CN112910498B - Pmf-fft测控信号捕获装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PMF‑FFT测控信号捕获装置和方法，该装置包括：数字下变频模块、PMF模块、FFT模块、峰值检测模块、码生成模块、码相位补偿模块、循环控制模块和唐检测模块。本发明采用全并行流水的方式加快捕获速度，利用同样的相关器结构通过控制不同的循环次数来实现粗捕和精捕的过程，以尽可能节省硬件资源，对不同调制速率数据采用可变阶数的窗函数FIR滤波器对频谱进行平滑滤波，以提高多普勒频率的捕获精度。采用同样的相关器结构通过控制循环次数来调节码相位的搜索范围，从而实现粗捕和精捕，降低了设计复杂度，提高了适配灵活性。

Description

PMF-FFT测控信号捕获装置和方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体地，涉及PMF-FFT测控信号捕获装置和方法。

背景技术

直接序列扩频通信系统广泛应用于卫星导航、低轨卫星通信、双向测距等领域。直扩系统所传输数据通过与伪随机码调制，以及调制载波后将信号播发出去。其中，不同信号调制不同的伪随机码实现码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)。利用伪码的强自相关性，接收端对特定信号与本地伪码进行相关运算，只有得到正确的码相位时才能得到相关函数的尖峰，从而得到该伪码对应的信号。完成信号捕获之后，就对信号的载波频率和伪码相位有了初步的估计。

目前，部分匹配滤波和快速傅里叶相结合(Partial Match Filter-Fast FourierTransform，PMF-FFT)的信号捕获算法在搜索码相位的同时就能得到多普勒频谱，从而将相位、频率的二维搜索变成相位的一维搜索，有效减少了捕获时间。

然而PMF-FFT算法的设计，由于每次码相位的对应都需要进行一次运算量较高的傅里叶变换运算，需要较长的时间，占用较多的资源。如何有效的节省捕获时间和资源，以及如何对可变数据速率进行适配，是目前算法普遍需要面对的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种PMF-FFT测控信号捕获装置和方法。

第一方面，本发明提供一种PMF-FFT测控信号捕获装置，包括：数字下变频模块、PMF模块、FFT模块、峰值检测模块、码生成模块、码相位补偿模块、循环控制模块和唐检测模块，其中：

所述数字下变频模块，用于将接收到的中频信号分为I路和Q路；

所述PMF模块，用于将n组不同相位的本地码分别与I路和Q路数据做相关运算，并进行匹配滤波处理，得到滤波数据；

所述FFT模块，用于对所述滤波数据进行FFT运算处理和平滑处理，得到平滑处理后的数据；

所述峰值检测模块，用于计算所述平滑处理后的数据的最大值，并记录当前码相位和FFT输出数据地址；

所述码生成模块，用于根据当前码相位和FFT输出数据地址，生成与中频信号相同构造的码；

所述码相位补偿模块，用于在每次数字下变频模块输出数据更新时，根据所述码生成模块生成的码的相位补偿数据更换后的码相位，以及本地码滑动相关运算时移动的码相位；

所述循环控制模块，用于控制整个捕获流程的状态转移，以执行对全部码相位的搜索，得到粗捕结果；当所述粗捕结果超过第一预设阈值，则执行精捕流程；

所述唐检测模块，用于对精捕流程得到的捕获结果进行检测。

可选地，所述数字下变频模块，具体用于：

对BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)调制中频信号进行抽样处理，利用两路正交的正弦信号与中频信号相乘，以剥离中频信号载波并将信号分为I路和Q路。

可选地，所述FFT模块，具体用于：

对PMF输出结果做N点FFT处理，并将输出结果的实部和虚部做模平方，利用可变阶数矩形窗FIR滤波器对模平方和做平滑处理，得到平滑处理后的数据；其中，N为大于0的自然数。

可选地，所述峰值检测模块，具体用于：

检测FFT模块平滑后的输出数据中最大值的位置，计算最大值是否超过第二预设阈值，若超过第二预设阈值，则记录当前FFT输出最大值地址，以及当前的码多普勒频率和码相位。

可选地，所述码生成模块，具体用于：

根据当前码相位和FFT输出数据地址，在本地产生与中频信号相同构造的码，利用NCO(Numerically Controlled Oscillator，数控振荡器)技术将码速率与抽样后的信号码速率保持一致，并能通过赋值控制输出伪码的码初相。

可选地，所述循环控制模块，具体用于：

通过设置循环次数来确定当前的本地伪码相位；

根据当前的本地码相位，控制当前的捕获状态；

当对伪码全部相位的相关运算结束后，得到粗捕结果；

若所述粗捕结果超过第一预设阈值，则执行精捕流程；若所述粗捕结果不超过第一预设阈值，则判定捕获失败。

可选地，所述唐检测模块，具体用于：

缩小码相位的搜索范围，执行精捕流程，得到精捕结果，若所述精捕结果超过第三预设阈值，则确定捕获成功，若所述精捕结果不超过第三预设阈值，则判定捕获失败。

第二方面，本发明提供一种PMF-FFT测控信号捕获方法，应用于第一方面中任一项所述的PMF-FFT测控信号捕获装置中，所述方法包括：

步骤S1：对中频信号进行降速处理，并乘以两路正交的载波信号后，将所述中频信号分成I路和Q路；

步骤S2：读取各路中频信号与本地伪码做相关运算，经过部分匹配滤波器对数据进行累加，得到滤波数据；

步骤S3：对所述滤波数据进行FFT运算处理，并将FFT输出数据输入到可变阶数矩形窗FIR滤波器中做平滑处理，得到平滑处理后的数据；

步骤S4：计算所述平滑处理后的数据的最大值，并记录当前码相位和FFT输出数据地址；

步骤S5：检测所述平滑处理后的数据的最大值是否过门限，若未过门限，则改变码相位，返回执行步骤S3，直到遍历所有码相位；

步骤S6：每次数字下变频模块更新数据，补偿更新数据后的相位差，在n路数据匹配滤波和快速傅里叶处理完毕之后，补偿下一次数据对应的码相位；n为大于1的自然数；

步骤S7：对全部码相位搜索完成之后，得到粗捕结果，若粗捕结果超过第一预设阈值，则进入精捕流程，得到精捕结果；若粗捕结果不超过第一预设阈值，则判定位捕获失败；

步骤S8：将精捕结果进行唐检测，若所述精捕结果超过第三预设阈值，则确定捕获成功，若所述精捕结果不超过第三预设阈值，则判定捕获失败。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的PMF-FFT测控信号捕获装置和方法，采用PMF和FFT并行流水操作，大大节省了捕获时间；捕获过程中循环利用同一个FFT的IP核，节省了硬件资源。在捕获实现的精捕和粗捕两个阶段，采用同样的相关结构，通过控制循环次数来控制不同的码相位搜索范围，提高了捕获设计结构的灵活性。并通过加入相位补偿模块使得捕获过程中数据可以不断更新更新，以接收实时信号，减少高空恶劣环境数据翻转的影响，同时满足唐检测过程不断重复搜索需要持续更新数据的要求，提高了捕获结果的准确度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的PMF-FFT测控信号捕获流程的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的PMF-FFT测控信号捕获方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的粗捕和精捕状态切换的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的PMF-FFT测控信号捕获装置和方法，在于实现调制数据速率可调的扩频信号的快速捕获。减少资源的利用率，提高捕获速度，适应不同调制数据速率下的扩频信号捕获。

为实现上述要求，本发明采用全并行流水的方式加快捕获速度，相关器在对数据相关时采用循环相关的方式，利用同一个FFT的IP核对中频信号做循环相关，有效节省了硬件资源。

捕获过程分为粗捕和精捕两个过程，两过程采用相同的相关器结构，通过设置不同的循环次数来控制码相位搜索范围，同时捕获处理的中频数据定时更新，既能保证粗捕过程中伪码全相位搜索，也能解决精捕过程中唐检测的反复确认需要数据不断更新的问题，有效降低了误捕概率，减小了设计的复杂度，对于不同参数的直扩系统都有着较好的适配性。

对不同速率的数据，通过分析其在经过匹配滤波和快速傅里叶变换之后的谱线，确定合适的信号谱估计方法。对不同数据速率改变平滑滤波器的阶数，以减少频谱泄露，提高捕获精度，减小多普勒频率计算误差。

图1为本发明实施例提供的PMF-FFT测控信号捕获流程的原理示意图，如图1所示，本实施例可以包括：数字下变频模块、PMF模块、FFT模块、峰值检测模块、码生成模块、码相位补偿模块、循环控制模块和唐检测模块，其中：数字下变频模块，用于将接收到的中频信号分为I路和Q路；PMF模块，用于将n组不同相位的本地码分别与I路和Q路数据做相关运算，并进行匹配滤波处理，得到滤波数据；FFT模块，用于对滤波数据进行FFT运算处理和平滑处理，得到平滑处理后的数据；峰值检测模块，用于计算平滑处理后的数据的最大值，并记录当前码相位和FFT输出数据地址；码生成模块，用于根据当前码相位和FFT输出数据地址，生成与中频信号相同构造的码；码相位补偿模块，用于在每次数字下变频模块输出数据更新时，根据码生成模块生成的码的相位补偿数据更换后的码相位，以及本地码滑动相关运算时移动的码相位；循环控制模块，用于控制整个捕获流程的状态转移，以执行对全部码相位的搜索，得到粗捕结果；当粗捕结果超过第一预设阈值，则执行精捕流程；唐检测模块，用于对精捕流程得到的捕获结果进行检测。

本实施例中，相位补偿模块的加入，使得处理数据可以定期进行更换，本地伪码源源不断的生成并更新，减少恶劣太空环境下数据翻转产生的影响。PMF与FFT运算做流水线处理，进一步缩短了捕获时间。灵活易配置，可以通过修改循环次数和采样点数适应不同的码速率和信号速率的捕获，精捕和粗捕采用同样的捕获结构，减小了设计复杂度。由于FFT计算量大，计算时间长，占用资源较多，只用一个FFT IP核循环使用，有效减少了资源的耗费。对调制不同速率数据信号采用不同阶数滤波器平滑滤波的方式，减少了频谱泄露，提高了频率捕获精度。

图2为本发明实施例提供的PMF-FFT测控信号捕获方法的流程示意图；如图2所示，本实施例可以包括：

S1：对中频信号进行降速处理，并乘以两路正交的载波信号后，将所述中频信号分成I路和Q路。

在步骤S1中，通过数字下变频模块每次抽取x倍的数据，并乘以两路正交的载波，将信号分成I路和Q路。抽取后的信号的频率为f_s，码频率为f_c，捕获的码相位分辨率为f_s/f_c，每次处理数据长度为M(处理数据点数M需要至少包含一个完整的码周期)，采用乒乓设计，每次存储M个数据，每X×M个时钟更换新的数据。利用乒乓操作，每M时钟更换一次数据，同时给出更新数据标志。

S2：读取各路中频信号与本地伪码做相关运算，经过部分匹配滤波器对数据进行累加，得到滤波数据。

在步骤S2中，通过部分匹配滤波(PMF)模块对M点采样数据与m路m个f_c/f_s相位的本地码做相关运算，同时进行部分匹配滤波运算，PMF点数为L，等价为每L个点做积分，共输出N点积分后的数据，处理数据点数M满足M＝N×L。每次做m组并行PMF，以保证每次更新数据之前完成尽可能多的快速傅里叶变换，从而减少捕获时间。m值由数据更新时钟确定，由于每组PMF运算需要至少M个时钟，数据更新需要X×M时钟，m值取M-1。

S3：对所述滤波数据进行FFT运算处理，并将FFT输出数据输入到可变阶数矩形窗FIR滤波器中做平滑处理，得到平滑处理后的数据。

在步骤S3中，通过快速傅里叶变换(FFT)模块对PMF模块输出结果做N点FFT处理，并将输出结果的实部和虚部做模平方，由于调制数据的速率不同会对FFT输出结果的谱线造成偏移，因此需要采用可变阶数矩形窗FIR滤波器做平滑处理，对不同速率的数据采用不同的阶数，对每次PMF产生的n路数据做n次FFT。n值由处理数据M点数的时钟可以实现几次FFT确定。则每次数字下变频模块中数据更新的X*M个时钟可以进行m*n次FFT，搜索

个码相位。设捕获过程中数据更新的次数为l，则码相位搜索范围为

可以根据粗捕，精捕或者不同信号体制灵活设置l，m，n的参数。捕获的多普勒频率分辨率为

若调制数据速率为S，对于滤波器的阶数stage设置为

S4：计算所述平滑处理后的数据的最大值，并记录当前码相位和FFT输出数据地址。

在步骤S4中，峰值检测模块与FFT模块相连，用以检测FFT模块输出数据中最大值的位置，并检测最大值左右两边1/1.25的位置，计算其带内能量，检测带内能量是否超过阈值，如超过，则记录当前FFT输出最大值地址，取两个4/5最大峰值位置的平均值作为最大峰值的位置，对峰值谱线做一个频谱校正，记录此时循环次数l，m，n的值，计算此时的码多普勒频率数据。

S5：检测所述平滑处理后的数据的最大值是否过门限，若未过门限，则改变码相位，返回执行步骤S3，直到遍历所有码相位。

在步骤S5中，码相位补偿模块在每次数字下变频模块更新数据时，补偿更新数据后的相位差，在n路数据匹配滤波处理完毕之后，补偿下一次数据对应的码相位。相位补偿公式：采样点为M点，设码周期为P，则每次数字下变频模块更新采样数据需要补偿的相位为：

其中，f_c为码频率，f_s为降采样后的信号速率。

S6：每次数字下变频模块更新数据，补偿更新数据后的相位差，在n路数据匹配滤波和快速傅里叶处理完毕之后，补偿下一次数据对应的码相位；n为大于1的自然数。

在步骤S6中，码生成模块在本地生成与接收信号相同的伪码，利用设置码NCO的频率控制字使得本地码速率与接收信号码速率一致，并通过赋值码初相控制输出伪码的相位。对应的频率控制字的公式为

FSW为频率控制字，W为NCO累加器位宽。

利用移位寄存器可以同时产生m组不同码相位的伪码，每组码相位之差为f_s/f_c个相位。

码生成模块在两种情况下需要更新码初相：一种是数字下变频模块每次更新数据时，另一种是每次并行PMF数据处理结束之后。

S7：对全部码相位搜索完成之后，得到粗捕结果，若粗捕结果超过第一预设阈值，则进入精捕流程，得到精捕结果；若粗捕结果不超过第一预设阈值，则判定位捕获失败。

在步骤S7中，循环控制采用状态机的形式实现，与所述的数字下变频模块，PMF模块，FFT模块，峰值检测模块，码生成模块相连，通过控制每个模块的触发项来达到数据与本地码滑动相关运算。在M×X个时钟对数据做M-1次PMF，每组PMF输出做n次FFT，粗捕一共运算需要l×M×X个时钟。若当前循环次数为m′，n′，l′，则对应的码相位为：

设当前循环次数为粗捕成功之后，进入精捕。如果粗捕失败，则切换码片进行下一组信号的搜索。

S8：将精捕结果进行唐检测，若所述精捕结果超过第三预设阈值，则确定捕获成功，若所述精捕结果不超过第三预设阈值，则判定捕获失败。

在步骤S8中，精捕过程缩小码相位搜索范围，进行多次捕获运算，每次捕获结果输入唐检测模块，唐检测初始累加值设为A，每次捕获成功则累加值加1，捕获失败则累加值减1，若累加值达到预设的阈值B，则判定捕获成功，输出捕获结果，同时切换码组，进入下一轮信号的搜索；若累计值减为0，则判定捕获失败，进入下一轮信号的搜索。

示例性的，本装置对直扩信号捕获的方法如下：

(1)在数字下变频模块对数据进行降采样处理，并剥离载波将信号分成I、Q两路。

(2)数据进入PMF模块，与本地码相关，相关之后匹配滤波。

(3)对匹配滤波后的数据做FFT处理，对数据进行平滑处理。

(4)找出当前码相位下FFT输出平滑处理后的数据最大值，判断是否过阈值，直到搜索完所有码相位。

(5)粗捕结束，若通过阈值，则进入精捕，若没有通过阈值，则该轮捕获结束，切换码组，进入下一轮搜索。

(6)精捕过程若通过唐检测设定阈值，则判定捕获成功，输出码相位和多普勒频率，继续搜索下一轮。

本实施例，采用全并行流水的方式加快捕获速度，利用同样的相关器结构通过控制不同的循环次数来实现粗捕和精捕的过程，以尽可能节省硬件资源，对不同调制速率数据采用可变阶数的窗函数FIR滤波器对频谱进行平滑滤波，以提高多普勒频率的捕获精度。采用同样的相关器结构通过控制循环次数来调节码相位的搜索范围，从而实现粗捕和精捕，降低了设计复杂度，提高了适配灵活性。

需要说明的是，本发明提供的所述PMF-FFT测控信号捕获方法中的步骤，可以利用所述PMF-FFT测控信号捕获装置中对应的模块、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，包括：数字下变频模块、PMF模块、FFT模块、峰值检测模块、码生成模块、码相位补偿模块、循环控制模块和唐检测模块，其中：

所述数字下变频模块，用于将接收到的中频信号分为I路和Q路；

所述PMF模块，用于将n组不同相位的本地码分别与I路和Q路数据做相关运算，并进行匹配滤波处理，得到滤波数据；

所述FFT模块，用于对所述滤波数据进行FFT运算处理和平滑处理，得到平滑处理后的数据；

所述峰值检测模块，用于计算所述平滑处理后的数据的最大值，并记录当前码相位和FFT输出数据地址；

所述码生成模块，用于根据当前码相位和FFT输出数据地址，生成与中频信号相同构造的码；

所述码相位补偿模块，用于在每次数字下变频模块输出数据更新时，根据所述码生成模块生成的码的相位补偿数据更换后的码相位，以及本地码滑动相关运算时移动的码相位；

所述循环控制模块，用于控制整个捕获流程的状态转移，以执行对全部码相位的搜索，得到粗捕结果；当所述粗捕结果超过第一预设阈值，则执行精捕流程；

所述唐检测模块，用于对精捕流程得到的捕获结果进行检测。

2.根据权利要求1所述的PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，所述数字下变频模块，具体用于：

对BPSK信号调制中频信号进行抽样处理，利用两路正交的正弦信号与中频信号相乘，以剥离中频信号载波并将信号分为I路和Q路。

3.根据权利要求1所述的PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，所述FFT模块，具体用于：

对PMF输出结果做N点FFT处理，并将输出结果的实部和虚部做模平方，利用可变阶数矩形窗FIR滤波器对模平方和做平滑处理，得到平滑处理后的数据；其中，N为大于0的自然数。

4.根据权利要求1所述的PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，所述峰值检测模块，具体用于：

检测FFT模块平滑后的输出数据中最大值的位置，计算最大值是否超过第二预设阈值，若超过第二预设阈值，则记录当前FFT输出最大值地址，以及当前的码多普勒频率和码相位。

5.根据权利要求1所述的PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，所述码生成模块，具体用于：

根据当前码相位和FFT输出数据地址，在本地产生与中频信号相同构造的码，利用NCO技术将码速率与抽样后的信号码速率保持一致，并能通过赋值控制输出伪码的码初相。

6.根据权利要求1所述的PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，所述循环控制模块，具体用于：

通过设置循环次数来确定当前的本地伪码相位；

根据当前的本地码相位，控制当前的捕获状态；

当对伪码全部相位的相关运算结束后，得到粗捕结果；

若所述粗捕结果超过第一预设阈值，则执行精捕流程；若所述粗捕结果不超过第一预设阈值，则判定捕获失败。

7.根据权利要求1所述的PMF-FFT测控信号捕获装置，其特征在于，所述唐检测模块，具体用于：

缩小码相位的搜索范围，执行精捕流程，得到精捕结果，若所述精捕结果超过第三预设阈值，则确定捕获成功，若所述精捕结果不超过第三预设阈值，则判定捕获失败。

8.一种PMF-FFT测控信号捕获方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的PMF-FFT测控信号捕获装置中，所述方法包括：

步骤S1：对中频信号进行降速处理，并乘以两路正交的载波信号后，将所述中频信号分成I路和Q路；

步骤S2：读取各路中频信号与本地伪码做相关运算，经过部分匹配滤波器对数据进行累加，得到滤波数据；

步骤S3：对所述滤波数据进行FFT运算处理，并将FFT输出数据输入到可变阶数矩形窗FIR滤波器中做平滑处理，得到平滑处理后的数据；

步骤S4：计算所述平滑处理后的数据的最大值，并记录当前码相位和FFT输出数据地址；

步骤S5：检测所述平滑处理后的数据的最大值是否过门限，若未过门限，则改变码相位，返回执行步骤S3，直到遍历所有码相位；

步骤S6：每次数字下变频模块更新数据，补偿更新数据后的相位差，在n路数据匹配滤波和快速傅里叶处理完毕之后，补偿下一次数据对应的码相位；n为大于1的自然数；

步骤S7：对全部码相位搜索完成之后，得到粗捕结果，若粗捕结果超过第一预设阈值，则进入精捕流程，得到精捕结果；若粗捕结果不超过第一预设阈值，则判定位捕获失败；

步骤S8：将精捕结果进行唐检测，若所述精捕结果超过第三预设阈值，则确定捕获成功，若所述精捕结果不超过第三预设阈值，则判定捕获失败。

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