CN111123312B - 一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法及系统 - Google Patents

一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法及系统，包括一次捕获模块和二次捕获模块，均采用基于内插频率计算方法计算信号，一次捕获模块成功捕获到信号之后停止工作并将估计粗频偏和粗定时信息送入二次捕获模块，若一次捕获模块成功捕获信号，则给出启动二次捕获模块的启动信号，二次捕获模块根据一次捕获模块给出的粗定时位置信息和粗频偏补偿之后的信号进行二次频率估计和信号到达验证。本发明采用一次捕获模块对信号的频谱和位置进行快速捕获，计算出信号的粗频谱和粗位置，然后根据二次捕获模块对信号进行捕获验证和频率精估；提高了估计精度，可适用于各类接收机中，具有较高的工程价值。

Description

一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法及系统
技术领域
本发明属于卫星通信系统领域，具体涉及一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法及系统。
背景技术
在低信噪比高动态环境下，信号具有较大的多普勒频偏和多普勒频率变化率，这给弱信号的捕获带来了相当大的困难。针对弱信号的大频偏捕获，通常采用分段匹配滤波和快速傅里叶变换结合，即PMF-FFT算法实现。但FFT的功率谱最大值处存在栏栅效应，无法估计出准确的多普勒频偏值，从而产生较大的扇贝损失和估计频率误差。另一方面，多普勒频偏对匹配滤波的频率响应结果存在一定的衰减作用。针对这些问题，现有文献提出采用加窗函数和改进加窗函数来提高精度；也有文献提出PMF-FFT和频谱校正相结合的捕获算法，及PMF-FFT和二次函数内插结合的方法。但以上方法改进效果均不是很明显且复杂度较高，且对于低信噪比信号的检测需要相当长的数据存储才能计算出相关峰。在信号捕获成功之后，当前帧估计出的频率是在下一帧进行补偿，由于多普勒变化率和晶振的漂移又会引入新的频偏，尤其是对于低速信号影响很大，现有的技术均未考虑这一点，从而会造成信号接收不稳定以及降低捕获的概率。因此本发明针对上述问题提出一种高动态低信噪比环境下的弱信号捕获方法，该方法通过循环RAM减低系统存储空间的要求和简化程序设计，采用内插算法提高FFT的估计精度，并对下一帧信号进行二次频率估计进一步纠正由于晶振时钟漂移引入的频谱。
发明内容
发明目的：本发明提供一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法及系统，捕获速度快且精准。
技术方案：本发明所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，包括如下步骤：
(1)对预先获取的样本设置一个环形缓冲器；
(2)读取环形缓冲器中的数据与本地的UW波形进行共轭匹配，并对匹配后的数据进行一次FFT处理；
(3)计算背景噪声，进行信号捕获判决，若判决成功则计算出捕获位置信息并启动二次捕获模块关闭一次捕获模块；
(4)根据FFT模块输出的功率谱求解最大功率谱线的位置并根据位置信息采用内插的方法计算出频偏；
(5)设计二次捕获模块的双RAM输入模块，采用1-0计数器来切换两个RAM完成ping-pong操作，每个ping-pongRAM的深度设置为1帧的长度，当输入一帧数据之后1-0计数器加1，1-0计数器为1的时候写ping读pong，1-0计数器为0的时候写pong读ping；
(6)对ping-pongRAM中读出的数据进行频率补偿；
(7)进行相关值R(m)计算；
(8)计算估计的频偏。
进一步地，步骤(1)所述的环形缓冲器的长度为帧长+UW采样长度。
进一步地，步骤(2)所述频偏通过以下公式实现：
其中，r(n)为接收信号，xuw(n)为本地UW波形序列，X(k)为FFT计算输出的功率谱，N为观测样点个数，xuw(n)的上标H表示共轭转置。
进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)背景噪声计算公式如下：
其中，kmax表示最大峰值对应的位置，mod(N,n)表示对n取模N以保证背景噪声取值在带内，X(n)表示第n位置处的最大谱线值；
(32)背景噪声取最大值右边16个样点之外的64个点的值求和，当Max_Value>back_noise则认为捕获成功，并记录当前读地址位置，起始读地址就为数据帧同，在下一帧输入的同时给出帧到达信息：
Frame_head_pos＝mod(frame_length,read_addr_CAP+frame_length)其中Frame_head_pos为帧头位置，frame_length为帧长，read_addr_CAP为一次捕获成功之后记录的起始读地址。
进一步地，所述步骤(4)包括以下步骤：
(41)计算最大频率谱线对应的值，并取最大值谱线左右的两个值：
Max_Value＝max(X(k))k＝1,2,...N
Max_Pos＝kmax
其中，Max_Value表示最大谱线对应的值，Max_Pos表示对大谱线对应得位置；取最大值谱线左右的两个值为：
Max_Value_left＝X(kmax-1)
Max_Value_right＝X(kmax+1)
(42)判断最大峰左右的两值大小进行位置信息内插，内插方法如下：
if(Max_Value_left>Max_Value_right)
else
(43)根据内插计算出来的位置信息计算频偏：
其中，fs是样本速率，N为FFT计算点数，Δf为估计频偏信息，Pos_Interpolate表示内插出的新的估计位置。
进一步地，所述步骤(6)通过以下公式实现：
y(n)＝r(n)e-1j2πΔfn
其中，Δf为一次捕获输出的频率信息，r(n)表示接收信号，n表示第n个离散采样样本。
进一步地，所述步骤(7)通过以下公式实现：
其中，L表示数据的观察区间长度，N表示对自相关函数RL(m)结果的估计长度，y(k)表示经过一次捕获频率补偿之后的样本。
进一步地，所述步骤(8)通过以下公式实现：
其中：N表示观测样本数，T表示符号周期，表示二次捕获模块估计出的频偏。
本发明还提供一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获系统，包括一次捕获模块和二次捕获模块；所述一次捕获模块包括循环RAM模块、信号相关与FFT模块、最大值查找与频率计算模块、一次捕获判决模块；所述二次捕获模块包括双RAM缓存模块、频率补偿模块、相关值和相关累加计算模、二次频率估模块；所述循环RAM模块对接收信号进行缓存，缓存时间满足FFT处理时间，当缓存到足够的数据之后启动信号相关与FFT模块得到频域信号，并通过最大值查找与频率计算模块获取频域峰值位置信息并计算出频偏，将FFT运算出的频域峰值信息传输至一次捕获判决模块，判断是否正确捕获到信号；所述二次捕获模块的双RAM缓冲模块对输入信号进行缓存，将缓存的数据传输至频率补偿模块，根据一次捕获的频偏完成频率补偿，同时将补偿完的信号传输至相关值和相关值累加计算模块，并根据相关值采用二次频率估计模块计算出二次捕获估计出的频偏，同时频率计算模块会对相关峰进行判定接收信号是否达到阈值，若能满足阈值则给出重启信号；所述一次捕获模块成功捕获到信号之后停止工作并将估计粗频偏和粗定时信息送入二次捕获模块，若一次捕获模块成功捕获信号，则给出启动二次捕获模块的启动信号，二次捕获模块根据一次捕获模块给出的粗定时位置信息和粗频偏补偿之后的信号进行二次频率估计和信号到达验证；所述一次捕获模块和二次捕获模块均采用基于内插频率计算方法计算信号频率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明在高动态环境和低信噪比环境下设计了一种低复杂度度高精度的捕获算法，采用一次捕获模块对信号的频谱和位置进行快速捕获，计算出信号的粗频谱和粗位置，然后根据二次捕获模块对信号进行捕获验证和频率精估；2、采用内插方法提高了估计精度，具有重要意义，可适用于各类接收机中，具有较高的工程价值。
附图说明
图1为高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获系统总框图；
图2为一次捕获检测位置图；
图3为一次捕获频率检测误差图；
图4为L&R信号频率估计误差图；
图5为一次捕获测试结果图；
图6为二次捕获测试结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实际通信系统尤其是窄带系统，低信噪比和高动态是非常常见的。例如对于卫星通信来说，即使是静止轨道卫星和固定终端，由于晶振本身的精度问题，一般的Ka频段接收机面临的频偏可达十几KHz。这对常见的低速卫星通信业务来说是不可忽视的，十几KHz的频偏已是常见的2.4K话音业务和低速数据业务符号速率的数倍了。对于动中通业务和中低轨道卫星通信系统来说频偏影响更严重。本发明重点考虑在低信噪比和高动态条件下的信号快速捕获，采用基于FFT的时频二维捕获模块，其采用全数字化处理方式对信号频率和符号位置同时进行估计，且针对卫星通信中低速信号的特点，为了能够提高捕获估计的准确性，设计了二次捕获模块。
一种高动态低信噪比环境下的卫星信号捕获系统的总框图如图1所示。包括一次捕获模块和二次捕获模块。一次捕获模块包括循环RAM模块、信号相关与FFT模块、最大值查找与频率计算模块、一次捕获判决模块；二次捕获模块包括双RAM缓存模块、频率补偿模块、相关值和相关累加计算模、二次频率估模块。循环RAM模块对接收信号进行缓存，缓存时间满足FFT处理时间，当缓存到足够的数据之后启动信号相关与FFT模块得到频域信号，并通过最大值查找与频率计算模块获取频域峰值位置信息并计算出频偏，将FFT运算出的频域峰值信息传输至一次捕获判决模块，判断是否正确捕获到信号。二次捕获模块的双RAM缓冲模块对输入信号进行缓存，将缓存的数据传输至频率补偿模块，根据一次捕获的频偏完成频率补偿，同时将补偿完的信号传输至相关值和相关值累加计算模块，并根据相关值采用二次频率估计模块计算出二次捕获估计出的频偏，同时频率计算模块会对相关峰进行判定接收信号是否达到阈值，若能满足阈值则给出重启信号。一次捕获模块成功捕获到信号之后停止工作并将估计粗频偏和粗定时信息送入二次捕获模块，若一次捕获模块成功捕获信号，则给出启动二次捕获模块的启动信号，二次捕获模块根据一次捕获模块给出的粗定时位置信息和粗频偏补偿之后的信号进行二次频率估计和信号到达验证；一次捕获模块和二次捕获模块均采用基于内插频率计算方法计算信号频率。
卫星通信中UW码以64位更为常见，考虑到可能存在更长的UW，可设计最大UW长度为128，在采样速率为16倍符号速率的时候，UW的存储长度为128*16＝2048。因为可采用2048个点的FFT。而为了适应各种类型的帧结构处理，输入环形RAM应尽可能大，所以设计为4096个符号，共256KB，即地址空间65536，每一地址可容纳16bit。
为了增加捕获在高速下的实时性，在整个设计中采用了子模块pipeline技术，这些采用流水线技术的子模块包括循环RAM模块、FFT计算、最大值搜索模块，在进行最大峰值搜索时，采用滑动窗技术，窗口深度为64。具体包括以下步骤：
1、对输入样本设置了一个环形缓冲器。环形缓冲器的长度为：帧长+UW采样长度。AD采样之后的样本增量式地放入环形缓冲器中。因而“AD写指针”随着AD采样样本的输入不断加1。对于索引器，则是利用缓冲器中的样本与本地UW波形进行共轭匹配(或称之为相关操作)，每次相关操作完成之后，对缓冲器中的样本向前滑动4个样本，再一次进行相关检测。因而，在这一操作过程中存在“相关读指针”：从该指针向过去的样本回溯一个UW的采样长度(16sps采样速率)。在运算过程中必须保证“AD写指针”永远在“相关读指针”前面。在算法中定义：
d＝"AD写指针"－"相关读指针" (1)
当相关运算完成之后，如果d<4，则需要等待AD的采样完成；直至d≥4时才从环形RAM中读入新的数据进行相关运算。如果d≥一个帧采样周期，则进行相关运算时，“相关读指针”高前调整一个帧采样周期，并根据之前的规则进行UW搜索。设计一个缓冲器，该缓冲器的大小为：一帧+2UW长度。
2、读取环形RAM中的数据与本地的UW波形进行共轭匹配(或称之为相关操作)，每次将相关操作完成之后的数据进行一次FFT处理。操作方法如下式：
其中，N为观测样点个数，xuw(n)的上标H表示共轭转置，r(n)为接收信号，xuw(n)为本地UW波形序列，X(k)为FFT计算输出的功率谱。存储一个UW长度的采样数据，设置“相关位置”与“AD写指针”，并初始化“相关位置”与“AD写指针”之间的d＝0，启动搜索过程。
当AD采样一次数据，则d＝d+1；当完成一次相关运算，则d＝d-4；对于相关运算时如果d<4，则等待新的采样样本到达(这种情况一般发生在信道符号速率较低时)；如果d大于一帧的长度，则相关位置向前调整一帧，并设置d＝d-frame_length，其中frame_length为一帧的总采样点数。
3、如果没检测到UW则返回步骤2；如果检测到UW则进入下一步。接收信号中有UW信号，根据本地的UW与接收信号进行滑动相关，当本地UW与接收信号中的UW对齐会得到最大相关峰，相关峰大于设定的门限阈值则认为检测到UW。
4、对下一UW进行检测接收信号的频差，根据检测电路状态，初始化符号定时同步。如果d<4，则不需进行新的频差检测；否则计算下一UW的位置并进行实时频率检测。
5、计算背景噪声，进行信号捕获判决，若判决成功则计算出捕获位置信息并启动二次捕获模块关闭一次捕获模块。计算FFT最大值和背景噪声，进行信号捕获判决，若判决成功则计算出捕获位置信息并启动二次捕获模块关闭一次捕获模块。其中背景噪声计算公式如下：
其中，kmax表示最大峰值对应的位置，mod(N,n)表示对n取模N以保证背景噪声取值在带内，X(n)表示第n位置处的最大谱线值。
背景噪声取最大值右边16个样点之外的64个点的值求和。
当Max_Value>back_noise则认为捕获成功，并记录当前读地址位置，起始读地址就为数据帧同，在下一帧输入的同时给出帧到达信息。
Frame_head_pos＝mod(frame_length,read_addr_CAP+frame_length) (4)
其中Frame_head_pos为帧头位置，frame_length为帧长，read_addr_CAP为一次捕获成功之后记录的起始读地址。
6、根据FFT模块输出的功率谱求解最大功率谱线的位置并根据位置信息采用内插的方法计算出频偏，方法如下公式：
Max_Value＝max(X(k))k＝1,2,...N
Max_Pos＝kmax (5)
其中Max_Value表示最大谱线对应的值，Max_Pos表示对大谱线对应得位置。取最大值谱线左右的两个值，记为
Max_Value_left＝X(kmax-1)
Max_Value_right＝X(kmax+1) (6)
判断最大峰左右的两值大小进行位置信息内插，内插方法如下：
if(Max_Value_left>Max_Value_right)
else
根据内插计算出来的位置信息计算频偏，公式如下：
其中，fs是样本速率，N为FFT计算点数，Δf为估计频偏信息，Pos_Interpolate表示内插出的新的估计位置。如图2、图3为采用4Q3进行定点化的检测结果，可以看出虽然无论是频率还是检测位置都有一定的定点化误差，但是该算法在1dB的时候频率检测误差小于10Hz，信号位置信息误差小于2个样本，完全能够满足绝大多数系统的设计要求。
7、一次捕获完成，从图5中可以看出，2048个数据数据输入之后延时约22.1us之后开始输出数据，FFT主时钟为100MHz,输出结果约20.1us，所以一次FFT运算总共需要花费时间42.2us(没有计算读取数据的时间)；采用100MHz的时钟读取2048个数据需要20.48us，则总时间为62.68us。
8、二次捕获模块的双RAM输入模块，采用1-0计数器来切换两个RAM完成ping-pong操作。每个ping-pongRAM的深度设置为1帧的长度，当输入一帧数据之后1-0计数器加1。1-0计数器为1的时候写ping读pong，1-0计数器为0的时候写pong读ping。
9、对ping-pongRAM中读出的数据进行频率补偿，计算公式如下：
y(n)＝r(n)e-1j2πΔfn (9)
其中，Δf为一次捕获输出的频率信息，r(n)表示接收信号，n表示第n个离散采样样本。
10、进行相关值R(m)计算，公式如下：
其中，L表示数据的观察区间长度，N表示对自相关函数RL(m)结果的估计长度，y(k)表示经过一次捕获频率补偿之后的样本。L&R算法中，N取值越大，估计效果越好。
11、根据计算的相关值计算估计的频偏，公式如下：
其中，N表示观测样本数，T表示符号周期，表示二次捕获模块估计出的频偏。
由图4的结果可以看出若N取16，Es/N0＝0dB时，L&R频率估计法的均方根误差控制在20Hz以内，此时可估计的频率范围
同时，根据计算出的相关值和预先设定的门限进行判断捕获信号是否正确，即捕获验证，若相关值大于门限则正常启动后面解调器模块，否则给出捕获重启信号进行信号重启，表达方式如下：
其中Cap_start为捕获验证指示信号，为1的时候则重新启动捕获模块。Valueth为设置的判决门限，需要通过仿真获取。从图6中可知，LR_HIP_Start信号拉高指示UW序列128个符号数据全部输入，LR_Phase_out_valid信号指示相位估计结果输出，L&R算法的处理延时约为62us。

Claims (9)

1.一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对预先获取的样本设置一个环形缓冲器；
(2)读取环形缓冲器中的数据与本地的UW波形进行共轭匹配，并对匹配后的数据进行一次FFT处理；
(3)计算背景噪声，进行信号捕获判决，若判决成功则计算出捕获位置信息并启动二次捕获模块关闭一次捕获模块；
(4)根据FFT模块输出的功率谱求解最大功率谱线的位置并根据位置信息采用内插的方法计算出频偏；
(5)设计二次捕获模块的双RAM输入模块，采用1-0计数器来切换两个RAM完成ping-pong操作，每个ping-pongRAM的深度设置为1帧的长度，当输入一帧数据之后1-0计数器加1，1-0计数器为1的时候写ping读pong，1-0计数器为0的时候写pong读ping；
(6)对ping-pongRAM中读出的数据进行频率补偿；
(7)进行相关值R(m)计算；
(8)计算估计的频偏。
2.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(1)所述的环形缓冲器的长度为帧长+UW采样长度。
3.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤(2)通过以下公式实现：
其中，r(n)为接收信号，xuw(n)为本地UW波形序列，X(k)为FFT计算输出的功率谱，N为观测样点个数，xuw(n)的上标H表示共轭转置。
4.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)背景噪声计算公式如下：
其中，kmax表示最大峰值对应的位置，mod(N,n)表示对n取模N以保证背景噪声取值在带内，X(n)表示第n位置处的最大谱线值；
(32)背景噪声取最大值右边16个样点之外的64个点的值求和，当Max_Value>back_noise则认为捕获成功，并记录当前读地址位置，起始读地址就为数据帧同，在下一帧输入的同时给出帧到达信息：
Frame_head_pos＝mod(frame_length,read_addr_CAP+frame_length)
其中Frame_head_pos为帧头位置，frame_length为帧长，read_addr_CAP为一次捕获成功之后记录的起始读地址。
5.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：
(41)计算最大频率谱线对应的值，并取最大值谱线左右的两个值：
Max_Value＝max(X(k))k＝1,2,...N
Max_Pos＝kmax
其中，Max_Value表示最大谱线对应的值，Max_Pos表示对大谱线对应得位置；取最大值谱线左右的两个值为：
Max_Value_left＝X(kmax-1)
Max_Value_right＝X(kmax+1)
(42)判断最大峰左右的两值大小进行位置信息内插，内插方法如下：
if(Max_Value_left>Max_Value_right)
else
(43)根据内插计算出来的位置信息计算频偏：
其中，fs是样本速率，N为FFT计算点数，△f为估计频偏信息，Pos_Interpolate表示内插出的新的估计位置。
6.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤(6)通过以下公式实现：
y(n)＝r(n)e-1j2π△fn
其中，△f为一次捕获输出的频率信息，r(n)表示接收信号，n表示第n个离散采样样本。
7.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤(7)通过以下公式实现：
其中，L表示数据的观察区间长度，N表示对自相关函数RL(m)结果的估计长度，y(k)表示经过一次捕获频率补偿之后的样本。
8.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤(8)通过以下公式实现：
其中：N表示观测样本数，T表示符号周期，表示二次捕获模块估计出的频偏。
9.一种基于如权利要求1所述方法的高动态低信噪比环境下的卫星弱信号捕获系统，其特征在于，包括一次捕获模块和二次捕获模块；所述一次捕获模块包括循环RAM模块、信号相关与FFT模块、最大值查找与频率计算模块、一次捕获判决模块；所述二次捕获模块包括双RAM缓存模块、频率补偿模块、相关值和相关累加计算模、二次频率估模块；所述循环RAM模块对接收信号进行缓存，缓存时间满足FFT处理时间，当缓存到足够的数据之后启动信号相关与FFT模块得到频域信号，并通过最大值查找与频率计算模块获取频域峰值位置信息并计算出频偏，将FFT运算出的频域峰值信息传输至一次捕获判决模块，判断是否正确捕获到信号；所述二次捕获模块的双RAM缓冲模块对输入信号进行缓存，将缓存的数据传输至频率补偿模块，根据一次捕获的频偏完成频率补偿，同时将补偿完的信号传输至相关值和相关值累加计算模块，并根据相关值采用二次频率估计模块计算出二次捕获估计出的频偏，同时频率计算模块会对相关峰进行判定接收信号是否达到阈值，若能满足阈值则给出重启信号；所述一次捕获模块成功捕获到信号之后停止工作并将估计粗频偏和粗定时信息送入二次捕获模块，若一次捕获模块成功捕获信号，则给出启动二次捕获模块的启动信号，二次捕获模块根据一次捕获模块给出的粗定时位置信息和粗频偏补偿之后的信号进行二次频率估计和信号到达验证；所述一次捕获模块和二次捕获模块均采用基于内插频率计算方法计算信号频率。
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