CN113972929A - 一种高动态多普勒下扩频信号的捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，包括以下步骤：S1：将接收信号经过AD采样后进行去直流、正交下变频处理；S2：生成本地伪码，将伪码码长N分成X段，分为N/X路伪码数据，将下变频处理的接收信号也分为N/X路，对二者进行N/X点匹配滤波处理，其中N能被X整除，N、X为正整数；S3：将N/X点匹配滤波处理的数据分成两路，一路进行旋转变换，另一路进入延时模块，并各对两路数据都做X点FFT和非相干积分处理；S4：选出两个非相干积分处理的模值中的最大值，并与所设置的两个门限依次进行比较，若均大于两个门限，将该伪码相位记录下来，完成捕获。

Description

一种高动态多普勒下扩频信号的捕获方法

技术领域

本发明涉及扩频通信领域，具体涉及一种高动态多普勒下扩频信号的捕获方法。

背景技术

有关扩频通信的观点早在1941年就被好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出了，但当时并没有引起重视。直到80年代中期，扩频通信技术才广泛应用于军事通信和保密通信中，其中军事通信领域中的卫星通信与电子战反对抗通信应用较为广泛。扩频通信技术除应用在通信领域外，也广泛应用于民用通信领域中，如无线移动通信、室内无线移动通信和第三代移动通信等。随着一些军用产品向民用产品的转化，民用通信得到了进一步的发展，也推动了扩频通用技术在理论和实践中的发展。

在扩频信号捕获算法中，伪码捕获一直是个关键问题，Van Nee等学者经过不懈努力提出了基于FFT算法的伪码频域循环相关捕获方法，其为了缩短伪码捕获的时间，将时域中的相关运算变换到频域相乘。这里有两种改进算法，一种是利用时域复指数相乘等于频域偏移的原理，在频域移动数据序列，这种算法只需对接收信号进行一次FFT变换，节省了捕获时间；另一种改进算法是为了降低系统的硬件消耗而复用FFT与IFFT运算模块，但是这种算法捕获时间较长。

论文“基于改进补零/差分的北斗弱信号捕获算法”发表于2018年，提出了一种适合北斗弱信号的捕获算法，将补零算法和差分相干积分算法相结合，但是，补零算法会增加FFT点数，消耗很大的硬件资源。论文“基于PMF-FFT的时频域双并行捕获”发表于2014年，该论文提出一种新的基于PMF-FFT的时频域双并行捕获方案。对PMF加改进的汉宁窗，通过调整窗系数，选择最优化的参数，减小了捕获系统输出增益的衰减。但该论文也是采用补零法降低扇贝损失，会成倍的消耗硬件资源。

专利1(扩频信号的二维快速捕获装置和方法，CN101051852，2007)本发明涉及一种大多普勒频偏、大动态范围下扩频信号载波和扩频信号的二维快速捕获装置和方法。将信号的整个多普勒范围内细分出若干个扫频点,在对所有扫频频点上采用并行解扩联合非相干检测能量,找出其中的最大值和参考门限比较,用以确定是否捕获上到信号的载波频率和扩频码相位。该方法主要讲述了分割多普勒范围，但是无法适用多普勒变化率比较大的情况。专利2(一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法，CN00131711.3，2000)提出了一种自适应门限伪随机码捕获与证实方法,它能够应用于扩频通讯中，该方法虽然实用性较好，但是捕获时间较长。专利3(一种改进的PMF_FFT的PN码捕获方法，CN105158779A，2015)提供了一种改进的PN码捕获方法，也使用了匹配滤波和FFT的方法，但是没有设置动态门限，当噪声较大时，可能会造成误捕。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高动态多普勒下扩频信号的捕获方法，在航天测控系统中，由于卫星相对于地面的高速运动产生了多普勒频偏和码相位延时，而多普勒频偏和码相位延时会衰减相关输出的幅度，使得捕获结果达不到设定的门限值，因此，本发明旨在多普勒频偏比较大的情况下能够快速捕获伪码和频偏。

本发明提供的一种高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，具体包括以下步骤：

S1：将接收信号经过AD采样后得到AD采样信号并进行去直流处理得到中频信号，对所述中频信号进行正交下变频处理；

S2：生成本地伪码，将伪码码长N分成X段，分为N/X路伪码数据，将中频信号也分为N/X路，对二者进行N/X点匹配滤波处理，其中N能被X整除，N、X为正整数；

S3：将N/X点匹配滤波处理的数据分成两路，一路进行旋转变换，另一路进入延时模块进行延时处理，并各对两路数据都进行X点FFT和非相干积分处理；

S4：选出两路非相干积分处理的模值中的最大值，并与所设置的两个门限依次进行比较，若均大于两个门限，将该伪码相位记录下来，完成捕获。

优选地，所述本地伪码为采用线性移位寄存器生成的PN码序列。

优选地，所述S4步骤包含以下内容：

S41：选出两个非相干积分处理的模值中的最大值，并与所设置的自适应门限进行比较，若大于自适应门限，将该伪码相位记录下来，完成第一次捕获；

S42：以第一次捕获的伪码相位为起点进行X点的FFT，并与所设置的固定门限进行比较，若大于固定门限，将该伪码相位记录下来，完成第二次捕获。

优选地，所述S2步骤采用匹配滤波处理具体包含以下内容：

采用数字匹配滤波器进行匹配滤波处理的信号为

上式中，r(k)为接收信号，c(k-n)为本地伪码，N为本地伪码长度，f_d为多普勒频差，T_c为本地伪码周期，θ₀为接收信号初始相位；

当θ₀＝0，并且接收信号与本地伪码完全匹配上时，r(k)c(k-n)＝1，则式(1)为

优选地，所述S2步骤还包含以下内容：对式(2)在时域上进行FFT变换，其傅里叶变换结果为：

对式(3)进行匹配滤波和FFT处理，其结果为：

当存在多普勒频移时，匹配滤波器中会有一段因为频率补偿的原因而输出最大值，则式(4)转换为：

其中，2πfdkT为多普勒频移引入的频差，

为频率补偿因子，K为FFT运算的点数，将接收到的K段匹配滤波器后数据进行K点FFT运算，可以得到：

优选地，所述自适应应门限为根据两路相干积分处理结果取其平均值作为自适应门限。

本发明具有以下有益效果：

1.在进行下变频之前去掉直流信号，因为直流信号会直接加在有用信号上，对有用信号造成干扰，该处理可以提高信噪比；

2.本方法采用FFT变化，在频域进行搜索，可以大大减少捕获时间；

3.另外采用匹配滤波处理，可以减少FFT的点数，节省硬件资源；

4.在匹配滤波之后采用旋转变换算法，因为FFT运算不能得到频域上的连续函数，只是对有限长序列的频谱采样进行等间隔采样，所以在FFT采样点的中间会丢失一些频率成分，这种现象称为栅栏效应，本发明采用了旋转变换解决这种问题；

5.采用两次捕获，间接的将捕获时间大大减小；最后动态设置捕获门限，可以降低假捕获的风险。

附图说明

图1为本发明的捕获方法流程框图；

图2为本发明中生成本地伪码的示意图；

图3为本发明中旋转变换前后FFT处理后的峰值示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种高动态多普勒下扩频信号的捕获方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明提供一种高动态多普勒下扩频信号的捕获方法，如图1所示包含以下步骤：

S1：将接收信号经过AD采样后得到AD采样信号并进行去直流处理得到中频信号，具体地，将AD采样信号进行累加计算平均值，然后将AD采样信号减去该平均值，即可完成去直流处理得到中频信号；

将去完直流的中频信号搬至零频进行下变频处理，本系统采样率是信号中频信号的4倍，一个周期采样4个点，所以只需将中频信号乘以1和0，0和1，-1和0，0和-1，即可完成下变频，可以节省硬件资源。

S2：生成本地伪码，将伪码码长N分成X段，分为N/X路伪码数据，将中频信号也分为N/X路，对二者进行N/X点匹配滤波处理，其中N能被X整除，N、X为正整数；

其中，在发射端采用多项式和初相生成PN码序列作为本地伪码，在多项式和初相已知的情况下，只需采用线性移位寄存器加反馈就可以生成PN序列。比如要生成一个长度为1024的PN码序列，在发射端给出多项式为1000010010，初相为0000000100，采用线性移位寄存器的方法就可以生成PN码，如图2和图3所示，在接收端输入与发射端相同的多项式和初相，在PN序列捕获完成后，会出现尖锐的相关峰值。

S2步骤中，对N/X路伪码数据以及N/X路中频信号采用匹配滤波处理，具体包含以下内容：

采用数字匹配滤波器进行匹配滤波处理的信号为：

上式中，r(k)为接收信号，c(k-n)为本地伪码，N为本地伪码长度，f_d为多普勒频差，T_c为本地伪码周期，θ₀为接收信号初始相位。

当θ₀＝0，并且接收信号与本地伪码完全匹配上时，r(k)c(k-n)＝1，则式(1)为

对式(2)在时域上进行FFT变换，其FFT变换结果为：

对式(3)进行匹配滤波和FFT处理，其结果为：

当存在多普勒频移时，匹配滤波器中会有一段因为频率补偿的原因而输出最大值，则式(4)转换为：

其中，2πfdkT为多普勒频移引入的频差，

为频率补偿因子，K为FFT运算的点数，将接收到的K段匹配滤波器后数据进行K点FFT运算，可以得到：

S3：将N/X点匹配滤波处理的数据分成两路，一路进行旋转变换，另一路进入延时模块进行延时处理，并各对两路数据都做X点FFT变换和非相干积分处理；进行旋转变换的一路数据在做完FFT变换之后，每一点正好落在进行延时处理的一路数据在做完FFT变换的每两个FFT频率点的中间，假如FFT变换的分辨率是10k，则旋转变换后FFT第一个点的位置就是5k，以此类推。

S4：门限比较：在两个积分处理的模值中，取一个最大值，并与所设置的两个门限依次进行比较，若均大于两个门限，将该伪码相位记录下来，完成捕获；具体包含如下内容：

S41：选出两路非相干积分处理的模值中的最大值，并与所设置的自适应门限进行比较，自适应门限为根据两路相干积分处理结果取其平均值作为自适应门限；若大于自适应门限，将该伪码相位记录下来，完成第一次捕获；具体地，第一次捕获前首先估计出接收信号的伪码相位延时，捕获成功后，将第一阶段的伪码相位记录下来，然后以第一阶段的伪码相位为起点，再次进行匹配滤波-傅里叶变换捕获算法。

S42：进行第二次捕获，以第一次捕获的伪码相位为起点进行X点的FFT，并与所设置的固定门限进行比较，若大于固定门限，将该伪码相位记录下来，完成第二次捕获。具体地，第二次捕获算法只要估计出第一次捕获到的伪码相位的前后几个相位，但是，要确保第一次捕获的误差小于第二次捕获的误差范围。在第一次捕获耗时会比较长，第二次捕获只需要搜索本地相位的左右几个相位，耗时极短，间接的将捕获时间大大缩小，该方法也适合长码的捕获。

其中，如何合理选取捕获门限的大小，是接收机信号捕获取得良好接收性能的关键，门限过小容易造成虚警，而过大的门限又容易造成漏警。本发明首先将接收信号经过两次匹配滤波器，实现扩频信号与本地PN码的相关运算，然后将相关运算结果做FFT运算，找出其中最大值，同时将FFT的输出值进行非相干积分，取其平均值得到自适应判决门限，另外设置一个固定门限，判决器将判决统计量大于输入的自适应判决门限以及固定门限，此时判定为PN码捕获成功，本发明的优点在于既降低了虚警和漏警概率，而且抗多径干扰性能优异，具有很强的实用性，可以应用于使用直接序列扩频技术的各种移动通信系统。

本发明的有益效果是：在进行下变频之前去掉直流信号，因为直流信号会直接加在有用信号上，对有用信号造成干扰，该处理可以提高信噪比；本方法采用FFT变化，在频域进行搜索，可以大大减少捕获时间；另外采用匹配滤波处理，可以减少FFT的点数，节省硬件资源；在匹配滤波之后采用旋转变换算法，因为FFT运算不能得到频域上的连续函数，只是对有限长序列的频谱采样进行等间隔采样，所以在FFT采样点的中间会丢失一些频率成分，这种现象称为栅栏效应，本发明采用了旋转变换解决这种问题；采用两次捕获，间接的将捕获时间大大减小；最后动态设置捕获门限，可以降低假捕获的风险。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将接收信号经过AD采样后得到AD采样信号并进行去直流处理得到中频信号，对所述中频信号进行正交下变频处理；

S2：生成本地伪码，将伪码码长N分成X段，分为N/X路伪码数据，将中频信号也分为N/X路，对二者进行N/X点匹配滤波处理，其中N能被X整除，N、X为正整数；

S3：将N/X点匹配滤波处理的数据分成两路，一路进行旋转变换，另一路进入延时模块进行延时处理，并各对两路数据都进行X点FFT和非相干积分处理；

S4：在两个积分处理的模值中，取一个最大值，并与所设置的两个门限依次进行比较，若均大于两个门限，将该伪码相位记录下来，完成捕获。

2.如权利要求1所述的高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，其特征在于，所述本地伪码为采用线性移位寄存器生成的PN码序列。

3.如权利要求1所述的高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，其特征在于，所述S4步骤包含以下内容：

S41：在两个积分处理的模值中，取一个最大值，并与所设置的自适应门限进行比较，若大于自适应门限，将该伪码相位记录下来，完成第一次捕获；

S42：以第一次捕获的伪码相位为起点进行X点的FFT，并与所设置的固定门限进行比较，若大于固定门限，将该伪码相位记录下来，完成第二次捕获。

4.如权利要求3所述的高频态多普下扩频信号的捕获方法，其特征在于，所述S2步骤采用匹配滤波处理具体包含以下内容：

采用数字匹配滤波器进行匹配滤波处理的信号为

式中，r(k)为接收信号，c(k-n)为本地伪码，N为本地伪码长度，f_d为多普勒频差，T_c为本地伪码周期，θ₀为接收信号初始相位；

当θ₀＝0，并且接收信号与本地伪码完全匹配上时，r(k)c(k-n)＝1，则式(1)为

5.如权利要求4所述的高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，其特征在于，所述S2步骤还包含以下内容：对式(2)在时域上进行FFT变换，其FFT变换结果为：

对式(3)进行匹配滤波和FFT处理，其结果为：

当存在多普勒频移时，匹配滤波器中会有一段因为频率补偿的原因而输出最大值，则式(4)转换为：

其中，2πfdkT为多普勒频移引入的频差，

为频率补偿因子，K为FFT运算的点数，将接收到的K段匹配滤波器后数据进行K点FFT运算，可以得到：

6.如权利要求5所述的高频态多普勒下扩频信号的捕获方法，其特征在于，所述自适应门限为根据两路相干积分处理结果取其平均值作为自适应门限。

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