CN114978235B - 一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统及方法，包括信号捕获功能模块、信号跟踪调节功能模块和预处理及下变频模块，所述预处理及下变频模块输入AD采样信号，输出数字基带信号，所述数字基带信号分别输入信号捕获功能模块和信号跟踪解调功能模块，所述信号捕获功能模块输出捕获结果到信号跟踪解调功能模块。本发明通过多个相关累加器对接收扩频信号进行捕获，充分利用了信号到达时刻先验信息，只有在信号到达时刻前才启动信号捕获流程。本发明通过例化多个相关累加器实现了一定时间范围内的并行捕获能力。

Description

一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统及方法
技术领域
本发明属于无线通信信号接收基带处理技术领域，具体涉及一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统及方法。
背景技术
为实现用户多址接入功能和具备一定的系统抗干扰能力，在卫星无线通信领域广泛采用了直接序列扩频通信技术。接收机只有准确捕获了接收信号扩频码相位，才能正确复现扩频码从而完成数据解调。对于用户容量较小的情况，扩频码可以具有周期性，重复周期一般为1ms到10ms，而随着用户容量的增加，通信系统越来越多的采用非周期扩频码，扩频码在完整的通信建链阶段是非周期的。
目前对于周期性扩频信号的捕获研究已经比较成熟，基于不同的计算资源或捕获时间的约束可以选择不同的捕获算法。对于非周期扩频信号的捕获，其难点在于必须对信号起始相位进行一次性的实时捕获，如果错过信号头，则由于信号无重复周期，导致错失本次通信同步机会。非周期扩频信号现有主要捕获算法包括匹配滤波算法和FFT算法，两者都属于时域并行捕获算法，可以实时计算和输出信号捕获结果，缺点在于计算资源开销较大。
对于某些通信系统，通信双方在建链前已经通过信令广播链路建立了时间同步，时间同步的好处在于：
1)发射机可以依据信令信道特征补偿信号多普勒，接收机无需进行频率维捕获；
2)接收机能够预先从信令信息中获知扩频信号到达大致时刻。
从信令信息中获取的扩频信号到达时刻存在一定的误差，一般在几百个扩频码符号左右，因此为准同步扩频信号，利用信号到达时刻先验信息可以降低信号捕获对计算资源的需求。但是，现有的匹配滤波算法和FFT算法均无法利用信号到达时间先验信息，不会因为该信息的加入而起到降低计算资源的效果。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统及方法解决了信号捕获计算资源开销较大的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，包括信号捕获功能模块、信号跟踪调节功能模块和预处理及下变频模块，所述预处理及下变频模块输入AD采样信号，输出数字基带信号，所述数字基带信号分别输入信号捕获功能模块和信号跟踪解调功能模块，所述信号捕获功能模块输出捕获结果到信号跟踪解调功能模块。
进一步地：所述信号捕获功能模块包括一个本地码产生器、N个延时器、N+1个相乘器、N+1个复数累加器和1个捕获判决器；所述数字基带信号依次输入N个延时器和N+1个相乘器，所述本地码产生器输入启动信号，输出依次与N+1个相乘器的输入端连接，所述N+1个相乘器的输出端分别与N+1个复数累加器的输入端连接，所述N+1个复数累加器的输入端还与清零信号连接，所述N+1个复数累加器的输出端与捕获判决器的信号输入端连接，所述捕获判决器输入锁存信号，输出捕获结果。
进一步地：所述N的大小为信号到达时刻不确定度对应的扩频码片数的两倍。
进一步地：所述数字基带信号采样率为扩频码速率的两倍。
进一步地：所述捕获判决器在锁存信号到来时刻计算N+1个累加器的输出幅度，并统计最大值，与预设的捕获门限进行比较，输出信号捕获成功标识与捕获扩频码相位结果。
一种准同步非周期扩频信号的快速捕获方法，包括以下步骤：
S1、将经预处理和下变频处理的数字基带信号srev(n)送入信号捕获功能模块后，依次经过N个延时器，每一个延时器的延时量为数字基带信号采样率的导数对于第i个延时器的输出记为srev(n-τi)，其中1≤i≤N，n为数字基带信号序号，τi为第i个延时器的延时大小；
S2、接收机从信令信息中获取扩频信号预期到达时刻t0，在时刻，向信号捕获功能模块中的本地码发生器发送启动信号，同时向N+1个复数累加器发送清零信号；
S3、在本地码发生器接收到启动信号后，立即按照通信协议规定的扩频码生成算法产生参考扩频并输出，输出结果记为sref(n)，将参考扩频码sref(n)取共轭后分别与srev(n)、srev(n-τ1)、srev(n-τ2)、……、srev(n-τN)共N+1个信号相乘，将相乘结果分别送入N+1个复数累加器；
S4、复数累加器对输入信号进行累加，并将累加结构输出至捕获判决器，当信号累加时长达到通信系统规定的捕获时长要求后，接收机向捕获判决器发送锁存信号，捕获判决器收到锁存信号后立即锁存此时N+1个复数累加器的累加结果，分别记为R(0)、R(τ1)、R(τ2)、……、R(τN)；
S5、捕获判决器对N+1个累加结果R(0)、R(τ1)、R(τN)、……、R(τN)分别计算幅度，找出幅度的最大值并与预设的捕获门限做比较，如果大于捕获门限则输出捕获成功标识以及最大值对应的累加器编号，否则输出捕获失败标识。
本发明的有益效果为：本发明通过多个相关累加器对接收扩频信号进行捕获，充分利用了信号到达时刻先验信息，只有在信号到达时刻前才启动信号捕获流程。因此虽然每次捕获只能得到N+1个相关累加结果，但是只要实际信号到达时刻误差在系统指标范围内，则N+1个相关累加结果必定包含了真实接收信号对应的相关峰。单个相关累加器属于时域串行捕获功能单元，本发明通过例化多个相关累加器实现了一定时间范围内的并行捕获能力。
本发明相比于传统的并行捕获算法，最大的优势在于节省计算资源。对于匹配滤波算法，其需要使用的乘法器和累加器数量取决于累加时间长度和扩频码速率，通常为几千到十万个；对于FFT算法，至少需要进行几万点的FFT和IFFT运算；对于本算法，需要使用的乘法器和累加器数量仅取决于信号到达时间不确定度，根据现有通信系统实现指标，仅需要500个左右。
附图说明
图1为本发明一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统框图；
图2为本发明一种准同步非周期扩频信号的快速捕获方法步骤流程图；
图3为本发明实施例中累加器输出幅度仿真结果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，包括信号捕获功能模块、信号跟踪调节功能模块和预处理及下变频模块，所述预处理及下变频模块输入AD采样信号，输出数字基带信号，所述数字基带信号分别输入信号捕获功能模块和信号跟踪解调功能模块，所述信号捕获功能模块输出捕获结果到信号跟踪解调功能模块。所述信号捕获功能模块包括一个本地码产生器、N个延时器、N+1个相乘器、N+1个复数累加器和1个捕获判决器，其中N的大小为信号到达时刻不确定度对应的扩频码片数的两倍；所述数字基带信号依次输入N个延时器和N+1个相乘器，所述本地码产生器输入启动信号，输出依次与N+1个相乘器的输入端连接，所述N+1个相乘器的输出端分别与N+1个复数累加器的输入端连接，所述N+1个复数累加器的输入端还与清零信号连接，所述N+1个复数累加器的输出端与捕获判决器的信号输入端连接，所述捕获判决器输入锁存信号，输出捕获结果。所述数字基带信号采样率为扩频码速率的两倍。捕获判决器可以在锁存信号到来时刻计算N+1个累加器的输出幅度，并统计最大值，与预设的捕获门限进行比较，输出信号捕获成功标识与捕获扩频码相位结果。
如图2所示，一种准同步非周期扩频信号的快速捕获方法，包括以下步骤：
S1、将经预处理和下变频处理的数字基带信号srev(n)送入信号捕获功能模块后，依次经过N个延时器，每一个延时器的延时量为数字基带信号采样率的导数对于第i个延时器的输出记为srev(n-τi)，其中1≤i≤N，n为数字基带信号时域序号，τi为第i个延时器的延时大小；
S2、接收机从信令信息中获取扩频信号预期到达时刻t0，在时刻，向信号捕获功能模块中的本地码发生器发送启动信号，同时向N+1个复数累加器发送清零信号；
S3、在本地码发生器接收到启动信号后，立即按照通信协议规定的扩频码生成算法产生参考扩频并输出，输出结果记为sref(n)，将参考扩频码sref(n)取共轭后分别与srev(n)、srev(n-τ1)、srev(n-τ2)、……、srev(n-τN)共N+1个信号相乘，将相乘结果分别送入N+1个复数累加器；
S4、复数累加器对输入信号进行累加，并将累加结构输出至捕获判决器，当信号累加时长达到通信系统规定的捕获时长要求后，接收机向捕获判决器发送锁存信号，捕获判决器收到锁存信号后立即锁存此时N+1个复数累加器的累加结果，分别记为R(0)、R(τ1)、R(τ2)、……、R(τN)；
S5、捕获判决器对N+1个累加结果R(0)、R(τ1)、R(τN)、……、R(τN)分别计算幅度，找出幅度的最大值并与预设的捕获门限做比较，如果大于捕获门限则输出捕获成功标识以及最大值对应的累加器编号，否则输出捕获失败标识。
对于卫星通信系统，卫星与地面用户之间采用了扩频通信信号体制方案，系统采用了非周期扩频码，码速率Rc为10.23Mcps。地面用户预先通过卫星广播通道可以恢复出信道多普勒和时延信息，当地面向卫星发射信号时，可以确保卫星接收信号多普勒可忽略不计，而且信号到达卫星接收机的时刻在约定时刻附近，误差不超过±100个扩频码片。卫星接收机接收载噪比为40dB*Hz，信号累加时长为5ms。
根据本发明给出的实施方案进行信号捕获功能模块的设计，由于信号到达时刻不确定度为200个码片，因此需要设置400个延时器和401个累加器，AD信号经过预处理后抽取为20.46MHz采样率的基带信号送入信号捕获功能模块。在信号到达时刻前9.78us(亦即200个基带信号采样时钟节拍长度)，接收机向本地码产生器发送启动信号，并向N+1个累加器发送清零信号。在5ms后，接收机向捕获判决器发送锁存信号，捕获判决器输出捕获结果。
图3给出了401个相关累加器锁存结果的幅度值仿真结果，将接收信号设置为相比约定时刻提前4.17us到达卫星接收机。可以看到第116个累加器的输出幅度取得最大值，而且超过了捕获门限。根据换算结果，第116个累加器意味着捕获判决器认为信号相比约定时刻提前了(201-116)/(2*Rc)时间到达，即提前了4.154us，与仿真设定值4.17us相差为16ns，小于1/4个码片宽度，在后续信号跟踪解调功能模块可容忍的误差范围内，表明本次捕获达到了预期效果。

Claims (6)

1.一种准同步非周期扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将经预处理和下变频处理的数字基带信号srev(n)送入信号捕获功能模块后，依次经过N个延时器，每一个延时器的延时量为数字基带信号采样率的导数对于第i个延时器的输出记为srev(n-τi)，其中1≤i≤N，n为数字基带信号时域序号，τi为第i个延时器的延时大小；
S2、接收机从信令信息中获取扩频信号预期到达时刻t0，在时刻，向信号捕获功能模块中的本地码发生器发送启动信号，同时向N+1个复数累加器发送清零信号；
S3、在本地码发生器接收到启动信号后，立即按照通信协议规定的扩频码生成算法产生参考扩频并输出，输出结果记为sref(n)，将参考扩频码sref(n)取共轭后分别与srev(n)、srev(n-τ1)、srev(n-τ2)、……、srev(n-τN)共N+1个信号相乘，将相乘结果分别送入N+1个复数累加器；
S4、复数累加器对输入信号进行累加，并将累加结构输出至捕获判决器，当信号累加时长达到通信系统规定的捕获时长要求后，接收机向捕获判决器发送锁存信号，捕获判决器收到锁存信号后立即锁存此时N+1个复数累加器的累加结果，分别记为R(0)、R(τ1)、R(τ2)、……、R(τN)；
S5、捕获判决器对N+1个累加结果R(0)、R(τ1)、R(τN)、……、R(τN)分别计算幅度，找出幅度的最大值并与预设的捕获门限做比较，如果大于捕获门限则输出捕获成功标识以及最大值对应的累加器编号，否则输出捕获失败标识。
2.一种准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，用于实现如权利要求1所述的准同步非周期扩频信号的快速捕获方法，其特征在于，所述准同步非周期扩频信号的快速捕获系统包括信号捕获功能模块、信号跟踪调节功能模块和预处理及下变频模块，所述预处理及下变频模块输入AD采样信号，输出数字基带信号，所述数字基带信号分别输入信号捕获功能模块和信号跟踪解调功能模块，所述信号捕获功能模块输出捕获结果到信号跟踪解调功能模块。
3.根据权利要求2所述的准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，其特征在于，所述信号捕获功能模块包括一个本地码产生器、N个延时器、N+1个相乘器、N+1个复数累加器和1个捕获判决器；所述数字基带信号依次输入N个延时器和N+1个相乘器，所述本地码产生器输入启动信号，输出依次与N+1个相乘器的输入端连接，所述N+1个相乘器的输出端分别与N+1个复数累加器的输入端连接，所述N+1个复数累加器的输入端还与清零信号连接，所述N+1个复数累加器的输出端与捕获判决器的信号输入端连接，所述捕获判决器输入锁存信号，输出捕获结果。
4.根据权利要求3所述的准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，其特征在于，所述N的大小为信号到达时刻不确定度对应的扩频码片数的两倍。
5.根据权利要求3所述的准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，其特征在于，所述数字基带信号采样率为扩频码速率的两倍。
6.根据权利要求3所述的准同步非周期扩频信号的快速捕获系统，其特征在于，所述捕获判决器在锁存信号到来时刻计算N+1个累加器的输出幅度，并统计最大值，与预设的捕获门限进行比较，输出信号捕获成功标识与捕获扩频码相位结果。
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