CN114584174A - 基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例提供了基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法、装置、设备和计算机可读存储介质。所述方法包括接收跳扩信号；对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号；对所述n倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。以此方式，实现了在超低信噪比和大动态条件指标要求下的跳频图案/扩频码的快速捕获，大幅降低了FPGA的运算资源占用。

Description

基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法
技术领域
本公开的实施例一般涉及信号捕获领域，并且更具体地，涉及基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法、装置、设备和计算机可读存储介质。
背景技术
在采用跳扩频通信体制的高动态、大频偏卫星通信系统中，卫星通信终端的本地跳频图案/扩频码与系统跳频图案/扩频码的快速同步，是决定卫星通信终端能否成功接入卫星通信系统最关键的环节。目前，在传统卫星通信终端的数字解跳/解扩捕获模块中，通常采用的信号捕获技术方案有以下三种：
(1)、多跳全相干捕获,需要对信号的码相位模糊、频域多普勒、码多普勒、跳间相位不连续和信息比特多样性五个维度进行穷举，然后通过相干积分计算完成信号捕获；
(2)、跳内相干、跳间非相干捕获，仅需要对信号的码相位模糊、频域多普勒、码多普勒三个维度进行穷举，然后通过相干积分计算完成信号捕获；
(3)、比特内相干、比特间非相干捕获，是上述两个方案的折中，需要对信号的码相位模糊、频域多普勒、码多普勒和跳间相位不连续四个维度进行穷举，然后通过相干积分计算完成信号捕获。
上述方案的缺点：
1.多跳全相干捕获方案虽然捕获概率高，但也存在虚警概率高，积分结果不平坦、多毛刺、消耗FPGA运算资源非常大等问题。
2.跳内相干、跳间非相干捕获方案存在捕获概率低、消耗FPGA运算资源多的问题。
3.比特内相干/比特间非相干捕获方案适用于静止/低动态卫星用户的跳扩体制通信，但针对超低信噪比、大动态的卫星通信应用场景中，该方案所消耗的终端FPGA运算资源非常大，无法适应超高动态跳扩频卫星通信系统的指标要求。
发明内容
根据本公开的实施例，提供了一种基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方案。
在本公开的第一方面，提供了一种基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法。该方法包括：
接收跳扩信号；
对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号；所述n为大于0的正整数；
对所述n倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。
进一步地，所述对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号包括：
对所述跳扩信号进行数字化、预解跳和归一化采样，得到4倍采样基带数字信号。
进一步地，所述通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获包括：
按照预设方法，分别对1比特内的5跳进行填0处理；
对填0处理后的每一跳数据分别做512点的傅里叶变换，得到每一跳的傅里叶变换结果；
分别对所述每一跳的傅里叶变换结果进行相位补偿，得到每一跳的相位补偿后的傅里叶变换结果；
对所述每一跳的相位补偿后的傅里叶变换结果进行求和，得到比特积分结果；
重复上述步骤，得到N个比特的积分结果，完成信号捕获。
进一步地，所述按照预设方法，对1比特内的5跳进行填0处理包括：
基于跳扩捕获的时间精度、多普勒动态范围以及最低信噪比要求，确定最小捕获长度；
基于所述最小捕获长度，分别对1比特内的5跳进行填0处理。
进一步地，所述相位补偿值通过如下方式进行确定：
根据相邻两跳之间的频率差和定时误差，确定每一跳的相位补偿值。
进一步地，还包括：
对所述N个比特的积分结果进行排序，确定数值最大的比特积分结果；
将所述数值最大的比特积分结果，和预设门限进行比较，若大于所述门限，则捕获成功；反之，则进行重新捕获。
进一步地，所述进行重新捕获包括：
将本地时间错开一个最小时间单位后，进行重新捕获。
在本公开的第二方面，提供了一种基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获装置。该装置包括：
接收模块，用于接收跳扩信号；
处理模块，用于对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号；所述n为大于0的正整数；
捕获模块，用于对所述n倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。
在本公开的第三方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如以上所述的方法。
在本公开的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如根据本公开的第一方面的方法。
本申请实施例提供的基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法，通过接收跳扩信号；对所述跳扩信号预处理，得到4倍采样基带数字信号；对所述4倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获，在超低信噪比和大动态条件指标要求下，实现了跳频图案/扩频码的快速捕获，大幅降低了FPGA的运算资源占用。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法的流程图；
图2示出了根据本公开的实施例的捕获方案示意图；
图3示出了根据本公开的实施例的RoomFFT_HopAccumu模块信号处理流程图；
图4示出了根据本公开的实施例的填0示意图；
图5示出了根据本公开的实施例的基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获装置的方框图；
图6示出了能够实施本公开的实施例的示例性电子设备的方框图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
图1示出了根据本公开实施例的基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法的流程图，包括：
S110，接收跳扩信号。
S120，对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号。
在一些实施例中，对所述跳扩信号进行数字化、预解跳和归一化采样，得到n倍采样基带数字信号；所述n为大于0的正整数.
采样定理表明采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍，即，奈奎斯特频率必须大于被采样信号的带宽。如果信号的带宽是100Hz，那么为了避免混叠现象采样频率必须大于200Hz。即，采样频率必须至少是信号中最大频率分量频率的两倍，否则就不能从信号采样中恢复原始信号。
如果信号的最高频率超过采样频率的一半，在理想采样频谱中，各次调制频谱就会相互交叠，出现频谱的混淆现象。当出现频谱混淆后，一般不可能无失真的滤出基带频谱，用基带滤波后恢复出来的信号就要失真。
因此，要想尽可能减少采样恢复后的信号失真，就要选择满足采样定理的采样频率。在本公开中，优选地，采用4倍采样基带数字信号。
S130，对所述n倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。
在本公开中，在现有的“比特内相干/比特间非相干”捕获方案的基础上，引入多跳频域聚焦与合成傅里叶变换技术(RoomFFT_HopAccumu算法)，替换原捕获方案中的每比特内各跳相干积分结果的相干累加计算部分,简化捕获过程中“跳间相位不连续”维度的计算量，参考图2。
在一些实施例中，对n倍采样基带数字信号做解扩，通过RoomFFT_HopAccumu算法对解扩后的信号进行处理；
具体地，如图3所示，RoomFFT_HopAccumu算法处理流程包括：
将1个比特内的5跳，分别参照图2的方式进行填0处理；为了保证各跳分别计算FFT(傅里叶变换)后的结果在相位上连续，从而可以在下一个步骤中直接相加合成，因此，每一跳填0的位置均不相同。
兼顾跳扩捕获的时间精度、多普勒动态范围以及最低信噪比要求，在本公开中，设置的最小捕获长度为512。因此，对每跳填0，补满512个数据，然后分别做512点FFT，其结果记为：y1_1、y1_2、y1_3、y1_4、y1_5。
跳间相位不连续是跳扩信号捕获中不可避免问题，为了获得更高的积分增益，需要对其进行补偿。具体地，根据相邻两跳之间的频率差和定时误差，估计出每一跳的相位补偿值θ1～θ5，然后将其和上述步骤中得到的y1_1、y1_2、y1_3、y1_4、y1_5对应相乘，得到相位补偿后的傅里叶变换结果，即：y2_1＝y1_1*θ1、y2_2＝y1_2*θ2、y2_3＝y1_3*θ3、y2_4＝y1_4*θ4、y2_5＝y1_5*θ5。
将上述y2_1～y2_5按位相加，得到RoomFFT_HopAccumu的最终输出y3,即：
y3(i)＝y2_1(i)+y2_2(i)+y2_3(i)+y2_4(i)+y2_5(i)；i＝0～511；
若满足跳扩捕获信噪比指标，最少需要N个比特的积分结果，则在整个捕获区间所需的N个比特内部，均需要重复使用所述RoomFFT_HopAccumu算法，即，重复上述步骤，得到N个输出y3_1,y3_2，.....y3_N；
对所述N个比特的积分结果(N个输出)进行排序，确定数值最大的比特积分结果Max_y3；所述Max_y3即为经过相位补偿的信号在跳间相位基本连续，残余频偏基本为0条件下，基于当前扩频码相位的积分增益最优值；
将所述数值最大的比特积分结果，和预设门限进行比较，若大于所述门限，则捕获成功，信号处理转入跟踪环节；反之，则进行重新捕获；所述门限可根据实际应用场景进行预先设定；
进一步地，将本地时间码错开一个最小时间单位(半个扩频码片时间宽度)后进行重新捕获。
根据本公开的实施例，实现了以下技术效果：
本专利采用基于频域聚焦与合成傅里叶变换技术的比特内相干、比特间非相干捕获方案，解决了跳扩通信系统中，超低信噪比和大动态条件下跳频图案/扩频码快速捕获问题。与传统方案比较，在保持相同的捕获性能条件下，可显著提高信号处理计算效率，大幅降低FPGA运算资源。
1.本公开的计算效率：
(1)参考图4，将1比特内的2500个码片每5码片相加，再填0后做512点FFT的结果记为y0。
(2)根据数字傅里叶变化的基本公式，按本公开的方法带入实际信号后，通过数学推导和/或matlab仿真等方式，可以证明：RoomFFT_HopAccumu算法的计算结果y3＝y0。
(3)引入各跳相位连续性问题，在每跳数据之间复乘相位补偿值θ1～θ5后，重复步骤(1)～(2),仍然可以通过数学推导和仿真计算得出RoomFFT_HopAccumu算法的结果y3＝1比特内的2500个码片补偿跳间相位不连续性后直接积分的结果y0的结论。因此，可得RoomFFT_HopAccumu算法与1比特内的2500个码片补偿跳间相位不连续性后直接积分的比特内相干、比特间非相干捕获的捕获方案，在捕获性能上没有区别，计算结果完全等价。
2.本公开的FPGA运算资源消耗情况：
(1)在引入RoomFFT_HopAccumu算法前，为了解决各跳相位连续性问题，在总共N个比特的积分窗口内，“比特内相干、比特间非相干捕获”方案需要把解决码相位模糊、时/频域多普勒的模块复用N次。
(2)若为了解决码相位模糊、时/频域多普勒问题所耗资源为为S0，各跳相位连续性需要穷举的相位组合为P种，则总的资源消耗为S0*N*P。
(3)在引入本公开的RoomFFT_HopAccumu算法后，由于FFT计算模块可以串行使用，只需对计算结果复乘后再相加即可得到不同相位补偿值下的整体FFT变换结果，所以P约等于1.1左右。
若不采用RoomFFT_HopAccumu算法，为达到同样的性能，则需要并行穷举最少20种不同的各跳相位连续性补偿组合，即P＝20；此时需要的计算资源为S0*N*20，经计算，大约需要10片V7-690T大容量高性能FPGA；
而本公开需要的计算资源约等于S0*N*1.1，只需不到1片V7-690T大容量高性能FPGA，和“比特内相干/比特间非相干”的原始捕获方案相比，运算资源消耗降低了近20倍。
综上，本公开可直接用于低成本、低功耗、小型化跳扩体制终端的研发，不仅适用跳扩体制卫星通信系统，也适用其他需要解决大动态工程问题的无线通信应用场景。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本公开所述方案进行进一步说明。
图5示出了根据本公开的实施例的基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获装置500的方框图。如图5所示，装置500包括：
接收模块510，用于接收跳扩信号；
处理模块520，用于对所述跳扩信号预处理，得到4倍采样基带数字信号；
捕获模块530，用于对所述4倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
图6示出了可以用来实施本公开的实施例的电子设备600的示意性框图。如图所示，设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的计算机程序指令或者从存储单元608加载到随机访问存储器(RAM)603中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中，还可以存储设备600操作所需的各种程序和数据。CPU 601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
设备600中的多个部件连接至I/O接口605，包括：输入单元606，例如键盘、鼠标等；输出单元607，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元608，例如磁盘、光盘等；以及通信单元609，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元609允许设备600通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元601执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法100。例如，在一些实施例中，方法100可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元608。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 602和/或通信单元609而被载入和/或安装到设备600上。当计算机程序加载到RAM 603并由CPU 601执行时，可以执行上文描述的方法100的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU 601可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法100。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (10)

1.一种基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获方法，应用于卫星通信系统，其特征在于，包括：
接收跳扩信号；
对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号；所述n为大于0的正整数；
对所述n倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号包括：
对所述跳扩信号进行数字化、预解跳和归一化采样，得到n倍采样基带数字信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获包括：
按照预设方法，分别对1比特内的5跳进行填0处理；
对填0处理后的每一跳数据分别做512点的傅里叶变换，得到每一跳的傅里叶变换结果；
分别对所述每一跳的傅里叶变换结果进行相位补偿，得到每一跳的相位补偿后的傅里叶变换结果；
对所述每一跳的相位补偿后的傅里叶变换结果进行求和，得到比特积分结果；
重复上述步骤，得到N个比特的积分结果，完成信号捕获。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述按照预设方法，对1比特内的5跳进行填0处理包括：
基于跳扩捕获的时间精度、多普勒动态范围以及最低信噪比要求，确定最小捕获长度；
基于所述最小捕获长度，分别对1比特内的5跳进行填0处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相位补偿值通过如下方式进行确定：
根据相邻两跳之间的频率差和定时误差，确定每一跳的相位补偿值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述N个比特的积分结果进行排序，确定数值最大的比特积分结果；
将所述数值最大的比特积分结果，和预设门限进行比较，若大于所述门限，则捕获成功；反之，则进行重新捕获。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述进行重新捕获包括：
将本地时间错开一个最小时间单位后，进行重新捕获。
8.一种基于频域聚焦与合成傅里叶变换的信号捕获装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收跳扩信号；
处理模块，用于对所述跳扩信号预处理，得到n倍采样基带数字信号；所述n为大于0的正整数；
捕获模块，用于对所述4倍采样基带数字信号进行解扩，通过基于频域聚焦与合成傅里叶变换的方式，对解扩后的信号进行处理，完成信号捕获。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
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