CN113938157A - 基于pmf-fft的短突发信号快速捕获方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于PMF‑FFT的短突发信号快速捕获方法及系统，涉及卫星通信系统信号处理，步骤如下：S1、下混频；S2、将基带信号输入部分匹配滤波器，将输出的信号进行叠加；S3、将叠加后的信号进行窗函数滤波，得到窗函数滤波信号；S4、对窗函数滤波信号进行补零；S5、对补零后的窗函数滤波信号进行快速傅里叶变换，得到FFT输出模值的最大值；S6、判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值，若超过，则信号捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏；若未超过，则返回中频信号采样，并更新码相位，再次判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值，解决了信号捕获中计算复杂度高、捕获时间长的问题。

Description

基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星通信系统信号处理领域，具体涉及基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法及系统。
背景技术
针对短时突发扩频通信，现有的捕获技术主要有如下几类：
(1)时域相关法，通过不断地调整本地码相位和载波频率来进行二维搜索，通过相关性计算并设置对应的判定阈值来实现信号的捕获。这种方法捕获耗时长，速度慢，导致实时性较差；
(2)频域相关法，利用变换域使用费快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)来实现频偏估计和码相位估计，这种方法计算复杂度高，资源消耗量大，工程上难以实现。
发明内容
本发明目的在于解决信号捕获时间长、计算复杂度高，提供计算复杂度低的短突发信号快速捕获方法及系统，解决了捕获技术中计算复杂度高、捕获时间长的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，包括以下步骤：
S1、对采样后的中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号；
S2、I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，将I、Q基带信号分为K组分别输入至对应K个M阶部分匹配滤波器中，滤除带宽外的噪声及杂波信号，得到K组I、Q部分匹配滤波信号；
S3、将对应组的I、Q部分匹配滤波信号相叠加，得到K个叠加信号，对叠加信号进行窗函数滤波，得到K个窗函数滤波信号；
S4、对K个窗函数滤波信号进行补零操作，在其之后补入N-K个零，其中N为2的幂次方，且有N≥K；
S5、对补零操作后的窗函数滤波信号进行N点快速傅里叶变换，得到N个FFT输出模值，对N个FFT输出模值进行谱峰搜索，找出N个FFT输出模值中的最大值；
S6、将FFT输出模值的最大值与判决阈值相比较，判断信号捕获是否成功。
上述判决阈值视情况而定，与使用的码型和滤波器个数等有关，上述方法中，将I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，通过调整本地码相位和载波频率来进行搜索，减小了计算量；对I、Q部分匹配滤波信号进行快速傅里叶变换，实现了高速捕获信号；为避免被截取的信号频谱发生畸变，在快速傅里叶变换之前进行窗函数滤波，减少了频谱能量泄漏，改善了扇贝衰减的问题，降低了虚警概率；上述方法实现了低复杂度的信号高速捕获。
进一步的，上述对采样后的中频信号与载波信号进行下混频之前，还包括对载波频率进行初始化操作。
进一步的，上述对采样后的中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号之后，还包括对输出的I、Q基带信号进行低通滤波处理，滤除高频信号。
进一步的，上述中频信号采样包括以下步骤：
A1、接收中频信号；
A2、对接收的中频信号进行带通滤波处理；
A3、对经过带通滤波处理后的中频信号进行A/D采样。
对中频信号进行带通滤波处理，滤除高频和低频信号，保留中频信号，减少高频和低频信号对后续步骤的干扰；进行A/D转换，获得数字信号，提供给后续处理。
进一步的，在将上述I、Q基带信号输入部分匹配滤波器之前，还需要配置部分匹配滤波器的参数，包括以下步骤：
B1、I、Q基带信号的码通过本地码发生器生成对应码序列；
B2、上述对应码序列生成多项式。
进一步的，上述判断信号捕获是否成功，包括以下步骤：
C1、判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值；
C11、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则信号捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏，准备下一次信号捕获；
C12、若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则返回中频信号采样，并更新码相位，对所有码相位进行搜索，搜索完毕后，再次判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值；
C121、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则信号捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏，准备下一次信号捕获；
C122、若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则信号捕获失败，返回初始化载波频率。
进一步的，上述载波频率为本地载波频率和多普勒频偏的和,信号捕获成功后，更新多普勒频偏，其载波频率也被改变。
进一步的，上述将对应组的I、Q部分匹配滤波信号相加，得到K个叠加信号之后，将K个叠加信号存于存储设备，用于提供给窗函数进行滤波处理。
基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获系统，包括
本地发生器模块，用于产生载波信号；
接收端口模块，用于接收中频信号，对中频信号进行A/D采样；
混频模块，用于将中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号；
匹配滤波器模块，包括多个部分匹配滤波器，用于将分为K组的I、Q基带信号进行滤波处理，输出K组I、Q部分匹配滤波信号；
本地码发生器模块，包括接收端和发送端，上述接收端产生I、Q基带信号的码，发送端生成对应码序列，上述I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数；
加法器模块，用于将对应组的I、Q部分匹配滤波信号叠加；
窗函数模块，用于在快速傅里叶变换之前进行窗函数滤波；
补零模块，用于对窗函数滤波信号进行补零操作；
FFT运算模块，用于对补零后的窗函数滤波信号进行快速傅里叶变换；
存储模块，用于存储判决阈值和匹配滤波信号。
进一步的，上述本地发生器模块和接收端口模块与混频模块连接，混频模块与本地码发生器模块连接，本地码发生器模块与匹配滤波器模块连接，匹配滤波器模块与加法器模块连接，加法器模块与窗函数模块连接，窗函数模块与补零模块连接，补零模块与FFT运算模块连接。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
上述方法中将I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，通过调整本地码相位和载波频率来进行搜索，减小了计算量；对I、Q部分匹配滤波信号叠加成的叠加信号进行快速傅里叶变换，实现了高速捕获信号；为避免被截取的信号频谱发生畸变，在快速傅里叶变换之前进行窗函数滤波，减少了频谱能量泄漏，改善了扇贝衰减的问题，降低了虚警概率；上述方法解决了捕获技术中计算复杂度高、捕获时间长的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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。在附图中：
图1为实施例提供的基于PMF-FFT的流程示意图；
图2为实施例提供的基于PMF-FFT的系统连接示意图；
图3为实施例提供的基于PMF-FFT的系统结构框图；
图4为实施例提供的码长为1023的PN码发生器结构图；
图5为快速傅里叶变换输出模值波形图。
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。
实施例1
如图1和图5所示，本实施例1提供基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，包括以下步骤：
M1、初始化载波频率；
M2、对A/D采样后的中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号；
M3、将I、Q基带信号输入低通滤波器进行低通滤波处理，滤除高频信号；
M4、I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，将I、Q基带信号分为K组分别输入至对应K个M阶部分匹配滤波器中，滤除带宽外的噪声及杂波信号，得到K组I、Q部分匹配滤波信号；
M5、将对应组的I、Q部分匹配滤波信号相叠加，得到K个叠加信号；M6、对叠加信号进行窗函数滤波，得到K个窗函数滤波信号；
M7、对K个窗函数滤波信号进行补零操作，在其之后补入N-K个零，其中N为2的幂次方，且有N≥K,上述部分匹配滤波器个数K＝31，补零后FFT点数为N＝32。
M8、对补零操作后的窗函数滤波信号进行N点快速傅里叶变换，得到N个FFT输出模值，对N个FFT输出模值进行谱峰搜索，找出N个FFT输出模值中的最大值；
M9、判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值，上述判决阈值为20；
M10、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，更新多普勒频偏；若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则返回中频信号采样。
上述初始化载波频率公式如下：
fc＝f0+fd
上述f0为本地载波频率，fd为多普勒频偏，fc为载波频率。
其中
Figure BDA0003391883530000041
fd的初始值为500HZ，c为光的传播速度，v为接收端与发送端的相对速度。
上述窗函数第k个点的时域为：
Figure BDA0003391883530000051
取β＝1，
Figure BDA0003391883530000052
此时窗函数为汉宁窗，使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。
上述不加窗函数时FFT的第k个点的归一化频率响应为：
Figure BDA0003391883530000053
其中，M为滤波器中系数的个数，也就是滤波器的阶数。
上述加窗函数时FFT的第k个点的归一化频率响应：
Figure BDA0003391883530000054
上述其中Tc为码宽，fd为多普勒频偏，N为伪码长度。
上述方法中，将I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，通过调整本地码相位和载波频率来进行搜索，减小了计算量；对I、Q部分匹配滤波信号进行快速傅里叶变换，实现了高速捕获信号；为避免被截取的信号频谱发生畸变，在快速傅里叶变换之前进行窗函数滤波，减少了频谱能量泄漏，改善了扇贝衰减的问题，降低了虚警概率；上述方法实现了低复杂度的信号高速捕获。
具体的实施例，上述中频信号采样包括以下步骤：
A1、接收中频信号；
A2、对接收的中频信号进行带通滤波处理；
A3、对经过带通滤波处理后的中频信号进行A/D采样。
对中频信号进行带通滤波处理，滤除高频和低频信号，保留中频信号，减少高频和低频信号对后续步骤的干扰；进行A/D转换，获得数字信号，提供给后续处理。
具体的实施例，在将上述I、Q基带信号输入部分匹配滤波器之前，还需要配置部分匹配滤波器的参数，包括以下步骤：I、Q基带信号的码通过本地码发生器生成对应码序列，对应码序列生成多项式。
具体的实施例，如图4所示，在本地码发生器中，包括10个寄存器，PN码码长为1023，接入时钟信号时，生成的多项式为g(x)＝1+x7+x10；
具体的实施例，上述判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值，详细步骤如下：
C11、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则信号捕获成功，根据FFT输出模值的最大值即可输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏到Δf，准备下一次信号捕获；
C12、若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则返回中频信号采样，并更新码相位，对所有码相位进行搜索，搜索完毕后，再次判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值；
C121、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则信号捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏到Δf，准备下一次信号捕获；
C122、若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则信号捕获失败，返回初始化载波频率。
具体的实施例，上述载波频率为本地载波频率和多普勒频偏的和,信号捕获成功后，更新多普勒频偏，其载波频率也被改变。
具体的实施例，上述将对应组的I、Q部分匹配滤波信号相加，得到K个叠加信号之后，将K个叠加信号存于存储设备，用于提供给窗函数进行滤波处理。
实施例2
如图2所示，本实施例2提供基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获系统，用于实现实施例1中的方法，包括
本地发生器模块，用于产生载波信号，上述本地发生器模块采用压控振荡器；
接收端口模块，用于接收中频信号，对中频信号进行A/D采样；
混频模块，用于将中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号；
匹配滤波器模块，包括多个部分匹配滤波器，用于将分为K组的I、Q基带信号进行滤波处理，输出K组I、Q部分匹配滤波信号；
本地码发生器模块，包括接收端和发送端，上述接收端产生I、Q基带信号的码，发送端生成对应码序列，上述I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数；
加法器模块，用于将对应组的I、Q部分匹配滤波信号叠加；
窗函数模块，用于在快速傅里叶变换之前进行窗函数滤波；
补零模块，用于对窗函数滤波信号进行补零操作；
FFT运算模块，用于对补零后的窗函数滤波信号进行快速傅里叶变换；
存储模块，用于存储判决阈值和匹配滤波信号。
具体的实施例，上述本地发生器模块和接收端口模块与混频模块连接，混频模块与本地码发生器模块连接，本地码发生器模块与匹配滤波器模块连接，匹配滤波器模块与加法器模块连接，加法器模块与窗函数模块连接，窗函数模块与补零模块连接，补零模块与FFT运算模块连接。
具体的实施例，如图3所示，接收端口模块接收的中频信号与本地发生器模块产生的载波信号在混频模块中相乘进行下混频，产生I、Q两路基带信号；I、Q基带信号分别输入部分匹配滤波器，产生I、Q部分匹配滤波信号；I、Q部分匹配滤波信号在加法器模块相加得到叠加信号，存储模块将叠加信号进行缓存；存储模块中的叠加信号被窗函数调用，进行窗函数滤波，得到窗函数滤波信号；窗函数滤波信号输入FFT运算模块，进行傅里叶变换，得到FFT输出模值的最大值，再判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值，若超过，则输出接收的中频信号对应码相位和多普勒频偏，并更新多普勒频偏，准备下一次捕获。
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.基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对采样后的中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号；
S2、I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，将I、Q基带信号分为K组分别输入至对应K个部分匹配滤波器，得到K组I、Q部分匹配滤波信号；
S3、将对应组的I、Q部分匹配滤波信号叠加，得到叠加信号，对叠加信号进行窗函数滤波，得到窗函数滤波信号；
S4、对窗函数滤波信号进行补零操作；
S5、对补零操作后的窗函数滤波信号进行快速傅里叶变换，得到FFT输出模值的最大值；
S6、将FFT输出模值的最大值与判决阈值相比较，判断信号捕获是否成功。
2.根据权利要求1所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，所述对采样后的中频信号与载波信号进行下混频之前，还包括对载波频率进行初始化操作。
3.根据权利要求1所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，所述对采样后的中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号之后，还对输出的I、Q基带信号进行低通滤波处理。
4.根据权利要求1所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，所述中频信号采样包括以下步骤：
A1、接收中频信号；
A2、对接收的中频信号进行带通滤波处理；
A3、对经过带通滤波处理后的中频信号进行A/D采样。
5.根据权利要求1所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，在将所述I、Q基带信号输入部分匹配滤波器之前，还需要配置部分匹配滤波器的参数，包括以下步骤：
B1、I、Q基带信号的码通过本地码发生器生成对应码序列；
B2、所述对应码序列生成多项式。
6.根据权利要求1所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，所述判断信号捕获是否成功，包括以下步骤：
C1、判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值；
C11、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则信号捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏，准备下一次信号捕获；
C12、若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则返回中频信号采样，并更新码相位，对所有码相位进行搜索，搜索完毕后，再次判断FFT输出模值的最大值是否超过判决阈值；
C121、若FFT输出模值的最大值超过判决阈值，则信号捕获成功，输出接收的中频信号对应的多普勒频偏和码相位，并更新输出的多普勒频偏，准备下一次信号捕获；
C122、若FFT输出模值的最大值未超过判决阈值，则信号捕获失败，返回初始化载波频率。
7.根据权利要求6所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，所述载波频率为本地载波频率和多普勒频偏的和。
8.根据权利要求1所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获方法，其特征在于，所述将对应组的I、Q部分匹配滤波信号叠加，得到叠加信号之后，将叠加信号存于存储设备。
9.基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获系统，其特征在于，包括
本地发生器模块，用于产生载波信号；
接收端口模块，用于接收中频信号，对中频信号进行A/D采样；
混频模块，用于将中频信号与载波信号进行下混频，输出I、Q基带信号；
匹配滤波器模块，包括多个部分匹配滤波器，用于将分为K组的I、Q基带信号进行滤波处理，输出K组I、Q部分匹配滤波信号；
本地码发生器模块，I、Q基带信号的码作为部分匹配滤波器的滤波系数，本地码发生器模块用于生成对应码序列；
加法器模块，用于将对应组的I、Q部分匹配滤波信号叠加；
窗函数模块，用于在快速傅里叶变换之前进行窗函数滤波；
补零模块，用于对窗函数滤波信号进行补零操作；
FFT运算模块，用于对补零后的窗函数滤波信号进行快速傅里叶变换。
10.根据权利要求9所述的基于PMF-FFT的短突发信号快速捕获系统，其特征在于，所述本地发生器模块和接收端口模块与混频模块连接，混频模块与本地码发生器模块连接，本地码发生器模块与匹配滤波器模块连接，匹配滤波器模块与加法器模块连接，加法器模块与窗函数模块连接，窗函数模块与补零模块连接，补零模块与FFT运算模块连接。
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