CN112968719B - 一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置、设备及介质，涉及通信信号同步技术领域，通过采集直接序列扩频通信信号，通过对该信号抽取采样点、缩短扩频序列长度、折叠扩频序列长度和减少匹配滤波器长度来对该信号做范围级捕获处理，获得小范围的捕获频率带宽信号，得到低精度的载波频偏估计值fd1和低分辨率的码同步点TOA1。采集小范围的捕获频率带宽信号，通过对该信号增加匹配滤波器长度、保持完整的扩频序列长度、完整的采样点和降低快速傅里叶变换点数来对该信号做精度级捕获处理，得到高精度的载波频偏估计值fd2和高分辨率的码同步点TOA2，实现高动态，长扩频码的场景下，能够有效降低硬件开销且缩短捕获时延。

Description

一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及通信信号同步技术领域，具体涉及一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置、设备及介质。

背景技术

直接序列扩频(Direct sequence spread spectrum，DSSS)通信抗干扰能力强，保密性高，因此被广泛应用于民用和军事通信中，而直扩通信系统中载波频率和码相位的同步捕获过程是保证直扩通信系统性能的关键技术。

在很多关键应用领域，如低轨卫星通信，超音速飞行器，导弹等，直扩通信都面临着由于高速移动带来的高动态问题。在高动态场景下，直扩信号存在很大的多普勒频偏，且要求尽量短的同步捕获时延。

目前，为了保证在大多普勒频移下的快速跟踪，一般采用时频二维同步搜索的思想同时进行载波频率和码相位的同步捕获，具体应用最多的捕获方法为采用匹配滤波(Match filter，MF)和快速傅里叶变换(Fast fourier transform，FFT)相结合的捕获方式。

但经发明人研究发现，随着捕获带宽的增加，捕获精度的提升，捕获时延的减小，匹配滤波和傅里叶变换相结合的方法计算复杂度和硬件开销都将急剧增加，尤其是在长扩频序列场景和高精度捕获需求下，巨大的硬件开销给实际实现带来了困难。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置设备及介质，解决了高动态场景下现有技术方案计算复杂度高、硬件开销大且实际实现较为困难的问题，以保证高动态场景下的同步捕获方案的切身可行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多分辨率通信信号同步捕获方法包括以下步骤：

采集直接序列扩频通信信号，通过对该信号抽取采样点、缩短扩频序列长度、折叠扩频序列长度和减少匹配滤波器长度来对该信号做范围级捕获处理，在范围级捕获处理结束后，得到低精度的载波频偏估计值fd1和低分辨率的码同步点TOA1。通过对该信号增加匹配滤波器长度、保持完整的扩频序列长度、完整的采样点和降低快速傅里叶变换点数来对该信号做精度级捕获处理，得到高精度的载波频偏估计值fd2和高分辨率的码同步点TOA2。

在本方案中，在范围级捕获处理中，捕获目的在于将大的捕获频率带宽缩小到一个较小的范围内，进而获得一个小范围的捕获频率带宽，在精度级捕获处理中，待捕获频率范围已被限制在了较小的范围，通过减少这一级的运算量和计算时延，进而完成高精度捕获。具体而言，在基于匹配滤波和快速傅里叶变换结合的基础上，设置多分辨率的高精度快速捕获方法，在高动态，长扩频码的场景下，能够有效降低硬件开销且缩短捕获时延。

需要说明的是，在高动态和长扩频码场景下，现有技术中的快速傅里叶变换点数需求较高，从而急剧增加了硬件开销和计算时延。通过两级分辨率捕获的方法，充分利用匹配滤波器和快速傅里叶变换对于捕获性能的影响，平衡两级捕获的捕获范围和捕获精度，使得快速傅里叶变换点数大幅降低，从而节省了算法硬件开销和计算时延。

进一步地，在进行范围级捕获处理后获得下变频后的数据和本地序列分段的数据，对获得的以上数据进行部分匹配滤波，并进行FFT计算得到其频谱，将获取的频谱进行幅值计算，选取计算得到的最大幅值，将最大幅值与门限进行比较，进而判断获取的所述同步点和频偏大小；

下变频后的数据具体为：

其中，Ps为信号的功率，d(t)为信号，c(t)为扩频码，Ts为采样间隔，τ为码的延迟，f_IF为中频频率，fd为频偏，n(t)为噪声。

优选地，本地序列分段的数据中获得本地产生信号具体为：

r_L(i)＝c(iT_s)[cos2πf_IFiT_s+jsin2πf_IFiT_s]

通过本地产生信号，进而获取匹配滤波器第m段的输出；

第m段匹配滤波器输出具体为：

其中，Rc(t)为扩频码的自相关函数，Tc为码元周期，

为两信号载波相位之间的差值，

为部分匹配滤波器的相位特性。

进一步地，当伪码对准后，得到y(m)的归一化幅频响应具体为：

其中，X为部分相关的码元数目，Tc为码元周期。

进一步地，对部分相关结果y(m)进行M点的FFT运算，当本地码相位和接收信号码相位一致时，则：

对p(k)求取幅值，获取其归一化幅频响应，具体为：

其中，选取归一化幅频响应中最大值与门限进行比较，若超过门限，则捕获成功，此时最大值对应的索引k可以得到频偏fd，最大值获取时刻的进入符号位置即为TOA值。

此外，本发明还提供一种多分辨率通信信号同步捕获方法的装置，包括发射端和接收端，所述发射端将原信号扩频后发射出直接序列扩频通信信号，所述接收端对采集的所述直接序列扩频通信信号进行范围级捕获处理和精度级捕获处理，并将直接序列扩频通信信号进行解扩后获取原信号，所述接收端内设置处理器、可编程的逻辑模块和滤波器，实现范围级捕获处理和精度级捕获处理。

优选地，所述处理器和可编程的逻辑模块选用DSP和ASIC组合或ARM和FPGA组合。

进一步地，在选用ARM和FPGA后，所述ARM内建立有用于控制FPGA内各个子模块的状态机，通过设置状态机的组合逻辑来建立范围级捕获处理方法和精度级捕获处理方法。

此外，本发明还提供一种电子设备，包括储存器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法步骤。

此外，本发明还提供一种可读储存介质，其存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置、设备及介质，在扩频通信信号捕获中，通过将大频偏、高精度(载波频率和时延精度)的捕获需求分解为多分辨率的频偏和精度捕获需求；

2、本发明一种多分辨率通信信号同步捕获方法、装置、设备及介质，利用匹配滤波和快速傅里叶变换相结合方法中，序列长度、匹配滤波、快速傅里叶变换分别对于捕获精度、捕获频偏范围、捕获时延的影响，平衡各级捕获范围和精度，达到降低计算复杂度和缩短捕获时延的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的捕获框图；

图2为本发明实施例中的一种捕获方法示意图；

图3为本发明实施例中的另一种捕获方法示意图；

图4为本发明实施例中的又一种捕获方法示意图；

图5为本发明实施例中的流程框图；

图6为本发明实施例中的同步捕获装置示意框图。

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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

如图1与图5所示，本发明一种多分辨率通信信号同步捕获方法，包括以下步骤：

步骤1：采集直接序列扩频通信信号，通过对该信号抽取采样点、缩短扩频序列长度、折叠扩频序列长度和减少匹配滤波器长度来对该信号做范围级捕获处理，获得小范围的捕获频率带宽信号，在捕获处理结束后，得到低精度的载波频偏估计值fd1和低分辨率的码同步点TOA1；

步骤2：采集所述小范围的捕获频率带宽信号，通过对该信号增加匹配滤波器长度、保持完整的扩频序列长度、完整的采样点和降低快速傅里叶变换点数来对该信号做精度级捕获处理，得到高精度的载波频偏估计值fd2和高分辨率的码同步点TOA2。

本发明在实际应用过程中：

在一种实施方式中，如图2所示，采用截短长扩频序列的方法来实现两级分辨率捕获。在第一级分辨率捕获中，通过将长度为L的长扩频序列截短为长度为L/K的扩频序列，在保证大频偏捕获带宽情况下，降低快速傅里叶变换的点数。在第二级分辨率捕获中，采用完整的长度为L的扩频序列进行捕获，但增加匹配滤波长度，从而降低快速傅里叶变换点数。

在另一种实施方式中，如图3所示，采用分段求和平均的方法实现两级分辨率捕获。在第一级分辨率捕获中，通过将长度为L的长扩频序列进行分段，然后求和取平均，使得在保证大频偏捕获带宽下，能够降低快速傅里叶变换的点数。第二级分辨率捕获与前序实施方式相同。

在又一种实施方式中，采用折叠长扩频序列的方法实现两级分辨率捕获。在第一级分辨率捕获中，通过将连续的N个采样点进行求和，得到一个等效序列采样点，然后进行后续的捕获计算，同样在保证大频偏捕获带宽下，能够降低快速傅里叶变换的点数。第二级分辨率捕获与第一种实施方式相同。

在其中一个实施例中，进行范围级捕获处理后获得下变频后的数据和本地序列分段的数据，对获得的以上数据进行部分匹配滤波，并进行FFT计算得到其频谱，将获取的频谱进行幅值计算，选取计算得到的最大幅值，将最大幅值与门限进行比较，进而判断获取的所述同步点和频偏大小。

具体采用如下实现：

在其中一个实施例中，对于本地序列分段的数据中获得本地产生信号具体为：

r_L(i)＝c(iT_s)[cos2πf_IFiT_s+jsin2πf_IFiT_s]

再通过本地产生信号，进而获取匹配滤波器第m段的输出；

其中，获取的第m段匹配滤波器输出具体为：

具体的，当伪码对准后，得到y(m)的归一化幅频响应具体为：

优选地，当本地码相位和接收信号码相位一致时，对部分相关结果y(m)进行M点的FFT运算

具体的，早选取归一化幅频响应中最大值与门限进行比较，若超过门限，则捕获成功，此时最大值对应的索引k可以得到频偏fd，最大值获取时刻的进入符号位置即为TOA值

此外，本发明提高一种多分辨率通信信号同步捕获方法的装置，包括发射端和接受端，所述发射端将原信号扩频后发射出直接序列扩频通信信号，所述接收端将直接序列扩频通信信号进行解扩后获取原信号，并通过设置于所述接收端内的处理器、可编程的逻辑模块以及带通滤波器，对采集的所述直接序列扩频通信信号进行范围级捕获处理和精度级捕获处理，具体的，处理器和可编程的逻辑模块选用DSP和ASIC组合或ARM和FPGA组合。

在其中一个实施例中，选用ARM和FPGA后，所述ARM内建立有用于控制FPGA内各个子模块的状态机，通过设置状态机的组合逻辑来建立范围级捕获处理方法和精度级捕获处理方法。

此外本发明提供一种电子设备，包括储存器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种多分辨率通信信号同步捕获方法的步骤。

可以理解的是，具有一组(至少一个)的程序/实用工具，可以存储在例如系统存储器中，这样的程序包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序通常执行本发明实施例所描述的实施例中的功能和/或方法。

此外本发明提供一种可读储存介质，其存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种多分辨率通信信号同步捕获方法。

本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储存器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

本发明对扩频序列，进行快速组合，具体为通过将大偏颇、高精度的捕获需求分解为多分辨率的频偏和精度捕获需求，通过利用匹配滤波和快速傅里叶变换相结合的方法，序列长度、匹配滤波、快速傅里叶变换分别复杂度和缩短捕获时延的目的，在为了保证在大多普勒频移下的快速跟踪引入一个追踪向量通过该追踪向量，获取数据导出结果，在实际应用中，特别对于高动态场景下满足大多普勒频移下的快速跟踪，且减低了匹配滤波和傅里叶变换结合计算的复杂度并缩短捕获时沿，在减低硬件的开销的同时可实现上述效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多分辨率扩频通信信号同步捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集直接序列扩频通信信号，通过对该信号抽取采样点、缩短扩频序列长度、折叠扩频序列长度和减少匹配滤波器长度来对该信号做范围级捕获处理；

在范围级捕获处理结束后，得到低精度的载波频偏估计值fd1和低分辨率的码同步点TOA1，通过对该信号增加匹配滤波器长度、保持完整的扩频序列长度、完整的采样点和降低快速傅里叶变换点数来对该信号做精度级捕获处理，得到高精度的载波频偏估计值fd2和高分辨率的码同步点TOA2；

在进行范围级捕获处理后获得下变频后的数据和本地序列分段的数据，对获得的以上数据进行部分匹配滤波，并进行FFT计算得到其频谱，将获取的频谱进行幅值计算，选取计算得到的最大幅值，将最大幅值与门限进行比较，进而判断获取的所述同步点TOA2和频偏估计值fd2大小。

2.根据权利要求1所述的一种多分辨率扩频通信信号同步捕获方法，其特征在于，变频后的数据具体为：

其中，Ps为信号的功率，d(t)为信号，c(t)为扩频码，Ts为采样间隔，τ为码的延迟，f_IF为中频频率，fd为频偏，n(i)为噪声；n(i)为时域信号n(t)对应的离散表示形式，d(i)为时域信号d(t)对应的离散表示形式，

为相位，i为正整数，取值为i＝0,1,2,...N。

3.根据权利要求2所述的一种多分辨率扩频通信信号同步捕获方法，其特征在于，本地序列分段的数据中获得本地产生信号具体为：

r_L(i)＝c(iT_s)[cos2πf_IFiT_s+jsin2πf_IFiT_s]

通过本地产生信号，进而获取匹配滤波器第m段的输出；

第m段匹配滤波器输出具体为：

其中，Rc(t)为扩频码的自相关函数，Tc为码元周期，

为两信号载波相位之间的差值，

为部分匹配滤波器的相位特性；X为部分相关的码元数目，X(i)为匹配滤波器输入信号。

4.根据权利要求3所述的一种多分辨率扩频通信信号同步捕获方法，其特征在于，当伪码对准后，得到y(m)的归一化幅频响应具体为：

其中，X为部分相关的码元数目，Tc为码元周期。

5.根据权利要求4所述的一种多分辨率扩频通信信号同步捕获方法，其特征在于，对部分相关结果y(m)进行M点的FFT运算，当本地码相位和接收信号码相位一致时，则：

对p(k)求取幅值，获取其归一化幅频响应，具体为：

其中，选取归一化幅频响应中最大值与门限进行比较，若超过门限，则捕获成功，此时最大值对应的索引k可以得到频偏fd，最大值获取时刻的进入符号位置即为TOA值；p(k)为信号的FFT变换值，N为信号样点数目，m＝0,1,2...,N-1，k＝0,1,2...,N-1，

和

表示相位值，L为扩频码延迟码片数目，P为匹配滤波器长度；G_PMF-FFT(f_d,k)表示y(m)进行FFT运算后的结果。

6.一种多分辨率通信信号同步捕获装置，其特征在于，实现如权利要求1-5中任一项所述的一种多分辨率扩频通信信号同步捕获方法，包括发射端和接收端，所述发射端将原信号扩频后发射出直接序列扩频通信信号，所述接收端对采集的所述直接序列扩频通信信号进行范围级捕获处理和精度级捕获处理，并将直接序列扩频通信信号进行解扩后获取原信号，所述接收端内设置处理器、可编程的逻辑模块和滤波器，实现范围级捕获处理和精度级捕获处理。

7.根据权利要求6所述的一种多分辨率通信信号同步捕获装置，其特征在于，所述处理器和可编程的逻辑模块选用DSP和ASIC组合或ARM和FPGA组合。

8.根据权利要求7所述的一种多分辨率通信信号同步捕获装置，其特征在于，在选用ARM和FPGA后，所述ARM内建立有用于控制FPGA内各个子模块的状态机，通过设置状态机的组合逻辑来建立范围级捕获处理方法和精度级捕获处理方法。

9.一种电子设备，其特征在于，包括储存器和处理器，所述储存器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述的方法步骤。

10.一种计算机可读储存介质，其存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。

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