频率并行搜索模块相连，频率并行搜索模块与FFT模块相连，FFT模块和存储器模块均与伪码相关模块相连，伪码相关模块与非相干积累模块相连，非相干积累模块与峰值检测模块相连，峰值检测模块与相关积累存储模块相连，相关积累存储模块与三角包络拟合模块相连；

接收机天线用于接收信号；

射频前端用于对接收信号进行下变频和采样；

频率并行搜索模块用于按固定频率步进产生本地载波，再与接收信号相乘，以剥离多普勒频率，再将此剥离多普勒频率后的信号输出至FFT模块；

FFT模块用于对频率并行搜索模块输出的每一组序列进行快速傅立叶变换，得到伪码相关模块的输入FFT序列；

存储器模块用于存储经过FFT变换后一个周期的本地伪码序列；

伪码相关模块用于将FFT模块的输出序列与本地伪码信号的快速傅立叶变换序列相乘，再通过逆快速傅立叶变换得到相关结果，取模值；非相干积累模块用于将伪码相关模块输出的结果按照相应位置进行非相干累加，提高输出信噪比；峰值检测模块用于比较非相干积累模块输出的相关结果，找出其中的最大值，根据其所处的搜索通道位置得到载波多普勒频率估计值f_max，并由峰值检测模块输出的峰值位置得到码相位估计值

作为捕获结果P_max；相关积累存储模块用于存储捕获结果P_max以及其左右相邻各一搜索通道内的相关结果P_mid和P_min，并存储三个搜索通道对应的载波多普勒频率值f_max，f_mid和f_min；三角包络拟合模块用于计算相关积累存储模块中三个相关结果P_max，P_mid和P_min所构成的三角包络，将三角包络顶点P_v所对应的频率值f_v作为载波多普勒频率的精估结果。

2.如权利要求1所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获装置，其特征在于，所述射频前端包括下变频单元以及AD采样单元，通过下变频单元以及AD采样单元对接收信号进行下变频和采样。

3.如权利要求2所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获装置，其特征在于，所述伪码相关模块包括预存的本地伪码快速傅立叶变换、乘法单元、逆快速傅立叶变换单元、取模单元；乘法单元调用预存的本地伪码FFT序列，与折叠相加后FFT模块的输出依次相乘，IFFT单元对乘法单元的输出进行逆快速傅立叶变换，取模单元对IFFT单元的输出进行取模运算。

4.如权利要求3所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获装置，其特征在于，所述频率并行搜索模块包含多个频率通道，记为L。

5.一种基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、接收机天线接收信号，再通过射频前端进行下变频及采样；

步骤二、伪码相关模块以和AD采样单元的相同采样率对存储器模块产生的一个周期伪码序列进行采样，再输入FFT模块进行处理后存入存储器模块；

步骤三、频率并行搜索模块确定搜索频率，并进行载波多普勒剥离；

步骤四、伪码相关模块计算步骤三中载波多普勒频率剥离后的信号与本地伪码的循环相关结果，并取模值，得到每条频率搜索通道的P_l次相关结果；

步骤五、非相干积累模块将步骤四所得的每个频率搜索通道内的P_l个相关结果进行非相干累加，得到长度为N_c的相关序列；

步骤六、峰值检测模块对步骤五所得所有频率搜索通道内的相关积累结果进行幅值大小比较，设第l₀条频率搜索通道内出现最大幅值，则选取其结果定义为P_max；

步骤七、相关积累存储模块存储峰值检测模块所检测得到的幅值最大结果P_max，及其左右相邻各一频率通道内的相关积累结果；

步骤八、三角包络拟合模块利用步骤七得到的三个相关积累结果拟合三角包络，求取三角包络顶点位置。

6.如权利要求5所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，其特征在于，所述步骤一中，下变频通过下变频单元实现，输出为带有数据调制的复信号；采样通过AD采样单元实现，采样率为f_s，采样结果为带有数据调制的基带采样序列，采样结果用如下公式(1)表示：

其中，N为总体采样点数；t_s＝1/f_s为时域采样间隔，D(nt_s)代表nt_s采样时刻的调制数据，为二进制数据，n代表第n个采样点；C(nt_s-τ₀)表示接收信号的伪码，τ₀代表伪码初始相位，

表示载波多普勒频率，其中，c为光速，v为本装置相对于卫星的运动速度，f_RF为射频载波频率，ξ＝v/c，代表本装置相对于卫星的运动速度与光速的比值；exp代表以e为底的幂级数；j代表虚数单位；

为射频载波初始相位。

7.如权利要求6所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，其特征在于，所述步骤二的实现过程如下：

步骤2.1：伪码相关模块以和AD采样单元的相同采样率对存储器模块产生的一个周期伪码序列，即对本地伪码进行采样，得到采样输出；

其中，所述的相同采样率为f_s；采样输出记为

其表达式为如下公式(2)：

其中，

表示带有估计相位的本地伪码；

为本地伪码的估计相位，N_c＝T_cf_s是本地伪码一个伪码周期的采样点数，T_c＝LT_cp为本地伪码的伪码周期，T_cp＝1/R_cp为一个本地伪码的码片持续时间，R_cp为本地伪码的码速率；

步骤2.2FFT模块对步骤2.1的采样输出进行FFT变换并取共轭；

其中，FFT变换并取共轭得到

其表达式为如下公式(3)：

其中，

表示对本地伪码的采样输出进行FFT变换，

表示对FFT变换后的结果取共轭，k表示本地伪码经过FFT处理后变换到频域的点数；

步骤2.3将步骤2.2所得的结果存入存储器模块；

步骤三的实现过程如下：

步骤3.1频率并行搜索模块根据信道先验信息估计载波多普勒频偏范围；

其中，所述的信道先验信息为可预知的最大载波多普勒频偏；所述的载波多普勒频偏范围，记为：(-f_d,max,f_d,max)，f_d,max即最大载波多普勒频偏；

步骤3.2将频偏范围按固定搜索步进划分成多个频率单元；

其中，固定搜索步进，记为Δf_d，划分成L个频率单元，且第l个本地频率单元对应的搜索频率用如下公式(4)表示：

f_l＝-f_d,max+lΔf_d,l＝0,1,2,...,L-1 (4)

其中，

表示对2f_d,max/Δf_d向上取整：

步骤3.3频率并行搜索模块将本地载波与接收信号相乘完成载波多普勒剥离，具体为：

所述的载波多普勒剥离用如下公式(5)表示：

其中，P_l表示非相干积累模块中的累加次数。

8.如权利要求7所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，其特征在于，所述步骤四的实现过程为：

步骤4.1：先将第l条搜索通道的接收信号r_l(n)以每行采样点长度为一个伪码周期N_c，分为P_l行，令i＝0,1,...,P_l-1，经过划分后的r_l(n)写为：

步骤4.2：伪码相关模块对步骤4.1划分后的信号按行做FFT，得到每行的FFT结果如下公式(7)：

r_l′(p_l,k)＝FFT[r_l(p_l,n)],k＝0,1,2,...,N_c-1 (7)

步骤4.3：伪码相关模块取步骤4.2的结果与步骤2.2的结果进行逐点相乘，并进行IFFT变换，得到第l条频率搜索通道的P_l次相关结果y_l(p_l,n)如下公式(8)：

其中，

表示循环卷积，此时上式(8)可化简为：

所述步骤五中，非相干积累模块将步骤4.3所得的每个频率搜索通道内的P_l个相关结果进行非相干累加，得到长度为N_c的相关序列，如下公式(11)：

9.如权利要求8所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，其特征在于，所述步骤七的实现过程为：

步骤7.1：相关积累存储模块存储峰值检测模块所检测得到的幅值最大结果P_max，包括其对应的频率值f_max和相位值

步骤7.2：相关积累存储模块同时存储与P_max左右相邻各一频率通道l₀-1和l₀+1内，相同相位

处的相关积累结果，并比较三个相关积累结果的幅值大小，三个相关积累结果幅值表示为：

其中，

R_c(·)表示伪码相关函数；

将

按照大小进行排序，分别将其对应的点定义为P_max，P_mid和P_min，同时也存储其相应的频率值f_max，f_mid和f_min以及幅值A_max，A_mid和A_min。

10.如权利要求9所述的基于三角包络拟合的频率二次捕获方法，其特征在于，所述步骤八中，三角包络拟合模块利用P_max，P_mid和P_min三个相关积累结果拟合三角包络，求取三角包络顶点位置，具体为：

步骤8.1：连接P_max和P_min构成三角包络的一条斜边，表示为：

步骤8.2：以公式(15)的斜率取反，过P_mid作另一条斜边为：

步骤8.3：求取步骤8.1和步骤8.2中两条斜边的交点，即为三角包络的顶点，记作P_v，利用三角包络与sinc包络顶点的位置具有相似性可知，P_v所对应的频率值即为精化后的载波多普勒频率值。

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