CN111917460A - 一种基于fpga的低轨卫星高速信号的捕捉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低轨卫星高速信号技术领域，特别涉及一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，包括将FPGA信号接收模块接收的射频信号与本地载波进行相乘，实现下变频；将下变频之后的信号进行低通滤波，转换为基带信号；将基带信号的I路和Q路信号合成为伪随机序列；送入p个部分匹配滤波器；每个部分匹配滤波器的输出结果均进行N点FFT运算；输出结果通过门限判决模块输出与真实多普勒频移相近的频率结果；将频移估计结果送入控制逻辑来调整NCO，来调整码片位置进行下一轮搜索，通过反馈得到频率估计最优值；本发明不仅结构简单，并且可以解决低轨道卫星告诉信号多普勒频移大、现有技术捕获时间较长的问题。

Description

一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法
技术领域
本发明属于低轨卫星高速信号技术领域，特别涉及一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法。
背景技术
随着21世纪的到来，卫星通信将进入个人通信时代，这个时代的最大特点就是卫星通信终端达到手持化，个人通信实现全球化。同步静止轨道(GEO)卫星移动通信技术日臻成熟，具有卫星数量少、全球覆盖、24小时通信不必切换卫星、卫星跟踪控制简单等优点，但也存在轨道高、传播路径远、衰减大、延时长等不足。特别是随着纬度的增大，地面观察卫星的仰角不断减小，地形地物对移动用户的阻挡不可忽视，这对于个人通信业务极为不利。另外，GEO轨道日益拥挤，卫星功率受限，移动用户终端的体积和重量难以降低。所以人们普遍认为，同步静止轨道(GEO)卫星固然可以用于移动通信，但是用于个人通信还存在较大的技术困难。正因如此，提出了利用多颗中、低轨道卫星覆盖全球来实现个人移动通信的方案。低轨卫星移动通信系统中由于卫星快速运动导致卫星与载体间的传输链路会存在较高的多普勒频移。
目前卫星通信中所采用的扩频通信技术以其抗干扰能力强、可靠性高而广为认可。扩频通信中最为重要的环节之一就是扩频信号的同步过程，分为捕获和跟踪两个过程。低轨卫星通信中，因为卫星飞行速度相对较快，使得收发器之间传输的信号因为多普勒频移而存在很大的频偏。由此产生的数据跳变将导致一般的直扩信号同步捕获技术性能急剧下降。
PMF-FFT捕获模型是一种大多普勒频偏下的一种非相干检测的快速捕获系统模型，在高斯信道下具有优秀的虚警概率和检测概率特性，且该模型对接收伪码进行匹配滤波处理，进行FFT补偿，可以增加频偏的搜索范围。对于低轨卫星高速信号的捕获同步，降低通信延迟具有十分重要的价值。
发明内容
为了解决低轨卫星高速信号多普勒频移大、捕获时间较长的问题，本发明提出一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，包括以下步骤：
将FPGA信号接收模块接收的射频信号与本地载波进行相乘，实现下变频；
将下变频之后的信号进行低通滤波，转换为基带信号；
将基带信号的I路和Q路信号合成为伪随机序列r(k)，送入p个部分匹配滤波器，每个部分滤波器的长度为X；
每个部分匹配滤波器的输出结果均进行N点FFT运算，N≥P；
将N点FFT运算后的信号送入最大信号选择器，选择幅值最大的峰值作为输出；
输出结果通过门限判决模块输出与真实多普勒频移相近的频率结果；
将频移估计结果送入控制逻辑来调整NCO，来调整码片位置进行下一轮搜索，通过反馈得到频率估计最优值。
进一步的，FPGA信号接收模块接收的射频信号为低轨卫星上符号速率为20Gbps的射频信号。
进一步的，FPGA信号接收模块包括上位机、FPGA芯片、高速ADC、高速DAC以及射频和天线模块，其中：射频和天线模块用于接收、发送射频信号。
进一步的，高速ADC模块采用四通道、数据位宽16位AD9656芯片；高速DAC模块采用DAC5689DA转换芯片。
进一步的，FPGA芯片选用XC7V585T芯片。
进一步的，下变频过程包括：
Figure BDA0002632655700000021
其中，r(k)表示下变频后得到的伪随机序列；PN(k)表示待处理的信号序列；fd表示需要搬移的频偏；Tc表示信号周期；
Figure BDA0002632655700000031
表示信号相位。
进一步的，第n个部分匹配滤波器的输出表示为：
Figure BDA0002632655700000032
其中，y(n)第n个部分匹配滤波器的输出，r(k)表示下变频后得到的伪随机序列；PN(k)表示待处理的信号序列；M表示匹配滤波器长度；
Figure BDA0002632655700000033
表示信号相位；K为本地序列与接收序列的偏移量。
本发明不仅结构简单，并且可以解决低轨道卫星告诉信号多普勒频移大、现有技术捕获时间较长的问题。
附图说明
图1为本发明中接收端工作流程示意图；
图2为本发明中PMF-FFT结构图；
图3为本发明FPGA原理机模型结构示意图；
图4为本发明不同频偏下PMF-FFT的相对增益效果示意图；
图5为本发明不同频偏下捕获概率比较示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明提出一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，包括以下步骤：
将下变频之后的信号进行低通滤波，转换为基带信号；
将基带信号的I路和Q路信号合成为伪随机序列r(k)，送入p个部分匹配滤波器，每个部分滤波器的长度为X；
每个部分匹配滤波器的输出结果均进行N点FFT运算，N≥P；
将N点FFT运算后的信号送入最大信号选择器，选择幅值最大的峰值作为输出；
输出结果通过门限判决模块输出与真实多普勒频移相近的频率结果；
将频移估计结果送入控制逻辑来调整NCO，来调整码片位置进行下一轮搜索，通过反馈得到频率估计最优值，通过该频率进行信号捕捉。
如图1，在本发明中输入信号经过下变频、低筒滤波、同步、解扩之后进行信号调解，其中同步包括同步捕捉、同步跟踪以及频率同步。
实施例1
本发明提供一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，基于PMF-FFT捕获算法实现对低轨卫星上符号速率高达2Gbps的信号在FPGA上实现快速捕获同步跟踪，FPGA芯片采用Virtex-7系列的XC7V585T芯片，捕捉方法包括如下步骤：
步骤A.对经过图3中天线接收到的射频信号与本地载波进行相乘实现图1中下变频模块的目的；
步骤B.对图一中下变频处理后的信号进低通滤波将其转换为所需的基带信号，并送入同步模块，即图3中的PMF-FFT结构；
步骤C：将I路和Q路信号合成为伪随机序列r(k)，送入p个部分匹配滤波器，每个部分滤波器的长度为X，即伪随机序列长度M＝X*P；
步骤D：将每一个部分滤波器的输出结果均进行N点FFT运算，N≥P；
步骤E:将FFT处理后的结果送入最大信号选择器，选择幅值最大的峰值作为输出；
步骤F：输出结果通过门限判决模块输出与真实多普勒频移相近的频率结果；
步骤G：将频移估计结果送入控制逻辑来调整NCO，来调整码片位置进行下一轮搜索，最终通过反馈得到频率估计最优值。
步骤F：将捕获同步后的信号送入解扩模块处理，得到有效信息。
在本实施例中，对于接收得到的符号速率为20Gbps的射频信号，先经过图3中的ADC模块进行模块处理将信号AD采样量化，得到数字信号后进行下变频处理，处理结果下式所示：
Figure BDA0002632655700000051
其中，r(k)表示下变频后得到的伪随机序列；PN(k)表示待处理的信号序列；fd表示需要搬移的频偏；Tc表示信号周期；
Figure BDA0002632655700000052
表示信号相位。
本方案中ADC模块采用四通道、数据位宽16位AD9656芯片，采样率最高可达125Msps，在保持高性能的同时也具有更宽的带宽，可以在需要高动态范围的环境下使用。
作为本发明的一种优选技术方案：所述一种低轨卫星高速信号在FPGA上的应用方法，其特征在于：将下边频之后的信号r(k)经低通滤波处理得到基带信号，送入PMF-FFT同步模块。
图2结构中部分匹配滤波器的主要作用是对接收信号进行部分解扩，得到一定的扩频增益，从而提高信噪比。第一个处理伪随机序列的前X个码片，第二个处理后X个，以此类推。这P个部分匹配滤波器的输出为部分相关输出。如果把这些输出进行相干累加就会与长度为M的标准匹配滤波器的响应相同。对这些输出结果进行N点FFT运算，
第n个分段匹配滤波器的输出为：
Figure BDA0002632655700000053
其中，y(n)第n个部分匹配滤波器的输出，r(k)表示下变频后得到的伪随机序列；PN(k)表示待处理的信号序列；M表示匹配滤波器长度；
Figure BDA0002632655700000054
表示信号相位，K为本地序列与接收序列的偏移量。在两个序列同步的情况下，PN(k)PN(K+k)＝1，有：
Figure BDA0002632655700000055
对这P个输出进行N点(补N－P个0)FFT计算可得FFT输出的幅度响应：
Figure BDA0002632655700000061
式中G(fd)为PMF部分的频率响应，是由部分相关累积引起的，部分匹配滤波实质上是一个低通滤波过程，G(fd,k)是FFT部分的频率响应，为FFT对归一化幅频响应的作用。图4、图5为不同频偏下PMF-FFT的相对增益效果以及不捕获方法载不同频偏下的捕获概率。
平台上搭载了，Xilinx V7系列XC7V585T芯片、ADI公司AD9656高速AD转换芯片以及DAC5689DA转换芯片。
本发明根据一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法可以
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，包括以下步骤：
将FPGA信号接收模块接收的射频信号与本地载波进行相乘，实现下变频；
将下变频之后的信号进行低通滤波，转换为基带信号；
将基带信号的I路和Q路信号合成为伪随机序列r(k)，送入p个部分匹配滤波器，每个部分滤波器的长度为X；
每个部分匹配滤波器的输出结果均进行N点FFT运算，N≥P；
将N点FFT运算后的信号送入最大信号选择器，选择幅值最大的峰值作为输出；
输出结果通过门限判决模块输出与真实多普勒频移相近的频率结果；
将频移估计结果送入控制逻辑来调整NCO，来调整码片位置进行下一轮搜索，通过反馈得到频率估计最优值，通过该频率进行信号捕捉。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，FPGA信号接收模块接收的射频信号为低轨卫星上符号速率为20Gbps的射频信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，FPGA信号接收模块包括上位机、FPGA芯片、高速ADC、高速DAC以及射频和天线模块，其中：射频和天线模块用于接收、发送射频信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，高速ADC模块采用四通道、数据位宽16位AD9656芯片；高速DAC模块采用DAC5689DA转换芯片。
5.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，FPGA芯片选用XC7V585T芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，下变频过程包括：
Figure FDA0002632655690000021
其中，r(k)表示下变频后得到的伪随机序列；PN(k)表示待处理的信号序列；fd表示需要搬移的频偏；Tc表示信号周期；
Figure FDA0002632655690000022
表示信号相位。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的低轨卫星高速信号的捕捉方法，其特征在于，第n个部分匹配滤波器的输出表示为：
Figure FDA0002632655690000023
其中，y(n)第n个部分匹配滤波器的输出，r(k)表示下变频后得到的伪随机序列；PN(k)表示待处理的信号序列；fd表示需要搬移的频偏；Tc表示信号周期；M表示匹配滤波器长度；
Figure FDA0002632655690000024
表示信号相位；K为本地序列与接收序列的偏移量。
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