CN115250134B - 一种在大多普勒频率下的pmf-fft捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在大多普勒频率下的PMF‑FFT捕获方法，属于卫星通信系统信号处理领域。在采用PMF‑FFT算法的基础上提出了使用二次PMF‑FFT的方法，可以将码片误差缩小至一个码片范围内，使捕获判断模块可以很好地适应大多普勒范围，提高了捕获的准确性，缩短了捕获时间。在捕获初步完成后，将剩余频差估计在一个较大的范围内，引入剩余频偏估计模块，将频偏估计在一个较小的误差内，方便后续载波跟踪的处理。该方法不仅工程实现简单，且能够满足工程的信噪比要求。在捕获过程中，还通过捕获控制模块去控制各个模块的工作时序以及捕获状态，不仅保证了捕获的正确性，且便于调试。

Description

一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法
技术领域
本发明涉及卫星通信系统信号处理技术领域，特别涉及一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法。
背景技术
直接序列扩频通信技术可以有效地降低信号的功率谱密度，实现通信的隐蔽性和低截获概率，并且工程实现简单，得到了广泛的应用。但是对于高速运动的飞行器来说，飞行器的飞行速度非常高，会带来特别大的载波多普勒频移和多普勒变化速率，从而给通信接收机的信号处理带来了问题：对接收信号的载波产生高的多普勒频移，使得伪码相关峰值剧烈下降，导致捕获概率很差或者无法找到信号。传统的捕获算法如频域并行滑动相关法、滑动相关法等，由于捕获时间或者捕获信噪比的限制将不再适用，通常使用部分匹配滤波器加傅里叶变换(PMF-FFT)的方法进行伪码相位-载波频率的二维搜索。
但是，在使用PMF-FFT算法时，存在着信噪比损失的问题，即扇贝损失和频域衰减。当存在的多普勒较大时，在快速捕获的同时也会带来一些其他问题，比如较多的多普勒分割区间、大的FFT输出幅值的衰减、较大的码片多普勒以及消耗较长的捕获时间等，这些问题对于多普勒快速变化的系统来说是不可以忍受的，最终将会导致捕获失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法，以降低频偏估计误差，提高系统捕获的准确性，缩短捕获时间。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法，基于数字下变频模块、数据存储模块、伪码生成模块、部分相关运算模块、FFT变换模块、捕获判断模块、捕获控制模块和剩余频偏估计模块；该方法包括：
步骤1：数字下变频模块将接收到的中频信号下变频为I、Q两路数据；
步骤2：数据存储模块存储有用数据，伪码生成模块生成和接收信号相同的伪码，且相位可调；
步骤3：部门相关运算模块将存储的数据和生成的伪码数据做部分相关运算，并进行滤波；
步骤4：FFT变换模块将滤波处理后的数据进行FFT运算，并求虚部和实部的平方和；
步骤5：捕获判断模块将检测出的FFT运算后的模值最大值与预设门限进行比较，如果最大值超过预设门限，则捕获成功，并记录下当前伪码的多普勒频偏和码相位；反之，则重回步骤2，调整伪码生成模块生成的伪码相位，即伪码循环向右移一位，重新进行捕获，如此循环；
步骤6：剩余频偏估计模块对捕获后剩余多普勒频偏进行估计，使得频偏误差在载波环的入锁带宽内；
捕获控制模块控制数据存储模块、FFT变换模块、捕获判断模块和剩余频偏估计模块的工作时序以及捕获状态，给出各个模块的工作使能。
可选的，在所述步骤5之后，所述步骤6之前，该方法还包括二次PMF-FFT捕获，若捕获成功，以步骤5中捕获成功后记录下的伪码相位为起点，重复步骤2～步骤5，再次对信号进行搜索，且第一次捕获结束后的伪码相位与实际的伪码相位之间的误差不超过第二次搜索的相位范围。
可选的，在捕获完成以后，本地的伪码和接收信号已经初步对齐，复制一段接收信号，改变下变频模块的频率控制字，对下变频后的数据做非相干累加，得到一次扫频后的信号能量；当所有频点扫描完成后，选取能量最大值，该最大值点的位置代表的频率则是捕获后的剩余频偏。
可选的，所述部分相关运算模块对存储的N个数据进行分组，分为K组，K代表部分相关运算模块中部分匹配滤波器的个数，每组X个数据，X也就是每个子匹配滤波器的长度，N＝KX；将本地伪码与接收信号送入部分匹配滤波器进行相关运算，相关运算后进行匹配滤波处理，得到滤波后的数据。
可选的，所述FFT变换模块对部门相关运算模块滤波处理后的数据做K点FFT运算，将FFT输出结果实部和虚部平方后求其平方模值，同时得到每一点FFT输出值所对应的游标地址。
在本发明提供的在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法中，在采用PMF-FFT算法的基础上提出了使用二次PMF-FFT的方法，可以将码片误差缩小至一个码片范围内，使捕获判断模块可以很好地适应大多普勒范围，提高了捕获的准确性，缩短了捕获时间。在捕获初步完成后，将剩余频差估计在一个较大的范围内，引入剩余频偏估计模块，将频偏估计在一个较小的误差内，方便后续载波跟踪的处理。该方法不仅工程实现简单，且能够满足工程的信噪比要求。在捕获过程中，还通过捕获控制模块去控制各个模块的工作时序以及捕获状态，不仅保证了捕获的正确性，且便于调试。
附图说明
图1是本发明提供的在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获系统框架示意图；
图2是本发明提供的在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法流程示意图；
图3是PMF-FFT捕获原理示意图；
图4是扩频信号捕获控制状态框示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均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例的目的。
本发明对PMF-FFT算法的改进是采用PMF-FFT+剩余频偏估计的方法对扩频信号进行捕获。当多普勒频偏较大，而后续载波环的入锁带宽较小时，将会有较多的多普勒载波分割区间，导致捕获时间较长，因此在对FFT分辨率进行选择时，不是要求FFT估计出的频率误差在载波环入锁频偏内，而是采用比载波环入锁频偏大的FFT分辨率，等到捕获完成后，再利用较少的时间进行剩余载波频偏估计，之后让频偏误差在载波环的入锁带宽内。
本发明提供了一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法，基于如图1所示的PMF-FFT捕获系统，该PMF-FFT捕获系统主要包括数字下变频模块、数据存储模块、伪码生成模块、部分相关运算(Partially matched filter，PMF)模块、FFT变换模块、捕获判断模块、捕获控制模块和剩余频偏估计模块；其中，所述数字下变频模块是将中频信号下变频为I、Q两路数据；所述数据存储模块用于存储有用数据；所述伪码生成模块生成和接收信号相同的伪码，且相位可调；所述部分相关运算模块将所述数据存储模块存储的数据和所述伪码生成模块生成的数据做部分相关运算，并进行滤波；所述FFT变换模块的作用是将滤波处理后的数据进行FFT运算，并求虚部和实部的平方和；所述捕获判断模块是将检测出的FFT运算后的模值最大值与预设门限进行比较，如果最大值超过预设门限，则捕获成功；所述捕获控制模块控制各个模块(包括数据存储模块、FFT变换模块、捕获判断模块和剩余频偏估计模块)的工作时序以及捕获状态，给出各个模块的工作使能；所述剩余频偏估计模块则是对捕获后剩余多普勒频偏进行估计，使得频偏误差在载波环的入锁带宽内。
基于如图1所示的PMF-FFT捕获系统，在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法的具体步骤如下：
步骤1：数字下变频模块将接收的中频信号进行下变频处理，并进行载波分离，分为I路和Q路数据；
步骤2：数据存储模块将接收的I路和Q路数据进行存储，存储N个数据，本实例中存储的数据量N＝1024；此时伪码生成模块生成与接收信号相同的伪码；
步骤3：将存储的N个数据和伪码数据送入部分相关运算模块，即将两部分数据每点对应进行相关运算，此时采用的是部分匹配滤波器，部分匹配滤波器的长度为X，共K个部分匹配滤波器，存储数据长度N＝KX；
步骤4：将滤波后的数据即K点相关结果进入FFT变换模块进行FFT变换运算，并求出实部和虚部的平方和；
在本实例中，多普勒指标为800KHz，多普勒变化速率20kHz/s；伪码速率为10.23MHz，当部分匹配滤波器的长度X＝4时，可以更好地发挥出捕获性能。在长度为4的部分匹配滤波器后，实现256点FFT运算。
步骤5：参阅图3，捕获判断模块检测FFT变换运算后的输出模值中的最大值，将其与预设门限进行比较，如若超过预设门限，则捕获成功，并记录下当前伪码的多普勒频偏和码相位，进入步骤6；反之，则重回步骤2，调整伪码生成模块生成的伪码相位，即伪码循环向右移一位，重新进行捕获，如此循环；
步骤6：启动二次PMF-FFT：由于大多普勒频偏的存在，会导致码片漂移现象，因此需要进行二次捕获。以步骤5估计出的伪码相位为起点，重复步骤2～步骤5，再次对信号进行搜索，但是，此次搜索只需要搜索步骤5捕获到的伪码相位的前后几个相位即可，即需保证第一次捕获结束后的伪码相位与实际的伪码相位之间的误差不超过第二次搜索的相位范围。
此时FFT的分辨率为ΔfFFT＝fs/N＝1/NTc＝10.23MHz/4/256＝9.99kHz，fs为伪码速率，码宽Tc＝1/fs；也就是说，捕获成功后可以将剩余载波频差缩小至10kHz以内。
步骤7：参阅图4，启动扫频模块：在捕获完成以后，可以将剩余载波频差缩小至10kHz以内，本地的伪码和接收信号已经初步对齐，复制一段接收信号，改变下变频模块的频率控制字，对下变频后的数据做非相干累加，得到一次扫频后的能量。
具体做法为：将捕获完成的数据进行数字下变频，然后分别对I路、Q路数据进行256点累加，将累加后的结果求出I/Q的平方和，此平方和作为一次扫频的能量。每次扫描一次能量后，将数据能量进行存储，然后改变频点，将数据进行下变频处理，继续扫描下一个频点，直至所有频点扫描完成。当所有的频点扫描结束后，在所有的频点中选取出能量最大值点，且该最大值点在的位置所代表的频率则可以作为捕获后的剩余频偏。
在本实例中，捕获成功后剩余频差为±10kHz，假设估计的频点个数为20，那么估计出的剩余频差为：
fremain＝±10kHz/20＝±500Hz
即采用剩余频偏估计模块可以将剩余频偏估计在±500Hz以内，将多普勒频差估计在了载波环的入锁带宽内，可以保证后续的同步跟踪工作。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (1)

1.一种在大多普勒频率下的PMF-FFT捕获方法，其特征在于，基于数字下变频模块、数据存储模块、伪码生成模块、部分相关运算模块、FFT变换模块、捕获判断模块、捕获控制模块和剩余频偏估计模块；该方法包括：
步骤1：数字下变频模块将接收到的中频信号下变频为I、Q两路数据；
步骤2：数据存储模块存储有用数据，伪码生成模块生成和接收信号相同的伪码，且相位可调；
步骤3：部门相关运算模块将存储的数据和生成的伪码数据做部分相关运算，并进行滤波；
步骤4：FFT变换模块将滤波处理后的数据进行FFT运算，并求虚部和实部的平方和；
步骤5：捕获判断模块将检测出的FFT运算后的模值最大值与预设门限进行比较，如果最大值超过预设门限，则捕获成功，并记录下当前伪码的多普勒频偏和伪码相位；反之，则重回步骤2，调整伪码生成模块生成的伪码相位，即伪码循环向右移一位，重新进行捕获，如此循环；
步骤6：剩余频偏估计模块对捕获后剩余多普勒频偏进行估计，使得频偏误差在载波环的入锁带宽内；
捕获控制模块控制数据存储模块、FFT变换模块、捕获判断模块和剩余频偏估计模块的工作时序以及捕获状态，给出各个模块的工作使能；
在所述步骤5之后，所述步骤6之前，该方法还包括二次PMF-FFT捕获，若捕获成功，以步骤5中捕获成功后记录下的伪码相位为起点，重复步骤2～步骤5，再次对信号进行搜索，且第一次捕获结束后的伪码相位与实际的伪码相位之间的误差不超过第二次搜索的相位范围；
在捕获完成以后，本地的伪码和接收信号已经初步对齐，复制一段接收信号，改变下变频模块的频率控制字，对下变频后的数据做非相干累加，得到一次扫频后的信号能量；当所有频点扫描完成后，选取能量最大值，该最大值点的位置代表的频率则是捕获后的剩余频偏；
所述部分相关运算模块对存储的N个数据进行分组，分为K组，K代表部分相关运算模块中部分匹配滤波器的个数，每组X个数据，X也就是每个部分匹配滤波器的长度，N＝KX；将本地伪码与接收信号送入部分匹配滤波器进行相关运算，相关运算后进行匹配滤波处理，得到滤波后的数据；
所述FFT变换模块对部门相关运算模块滤波处理后的数据做K点FFT运算，将FFT输出结果实部和虚部平方后求其平方模值，同时得到每一点FFT输出值所对应的游标地址。
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