CN114024625A

CN114024625A - 高精度并行码相位测量方法

Info

Publication number: CN114024625A
Application number: CN202111327460.1A
Authority: CN
Inventors: 胡阳; 蒋开创; 黄情; 李名祺; 蒯立山; 范宇舟
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2041-11-10
Also published as: CN114024625B

Abstract

本发明提供了一种高精度并行码相位测量方法，包括如下步骤：发射端并行发送伪随机序列和射频信号给接收端；对伪随机序列和射频信号分别进行N点FTT变换，点对点复乘得到一复乘结果；再进行N点IFTT变换，得到N点的结果取幅值的平方之后寻找最大峰值和其位置，完成第一次测量操作；S读取射频信号，重复进行n次Farrow插值操作，同时抽取回原采样率后得到射频信号n个新的信号序列；再对伪随机序列分别和n个新的信号序列进行上述操作，得到n个最大峰值及其位置；确定n+1个最大峰值中的最大值和最大值的位置，并根据最大值的位置计算得到最终精同步码相位。该方法可以在突发信号的情况下，满足高精度测量码相位的要求。

Description

高精度并行码相位测量方法

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，具体为一种高精度并行码相位测量方法。

背景技术

码相位测量是通信系统中首要处理环节，是实现收发端时间同步的基础，还是实现时差测量，伪距测量的基础，在伪码测距、高精度伪码捕获跟踪、差分定位等领域中具有较多的应用。

传统的同步方法在发射端将巴克码等序列经余弦载波调制后发射，在接收端，以同步解调窗内的每一点分别作为起点，在数据中取和同步码长度相等的一段信号与同步码做相关，这样可以得到N个相关值，然后比较这N个值，最大值对应的窗的起点就是同步点。

在实际操作中，根据信号收发方式，存在两种处理方法。一种是连续信号，发射端持续发送信号，接收端持续接收，接收端根据相关结果对发端信号进行持续跟踪，该方式可以实现较高的测量精度，但无法满足一般通信系统的需求(可收可发)；另一种是突发信号，发端在需要时突发一段信号至接收端，接收端对这一段信号进行处理后得到测量结果，通常该方法测量的结果的精度较低，只能达到采样率级别。

因此，针对第二种情况，即突发信号的情况下，有必要提出一种码相位测量方法，满足高精度的要求。

发明内容

本发明提供了一种高精度并行码相位测量方法，该方法能够在突发信号的情况下，达到高精度测量码相位的要求。

为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种高精度并行码相位测量方法，包括如下步骤：

S1、发射端并行发送伪随机序列和射频信号给接收端；

S2、对所述伪随机序列和所述射频信号分别进行N点FTT变换，两者的变换结果进行点对点复乘，得到一复乘结果；对所述复乘结果进行N点IFTT变换，得到N点的结果取幅值的平方之后寻找最大峰值和其位置，完成第一次测量操作，其中，最大峰值为V₀，其位置为P₀；

S3、读取所述射频信号，重复进行n次Farrow插值操作，第n次插值操作的插值系数k_n＝k₀+(n-1)d，其中k₀为预设的初始插值系数，d为移相值，同时抽取回原采样率后得到所述射频信号n个新的信号序列M1-Mn；再将所述伪随机序列分别和所述n个新的信号序列M1-Mn进行步骤S2的操作，得到n个最大峰值V₁-V_n，以及其位置P₁-P_n；

S4、确定n+1个最大峰值V₀-V_n中的最大值V_P以及最大值V_P的位置，并根据所述最大值V_P的位置计算得到最终精同步码相位。

进一步地，步骤S1具体包括：

所述发射端将长度为L、码元速率为Rb的伪随机序列和射频信号经过调制、上变频后通过无线信道发送至所述接收端；所述接收端对伪随机序列和射频信号进行下变频后，再进行AD采样得到序列为x_i，i＝1～n，采样率为f_s的伪随机序列和射频信号，其中采样点数为n＝L*f_s/R_b，i＝1～n。

进一步地，步骤S2具体包括如下步骤：

S2.1、所述接收端对所述伪随机序列进行f_s/R_b倍过采样后得到序列y_i，序列y_i的点数为n，对序列y_i进行N点FFT变换后再取共轭得到序列w_i，i＝1～N，其中，N为大于等于n且最接近n的2的幂次的数，其中不足N点的部分补零；

S2.2、将所述射频信号读取出来进行N点FFT变换，其中不足N点的部分补零，得到序列a_i，i＝1～N；

S2.3、将序列w_i和序列a_i进行逐点复乘，得到序列c_i，i＝1～N；再将序列c_i进行IFFT变换得到序列k_i，i＝1～N，序列c_i为所述复乘结果；

S2.4、对序列k_i逐点计算幅值，再从所有幅值中搜索得到最大峰值为V₀，其位置为P₀。

进一步地，步骤S4具体包括：

进一步搜索n+1个最大峰值V₀-V_n中的最大值，其位置为P_m，其中m＝0-n，可得到所述最终精同步码相位为：

phase＝P_m+m*d

进一步地，所述初始插值系数为0.1，所述移相值为0.1，n＝9。

进一步地，伪随机序列和射频信号的调制方法为MSK或者QPSK。

进一步地，所述发射端和所述接收端的数量均为多个。

综上所述，本发明提出的高精度并行码相位测量方法，采用了基于拉格朗日多项式的Farrow插值滤波器对接收信号进行相位调整，能够在突发信号的情况下实现码相位精确搜索；同时，通过IFFT/FFT等效并行相关模式提高运算速度，实现了快速高精度码相位的测量，突破了原有采样率的限制。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的高精度并行码相位测量方法步骤示意图；

图2为本发明一实施例提供的高精度并行码相位测量方法中FFT并行码相位搜索示意图；

图3为本发明一实施例提供的高精度并行码相位测量方法中Farrow插值滤波器结构图。

具体实施方式

以下结合附图1-3和具体实施方式对本发明提出的高精度并行码相位测量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。

首先，对本发明涉及到的一些技术术语进行介绍。

伪随机序列：如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复制的；一方面它又具有某种随机序列的随机特性(即统计特性)，我们便称这种序列为伪随机序列。

FFT变换：快速傅里叶变换，表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域，傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。

N点FFT变换：做FFT变换时，我们一般会取N个点来做FFT变换，得到N个变换后的系数，也称之为频谱系数。在离散时间傅里叶变换中，频谱系数是周期函数，以2pi(注：pi指的是圆周率3.1415926)为周期。

IFFT变换：逆快速傅里叶变换。

参阅图1，本发明一实施例提供了一种高精度并行码相位测量方法，包括如下步骤：

S1、发射端并行发送伪随机序列和射频信号给接收端；

在本实施例中，对于步骤S1，所述发射端将长度为L、码元速率为Rb的伪随机序列经过调制、上变频后通过无线信道发送至所述接收端；并且，将长度为L、码元速率为Rb的射频信号经过调制、上变频后通过无线信道发送至所述接收端，即所谓并行发送，基于并行发送的所述伪随机数列和所述射频信号进行码相位的测量。所述接收端对所述伪随机序列和所述射频信号进行下变频后，再进行AD采样得到序列均为x_i，i＝1～n，采样率均为f_s的伪随机序列和射频信号，其中采样点数为n＝L*f_s/R_b，i＝1～n。可以将伪随机序列和射频信号存储于本地存储器中。

在本实施例中，对于步骤S2，根据图2，接收端对本地存储器中的伪随机序列，即PN码进行(f_s/R_b)倍过采样后得到序列y_i(i＝1～n)，点数为n＝L*f_s/R_b，对该序列进行N(N为大于等于n，且为最接近n的2的幂次的数，其中不足N点的部分补零)点FFT变换后再取共轭得到序列w_i(i＝1～N)，具体操作如下面公式所示；

w_i＝[fft(y_i,N)]^T。

再将本地存储器中的n点射频信号序列x_i(i＝1～n)读取出来进行N(其中不足N点的部分补零)点FFT变换，得到序列记为a_i(i＝1～N)，具体操作如下面所示；

a_i＝[fft(x_i,N)]。

将序列w_i和序列a_i进行逐点复乘，得到序列c_i(i＝1～N)；再将序列c_i(i＝1～N)进行IFFT变换得到序列k_i(i＝1～N)，具体操作如下面公式所示：

c_i＝a_i×w_i

k_i＝ifft(c_i)；

最后对序列k_i(i＝1～N)逐点计算幅值，再从所有幅值中搜索最大峰值点V₀，记为max0，峰值P₀位置记为pos0，参阅下式：

{max,pos}＝max{[abs(k)]²}。

在本实施例中，对于步骤S3，重新读取本地存储器的射频信号序列x_i(i＝1～n)，采用基于拉格朗日多项式的内插滤波器(其Farrow实现结构如图3所示)进行逐点插值，调整采样时刻；以一插值系数进行插值，可以设置为0.1，移相值取0.1，插值系数按照移相值步进，将插值点组成的序列记为f_i(i＝1～n)，具体操作如下所示：

f_i＝farrow(x_i,u_k)。

其中u_k为初始插值系数，x_i为待插值的序列。具体的farrow实现公式如下所示：

cn2＝-0.5*u_k+0.5*u_k*u_k

cn1＝1.5*u_k-0.5*u_k*u_k

c0＝-0.5*u_k-0.5*u_k*u_k+1

cp1＝-0.5*u_k+0.5*u_k*u_k

farrow(x_i,u_k)＝cp1*x(1)+c0*x(2)+cn1*x(3)+cn2*x(4)

将序列x_i(i＝1～n)序列替换为经过插值变换后的f_i(i＝1～n)序列，重复上述步骤S2，即将新的序列的f_i(i＝1～n)与进行N(其中不足N点的部分补零)点FFT变换后，再与序列w_i(i＝1～N)做逐点复乘，最后进行IFFT变换，得到最大峰值点V₁，记为max1，峰值位置P₁，记为pos1；

基于移相值0.1，再将插值系数设为0.2，重复进行上述步骤，共进行9次，即n＝9，得到最大峰值点V₂记为max2，峰值位置P₂记为pos2；再依次调整插值系数为0.3～0.9，重复上述步骤，总共获取峰值点V₁-V₉，记为max0～max9和峰值点位置P₁-P₉，记为pos0～pos9。

在本实施例中，对于步骤S4，具体操作为进一步搜索n+1个最大峰值V₀-V_n中的最大值，其位置为P_m，其中m＝0-n，可得到所述最终精同步码相位为：

phase＝P_m+m*d

其中，d表示所述移相值。

基于上述的插值系数为0.1，移相值取0.1，且n＝9，进一步搜索max0～max9峰值组合中的最大值，记录其在组合中的位置pos_m(其中m＝0～9)，因此，可得到最终精同步码相位为：

phase＝pos_m+m*0.1。

此外，本发明技术领域内的人员应该知道的是，最终码相位捕获精度可达到0.1*1/fs。更换插值系数移相值至0.05或0.01可以进一步提高搜索精度，但一方面存在精度上限限制，另一方面会增加计算量。

在本实施例中，本文以2个站(1个发送端、1个接收端)为例，对该方法进行说明，实际情况下可以向多个发送端、多个接收端推广，实现多节点间的码相位测量。

本发明的优点在于提出的高精度并行码相位测量方法，采用了基于拉格朗日多项式的Farrow插值滤波器对接收信号进行相位调整，能够在突发信号的情况下实现码相位精确搜索；同时，通过IFFT/FFT等效并行相关模式提高运算速度，实现了快速高精度码相位的测量，突破了原有采样率的限制。

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

1.一种高精度并行码相位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、发射端并行发送伪随机序列和射频信号给接收端；

2.如权利要求1所述的高精度并行码相位测量方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

3.如权利要求2所述的高精度并行码相位测量方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：

4.如权利要求1所述的高精度并行码相位测量方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

搜索n+1个最大峰值V₀-V_n中的最大值，其位置为P_m，其中m＝0-n，可得到所述最终精同步码相位为：

phase＝P_m+m*d。

5.如权利要求1所述的高精度并行码相位测量方法，其特征在于，所述初始插值系数为0.1，所述移相值为0.1，n＝9。

6.如权利要求2所述的高精度并行码相位测量方法，其特征在于，伪随机序列和射频信号的调制方法为MSK或者QPSK。

7.如权利要求1-6任一项所述的高精度并行码相位测量方法，其特征在于，所述发射端和所述接收端的数量均为多个。