CN114221674B - 一种扩频信号速率自适应捕获方法 - Google Patents

一种扩频信号速率自适应捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扩频信号速率自适应捕获方法，首先在体制设计时保证不同速率档所使用的扩频码之间具有良好的互相关特性；在此基础上通过频域多路并行积分矩阵实现多速率档PN码与输入信号的时域相关；提出一种基于多路相关的扩频信号信噪比估计方法，采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算出各支路信噪比，并进行门限判决，超出门限的信噪比最大值对应的支路即为正确的速率支路，最大相关峰值对应的时域位置即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏，从而完成扩频信号的自适应捕获。该方法可在未知信号速率的条件下，自适应完成扩频信号的捕获，给出正确的速率、频偏与码相位，极大增加了扩频接收机的灵活性和鲁棒性。

Description

一种扩频信号速率自适应捕获方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种扩频信号速率自适应捕获方法。
背景技术
直接序列扩频信号因其具备良好的抗干扰能力和隐蔽性，在现有移动通信系统、卫星通信系统中得到了广泛应用。在卫星通信系统中，测控链路、用户信令信道经常使用扩频通信体制。由于地面终端大小、能力、通信信道状态差异较大，因此星载扩频接收机通常需要同时处理多种速率的同时接入。传统的方式是将每路星载扩频接收机配置为固定速率的信道，每路扩频接收机只处理固定速率的信号，这种僵化的分配方式会导致处理资源的浪费和效率的降低，从而浪费了宝贵的星载处理资源。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种扩频信号速率自适应捕获方法，首先在体制设计时保证不同速率档所使用的扩频码之间具有良好的互相关特性；在此基础上通过频域多路并行积分矩阵实现多速率档PN码与输入信号的时域相关；提出一种基于多路相关的扩频信号信噪比估计方法，采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算出各支路信噪比，并进行门限判决，超出门限的信噪比最大值对应的支路即为正确的速率支路，最大相关峰值对应的时域位置即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏，从而完成扩频信号的自适应捕获。该方法可在未知信号速率的条件下，自适应完成扩频信号的捕获，给出正确的速率、频偏与码相位，极大增加了扩频接收机的灵活性和鲁棒性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：定义输入信号为A/D采样后的复数型中频信号SIF(n)，表示为：
其中，x(n)为输入扩频序列；fi为未知的、包含多普勒频移在内的中频频率；A为中频信号的幅度；n为样点序列计数值；
步骤2：采用下变频模块对输入信号进行变频，具体如下：
其中，sddc(n)为经过下变频后的零频信号，fl为本地搜索频偏，Δf为输入频偏与本地搜索频偏的差值；
步骤3：采用FFT变换模块对下变频模块的输出数据继续FFT运算，具体如下：
其中，N为FFT样点个数，Sddc(k)为Sddc(n)在频域上的表达；
步骤4：将本地PN序列经过FFT运算后的结果存储在本地PN码存储器中，输出M路信号描述为：
其中，ym(n)为第m支路本地PN序列，Ym(k)为第m支路本地PN序列经过FFT运算后的频域信号表达式；
步骤5：采用多路并行积分矩阵将步骤3输出结果与本地PN序列存储器输出的多路信号进行并行积分运算，计算过程如下所示：
其中，C(m,k)表示第m支路并行积分运算结果；
步骤6：采用M路并行IFFT模块将多路并行积分矩阵输出的M路数据进行并行IFFT运算，计算过程如下：
式中，cm(n)表示第m支路并行IFFT运算的结果；
对式(6)进行离散相位变换，从而得到：
考虑实际传输系统中的噪声，式(7)进一步描述为：
其中，R(τ)为本地PN序列与输入扩频序列的码相位差，nm为第m支路的噪声；
步骤7：采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算正确速率档对应的支路，并估计出信噪比，具体过程如下：
步骤7-1：分别求取M个支路上的功率；
步骤7-2：分别找到M个支路上的功率最大值点，对应该支路的自相关峰值，判定此时相位差τ≈0；
步骤7-3：在M个自相关峰值中选择最大值，将该支路作为真正的信号支路，该支路对应的本地扩频码与输入扩频序列一致，此时信号峰值功率描述为：
P＝(R(0)ej2πΔfn)2，ym(n)＝x(n) (9)
步骤7-4：由于不同支路的扩频码是不相关的，因此判定其余支路的功率为噪声，取其余支路的功率平均值作为噪声功率：
式中，为除最大峰支路之外的其余支路的功率；
步骤7-5：计算出最大峰值对应的信噪比SNR＝[P]-[σ2]；
步骤8：对最大峰值对应的信噪比SNR进行判决，当信噪比SNR超过预设门限SNR_THRE时，判定捕获成功，输出相应标志信息；此时，最大峰值对应的支路即代表正确的速率支路，最大峰值在当前支路中的位置即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏，从而完成扩频信号的自适应捕获；
若信噪比SNR小于等于门限SNR_THRE，判定本次捕获未成功，此时修改下变频模块中的下变频频点，返回步骤2，进行下一个频点的搜索捕获；
优选地，所述预设门限值SNR_THRE取值范围为[0:10]。
本发明的有益效果如下：
1)本发明的基于多路相关的信噪比估计算法只需要用到简单的比较器与累加器，消耗资源少，性能优良，非常适合处理资源有限的星载扩频接收机。
2)本发明的扩频信号速率自适应捕获方法可在未知信号速率的条件下，自适应完成扩频信号的捕获，给出正确的速率、频偏与码相位，大大增加了星载扩频接收机的灵活性和鲁棒性。
附图说明
图1为本发明方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种扩频信号速率自适应捕获方法，在扩频信号捕获时自适应识别通信速率，解决了星载扩频接收机灵活自适应捕获可变通信速率扩频信号的问题。
本发明方法首先将AD采样后的信号进行下变频，下变频频点为搜索频点，以抵消残留频偏；然后将下变频后的数据送往FFT模块，转换为频域信号；将多档速率对应的不同PN码进行FFT运算，将运算结果存储在本地存储资源中，从而避免了多个FFT运算带来的资源消耗；采用多路并行积分矩阵，将频域数据信号与多路频域PN码信号进行多路并行积分，将积分后的结果送往M路并行IFFT模块，进行IFFT运算；将M个支路的运算结果送往信噪比估计模块，采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算出各支路信噪比，并进行门限判决，超出门限的信噪比最大值对应的支路即为正确的速率支路，IFFT对应的峰值即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏。从而完成扩频信号的自适应捕获。
步骤1：定义输入信号为A/D采样后的复数型中频信号SIF(n)，表示为：
其中，x(n)为输入扩频序列；fi为未知的、包含多普勒频移在内的中频频率；A为中频信号的幅度；n为样点序列计数值；
步骤2：采用下变频模块对输入信号进行变频，具体如下：
其中，Sddc(n)为经过下变频后的零频信号，f为本地搜索频偏，Δf为输入频偏与本地搜索频偏的差值；
步骤3：采用FFT变换模块对下变频模块的输出数据继续FFT运算，具体如下：
其中，N为FFT样点个数，Sddc(k)为Sddc(n)在频域上的表达；
步骤4：将本地PN序列经过FFT运算后的结果存储在本地PN码存储器中，输出M路信号描述为：
其中，ym(n)为第m支路本地PN序列，Ym(k)为第m支路本地PN序列经过FFT运算后的频域信号表达式；
步骤5：采用多路并行积分矩阵将步骤3输出结果与本地PN序列存储器输出的多路信号进行并行积分运算，计算过程如下所示：
其中，C(m,k)表示第m支路并行积分运算结果；
步骤6：采用M路并行IFFT模块将多路并行积分矩阵输出的M路数据进行并行IFFT运算，计算过程如下：
式中，cm(n)表示第m支路并行IFFT运算的结果；
对式(6)进行离散相位变换，从而得到：
考虑实际传输系统中的噪声，式(7)进一步描述为：
其中，R(τ)为本地PN序列与输入扩频序列的码相位差，nm为第m支路的噪声；
步骤7：采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算正确速率档对应的支路，并估计出信噪比，具体过程如下：
步骤7-1：分别求取M个支路上的功率；
步骤7-2：分别找到M个支路上的功率最大值点，对应该支路的自相关峰值，判定此时相位差τ≈0；
步骤7-3：在M个自相关峰值中选择最大值，将该支路作为真正的信号支路，该支路对应的本地扩频码与输入扩频序列一致，此时信号峰值功率描述为：
P＝(R(0)ej2πΔfn)2，ym(n)＝x(n) (9)
步骤7-4：由于不同支路的扩频码是不相关的，因此判定其余支路的功率为噪声，取其余支路的功率平均值作为噪声功率：
式中，为除最大峰支路之外的其余支路的功率；
步骤7-5：计算出最大峰值对应的信噪比SNR＝[P]-[σ2]；
步骤8：对最大峰值对应的信噪比SNR进行判决，当信噪比SNR超过预设门限SNR_THRE时，判定捕获成功，输出相应标志信息；此时，最大峰值对应的支路即代表正确的速率支路，最大峰值在当前支路中的位置即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏，从而完成扩频信号的自适应捕获；
若信噪比SNR小于等于门限SNR_THRE，判定本次捕获未成功，此时修改下变频模块中的下变频频点，返回步骤2，进行下一个频点的搜索捕获；
预设门限值根据经验值选取，通常SNR_THRE取值范围为[0:10]。
具体实施例：
本发明所提方法的输入条件如下：输入信号为AD采样后的复数型中频信号SIF(n)，可表示为
其中，x(n)为输入重复扩频序列，不同速率档对应的扩频序列不同，不同速率档之间的扩频序列从系统设计上具有良好的互相关特性；fi为未知的、包含多普勒频移在内的中频频率；A为中频信号的幅度；n为样点序列计数值。
本发明实现框图如图1所示。包括如下模块：下变频模块1、FFT变换模块2、本地PN码(FFT后)存储器3、多路并行积分矩阵4、M路并行IFFT模块5、非相干累加模块6、基于多路相关的信噪比估计模块7、门限判决模块8。
下变频模块1：对A/D采样后的带有残留频偏的中频信号进行变频，将变频后的零频信号送往后续模块进行处理。变频频点为保持一定间隔的搜索频点，当一次捕获运算完成后，若判决本次捕获失败，则需要挪动变频频点，进行下一次捕获运算。
FFT变换模块2：对下变频模块1的输出数据继续FFT运算，将运算结果输出。
本地PN码(FFT后)存储器3：为节省处理资源，将本地PN码经过FFT运算后的结果预先存储在本地存储器中，待需要时按照时序要求读出。
多路并行积分矩阵4：将FFT变换模块2输出的数据与本地PN码(FFT后)存储器3输出的多路信号进行并行积分运算，将运算结果送往下一级模块处理。
M路并行IFFT模块5：将多路并行积分矩阵4输出的M路数据进行并行IFFT运算，然后输出。
基于多路相关的信噪比估计模块6：根据M路并行IFFT模块5输出的M路数据，采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算出正确速率档对应的支路，并估计出信噪比，输出给门限判决模块7模块。
门限判决模块7模块：对输入的信噪比估计结果进行判决，当超出门限时，认为捕获成功，输出相应标志信息。
具体信号处理流程如下：
1、下变频模块1对AD采样后的带有残留频偏的中频信号进行变频。其处理流程描述如下：
2、FFT变换模块2对输入的Sddc(n)信号进行FFT(傅里叶变换)操作。其处理流程描述如下：
3、本地PN码(FFT后)存储器3：将本地PN码经过FFT运算后的结果预先存储在本地存储器中，按时序要求输出。其输出信号可描述为：
4、多路并行积分矩阵4：将FFT变换模块2输出的数据与本地PN码(FFT后)存储器3输出的多路信号进行并行积分运算，其计算过程如下所示：
5、M路并行IFFT模块5：将多路并行积分矩阵4输出的M路数据进行并行IFFT运算，其计算过程如下所述：
从而得到
当输入扩频序列与本地扩频序列一致时，二者积分可以用自相关函数R(τ)来描述；当输入扩频序列与本地扩频序列无关时，根据扩频序列的特性，互相关结果约等于0。同时，考虑实际传输系统中的噪声，上式可以进一步描述为：
6、基于多路相关的信噪比估计模块6：根据M路并行IFFT模块5输出的M路计算结果，采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算出正确速率档对应的支路。具体过程如下：
1)分别求取M个支路上的功率；
2)分别找到M个支路上的功率最大值点，对应该支路的自相关峰值，认为此时相位差τ≈0；
3)在M个自相关峰值中选择最大值，认为该支路是真正的信号支路，该支路对应的本地扩频码与输入扩频序列一致。此时信号峰值功率可以描述为：
P＝(R(0)ej2πΔfn)2，ym(n)＝x(n)
4)由于不同支路的扩频码是不相关的，因此认为其余支路的功率为噪声，取其余支路的功率平均值作为噪声功率：
5)计算出最大峰对应的信噪比SNR＝[P]-[σ2]，送往后级模块进行判决。
7、门限判决模块7模块
对输入的信噪比估计结果进行判决，当超出门限SNR_THRE时，认为捕获成功，输出相应标志信息。此时，最大峰对应的支路即代表正确的速率支路，最大峰值在当前支路中的位置即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏。从而完成扩频信号的自适应捕获。
若信噪比估计结果小于门限SNR_THRE，认为本次捕获未成功。此时改变下变频模块1中的下变频频点，进行下一个频点的搜索捕获。
门限值SNR_THRE根据经验值选取，通常取值范围为[0:10]。

Claims (2)

1.一种扩频信号速率自适应捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：定义输入信号为A/D采样后的复数型中频信号SIF(n)，表示为：
其中，x(n)为输入扩频序列；fi为未知的、包含多普勒频移在内的中频频率；A为中频信号的幅度；n为样点序列计数值；
步骤2：采用下变频模块对输入信号进行变频，具体如下：
其中，sddc(n)为经过下变频后的零频信号，fl为本地搜索频偏，Δf为输入频偏与本地搜索频偏的差值；
步骤3：采用FFT变换模块对下变频模块的输出数据继续FFT运算，具体如下：
其中，N为FFT样点个数，Sddc(k)为Sddc(n)在频域上的表达；
步骤4：将本地PN序列经过FFT运算后的结果存储在本地PN码存储器中，输出M路信号描述为：
其中，ym(n)为第m支路本地PN序列，Ym(k)为第m支路本地PN序列经过FFT运算后的频域信号表达式；
步骤5：采用多路并行积分矩阵将步骤3输出结果与本地PN序列存储器输出的多路信号进行并行积分运算，计算过程如下所示：
其中，C(m，k)表示第m支路并行积分运算结果；
步骤6：采用M路并行IFFT模块将多路并行积分矩阵输出的M路数据进行并行IFFT运算，计算过程如下：
式中，cm(n)表示第m支路并行IFFT运算的结果；
对式(6)进行离散相位变换，从而得到：
考虑实际传输系统中的噪声，式(7)进一步描述为：
其中，R(τ)为本地PN序列与输入扩频序列的码相位差，nm为第m支路的噪声；
步骤7：采用基于多路相关的信噪比估计算法，计算正确速率档对应的支路，并估计出信噪比，具体过程如下：
步骤7-1：分别求取M个支路上的功率；
步骤7-2：分别找到M个支路上的功率最大值点，对应该支路的自相关峰值，判定此时相位差τ≈0；
步骤7-3：在M个自相关峰值中选择最大值，将该支路作为真正的信号支路，该支路对应的本地扩频码与输入扩频序列一致，此时信号峰值功率描述为：
P＝(R(0)ej2πΔfn)2，ym(n)＝x(n) (9)
步骤7-4：由于不同支路的扩频码是不相关的，因此判定其余支路的功率为噪声，取其余支路的功率平均值作为噪声功率：
式中，为除最大峰支路之外的其余支路的功率；
步骤7-5：计算出最大峰值对应的信噪比SNR＝[P]-[σ2]；
步骤8：对最大峰值对应的信噪比SNR进行判决，当信噪比SNR超过预设门限SNR_THRE时，判定捕获成功，输出相应标志信息；此时，最大峰值对应的支路即代表正确的速率支路，最大峰值在当前支路中的位置即为码相位起始位置，当前搜索的频点即为对应的正确频偏，从而完成扩频信号的自适应捕获；
若信噪比SNR小于等于门限SNR_THRE，判定本次捕获未成功，此时修改下变频模块中的下变频频点，返回步骤2，进行下一个频点的搜索捕获。
2.根据权利要求1所述的一种扩频信号速率自适应捕获方法，其特征在于，所述预设门限值SNR_THRE取值范围为[0：10]。
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