CN112600608A - 一种多帧叠加的卫星信号捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种多帧叠加的卫星信号捕获方法及装置，方法包括：对接收的数字基带信号与前导码已知符号进行复数共轭乘法运算，实现去调制；对去调制信号进行滑动窗的能量累加、并对累加结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度；将当前物理帧的N个能量值分别与历史物理帧N个能量平滑值求差值，并将差值与一影响因子a做乘法运算后与上一次的计算结果进行累加操作，获得N个平滑累加结果，并将N个平滑累加结果作为新的历史物理帧N个能量平滑值，形成一阶反馈环路结构；读出平滑累加结果的能量平滑值，寻找最大值和对应的缓存地址，判定针头位置。降低前导码开销，去调制后进行多帧叠加，提高捕获的抗噪声能力和捕获概率。

Description

一种多帧叠加的卫星信号捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术，尤其与一种多帧叠加的卫星信号捕获方法及装置相关。
背景技术
卫星链路采用透明转发方式，卫星终端可自发自收，卫星链路的捕获能力主要由物理帧的前导码长度决定的，前导码越长，卫星信号的捕获概率就越高，适应的捕获门限就越低，卫星终端的环境适应能力就越强；同时前导码的长度越长，物理帧的开销就越大，单位时间内传输的有效载荷越少，卫星的带宽利用率就越低。
现有的卫星通信技术领域，已出现较多的针对特定应用场景，提高捕获能力的方法，这些方法都是基于单帧的前导码的捕获能力针对特定场景进行方法改进与算法创新，比如前导序列的自相关性改进、差分相关、分段相关等。
如专利公布号：CN 103543456 A 公开了一种基于分段相关结合FFT 运算的大频偏GNSS 信号捕获方法，通过分段相关结合FFT 运算，可在码相位串行搜索的同时完成载波频率的并行搜索，有效缩短大频偏GNSS 信号捕获时间，提高捕获抗频偏能力，但是系统的捕获抗噪声能力，并无实质性改善。
如专利公布号：CN 106685879 A 公开了一种基于IEEE802 .11协议的正交频分复用技术多帧同步方法，使用粗同步帧头估计、精同步帧头估计、帧尾估计，在保证捕获性能的条件下，简化精同步帧头估计的要求，但粗同步帧头估计采用了系统静默期的特殊帧结构来实现，其应用场景大大受限。
发明内容
本发明主要针对上述相关现有技术的不足与缺陷，提供一种多帧叠加的卫星信号捕获方法及装置，基于多帧叠加技术来降低前导码开销，利用去调制后的前导码进行多帧叠加，提高相关峰峰值及抗噪能力，从而提高捕获的抗噪声能力和捕获概率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术：
一种多帧叠加的卫星信号捕获方法，其特征在于，包括步骤：
对接收的数字基带信号与前导码已知符号进行复数共轭乘法运算，实现去调制；
对去调制信号进行滑动窗的能量累加、并对累加结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度；
将当前物理帧的N个能量值分别与从缓存单元读取的历史物理帧N个能量平滑值求差值，并将差值与一影响因子a做乘法运算后与上一次的计算结果进行累加操作，获得N个平滑累加结果，并将N个平滑累加结果写入缓存单元作为新的历史物理帧N个能量平滑值,以供下一次求差值使用，形成一阶反馈环路结构；
从缓存单元中读出平滑累加结果的能量平滑值，在物理帧长度N内寻找最大值和对应的缓存地址，从而判定针头位置。
缓存单元中历史物理帧N个能量平滑值的初始状态为0或空，对应的上一次的计算结果的初始状态为0或空，缓存单元的存储深度为物理帧的符号长度N。
对去调制信号进行滑动窗的能量累加并对累加的结果求能量值，是先对滑动窗内的符号累加，滑动窗的长度为前导码的长度n，对单位长度n内的符号I/Q进行加法运算，对I/Q加法运算的结果先各自进行平方操作，然后进行加操作，求得单位长度n内的符号能量，一个物理帧长度内产生N个能量值。。
数字基带信号是指：卫星下行链路信号经模拟器件放大、滤波、变频、模数转换、数字抽取、滤波、定时处理后，得到的一倍符号速率的数字基带信号。
影响因子a是指大于0且小于1的平滑小数。
一种多帧叠加的卫星信号捕获装置，其特征在于，包括：
去调制单元，用于对接收的数字基带信号与前导码已知符号进行复数共轭乘法运算，实现去调制；
滑窗能量累加单元，用于对去调制信号进行滑动窗的幅值累加、并对累加的结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度；
缓存单元，用于对历史物理帧N个能量平滑值进行存储；
多帧平滑单元，用于将当前物理帧的N个能量值分别与从缓存单元读取的历史物理帧N个能量平滑值求差值，并将差值与一影响因子a做乘法运算后与上一次的计算结果进行累加操作，获得N个平滑累加结果，并将N个平滑累加结果写入缓存单元作为新的历史物理帧N个能量平滑值以供下一次求差值使用，形成一阶反馈环路结构；
寻峰值单元，用于从缓存单元中读出平滑累加结果的能量平滑值，在物理帧长度N内寻找最大值和对应的缓存地址，从而判定针头位置。
本发明有益效果在于：
1、在系统捕获性能一定得情况下，能大幅降低前导码长度，有效提高系统物理帧的效率与带宽利用率；以帧长N为1482个符号为例，采用多帧平滑方式，在不降低系统设计规格的前提下，前导n可降低为10个符号，其帧效率能达到99.3%，远高于传统的帧设计效率。
2、在物理帧的帧结构一定得情况下，可大幅提高系统的捕获概率，提高系统的抗噪声能力；多帧平滑方式下，平滑的帧数越多，前导能量累加效果越明显，一般情况下平滑帧数增加一倍，捕获能力提升3db。
3、系统能量平滑窗的引入，提高了系统抗突发干扰的能力，提高了系统的环境适应能力；影响因子a以及多帧平滑方法有效降低了突发干扰的影响程度，保持物理链路锁定状态。
附图说明
本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。
图1为本申请实施例的方法流程示意图。
图2为本申请实施例的去调制示意图。
图3为本申请实施例的多帧平滑示意图。
图4为本申请实施例的装置结构框图。
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，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明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。
实施例一
卫星下行链路信号经模拟器件放大、滤波、变频、模数转换、数字抽取、滤波、定时处理后，得到一倍符号速率的数字基带信号，进入捕获环节，本实例的捕获方法过程如图1所示：
S1去调制，利用前导码的已知符号，对接收到的一倍符号速率的数字基带信号进行复数共轭乘法运算，实现去调制过程，如图2所示为去调制示意图。
S2滑窗能量累加：对去调制信号进行滑动窗的能量累加，滑动窗的长度为前导码的长度n，能量累加过程即为滑动窗内的符号幅值累加，对滑窗内累加的结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度。
具体的，对去调制信号在滑动窗长度n内进行能量累加，对单位长度n内的符号I/Q进行加法运算，对I/Q加法运算的结果先各自进行平方操作，然后进行加操作，求得单位长度n内的符号能量，一个物理帧长度内产生N个能量值，N为物理帧长度。
S3多帧平滑：对当前物理帧的N个能量值与历史物理帧的N个能量平滑值（从缓存单元读出）对齐，并进行平滑累加，并将N个新运算结果重新写入缓存单元，待下一次获取使用。
缓存单元中历史物理帧N个能量平滑值的初始状态为0或空，对应的上一次的计算结果的初始状态为0或空，缓存单元的存储深度为物理帧的符号长度N。
如图3所示，多帧平滑的处理示意图：
对当前帧的输入的能量值与历史平滑后的能量值求差值；
将该差值与影响因子a做乘法运算，影响因子a为取值在（0,1）之间的平滑分度；
对乘法运算的结果(运算的结果可正可负)与上一次的计算结果进行累加操作；
同时将累加的结果反馈到求差值部分，形成一阶反馈环路结构。
S4寻峰值：对平滑后的物理帧长度内求能量最大值，最大值的位置，即为物理帧的帧头位置。
具体的，是从缓存单元中读出平滑累加结果的能量平滑值，在物理帧长度N内寻找最大值和对应的缓存地址，从而判定针头位置。
对于前导符号较少的情况下，比如前导符号n取值为10，物理帧长为为148个符号的情况下，在信道条件信噪比SNR为6db的情况下，无法通过现有技术进行捕获，通过本实例采用多帧平滑的方式，提高前导码的能量累加效果，在不牺牲物理帧传输效率的情况下，提高了系统的帧捕获性能。
实施例二
如图4所示，为本实例提供的多帧叠加的卫星信号捕获装置结构框图，包括依次连接的去调制单元、滑窗能量累加单元、缓存单元、多帧平滑单元、寻峰值单元。缓存单元同时反向连接多帧平滑单元。
具体的应用时：
卫星下行链路信号经模拟器件放大、滤波、变频、模数转换、数字抽取、滤波、定时处理后，得到一倍符号速率的数字基带信号，进入多帧叠加的卫星信号捕获装置，多帧叠加的卫星信号捕获装置的处理流程如图1所示：
首先，去调制单元对接收的数字基带信号与前导码已知符号进行复数共轭乘法运算，实现去调制，具体去调制的示意图如图2所示。
然后，滑窗能量累加单元对去调制信号进行滑动窗的能量累加、并对累加结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度；具体的，滑窗能量累加单元对滑动窗内的符号幅值进行累加，滑动窗的长度为前导码的长度n，对单位长度n内的符号I/Q进行加法运算，对I/Q加法运算的结果先各自进行平方操作，然后进行加操作，求得单位长度n内的符号能量，一个物理帧长度内产生N个能量值。
缓存单元对历史物理帧N个能量平滑值进行存储，缓存单元中历史物理帧N个能量平滑值的初始状态为0或空，对应的上一次的计算结果的初始状态为0或空，缓存单元的存储深度为物理帧的符号长度N。
多帧平滑单元将当前物理帧的N个能量值分别与从缓存单元读取的历史物理帧N个能量平滑值求差值，并将差值与一影响因子a做乘法运算后与上一次的计算结果进行累加操作，获得N个平滑累加结果，并将N个平滑累加结果写入缓存单元作为新的历史物理帧N个能量平滑值以供下一次求差值使用，形成一阶反馈环路结构。具体的，多帧平滑单元的处理方式如图3所示。这里，影响因子a是指大于0且小于1的平滑分度。
寻峰值单元从缓存单元中读出平滑累加结果的能量平滑值，在物理帧长度N内寻找最大值和对应的缓存地址，从而判定针头位置。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多帧叠加的卫星信号捕获方法，其特征在于，包括步骤：
对接收的数字基带信号与前导码已知符号进行复数共轭乘法运算，实现去调制；
对去调制信号进行滑动窗的能量累加、并对累加结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度；
将当前物理帧的N个能量值分别与从缓存单元读取的历史物理帧N个能量平滑值求差值，并将差值与一影响因子a做乘法运算后与上一次的计算结果进行累加操作，获得N个平滑累加结果，并将N个平滑累加结果写入缓存单元作为新的历史物理帧N个能量平滑值以供下一次求差值使用，形成一阶反馈环路结构；
从缓存单元中读出平滑累加结果的能量平滑值，在物理帧长度N内寻找最大值和对应的缓存地址，从而判定针头位置。
2.根据权利要求1所述的多帧叠加的卫星信号捕获方法，其特征在于：缓存单元中历史物理帧N个能量平滑值的初始状态为0或空，对应的上一次的计算结果的初始状态为0或空，缓存单元的存储深度为物理帧的符号长度N。
3.根据权利要求1所述的多帧叠加的卫星信号捕获方法，其特征在于，对去调制信号进行滑动窗的能量累加并对累加的结果求能量值，是先对滑动窗内的符号累加，滑动窗的长度为前导码的长度n，对单位长度n内的符号I/Q进行加法运算，对I/Q加法运算的结果先各自进行平方操作，然后进行加操作，求得单位长度n内的符号能量，一个物理帧长度内产生N个能量值。
4.根据权利要求1所述的多帧叠加的卫星信号捕获方法，其特征在于，数字基带信号是指：卫星下行链路信号经模拟器件放大、滤波、变频、模数转换、数字抽取、滤波、定时处理后，得到的一倍符号速率的数字基带信号。
5.根据权利要求1所述的多帧叠加的卫星信号捕获方法，其特征在于，影响因子a是指大于0且小于1的平滑分度。
6.一种多帧叠加的卫星信号捕获装置，其特征在于，包括：
去调制单元，用于对接收的数字基带信号与前导码已知符号进行复数共轭乘法运算，实现去调制；
滑窗能量累加单元，用于对去调制信号进行滑动窗的能量累加、并对累加结果求能量值，产生N个能量值结果，N为物理帧的符号长度；
缓存单元，用于对历史物理帧N个能量平滑值进行存储；
多帧平滑单元，用于将当前物理帧的N个能量值分别与从缓存单元读取的历史物理帧N个能量平滑值求差值，并将差值与一影响因子a做乘法运算后与上一次的计算结果进行累加操作，获得N个平滑累加结果，并将N个平滑累加结果写入缓存单元作为新的历史物理帧N个能量平滑值以供下一次求差值使用，形成一阶反馈环路结构；
寻峰值单元，用于从缓存单元中读出平滑累加结果的能量平滑值，在物理帧长度N内寻找最大值和对应的缓存地址，从而判定针头位置。
7.根据权利要求6所述的多帧叠加的卫星信号捕获装置，其特征在于，缓存单元中历史物理帧N个能量平滑值的初始状态为0或空，对应的上一次的计算结果的初始状态为0或空，缓存单元的存储深度为物理帧的符号长度N。
8.根据权利要求6所述的多帧叠加的卫星信号捕获装置，其特征在于，滑窗能量累加单元，用于对滑动窗内的符号累加，滑动窗的长度为前导码的长度n，对单位长度n内的符号I/Q进行加法运算，对I/Q加法运算的结果先各自进行平方操作，然后进行加操作，求得单位长度n内的符号能量，一个物理帧长度内产生N个能量值。
9.根据权利要求6所述的多帧叠加的卫星信号捕获装置，其特征在于，数字基带信号是指：卫星下行链路信号经模拟器件放大、滤波、变频、模数转换、数字抽取、滤波、定时处理后，得到的一倍符号速率的数字基带信号。
10.根据权利要求6所述的多帧叠加的卫星信号捕获装置，其特征在于，影响因子a是指大于0且小于1的平滑分度。
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