CN115296696A - 一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法及装置，首先，对下变频后的信号进行累加降速，然后将累加降速后的数据依次存入缓存区，缓存区写入数据时，将累加降速后的数据延迟m次，生成m个数据存入缓存区的同一个地址，读数时将缓存区中某一个地址对应的m个数据一次性读出。在存储数据的同时，进行本地码字的缓存，码字存储区间的宽度与数据相同。数据与本地码字缓存完毕后，进行并行解扩与二次累加降速，再对二次累加降速后的信号进行乒乓缓存与FFT运算，当本地伪码相位与接收信号对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏。搜索完所有码相位后，进行捕获成功与否的判决，若FFT峰值大于门限，判决为捕获成功。

Description

一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法及装置，属于卫星通信技术领域。
背景技术
直接序列扩频(DSSS)通信体制具有抗干扰能力强、被截获概率低、保密性好、抗多径能力强等优点，得到越来越广泛的应用。航天测控通信广泛采用该技术，将测距、测速、遥控、遥测等功能有机地组合在一起。为了进一步降低信号的可探测性、增强隐蔽性，采用突发性的直接扩频通信方式，即将数据信息分包后瞬间发送，每次发送信息的时间短，因此，要求接收端在极短的时间内快速捕获和跟踪信号。现有技术中的扩频信号捕获方法，或是捕获时间长，达不到突发信号快速捕获的要求；或是占用资源大，无法应用于卫星环境；或是不适用于大多普勒动态的环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了卫星测控突发扩频信号的捕获问题，且捕获速度快、占用资源小。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法，包括：
对接收的扩频信号进行下变频，获得基带数据；
根据扩频信号的带宽对基带数据进行第一次累加降速；
将第一次累加降速后的数据依次存入缓存区；
生成本地伪码，本地伪码存储后的存储宽度与缓存区的宽度相同；
对缓存区的数据进行并行解扩，对并行解扩后的数据进行第二次累加降速；
利用两块存储区对第二次累加降速的数据进行乒乓缓存；
对乒乓缓存后的数据，进行FFT；
当本地伪码的相位与FFT后的数据相位对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏；然后设置动态门限，若FFT峰值大于动态门限，则根据FFT峰值完成捕获。
优选的，若FFT峰值小于等于动态门限，则重新接收后续扩频信号进行重捕，或对FFT后的后续数据重新进行相位对齐进行重捕。
优选的，缓存区的宽度m为：
Figure BDA0003720554200000021
其中，clk为全局时钟，N为第一次累加降速的点数，Fs为第二次累加降速后的数据速率。
优选的，存储本地伪码时，将本地伪码延迟m次，生成m个码片存入本地伪码存储空间的同一个地址，一个时钟周期写入一个码片；读取本地伪码时将本地伪码存储空间中某一个地址对应的m个码片一次性读出，相当于将本地伪码的码字由串行转为并行处理；
第一次累加降速后的数据依次存入缓存区时，将第一次累加降速后的数据延迟m次，生成m个数据存入缓存区的同一个地址，一个时钟周期写入一个数据；读数时将缓存区中某一个地址对应的m个数据一次性读出，相当于将第一次累加降速后的数据由串行转为并行处理。
优选的，本地伪码的采样率与第一次累加降速后的数据速率相同。
优选的，第二次累加降速后的数据速率为最大多普勒频偏的3～4倍。
优选的，每块存储区的储存深度为FFT的点数。
优选的，FFT的点数D为：
D＝Fs/R
其中，Fs为第二次累加降速后的数据速率，R为FFT分辨率。
优选的，本地伪码存储的深度为
Figure BDA0003720554200000022
其中，clk为全局时钟，N为第一次累加降速的点数，m为缓存区的宽度，R为FFT分辨率，fc为伪码速率，H为伪码周期。
一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获跟踪方法，利用上述的捕获方法完成捕获后，再利用多普勒频偏和FFT频谱的峰值位置，进行跟踪。
一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获装置，包括：
变频模块，用于对接收的扩频信号进行下变频，获得基带数据；
第一累加降速模块，用于根据扩频信号的带宽对基带数据进行第一次累加降速，并存储第一次累加降速后的数据；
本地伪码模块，用于生成并存储本地伪码，本地伪码存储后的存储宽度与第一次累加降速后的数据存的宽度相同；
第二累加降速模块，用于对第一次累加降速后的数据进行并行解扩，对并行解扩后的数据进行第二次累加降速，然后利用两块存储区对第二次累加降速的数据进行乒乓缓存；
FFT模块，用于对乒乓缓存后的数据，进行FFT；
捕获模块，用于确定多普勒频偏并进行捕获，当本地伪码的相位与FFT后的数据相位对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏；捕获子模块还用于设置动态门限，若FFT峰值大于动态门限，则根据FFT峰值进行捕获。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明方法在占用较小器件资源的条件下，将短突发扩频信号捕获时间控制在了40ms以内，实现了卫星测控突发扩频信号的快速捕获；
(2)本发明通过采用两次累加降速以及存储空间的宽度设置，FPGA的RAM存储空间大小降低为现有技术的1/22；
(3)本发明通过累加降速等措施，相关器资源降低为现有技术的1/10；
(4)本发明可根据不同的信噪比需求，灵活设置捕获参数，提升了捕获架构的通用性。
附图说明
图1为本发明方法的捕获流程图。
图2为本发明方法的数据存储及并行相关流程图。
图3为本发明方法的捕获控制流程图。
图4为现有技术的捕获方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法，该方法通过优化捕获算法架构，在占用较小器件资源的条件下，将捕获时间控制在了40ms以内，实现了卫星测控突发扩频信号的快速捕获；在相同多普勒动态、捕获灵敏度、捕获时间要求下，采用本文提出的捕获架构，可有效降低存储资源，其中，FPGA的RAM存储空间大小降低为传统方法的1/22，相关器资源降低为传统方法的1/10。具体为：首先，对下变频后的信号进行累加降速，以减少存储空间的占用，然后将累加降速后的数据依次存入缓存区，缓存区的宽度根据捕获时间及多普勒频偏要求确定，深度根据信噪比确定。缓存区写入数据时，将累加降速后的数据延迟m次，生成m个数据存入缓存区的同一个地址，一个时钟周期写入一个数据；读数时将缓存区中某一个地址对应的m个数据一次性读出，将累加降速后的数据由串行转为并行处理。在存储数据的同时，进行本地码字的缓存，码字存储区间的宽度与数据相同，将本地码字也由串行转为并行处理。数据与本地码字缓存完毕后，进行并行解扩与二次累加降速，再对二次累加降速后的信号进行乒乓缓存与FFT运算，当本地伪码相位与接收信号对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏。搜索完所有码相位后，进行捕获成功与否的判决，设置动态门限(每帧FFT运算结果平均值的N倍)，若FFT峰值大于门限，判决为捕获成功，启动跟踪模块；若峰值小于门限，则判决为捕获失败，复位捕获模块，重新开始捕获。
更具体的：
如图1所示，本文在部分相关FFT算法的基础上，采用三级存储的思想，在解扩前增加降速存储环节，可有效降低并行解扩后的数据存储量，大大增强工程可实现性，具体步骤如下：
(1)下变频：对AD采样后的信号进行正交下变频，将信号搬到基带，为后续的捕获跟踪做准备。
(2)累加降速1：根据输入扩频信号的带宽对下变频后的基带信号进行N点累加降速，假设全局时钟为clk，则累加后的数据速率为clk/N。累加降速的目的是减少后续数据存储量，即减少RAM1占用存储资源的大小。
(3)数据存储：将累加降速后的数据依次存入缓存区，缓存区的宽度根据捕获时间及多普勒频偏要求确定，深度根据信噪比确定。假设缓存区的宽度为m(m的计算方法将在步骤5详细阐述)，在接收信号载噪比为CNR下，若捕获运算后的信噪比为SNR，捕获运算最终数据速率R(即FFT分辨率)可以通过计算得到R＝10^(CNR-SNR)(以接收信号电平-127dBm为例，噪声系数为2dB、噪声功率谱密度-174dBm.Hz时，接收信号载噪比CNR为45dBHz)，捕获时可将R累加到305bps，此时的捕获信噪比约为20dB，可以达到99％的捕获概率。占用存储资源的大小为
Figure BDA0003720554200000051
B1为累加降速后IQ数据宽度的和。
RAM1占用存储资源计算示例：以全局时钟60MHz，伪码速率3.069Mcps为例，N可设置为6，R为305bps，累加降速后的IQ数据宽度B1为5+5＝10bit，此时RAM1占用存储资源的大小约为327.87kbit。
缓存区写入数据时，将累加降速后的数据延迟m次，数据延迟次数与缓存区的宽度相同，生成m个数据存入RAM1的同一个地址，一个时钟周期写入一个数据。读数时将RAM1中某一个地址对应的m个数据一次性读出，相当于将累加降速后的数据由串行转为并行处理。数据存储读取流程如图2所示。
(4)本地伪码生成与存储：为了实现本地伪码与接收信号的相关累加，伪码生成后同样需要存储，本地伪码存储后的存储宽度与数据缓存区的宽度相同。因捕获运算时需要滑动本地码相位，与数据存储量相比，本地伪码需多存储一个码周期对应的数据量，本地伪码的采样率与累加降速后的数据速率相同，为clk/N。假设伪码速率为fc，伪码周期为H，则伪码存储空间的深度为
Figure BDA0003720554200000061
占用存储资源的大小为
Figure BDA0003720554200000062
RAM2占用存储资源计算示例：以全局时钟60MHz，伪码周期为1023，伪码速率3.069Mcps为例，N可设置为6，R为305bps，此时RAM2占用存储资源的大小约为36.12kbit。
存储本地伪码时，将采样率为clk/N的本地伪码延迟m次，生成m个码片存入RAM2的同一个地址，一个时钟周期写入一个码片。读取码字时将RAM2中某一个地址对应的m个码片一次性读出，相当于将本地码字由串行转为并行处理。本地伪码读取流程如图2所示。
(5)并行解扩及累加降速2：为了降低资源使用率，即降低FFT运算点数，需要对解扩后的数据进行二次累加降速，累加点数为N。累加降速后的数据速率Fs由多普勒频偏确定，为了减少损失，一般要求数据速率为最大多普勒频偏的3～4倍。
由步骤3和步骤4，以及图2可得，数据和码字存储完成后，一个时钟周期读出一个地址中的m个数据和码片，m为累加降速后的数据延迟次数，将数据与码片对应相乘，实现并行解扩，再将同一个时钟周期的m个解扩结果进行累加，实现二次累加降速，降速倍数m可通过计算得到，
Figure BDA0003720554200000063
降速倍数m计算示例：以全局时钟60MHz，伪码速率3.069Mcps，多普勒频偏-90kHz～90kHz为例，二次累加后的速率Fs可设置为312.5kbps，由步骤3得N可设置为6，此时m为32，即并行解扩的路数为32。
(6)二次累加数据存储：二次累加之后，FFT运算之前需要对数据进行存储，为了节省捕获时间，用两块存储区对二次累加后的数据进行乒乓缓存，一个处于写状态时，另一个处于读状态。存储区的一个地址存储一个累加结果，存储深度为FFT点数D，D由信噪比与多普勒频偏确定，可由步骤3中的参数R与步骤5中的参数Fs计算得到，D＝Fs/R。当Fs为312.5kbps，R为305bps时，FFT点数D为1024。
二次累加数据所占用的存储空间RAM3为2*B2*D，其中B2为IQ数据位宽的和，为了捕获低信噪比下的信号，IQ数据的位宽均需要在12bit及以上。若B2为24bit，FFT点数D为1024，则此处占用的存储空间为24.576kbit。
(7)FFT运算：二次累加数据存储完成后，调用流水线型FFT核进行运算，当本地伪码相位与接收信号对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏。。
(8)捕获结果判决：捕获判决模块控制着整个捕获流程，捕获控制流程图如图3所示，捕获开始后，根据步骤3和步骤4分别缓存数据和本地伪码，二者缓存完毕后进行并行相关累加，然后按照步骤6和步骤7进行捕获运算，搜索完所有码相位后，进行捕获成功与否的判决，设置动态门限(每帧FFT运算结果平均值的N倍)，若FFT峰值大于门限，判决为捕获成功，启动跟踪模块；若峰值小于门限，则判决为捕获失败，复位捕获模块，重新开始捕获。
本发明捕获时间计算：捕获时间分为两部分，第一部分为步骤3和步骤4中数据缓存和伪码缓存所需要的时间，第二部分为并行相关累加、二次累加数据存储、FFT等捕获运算需要的时间，因FFT运算之前设置两个缓存区对数据进行乒乓缓存，即FFT运算与数据缓存是同时进行的，故计算捕获时间时FFT运算可省略。
(a)由步骤3和步骤4，伪码缓存需要比数据缓存多一个伪码周期，故缓存所需要的时间为伪码缓存时间，可通过
Figure BDA0003720554200000071
计算得到。
(b)由步骤5，6，7，一个时钟周期可以输出1个速率为Fs的采样点，每帧FFT运算需要D个速率为Fs的样点，即历时D个时钟周期，这是一个伪码相位捕获运算的时间。假设捕获时，伪码相位的滑动精度为1/t个码片，则一轮捕获运算的时间为D*t*H个时钟周期。
(c)以全局时钟60MHz，伪码速率fc为3.069Mcps，伪码周期H为1023，R为305bps，FFT点数D为1024，t为2(即码相位滑动精度为半个码片)为例，一轮捕获时间为38.5ms。
本发明方法资源占用估计：由于星上器件资源有限，算法占用资源一直以来都备受关注，本方法在保证快速捕获的同时，大大降低了算法所占用的资源，下面对存储空间与并行相关运算所用资源的数量做出估计。
(a)由步骤3，步骤4以及步骤6，捕获算法占用的存储空间为RAM1，RAM2，RAM3的总和，即
Figure BDA0003720554200000081
以全局时钟60MHz，N为6，R为305bps，B1为10bit，伪码速率fc为3.069Mcps，伪码周期H为1023，B2为24bit，FFT点数D为1024为例，算法占用的存储资源为388.566kbit。
(b)由步骤5，并行解扩使用了m路位宽为B1的相关器，相关器所用寄存器的数量为m*B1，以m为32，B1为10为例，使用寄存器数量为320个。
(c)传统扩频信号捕获算法中，为了缩短捕获时间，势必要增加并行处理的路数。现有技术捕获方法框图如图4所示，以伪码周期H为1023，R为305bps，t为2(即码相位滑动精度为半个码片)为例，串行搜索一轮码相位所需要的时间为
Figure BDA0003720554200000082
要实现40ms以内的快速捕获，需要174路码相位并行搜索。
为了达到与本方法相同的性能指标及捕获时间，需将传统捕获方法中174路并行相关运算IQ数据的位宽均设为12bit，FFT点数设为1024，使用两块存储器进行乒乓缓存，占用的存储器资源为2*24*1024*174＝8.552448Mbit。174路并行相关器使用的寄存器数量为174*24＝4176个。
在相同性能指标及捕获时间条件下，下表为本方法与传统扩频信号捕获方法(现有技术扩频信号捕获方法)占用FPGA的资源对比，见表1。
表1
本方法 传统捕获方法
占用存储空间 388.566kbit 8.552448Mbit
相关器占用的寄存器 320个 4176个
可见，本方法在保证捕获时间不变的情况下，大大降低了算法占用的器件资源。
由上可知，本发明的一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法，在部分相关FFT算法的基础上，采用三级存储的思想，在解扩前增加降速存储环节，可有效降低并行解扩后的数据存储量，大大增强工程可实现性。通过优化捕获算法架构，在占用较小器件资源的条件下，实现了卫星测控突发扩频信号的快速捕获；在相同多普勒动态、捕获灵敏度、捕获时间要求下，采用本发明提出捕获架构，可有效降低捕获运算占用资源；可根据不同的信噪比需求，灵活设置捕获参数，提升了捕获架构的通用性。
实施例：
在采用突发扩频体制的中继测控SMA全景波束项目研制过程中，应用该方法之后，可在40ms内完成信号快速捕获，捕获多普勒范围为-90kHz～90kHz，接收灵敏度可以达到-127dBm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获方法，其特征在于，包括：
对接收的扩频信号进行下变频，获得基带数据；
根据扩频信号的带宽对基带数据进行第一次累加降速；
将第一次累加降速后的数据依次存入缓存区；
生成本地伪码，本地伪码存储后的存储宽度与缓存区的宽度相同；
对缓存区的数据进行并行解扩，对并行解扩后的数据进行第二次累加降速；
利用两块存储区对第二次累加降速的数据进行乒乓缓存；
对乒乓缓存后的数据，进行FFT；
当本地伪码的相位与FFT后的数据相位对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏；然后设置动态门限，若FFT峰值大于动态门限，则根据FFT峰值完成捕获。
2.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，若FFT峰值小于等于动态门限，则重新接收后续扩频信号进行重捕，或对FFT后的后续数据重新进行相位对齐进行重捕。
3.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，缓存区的宽度m为：
Figure FDA0003720554190000011
其中，clk为全局时钟，N为第一次累加降速的点数，Fs为第二次累加降速后的数据速率。
4.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，存储本地伪码时，将本地伪码延迟m次，生成m个码片存入本地伪码存储空间的同一个地址，一个时钟周期写入一个码片；读取本地伪码时将本地伪码存储空间中某一个地址对应的m个码片一次性读出，相当于将本地伪码的码字由串行转为并行处理；
第一次累加降速后的数据依次存入缓存区时，将第一次累加降速后的数据延迟m次，生成m个数据存入缓存区的同一个地址，一个时钟周期写入一个数据；读数时将缓存区中某一个地址对应的m个数据一次性读出，相当于将第一次累加降速后的数据由串行转为并行处理。
5.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，本地伪码的采样率与第一次累加降速后的数据速率相同。
6.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，第二次累加降速后的数据速率为最大多普勒频偏的3～4倍。
7.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，每块存储区的储存深度为FFT的点数。
8.根据权利要求7所述的捕获方法，其特征在于，FFT的点数D为：
D＝Fs/R
其中，Fs为第二次累加降速后的数据速率，R为FFT分辨率。
9.根据权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，本地伪码存储的深度为
Figure FDA0003720554190000021
其中，clk为全局时钟，N为第一次累加降速的点数，m为缓存区的宽度，R为FFT分辨率，fc为伪码速率，H为伪码周期。
10.一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获跟踪方法，其特征在于，利用权利要求1至9中任一项所述的捕获方法完成捕获后，再利用多普勒频偏和FFT频谱的峰值位置，进行跟踪。
11.一种适用于卫星测控突发扩频信号的捕获装置，其特征在于，包括：
变频模块，用于对接收的扩频信号进行下变频，获得基带数据；
第一累加降速模块，用于根据扩频信号的带宽对基带数据进行第一次累加降速，并存储第一次累加降速后的数据；
本地伪码模块，用于生成并存储本地伪码，本地伪码存储后的存储宽度与第一次累加降速后的数据存的宽度相同；
第二累加降速模块，用于对第一次累加降速后的数据进行并行解扩，对并行解扩后的数据进行第二次累加降速，然后利用两块存储区对第二次累加降速的数据进行乒乓缓存；
FFT模块，用于对乒乓缓存后的数据，进行FFT；
捕获模块，用于确定多普勒频偏并进行捕获，当本地伪码的相位与FFT后的数据相位对齐时，FFT频谱的峰值位置即为多普勒频偏；捕获子模块还用于设置动态门限，若FFT峰值大于动态门限，则根据FFT峰值进行捕获。
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