CN112118196A - 信号捕获方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种信号捕获方法及系统，所述方法包括：对I路和Q路基带信号进行重采样，生成I路和Q路正交基带数据；对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏‑码相位二维搜索的峰值并计算其在对应频偏下的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值；如果否，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获；如果是，则判断粗捕获成功，则进行细捕获；通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值。本发明通过峰值来找到接收信号的频偏与码偏，将传统的时域频偏搜索变为频域位移，在频域对信号进行处理，节省了计算资源与计算时间，加快了搜索速度。

Description

信号捕获方法及系统

技术领域

本发明属于信号捕获技术领域，尤其涉及一种对信号的载波频率、伪码相位进行精确同步的捕获方法及系统。

背景技术

随着卫星技术的发展，航天测控技术日益成熟，扩频测控系统再星地测控系统中起着关键作用，扩频测控系统包括上行链路和下行链路两部分，其中，上行链路是由地面测控站发送多通道扩频信号，穿越大气层，到达星载扩频接收机；下行链路即星上发射链路，是由星载扩频发射机发送多通道扩频信号，穿越大气层，到达地面测控站。

现有的捕获方法主要通过对伪码和频偏的二维搜索来实现，首先对信号与本地伪码进行相关，若相关结果未达到阈值则转而搜索下一给定频偏。这种捕获方法搜索频偏的过程计算复杂，从而导致捕获时间长，消耗资源多。

因此，现有技术需要改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种捕获方法及系统。

基于本发明实施例的一个方面，公开一种捕获方法，包括：

对I路和Q路基带信号进行重采样，生成I路和Q路正交基带数据；

对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏-码相位二维搜索的峰值并计算其在该峰值点处的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值；

如果否，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获；

如果是，则判断粗捕获成功，则进行细捕获；

通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值。

基于本发明的捕获方法的另一个实施例中，还包括，如果粗捕获成功，将对应粗捕获载波频偏估计值、伪码相位估计值、粗捕获完成标志位输出；

所述粗捕获完成标志位经捕获标志处理后，输出粗捕获成功标志和粗捕获失败标志。

基于本发明的捕获方法的另一个实施例中，所述对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏-码相位二维搜索的峰值并计算其在该峰值点处的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值包括：

将I路和Q路正交基带数据通过FFT，使其从时域信号转换到频域信号，生成数据频域序列信号；

将数据频域序列信号进行多次移位，存储其移位结果，并与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘；

对相乘后的结果进行IFFT，使信号从频域信号转换成时域信号；

对时域信号进行求模运算，得到频偏与码相位的二维搜索结果；

找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比，进行捕获判决，判断峰均比是否超过给定阈值。

基于本发明的捕获方法的另一个实施例中，所述将数据频域序列信号进行多次移位包括：

数据频域序列信号每位移一位，其对应的频偏变化了f/n；

式中f为信号的采样速率，n为FFT的长度。

基于本发明的捕获方法的另一个实施例中，所述通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值包括：

将粗捕获成功标志、粗捕获的伪码相位估计值经本地伪码产生的给定码相位、I路和Q路正交基带数据进行相乘；

对相乘产生的结果进行积累补零和去调制运算；

对得到的频偏信息的单载波进行FFT，得到细捕获载波频偏估计；

将细捕获载波频偏估计、细捕获完成标志输出；

完成载波频率更新、载波频率更新标志和捕获成功标志。

基于本发明实施例的另一个方面，公开一种捕获系统，包括：IQ基带电路、重采样模块、粗捕获电路、细捕获电路、捕获标志模块、频率字更新模块；

所述IQ基带电路为所述重采样模块提供I路基带数据和Q路基带数据，为进行捕获的信号源；

所述重采样模块对所述IQ基带电路提供的I路基带数据和Q路基带数据进行采样后，转换为I路和Q路正交基带数据，并发送至粗捕获电路和细捕获电路；

所述粗捕获电路对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，并将粗捕获载波频偏估计、粗捕获伪码相位估计和粗捕获完成标志分别发送至频率字更新模块、细捕获电路、捕获标志模块，由所述细捕获电路生成更加精准的细捕获载波频率估计、细捕获完成标志，由捕获标志位模块生成所述粗捕获电路的粗捕获成功标志；

所述细捕获电路对所述粗捕获电路的粗捕获伪码相位估计经本地伪码产生的给定码相位、所述重采样模块产生的I路和Q路正交基带数据、所述捕获标志模块产生的粗捕获成功标志进行运算，获取更加精准的细捕获载波频率估计和细捕获完成标志，并分别发送至所述频率字更新模块和捕获标志模块；

所述频率字更新模块根据所述粗捕获电路发送的粗捕获载波频率估计、所述细捕获电路发送的细捕获载波频率估计，完成载波频率更新和载波频率更新标志；

所述捕获标志模块根据获取的所述粗捕获电路的粗捕获完成标志、所述细捕获电路的细捕获完成标志，生成捕获成功标志。

基于本发明的捕获系统的另一个实施例中，所述粗捕获电路包括：第一FFT模块、移位模块、第一乘法器模块、IFFT模块、求模运算模块、捕获判决模块；

所述第一FFT模块接收所述重采样模块的I路和Q路正交基带数据，并进行FFT，使其从时域信号转换到频域信号，生成数据频域序列信号并发送至移位模块；

所述移位模块对数据频域序列信号进行多次移位，并存储其移位结果；

所述第一乘法器模块对所述移位模块产生的移位结果与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘，并输出至所述IFFT模块；

所述IFFT模块对所述第一乘法器模块的结果进行IFFT运算，使信号从频域信号转换成时域信号；

所述求模运算模块对转换的时域信号进行求模运算，得到频偏与码相位的二维搜索结果；

所述捕获判决模块找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比，进行捕获判决，判断峰均比是否超过给定阈值，如果不超过给定阈值，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获，如果超过给定阈值，则判断粗捕获成功，进行细捕获。

基于本发明的捕获系统的另一个实施例中，所述细捕获电路包括：第二乘法器模块、累积补零模块、去调制模块、第二FFT模块；

所述第二乘法器模块对所述粗捕获电路的粗捕获伪码相位估计经本地伪码产生的给定码相位、所述重采样模块产生的I路和Q路正交基带数据、所述捕获标志模块产生的粗捕获成功标志进行相乘运算；

所述累积补零模块对所述第二乘法器模块的运算结果进行累积补零运算；

所述去调制模块对所述累积补零模块产生的运算结果进行去调制操作；

所述第二FFT模块对完成累积补零和去调制操作的基带数据进行运算，使其从时域信号转换到频域信号，生成细捕获载波频偏估计和细捕获完成标志。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

采用本发明的捕获方法及系统，将接收信号去除频偏后与本地伪码进行相关运算并取模值，通过峰值来找到接收信号的频偏与码偏，将传统的时域频偏搜索变为频域位移，在频域对信号进行处理，节省了计算资源与计算时间，加快了搜索速度。

附图说明

图1为本发明提出的捕获系统的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明提出的捕获方法的一个实施例的流程图。

图中，1IQ基带电路、2重采样模块、3粗捕获电路、31第一FFT模块、32移位模块、33第一乘法器模块、34IFFT模块、35求模运算模块、36捕获判决模块、4细捕获电路、41第二乘法器模块、42累积补零模块、43去调制模块、44第二FFT模块、5捕获标志模块、6频率字更新模块。

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，所描述的实施例只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。

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种捕获方法及系统进行更详细地说明。

图1为本发明提出的捕获系统的一个实施例的结构示意图，如图1所示，所述捕获系统包括：

IQ基带电路1、重采样模块2、粗捕获电路3、细捕获电路4、捕获标志模块5、频率字更新模块6；

所述IQ基带电路1为所述重采样模块2提供I路基带数据和Q路基带数据，为进行捕获的信号源；

所述重采样模块2对所述IQ基带电路1提供的I路基带数据和Q路基带数据进行采样后，转换为I路和Q路正交基带数据，并发送至粗捕获电路3和细捕获电路4，I路基带数据和Q路基带数据通过重采样模块2，完成两倍抽取，输出的I路正交基带数据和Q路正交基带数据中每个码片包含两个采样点；

所述粗捕获电路3对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，并将粗捕获载波频偏估计、粗捕获伪码相位估计和粗捕获完成标志分别发送至频率字更新模块6、细捕获电路4、捕获标志模块5，由所述细捕获电路4生成更加精准的细捕获载波频率估计、细捕获完成标志，由捕获标志位模块生成所述粗捕获电路3的粗捕获成功标志；

所述细捕获电路4对所述粗捕获电路3的粗捕获伪码相位估计经本地伪码产生的给定码相位、所述重采样模块2产生的I路和Q路正交基带数据、所述捕获标志模块5产生的粗捕获成功标志进行运算，获取更加精准的细捕获载波频率估计和细捕获完成标志，并分别发送至所述频率字更新模块6和捕获标志模块5；

所述频率字更新模块6根据所述粗捕获电路3发送的粗捕获载波频率估计、所述细捕获电路4发送的细捕获载波频率估计，完成载波频率更新和载波频率更新标志；所述频率字更新模块6将所述粗捕获电路3和所述细捕获电路4中两次估计的频偏值进行相加，作为更新后的载波频率值输出，捕获完成。

所述捕获标志模块5根据获取的所述粗捕获电路3的粗捕获完成标志、所述细捕获电路4的细捕获完成标志，生成捕获成功标志。

所述粗捕获电路3包括：第一FFT模块31、移位模块32、第一乘法器模块33、IFFT模块34、求模运算模块35、捕获判决模块36；

所述第一FFT模块31接收所述重采样模块2的I路和Q路正交基带数据，并进行FFT，使其从时域信号转换到频域信号，生成数据频域序列信号并发送至移位模块32；在第一FFT模块31中FFT的点数设置为4L，L表示扩频比，在第一FFT模块31中相邻两段FFT输入数据中有2L点重叠，通过第一FFT模块31，将I路数据和Q路数据从时域转换至频域，其计算公式为：

式中，y(n)表示I路和Q路输入时域序列，L表示扩频比。

所述移位模块32对数据频域序列信号进行多次移位，并存储其移位结果；

在一个具体的实施例中，数据频域序列Y(k)按顺序写入所述移位模块32的片上RAM中，第一FFT模块31输出的第1组数据频域序列Y(k)数据的输出写入RAM1，第2组数据频域序列Y(k)数据的输出写入RAM2，第3～8组数据频域序列Y(k)数据的依次输出写入4块RAM中，通过控制RAM的起始读地址即可实现移位操作，其中RAM的起始读地址每增1和减1，得到的频域序列分别相当于原始的时域序列乘以频率为fcoarse和-fcoarse的正弦波后的FFT结果，所述fcoarse的计算公式如下

式中，fs表示重采样模块31的输出数据采样率，Rc表示码片速率。

所述第一乘法器模块33对所述移位模块32产生的移位结果与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘，并输出至所述IFFT模块34；

所述第一乘法器模块33对所述移位模块32产生的移位结果与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘的计算公式为：

R(k)＝Y^′(k)·C^*(k)；

式中，Y^′(k)表示移位模块的输出，C^*(k)表示本地伪码FFT的复共轭模块的输出。

所述IFFT模块34对所述第一乘法器模块33的结果进行IFFT运算，使信号从频域信号转换成时域信号；

所述IFFT模块34对所述第一乘法器模块33的结果进行IFFT运算的算法公式为：

所述求模运算模块35对转换的时域信号进行求模运算，得到频偏与码相位的二维搜索结果；

所述捕获判决模块36找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比，进行捕获判决，判断峰均比是否超过给定阈值，如果不超过给定阈值，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获，如果超过给定阈值，则判断粗捕获成功，进行细捕获。

所述捕获判决模块36找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比的算法公式为：

式中，max(RAM(i))表示RAM中的最大值，sum(RAM(i))表示RAM中所有存储内容的求和，Depth(RAM)表示RAM的深度；

如果par值大于等于预先设定门限值，则给出粗捕获完成标志，根据max(RAM(i))对应的RAM中的位置，分别给出载波频偏估计值和伪码相位估计值；

如果par值小于预先设定门限值，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获；

在一个具体的实施例中，以频偏搜索单元数量为17，码相位搜索单元数量为256为例，则RAM的深度为4352，当满足par大于等于门限值时，假设RAM中最大值对应的位置为n，载波频偏估计值和伪码相位估计值的计算公式分别如下

freq＝ceil(n/256)；

phase＝n-256·(freq-1)；

式中，ceil()表示向上取整，phase表示码相位估计值，freq表示载波频偏估计值序号。

在粗捕获中，频偏的搜索间隔为f_coarse，所述细捕获电路4则在此基础上进一步减小频偏的搜索间隔。

所述细捕获电路4包括：第二乘法器模块41、累积补零模块42、去调制模块43、第二FFT模块44；

所述第二乘法器模块41对所述粗捕获电路3的粗捕获伪码相位估计经本地伪码产生的给定码相位、所述重采样模块2产生的I路和Q路正交基带数据、所述捕获标志模块5产生的粗捕获成功标志进行相乘运算；

所述累积补零模块42对所述第二乘法器模块41的运算结果进行累积补零运算；其相关算法公式为：

式中，y(n)表示重采样模块的输出，c(n)表示本地伪码产生模块的输出；

所述累积补零模块42进行补零运算是指在相干累积结果的后面补零，假设第二FFT模块44中FFT的点数为64，而有效相干累积结果仅有32个点，则在这32个点的后面补32个0，然后将这64个点送入去调制模块43。

所述去调制模块43对所述累积补零模块42产生的运算结果进行去调制操作；去调制模块中对相干累积结果y_c取平方，算法公式如下：

y_de＝y_c ²；

所述第二FFT模块44对完成累积补零和去调制操作的基带数据进行运算，使其从时域信号转换到频域信号，生成细捕获载波频偏估计和细捕获完成标志。

所述第二FFT模块44在FFT的输出结果中找出模值平方的最大值，记录其对应的位置，细捕获电路4的频偏搜索间隔计算公式为：

式中，Rc表示码片速率，L表示扩频比，N表示第二FFT模块44的FFT的点数。

假设模值平方结果中最大值出现的位置对应序号为n，细捕获模块的频偏估计值计算公式为：

图2为本发明提出的捕获方法的一个实施例的流程图，如图2所示，所述捕获方法包括：

10，对I路和Q路基带信号进行重采样，生成I路和Q路正交基带数据；

20，对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏-码相位二维搜索的峰值并计算其在该峰值点处的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值；

30，如果否，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获；

40，如果是，则判断粗捕获成功，则进行细捕获；

50，通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值。

60，如果粗捕获成功，将对应粗捕获载波频偏估计值、伪码相位估计值、粗捕获完成标志位输出；

70，所述粗捕获完成标志位经捕获标志处理后，输出粗捕获成功标志和粗捕获失败标志。

所述对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏-码相位二维搜索的峰值并计算其在该峰值点处的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值包括：

将I路和Q路正交基带数据通过FFT，使其从时域信号转换到频域信号，生成数据频域序列信号；

将数据频域序列信号进行多次移位，存储其移位结果，并与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘；

对相乘后的结果进行IFFT，使信号从频域信号转换成时域信号；

对时域信号进行求模运算，得到频偏与码相位的二维搜索结果；

找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比，进行捕获判决，判断峰均比是否超过给定阈值。

所述将数据频域序列信号进行多次移位包括：

数据频域序列信号每位移一位，其对应的频偏变化了f/n；

式中f为信号的采样速率，n为FFT的长度。

所述通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值包括：

将粗捕获成功标志、粗捕获的伪码相位估计值经本地伪码产生的给定码相位、I路和Q路正交基带数据进行相乘；

对相乘产生的结果进行积累补零和去调制运算；

对得到的频偏信息的单载波进行FFT，得到细捕获载波频偏估计；

将细捕获载波频偏估计、细捕获完成标志输出；

完成载波频率更新、载波频率更新标志和捕获成功标志。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种信号捕获方法，其特征在于，包括：

对I路和Q路基带信号进行重采样，生成I路和Q路正交基带数据；

对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏-码相位二维搜索的峰值并计算其在该峰值点处的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值；

如果否，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获；

如果是，则判断粗捕获成功，则进行细捕获；

通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，还包括，如果粗捕获成功，将对应粗捕获载波频偏估计值、伪码相位估计值、粗捕获完成标志位输出；

所述粗捕获完成标志位经捕获标志处理后，输出粗捕获成功标志和粗捕获失败标志。

3.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，所述对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，找出频偏-码相位二维搜索的峰值并计算其在该峰值点处的峰均比，判断峰均比是否超过给定阈值包括：

将I路和Q路正交基带数据通过FFT，使其从时域信号转换到频域信号，生成数据频域序列信号；

将数据频域序列信号进行多次移位，存储其移位结果，并与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘；

对相乘后的结果进行IFFT，使信号从频域信号转换成时域信号；

对时域信号进行求模运算，得到频偏与码相位的二维搜索结果；

找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比，进行捕获判决，判断峰均比是否超过给定阈值。

4.根据权利要求3所述的捕获方法，其特征在于，所述将数据频域序列信号进行多次移位包括：

数据频域序列信号每位移一位，其对应的频偏变化了f/n；

式中f为信号的采样速率，n为FFT的长度。

5.根据权利要求2所述的捕获方法，其特征在于，所述通过细捕获，获取更为精准的载波频偏估计值包括：

将粗捕获成功标志、粗捕获的伪码相位估计值经本地伪码产生的给定码相位、I路和Q路正交基带数据进行相乘；

对相乘产生的结果进行积累补零和去调制运算；

对得到的频偏信息的单载波进行FFT，得到细捕获载波频偏估计；

将细捕获载波频偏估计、细捕获完成标志输出；

完成载波频率更新、载波频率更新标志和捕获成功标志。

6.一种信号捕获系统，其特征在于，包括：IQ基带电路、重采样模块、粗捕获电路、细捕获电路、捕获标志模块、频率字更新模块；

所述IQ基带电路为所述重采样模块提供I路基带数据和Q路基带数据，为进行捕获的信号源；

所述重采样模块对所述IQ基带电路提供的I路基带数据和Q路基带数据进行采样后，转换为I路和Q路正交基带数据，并发送至粗捕获电路和细捕获电路；

所述粗捕获电路对I路和Q路正交基带数据进行粗捕获，并将粗捕获载波频偏估计、粗捕获伪码相位估计和粗捕获完成标志分别发送至频率字更新模块、细捕获电路、捕获标志模块，由所述细捕获电路生成更加精准的细捕获载波频率估计、细捕获完成标志，由捕获标志位模块生成所述粗捕获电路的粗捕获成功标志；

所述细捕获电路对所述粗捕获电路的粗捕获伪码相位估计经本地伪码产生的给定码相位、所述重采样模块产生的I路和Q路正交基带数据、所述捕获标志模块产生的粗捕获成功标志进行运算，获取更加精准的细捕获载波频率估计和细捕获完成标志，并分别发送至所述频率字更新模块和捕获标志模块；

所述频率字更新模块根据所述粗捕获电路发送的粗捕获载波频率估计、所述细捕获电路发送的细捕获载波频率估计，完成载波频率更新和载波频率更新标志；

所述捕获标志模块根据获取的所述粗捕获电路的粗捕获完成标志、所述细捕获电路的细捕获完成标志，生成捕获成功标志。

7.根据权利要求6所述的捕获系统，其特征在于，所述粗捕获电路包括：第一FFT模块、移位模块、第一乘法器模块、IFFT模块、求模运算模块、捕获判决模块；

所述第一FFT模块接收所述重采样模块的I路和Q路正交基带数据，并进行FFT，使其从时域信号转换到频域信号，生成数据频域序列信号并发送至移位模块；

所述移位模块对数据频域序列信号进行多次移位，并存储其移位结果；

所述第一乘法器模块对所述移位模块产生的移位结果与本地伪码FFT结果的复共轭产生的伪码频域序列进行相乘，并输出至所述IFFT模块；

所述IFFT模块对所述第一乘法器模块的结果进行IFFT运算，使信号从频域信号转换成时域信号；

所述求模运算模块对转换的时域信号进行求模运算，得到频偏与码相位的二维搜索结果；

所述捕获判决模块找出码相位峰值及在该峰值点处的峰均比，进行捕获判决，判断峰均比是否超过给定阈值，如果不超过给定阈值，则判断粗捕获失败，重新进行粗捕获，如果超过给定阈值，则判断粗捕获成功，进行细捕获。

8.根据权利要求6所述的捕获系统，其特征在于，所述细捕获电路包括：第二乘法器模块、累积补零模块、去调制模块、第二FFT模块；

所述第二乘法器模块对所述粗捕获电路的粗捕获伪码相位估计经本地伪码产生的给定码相位、所述重采样模块产生的I路和Q路正交基带数据、所述捕获标志模块产生的粗捕获成功标志进行相乘运算；

所述累积补零模块对所述第二乘法器模块的运算结果进行累积补零运算；

所述去调制模块对所述累积补零模块产生的运算结果进行去调制操作；

所述第二FFT模块对完成累积补零和去调制操作的基带数据进行运算，使其从时域信号转换到频域信号，生成细捕获载波频偏估计和细捕获完成标志。

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