CN113721271A - 一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法和系统，在频域加入一个缓冲移位寄存器替代在时域的载波串行搜索，实现伪码与载波全并行的捕获设计，大量减少FFT的点数，从而减小了一半的计算量，提高了捕获速度，在得到粗捕获的信号后，对粗捕获的信号剥离掉伪码，得到连续的载波信号，再通过k值迭方式进行精频捕获，得到准确度比较高的载波频率传递给跟踪过程，解决了传统的捕获方法受FFT点数限制，FFT点数过多，会导致繁重的计算量，不仅消耗大量的资源，而且导致捕获时间变长，影响捕获效果的技术问题。

Description

一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法和系统
技术领域
本发明涉及接收机信号处理技术领域，尤其涉及一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法和系统。
背景技术
接收机是一种从天线接收并解调无线电信号的电子设备。随着航空航天事业的发展，传统的接收机已经无法满足在捕获速度和捕获精度上的性能要求，信号捕获花费时间最长的就是在接收机的首次定位上，如果不能快速的得到接收信号的多普勒频移以及码相位信息，将直接影响着系统跟踪的性能，例如，在高动态环境下，高速运动的接收机一旦捕获速度跟不上，那么接收机将得不到实时的定位信息，如果得到的捕获信息准确性不够，会导致跟踪结果与实际值有非常大的偏差，从而导致定位失败，因此，快速性和准确性是评估捕获方法最重要的两个指标。
目前，接收机的信号捕获过程采用码到精码的捕获流程，通过传统的FFT并行捕获算法得到粗频，再通过常规时域串行或伪码并行-载波串行捕获的方式实现第二次精频捕获，传统的捕获方法具有一个很大的局限性就是FFT的点数，FFT点数过多，会导致繁重的计算量，不仅消耗大量的资源，而且导致捕获时间变长，从而影响捕获效果。
发明内容
本发明提供了一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法和系统，用于解决传统的捕获方法受FFT点数限制，FFT点数过多，会导致繁重的计算量，不仅消耗大量的资源，而且导致捕获时间变长，影响捕获效果的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，包括：
通过本地载波发生器产生正弦载波信号和余弦载波信号，将正弦载波信号和余弦载波信号分别与接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号，其中，接收信号为经前端处理后得到的零中频信号；
将I支路信号作为实部，Q支路信号作为虚部，构成复信号，对复信号进行FFT变换；
将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数输入循环移位寄存器移动预置位再与伪码发生器产生的伪码做FFT后取复共轭相乘，得到相乘信号；
对相乘信号做IFFT，取IFFT模值作为捕获得到的粗频；
对接收信号进行伪码剥离，得到剥离伪码后的连续载波信号；
通过本地载波发生器产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号，其中，fr为捕获粗频获得的载波频率，fs为随迭代次数变化的频率分辨率；
将两个本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算；
根据相关运算结果更新fr，fr为相关运算的最大值对应的频率点；
判断迭代次数是否达到预置K值，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，继续迭代，直到迭代次数达到预置K值。
可选地，预置K值为5。
可选地，本地载波发生器产生的正弦载波信号和余弦载波信号分别为：
sin(ωIFt+ωdkt)
cos(ωIFt+ωdkt)
其中，ωIF为中频频率，ωdk为多普勒频率偏移。
本发明第二方面提供了一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统，包括RF前端处理模块、AD转换器、粗频捕获模块、精频捕获模块和跟踪定位模块；
RF前端处理模块用于对接收到的卫星信号进行放大、下变频和滤波处理；
AD转换器用于对RF前端处理模块输出的信号进行模数转换，对RF前端处理模块输出的中频信号进行中频采样，得到数字零中频信号；
粗频捕获模块包括本地载波发生器、第一相乘模块、第一FFT变换模块、循环移位寄存器、伪码发生器、第二FFT变换模块、复共轭模块、第二相乘模块、IFFT模块和输出模块；
本地载波发生器用于产生正弦载波信号和余弦载波信号；
第一相乘模块用于将正弦载波信号和余弦载波信号分别与AD转换器输出的接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号；
第一FFT变换模块用于将I支路信号作为实部，Q支路信号作为虚部，构成复信号，对复信号进行FFT变换；
循环移位寄存器用于将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数移动预置位；
伪码发生器用于产生伪码；
第二FFT变换模块用于对伪码发生器产生的伪码做FFT；
复共轭模块用于对第二FFT变换模块输出的FFT变换信号取复共轭；
第二相乘模块用于将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数输入循环移位寄存器移动预置位后的信号与伪码发生器产生的伪码做FFT后取复共轭相乘，得到相乘信号；
IFFT模块用于对第二相乘模块输出的相乘信号做IFFT；
输出模块用于取IFFT模值作为捕获得到的粗频；
精频捕获模块用于：
对接收信号进行伪码剥离，得到剥离伪码后的连续载波信号；
通过本地载波发生器产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号，其中，fr为捕获粗频获得的载波频率，fs为随迭代次数变化的频率分辨率；
将两个本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算；
根据相关运算结果更新fr，fr为相关运算的最大值对应的频率点；
判断迭代次数是否达到预置K值，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，继续迭代，直到迭代次数达到预置K值；
跟踪定位模块用于根据精频捕获模块捕获得到的精频进行定位。
可选地，预置K值为5。
可选地，本地载波发生器产生的正弦载波信号和余弦载波信号分别为：
sin(ωIFt+ωdkt)
cos(ωIFt+ωdkt)
其中，ωIF为中频频率，ωdk为多普勒频率偏移。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供了一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，在频域加入一个缓冲移位寄存器替代在时域的载波串行搜索，实现伪码与载波全并行的捕获设计，大量减少FFT的点数，从而减小了一半的计算量，提高了捕获速度，在得到粗捕获的信号后，对粗捕获的信号剥离掉伪码，得到连续的载波信号，再通过k值迭方式进行精频捕获，得到准确度比较高的载波频率传递给跟踪过程，解决了传统的捕获方法受FFT点数限制，FFT点数过多，会导致繁重的计算量，不仅消耗大量的资源，而且导致捕获时间变长，影响捕获效果的技术问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法的粗捕获原理框图；
图3为本发明实施例中提供的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法的精捕获原理逻辑图；
图4为本发明实施例中提供的精频捕获对应的频率分辨率和计算量的关系图；
图5为本发明实施例中提供的一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅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。
为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法的实施例，包括：
步骤101、通过本地载波发生器产生正弦载波信号和余弦载波信号，将正弦载波信号和余弦载波信号分别与接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号，其中，接收信号为经前端处理后得到的零中频信号。
北斗接收机天线将接收到的卫星所发射的电磁波信号转变成电压或电流信号，供接收机射频前端摄取与处理之后，再通过下变频混频、滤波、AD转化传递给捕获环节。在捕获环节，如图2所示，首先通过本地载波发生器产生正弦载波信号和余弦载波信号，将正弦载波信号和余弦载波信号分别与接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号。
在一个实施例中，本地载波发生器产生的正弦载波信号和余弦载波信号分别为：
sin(ωIFt+ωdkt)
cos(ωIFt+ωdkt)
其中，ωIF为中频频率，ωdk为多普勒频率偏移。
步骤102、将I支路信号作为实部，Q支路信号作为虚部，构成复信号，对复信号进行FFT变换。
在步骤101中，得到的I支路信号和Q支路信号分别表示为：
Figure BDA0003240281260000051
Figure BDA0003240281260000052
其中，Ck(tn)为第k颗卫星的PN码，Dk(tn)为第k颗卫星的调制数据信息，ωdk为多普勒频率偏移，ω'dk为多普勒频率偏移偏差，θk为载波相位，ni(tn)为i通道高斯白噪声，nq(tn)为q通道高斯白噪声。
将I支路信号和Q支路信号组成复信号，并归一化，可得到：
Figure BDA0003240281260000053
其中，TSn为tn离散化的值，n'k(tn)为高斯白噪声。
写成数字信号形式为：
Figure BDA0003240281260000061
步骤103、将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数输入循环移位寄存器移动预置位再与伪码发生器产生的伪码做FFT后取复共轭相乘，得到相乘信号。
步骤104、对相乘信号做IFFT，取IFFT模值作为捕获得到的粗频。
设X(k)，C(k)分别为x[n]，C[n]的傅里叶变换系数，则：
Figure BDA0003240281260000062
利用上式，用一次FFT和一次IFFT即可完成某一频点码相位的并行搜索，但是，当分辨率设置为1kHz(不宜过小，过小会导致计算量的增大以及信噪比的损失，捕获时间变长)时，需要搜索的频点就是21个(多普勒频移范围为±10kHz)，也就是说，要进行21次FFT。本发明中，将上述傅里叶变换系数X(k)循环移动l位(l取值范围为0～N的正整数，从0取到N，依次遍历，直到选出合适的l值，取反傅里叶变换得到的相关值最高对应的l值)再与C*(k)相乘并做IFFT，可得：
Figure BDA0003240281260000063
从上式可以看出，对X(k)进行循环移位等效于时域内先对x(n)进行频率补偿，然后再做FFT。因而，改进后的算法只需要一次FFT就可以同时完成频率和码相位的并行搜索，运算量大大减少。本发明提供的捕获方法与传统的基于伪码并行-载波串行的捕获方法的计算量对比如表1所示。
表1
Figure BDA0003240281260000064
步骤105、对接收信号进行伪码剥离，得到剥离伪码后的连续载波信号。
由于基于FFT改进的算法采用傅里叶系数的循环移位来实现载波频率的补偿，所以其频率该变量的最小值等于相邻两傅里叶变换系数的频率间隔，因此，只能得到分辨率较低的粗频，这种精度范围对于跟踪过程是远远不够的，因此，本发明中还需要对进行精频捕获操作。利用粗捕获得到的伪码相位信息产生与接收信号码相位一致的本地扩频码与接收信号相乘，从而剥离掉伪码，产生连续的载波信号。
步骤106、通过本地载波发生器产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号，其中，fr为捕获粗频获得的载波频率，fs为随迭代次数变化的频率分辨率。
步骤107、将两个本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算。
步骤108、根据相关运算结果更新fr，fr为相关运算的最大值对应的频率点。
步骤109、判断迭代次数是否达到预置K值，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，继续迭代，直到迭代次数达到预置K值。
如图3所示，本发明中提供了一种基于k值迭代的精频捕获方法，具体步骤为：
S1、令k＝1，参考频率fr等于通过捕获粗频获得的载波频率；
S2、令fs＝500/2k-1Hz，fs为随迭代次数变化的频率分辨率；
S3、本地载波发生器NCO产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号；
S4、本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算；
S5、参考频率fr根据相关运算的最大值与之对应的频率点更新，即如果在载波频率点fr-fs的相关值最大，那么下一次的fr取值就是这一次的fr-fs；
S6、迭代次数加1，即k＝k+1，判断k是否满足k>K，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，重复S3-S6，继续迭代，直到迭代次数满足k>K。
对于本发明中的种基于k值迭代的精频捕获方法，应该设置合适的K值，精频的频率分辨率取决于迭代的次数K，K值越大，频率分辨率越大，但带来的是巨额计算量，如图4所示。因此，需均衡分辨率与计算量，设置K为5能得到比较理想的结果，实际接收机工作时，由于噪声以及多径效应的影响，就算K设置的很高也得不到很精确的载波频率。
本发明实施例提供的一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，在频域加入一个缓冲移位寄存器替代在时域的载波串行搜索，实现伪码与载波全并行的捕获设计，大量减少FFT的点数，从而减小了一半的计算量，提高了捕获速度，在得到粗捕获的信号后，对粗捕获的信号剥离掉伪码，得到连续的载波信号，再通过k值迭方式进行精频捕获，得到准确度比较高的载波频率传递给跟踪过程，因此，本发明利用缓存移位寄存器与k值迭代的结合方法对北斗信号进行快速捕获，解决了传统的捕获方法受FFT点数限制，FFT点数过多，会导致繁重的计算量，不仅消耗大量的资源，而且导致捕获时间变长，影响捕获效果的技术问题。
为了便于理解，请参阅图5，本发明中提供了北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统的实施例，包括RF前端处理模块、AD转换器、粗频捕获模块、精频捕获模块和跟踪定位模块；
RF前端处理模块用于对接收到的卫星信号进行放大、下变频和滤波处理；
AD转换器用于对RF前端处理模块输出的信号进行模数转换，对RF前端处理模块输出的中频信号进行中频采样，得到数字零中频信号；
粗频捕获模块包括本地载波发生器、第一相乘模块、第一FFT变换模块、循环移位寄存器、伪码发生器、第二FFT变换模块、复共轭模块、第二相乘模块、IFFT模块和输出模块；
本地载波发生器用于产生正弦载波信号和余弦载波信号；
第一相乘模块用于将正弦载波信号和余弦载波信号分别与AD转换器输出的接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号；
第一FFT变换模块用于将I支路信号作为实部，Q支路信号作为虚部，构成复信号，对复信号进行FFT变换；
循环移位寄存器用于将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数移动预置位；
伪码发生器用于产生伪码；
第二FFT变换模块用于对伪码发生器产生的伪码做FFT；
复共轭模块用于对第二FFT变换模块输出的FFT变换信号取复共轭；
第二相乘模块用于将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数输入循环移位寄存器移动预置位后的信号与伪码发生器产生的伪码做FFT后取复共轭相乘，得到相乘信号；
IFFT模块用于对第二相乘模块输出的相乘信号做IFFT；
输出模块用于取IFFT模值作为捕获得到的粗频；
精频捕获模块用于：
对接收信号进行伪码剥离，得到剥离伪码后的连续载波信号；
通过本地载波发生器产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号，其中，fr为捕获粗频获得的载波频率，fs为随迭代次数变化的频率分辨率；
将两个本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算；
根据相关运算结果更新fr，fr为相关运算的最大值对应的频率点；
判断迭代次数是否达到预置K值，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，继续迭代，直到迭代次数达到预置K值；
跟踪定位模块用于根据精频捕获模块捕获得到的精频进行定位。
本发明实施例提供的一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统，在频域加入一个缓冲移位寄存器替代在时域的载波串行搜索，实现伪码与载波全并行的捕获设计，大量减少FFT的点数，从而减小了一半的计算量，提高了捕获速度，在得到粗捕获的信号后，对粗捕获的信号剥离掉伪码，得到连续的载波信号，再通过k值迭方式进行精频捕获，得到准确度比较高的载波频率传递给跟踪过程，因此，本发明利用缓存移位寄存器与k值迭代的结合方法对北斗信号进行快速捕获，解决了传统的捕获方法受FFT点数限制，FFT点数过多，会导致繁重的计算量，不仅消耗大量的资源，而且导致捕获时间变长，影响捕获效果的技术问题。
本发明实施例提供的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统，用于执行前述实施例中的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，其原理与前述实施例中的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法相同，在此不再进行赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，其特征在于，包括：
通过本地载波发生器产生正弦载波信号和余弦载波信号，将正弦载波信号和余弦载波信号分别与接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号，其中，接收信号为经前端处理后得到的零中频信号；
将I支路信号作为实部，Q支路信号作为虚部，构成复信号，对复信号进行FFT变换；
将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数输入循环移位寄存器移动预置位再与伪码发生器产生的伪码做FFT后取复共轭相乘，得到相乘信号；
对相乘信号做IFFT，取IFFT模值作为捕获得到的粗频；
对接收信号进行伪码剥离，得到剥离伪码后的连续载波信号；
通过本地载波发生器产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号，其中，fr为捕获粗频获得的载波频率，fs为随迭代次数变化的频率分辨率；
将两个本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算；
根据相关运算结果更新fr，fr为相关运算的最大值对应的频率点；
判断迭代次数是否达到预置K值，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，继续迭代，直到迭代次数达到预置K值。
2.根据权利要求1所述的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，其特征在于，预置K值为5。
3.根据权利要求1所述的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获方法，其特征在于，本地载波发生器产生的正弦载波信号和余弦载波信号分别为：
sin(ωIFt+ωdkt)
cos(ωIFt+ωdkt)
其中，ωIF为中频频率，ωdk为多普勒频率偏移。
4.一种北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统，其特征在于，包括：RF前端处理模块、AD转换器、粗频捕获模块、精频捕获模块和跟踪定位模块；
RF前端处理模块用于对接收到的卫星信号进行放大、下变频和滤波处理；
AD转换器用于对RF前端处理模块输出的信号进行模数转换，对RF前端处理模块输出的中频信号进行中频采样，得到数字零中频信号；
粗频捕获模块包括本地载波发生器、第一相乘模块、第一FFT变换模块、循环移位寄存器、伪码发生器、第二FFT变换模块、复共轭模块、第二相乘模块、IFFT模块和输出模块；
本地载波发生器用于产生正弦载波信号和余弦载波信号；
第一相乘模块用于将正弦载波信号和余弦载波信号分别与AD转换器输出的接收信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号；
第一FFT变换模块用于将I支路信号作为实部，Q支路信号作为虚部，构成复信号，对复信号进行FFT变换；
循环移位寄存器用于将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数移动预置位；
伪码发生器用于产生伪码；
第二FFT变换模块用于对伪码发生器产生的伪码做FFT；
复共轭模块用于对第二FFT变换模块输出的FFT变换信号取复共轭；
第二相乘模块用于将FFT变换后的信号的傅里叶变换系数输入循环移位寄存器移动预置位后的信号与伪码发生器产生的伪码做FFT后取复共轭相乘，得到相乘信号；
IFFT模块用于对第二相乘模块输出的相乘信号做IFFT；
输出模块用于取IFFT模值作为捕获得到的粗频；
精频捕获模块用于：
对接收信号进行伪码剥离，得到剥离伪码后的连续载波信号；
通过本地载波发生器产生两个数据长度为1ms，载波频率分别为fr-fs、fr+fs的本地复制载波信号，其中，fr为捕获粗频获得的载波频率，fs为随迭代次数变化的频率分辨率；
将两个本地复制载波信号分别与剥离伪码后的连续载波信号进行相关运算；
根据相关运算结果更新fr，fr为相关运算的最大值对应的频率点；
判断迭代次数是否达到预置K值，若是，则输出fr为捕获得到的精频，否则，继续迭代，直到迭代次数达到预置K值；
跟踪定位模块用于根据精频捕获模块捕获得到的精频进行定位。
5.根据权利要求4所述的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统，其特征在于，预置K值为5。
6.根据权利要求4所述的北斗信号接收机接收信号快速并行捕获系统，其特征在于，本地载波发生器产生的正弦载波信号和余弦载波信号分别为：
sin(ωIFt+ωdkt)
cos(ωIFt+ωdkt)
其中，ωIF为中频频率，ωdk为多普勒频率偏移。
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