CN112764064A - 一种实现预处理的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种实现预处理的方法及装置，包括：下采样单元、重量化单元和存储单元；其中，下采样单元用于：对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；重量化单元用于：将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；存储单元用于：存储重量化单元处理后的数据。本发明实施例降低了预处理过程的复杂度，减少了预处理过程的运算量。
Description
技术领域
本文涉及但不限于卫星导航技术，尤指一种实现预处理的方法及装置。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)在人们的日常生活中发挥着越来越不可替代的重要作用，尤其在导航、勘探、监测、测量、通信授时等领域得到越来越多的应用。随着近年民用应用的快速发展，在日常生活中全球卫星导航系统已经逐渐深入，从手机、个人电脑、汽车、民用飞机到导弹、战机都离不开卫星导航技术。全球各大国都在努力发展卫星导航技术，目前存在多个卫星导航系统，各国之间既独立竞相发展卫星导航技术又相互兼容系统，形成繁荣的GNSS系统。全球卫星导航系统主要包括美国的GPS系统、中国的北斗(BD)系统、俄罗斯的全球导航卫星定位系统(GLONASS、以及欧洲的伽利略(Galileo)系统；其中，在中国和亚太地区，GPS和北斗应用较为广泛；在俄罗斯，以GPS和GLONASS应用较多。上述四个主要的卫星导航系统中，GPS、BD和伽利略采用码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)信号制式，GLONASS系统采用频分多址(FDMA，Frequency Division Multiple Access)信号制式。
导航接收机包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括需要大量计算的模块，如预处理模块、捕获(AE，Acquisition Engine)搜索模块等。为了提高处理速度和缩短处理时间，硬件部分往往配置多套并行的硬件资源来完成同一个处理任务；如捕获搜索模块就经常配置多个硬件通道，每个硬件通道可以独立地捕获搜索一颗卫星，系统可以同时捕获搜索多颗卫星，不需要通过加大硬件时钟频率来缩短处理时间。软件部分包括位置、速度、定时(PVT，Positioning、Velocity、Timing)模块、捕获转跟踪(A2T，AE to TE)模块、跟踪(TE，Tracking Engine)模块等。从信号处理流程来看，需要先捕获到卫星导航信号，然后通过A2T模块和跟踪模块进行处理。
由于捕获搜索过程需要在时间(码延时)和频率(载波多普勒)两个维度上搜索一颗可见卫星发射的导航信号，用来获得粗略的码延时结果和载波多普勒值，计算量十分大。同时，为了获得较好的捕获性能，需要通过较大的存储空间存储较长的导航信号；为了减小存储空间，相关技术在进行捕获预处理时将信号采样率降为码片速率的2倍，以同时满足奈奎斯特采样定理；例如，GPS系统的粗捕获(C/A，Coarse/Acquisition)码的码片速率为1.023兆赫兹(MHz)，则将导航信号的采样率降为2.046MHz；BD系统的测距码的码片速率为2.046MHz，则将导航信号的采样率降为4.092MHz；而为了提高定位性能，导航系统的初始信号采样率(即模拟数字转换器(ADC)输出信号的采样率)通常不是测距码率的整数倍，即上述捕获下采样为小数倍下采样；而小数倍下采样通常采用数字控制振荡器(NCO，Numerically Control Oscillator)方案，实现较为复杂。此外，在捕获预处理后的载波多普勒消除过程中，也牵涉到采样率变换的问题(目的是为了时间对齐)，同样需要用到NCO进行处理；即捕获处理时采用了两次NCO处理。图1为相关技术中捕获跟踪的装置的结构框图，如图1所示，捕获和跟踪的预处理是分别执行的。中频模拟信号经模数转换(ADC)单元采样后，通过消除中频单元进行消除中频的操作；对消除中频后的数据通过低通滤波器进行混频后高频分量的滤除；将滤除高频分量后的数据分为捕获预处理和跟踪预处理；其中，在捕获预处理的支路上，先通过小数倍下采样单元进行小数倍下采样处理，将采样率降为测距码的码率的2倍；将小数倍下采样处理后的信号通过捕获重量化单元执行捕获重量化操作，例如将I(同步)支路、Q(正交)支路数据重量化为各自2比特；重量化后的数据存入捕获存储器中，供后续的捕获搜索单元使用。与捕获支路不同的是，在跟踪预处理支路上，先进行整数倍下采样单元；将整数倍下采样的数据通过跟踪重量化单元进行跟踪重量化，重量化的比特数目也不同，如采用I、Q各3比特；最后，由于存储格式不同，跟踪存储器是一块单独的跟踪存储器中；跟踪相关器使用跟踪存储器里的I、Q数据进行后续处理。
综上，相关技术进行捕获即跟踪预处理时，需要分为两个支路分别进行处理，且捕获预处理时需要通过两次NCO处理实现，运算复杂。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种实现预处理的方法及装置，能够降低了预处理过程的复杂度，减少了预处理过程的运算量。
本发明实施例提供了一种实现预处理的装置，包括：下采样单元、重量化单元和存储单元；其中，
下采样单元用于：对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
重量化单元用于：将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储单元用于：存储重量化单元处理后的数据。
可选的，所述装置还包括：模数转换单元、消除中频单元及低通滤波单元；其中，
所述模数转换单元用于：对输入的中频模拟信号进行模数转换；
所述消除中频单元用于：对模数转换后的数据进行消除中频处理；
所述低通滤波单元用于：滤除消除中频处理后的数据中的所述高频分量。
可选的，所述装置还包括：捕获搜索单元和跟踪相关器；其中，
所述捕获搜索单元用于：根据存储单元存储的数据进行捕获搜索；
所述跟踪相关器用于：根据存储单元存储的数据进行跟踪操作。
另一方面，本发明实施例还提供一种实现预处理的方法，包括：
对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据。
可选的，所述方法还包括：
对输入的中频模拟信号进行模数转换；
对模数转换后的数据进行消除中频处理；
滤除消除中频处理后的数据中的所述高频分量。
可选的，所述方法还包括：
根据存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据进行捕获搜索；
根据存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据进行跟踪操作。
再一方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述实现预处理的方法。
还一方面，本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器；其中，
处理器被配置为执行存储器中的程序指令；
程序指令在处理器读取执行以下操作：
对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：下采样单元、重量化单元和存储单元；其中，下采样单元用于：对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；重量化单元用于：将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；存储单元用于：存储重量化单元处理后的数据。本发明实施例降低了预处理过程的复杂度，减少了预处理过程的运算量。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为相关技术中捕获跟踪的装置的结构框图；
图2为本发明实施例实现预处理的装置的结构框图；
图3为本发明实施例实现预处理的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
通过分析发现，捕获处理时采用小数倍下采样并不能节约多少存储空间；例如，初始信号采样率为16.369MHz，针对GPS信号，采用小数倍下采样(约等于8.0005，此时还引入了数值误差)将采样率变为2.046MHz；如果采用8倍下采样(整数倍)，则采样率变为2.046125MHz；存储1秒钟的数据只差125个样本点，而实际中往往远远不需要存储1秒钟的数据。
图2为本发明实施例实现预处理的装置的结构框图，如图2所示，包括：下采样单元、重量化单元和存储单元；其中，
下采样单元用于：对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
本发明实施例与相关技术相比，无需采用两路支路分别进行捕获和跟踪的预处理，仅直接进行整数倍下采样即可，简化了预处理电路的复杂度。
另外，本发明实施例整数倍下采样的倍数可以由本领域技术人员根据预处理的装置的处理进行分析设置。
重量化单元用于：将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
本发明实施例通过一个重量化单元即可进行多普勒消除和小数倍下采样处理，简化了预处理电路的复杂度，降低了预处理过程的计算量。
另外，本发明实施例通过重量化单元进行多普勒消除和小数倍下采样处理的参数可以由本领域技术人员分析后设置。
存储单元用于：存储重量化单元处理后的数据。
可选的，本发明实施例装置还包括：模数转换单元、消除中频单元及低通滤波单元；其中，
所述模数转换单元用于：对输入的中频模拟信号进行模数转换；
所述消除中频单元用于：对模数转换后的数据进行消除中频处理；
所述低通滤波单元用于：滤除消除中频处理后的数据中的所述高频分量。
可选的，本发明实施例装置还包括：捕获搜索单元和跟踪相关器；其中，
所述捕获搜索单元用于：根据存储单元存储的数据进行捕获搜索；
所述跟踪相关器用于：根据存储单元存储的数据进行跟踪操作。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：下采样单元、重量化单元和存储单元；其中，下采样单元用于：对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；重量化单元用于：将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；存储单元用于：存储重量化单元处理后的数据。本发明实施例降低了预处理过程的复杂度，减少了预处理过程的运算量。
以下以GPS信号为例，对本发明实施例方案进行示例说明，GPS L1(L1频点为1575.42MHz)的C/A码的码率为1.023MHz，则其有用信号的频谱带宽为2.046MHz，选择模数转换(ADC)采样率为16.369MHz，则选择中频信号的频率＝1575.42–96*16.369＝3.996MHz。经模数转换单元采样后的数字中频信号的采样率为16.369MHz，中频的频点为3.996MHz。数字中频信号为只有一路分量的信号，即实数信号。
消除中频模块的方法是混频；记ADC采样后的信号为r(k)，采样率Fs＝16.369MHz，中频f_IF＝3.996MHz，消除中频后的信号记为s_i(k)+j*s_q(k)，k表示采样点序号，则混频操作的计算公式为：
s_i(k)＝r(k)*cos(2*pi*k*f_IF/Fs)
s_q(k)＝r(k)*sin(-2*pi*k*f_IF/Fs)
低通滤波单元可以采用递归滤波器(IIR)，也可以采用有限长单位冲激响应滤波器(FIR滤波器)，只要能滤除2*f_IF以上分量即可。一种FIR滤波器的滤波器系数为：
5，-2，-6，-8，-3，10，26，37，37，26，10，-3，-8，-6，-2，5；
而在设计时，由于随后的捕获和跟踪均包含有积分操作，积分累加操作相当于低通滤波器，所以系统对此处的低通滤波器要求并不严格。整数倍下采样操作就是从整数个样本点中选取一个样本点作为输出样本点的操作，主要参考复杂度确定下采样倍数。本发明实施例GPS信号，采用8倍下采样，即从8个连续样本点中选择1个样本点作为输出。当然，需要先将输入信号分成8个连续样本点一组的若干组，再从每组信号中选择1个样本点输出。这样，下采样以后的数据采样率为16.369/8＝2.046125MHz。此时一个样本点包括同相分量和正交分量。
“跟捕重量化”模块面向跟踪模块和捕获模块。“重量化”采用自适应方案，即根据当前输入信号的幅值规律，尽可能地将输入信号无损失地表示成量化后的比特数值。本发明实施例根据复杂度、检验等因素，采用2比特量化方案，即将输入信号的I路分量和Q路分量分别量化为2比特。量化方案如下：
设置一个变量TH表示量化门限值，而该门限值是随着输入信号的幅值规律而自适应地调节的。2比特量化方案描述为(实部和虚部方法一样，记输入样本点值为S(k)，重量化后的样本点值为S2(k))：
S(k)<-TH时，S2(k)＝-3；-TH<S(k)<0时，S2(k)＝-1；
S(k)＝0时，S2(k)＝1或-1；其中，符号与前一样本点相同；
S(k)<＝TH时，S2(k)＝1；S(k)>TH时，S2(k)＝3；
由于量化后只有-3、-1、1、3四个取值，所以只需2个比特即可表示。
门限值TH的自适应调节的参考原则是：重量化以后的数值分布符合正态分布；值为3的样本点数量、值为1的样本点数量，以及-3和-1的样本点数量要符合正态分布，某一或某些取值的数量占比不能太多或太少。具体参数依据GPS信号规律，可通过理论推导和经验获得。下面给出一种门限值TH的自适应调节方案：
先设定一个门限初始值，以及设定调节周期如2000个样本点调节一次。在每个调节周期中，统计重量化后的取值为3或-3的样本点数量占比，再与预先设定的多档占比门限值相比较，根据比较结果相应地调整TH值，增大或减小或保持不变。在下一个调节周期中，对上一个周期获得的TH值进行调整。
图3为本发明实施例实现预处理的方法的流程图，如图3所示，包括：
步骤301、对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
步骤302、将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
步骤303、存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据。
可选的，本发明实施例步骤301之前还包括：
对输入的中频模拟信号进行模数转换；
对模数转换后的数据进行消除中频处理；
滤除消除中频处理后的数据中的所述高频分量。
可选的，本发明实施例步骤303之后还包括：
根据存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据进行捕获搜索；
根据存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据进行跟踪操作。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述实现预处理的方法。
本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器；其中，
处理器被配置为执行存储器中的程序指令；
程序指令在处理器读取执行以下操作：
对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种实现预处理的装置，其特征在于，包括：下采样单元、重量化单元和存储单元；其中，
下采样单元用于：对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
重量化单元用于：将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储单元用于：存储重量化单元处理后的数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：模数转换单元、消除中频单元及低通滤波单元；其中，
所述模数转换单元用于：对输入的中频模拟信号进行模数转换；
所述消除中频单元用于：对模数转换后的数据进行消除中频处理；
所述低通滤波单元用于：滤除消除中频处理后的数据中的所述高频分量。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：捕获搜索单元和跟踪相关器；其中，
所述捕获搜索单元用于：根据存储单元存储的数据进行捕获搜索；
所述跟踪相关器用于：根据存储单元存储的数据进行跟踪操作。
4.一种实现预处理的方法，其特征在于，包括：
对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对输入的中频模拟信号进行模数转换；
对模数转换后的数据进行消除中频处理；
滤除消除中频处理后的数据中的所述高频分量。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据进行捕获搜索；
根据存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据进行跟踪操作。
7.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求1～3中任一项所述的方法。
8.一种终端，包括：存储器和处理器；其中，
处理器被配置为执行存储器中的程序指令；
程序指令在处理器读取执行以下操作：
对滤除高频分量的数据进行整数倍下采样；
将完成整数倍下采样后的数据进行多普勒消除和小数倍下采样处理；
存储进行多普勒消除和小数倍下采样处理后的数据。
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