CN116112328A - 一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法，将经模数转换器采样、数控振荡器下变频及低通滤波得到的基带信号与本地伪码信号连续进行多次圆周相关，将圆周相关的结果存入数据缓存区，同时对该结果进行非相干积分，取非相干积分最大值与门限值进行比较，若最大值超过门限值，则从数据缓存区中取出相应数据块进行快速傅里叶变换，最后对FFT的输出进行峰值搜索，从而完成频偏估计。本发明在传统圆周相关法所需硬件资源的基础上，额外增加一定的数据存储资源和一个点数较少的FFT运算单元即可实现伪码相位和载波频偏的双并行搜索，逻辑控制简单，可应用于低信噪比高动态长周期伪码的卫星通信系统中，具有重要的工程应用价值。

Description

一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法
技术领域
本发明属于航天测控通信技术领域，具体涉及一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法。
背景技术
扩频通信技术具有良好的抗干扰性和抗噪声性，同时低功率谱特性又使其具有天然的保密性，被广泛应用于卫星测控通信中；常用的扩频信号捕获算法有滑动相关法、基于FFT的并行频率搜索法和圆周相关法。
文献[D.DiCarlo,C.Weber,“Statistical performance of single dwellserial synchronization systems”,Computer Science,Published 1.August.1980]中对滑动相关法进行了相关研究与应用，该方法实现简单但捕获时间过长。文献[Su Su YiMon,M.Aung,“Comparative study on different acquisition algorithms of GPSsignal acquisition”,Computer Science,Published 2018]中对基于FFT的并行频率搜索法进行了相关研究与应用，然而该方法需要长相关时间以满足低信噪比捕获，长周期伪码又决定了串行搜索次数至少达上千次，因此将该方法用于低信噪比、长周期伪码的捕获时，捕获时间较长甚至无法满足应用需求。文献[黄健.高动态扩频信号的快速捕获算法研究[D].中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)]中对圆周相关法进行了相关研究与应用，该方法中载波跟踪采用锁相环时测量误差小但环路带宽小，扫频步进将受限于环路带宽，锁频环则放宽了扫频步进的要求，但其测量误差大且数据解调的误码率远高于锁相环；虽然锁频环牵引锁相环和锁频环辅助锁相环的方式在一定程度上融合了锁相环和锁频环的优点，但前者的切换过程可能会导致环路不稳定，后者不能根据信号动态调整，对环境的适应性不强。因此，传统的圆周相关法或无法设置较大的扫频步进使捕获速度受限，或设置较大的扫频步进以得到更快的捕获速度但会导致跟踪性能恶化。
文献[王猛.直接序列扩频信号参数及扩频序列估计算法的研究[D].南昌大学]提出的平方倍频法、文献[万方鹏.直接序列扩频信号检测与参数估计及DSP实现[D].哈尔滨工程大学,2019]提出的延时相乘法以及文献[Wang J,Lian B,Xue Z.Weak GPS signalacquisition method based on DBZP[J].系统工程与电子技术：英文版,2018,29(2):8]提出的双块补零法都将基于FFT的并行频率搜索法及圆周相关法相结合，实现了伪码相位和频偏两个维度的并行搜索，捕获速度得到极大提升，从而为消除伪码或多普勒频偏的影响。平方倍频法和延时相乘法均包含接收信号与其自身相乘的处理，该过程会增加噪声量，对弱信号的捕获能力下降；双块补零法将长的相关积分切割为若干个短的相关积分后进行圆周相关及频率估计，然而用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现时控制逻辑十分复杂，分块、补零、移块等操作在FPGA中需要顺序执行，捕获时间的优势无法体现。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法，在传统圆周相关法所需硬件资源的基础上，额外增加一定的数据存储资源和一个点数较少的FFT运算单元即可实现伪码相位和载波频偏的双并行搜索，逻辑控制简单，可应用于低信噪比高动态长周期伪码的卫星通信系统中，具有重要的工程应用价值。
一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统，包括：
数控振荡器，用于输出两路相位差90度的本地载波信号；
乘法模块，用于将上述两路本地载波信号分别与ADC采样后的接收信号相乘，得到信号I和信号Q；
低通滤波器，用于滤除信号I和信号Q中的高频分量；
加法器，用于将滤波后的信号I与信号Q相加组成复数信号；
伪码产生器，用于生成本地伪码信号，并在伪码相位估计成功后根据估计的相位差τ调整本地伪码信号的相位；
FFT模块，用于对复数信号和本地伪码信号分别进行快速傅里叶变换；
共轭运算器，用于对本地伪码信号经快速傅里叶变换后得到的结果进行共轭运算；
乘法器，用于将复数信号经快速傅里叶变换后得到的结果与共轭运算器的输出结果相乘；
IFFT模块，用于对乘法器的输出结果进行快速傅里叶反变换，得到圆周相关的计算结果；
数据存储器，用于对圆周相关计算结果进行存储；
非相干积分模块，用于对圆周相关计算结果进行非相干积分；
峰值搜索及判决模块，用于对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索及峰值比较，从而估计出接收信号与本地伪码信号的相位差τ并将其反馈给伪码产生器；
FFT变换器，用于从数据存储器中读取与相位差τ对应的一列圆周相关计算结果，并对其进行快速傅里叶变换；
频偏估计模块，用于对FFT变换器的输出信号进行平方运算、峰值搜索及峰值比较，从而估计出残余频偏值Δω并将其作为载波频率的补偿量反馈至数控振荡器的频率控制字中。
进一步地，所述数控振荡器输出两路本地载波信号的表达式如下：
Figure BDA0004073171150000031
Figure BDA0004073171150000032
其中：sc1(n)和sc2(n)分别为sc1和sc2中第n个采样点的信号值，sc1和sc2分别为两路相干载波及移相后的本地载波信号，ωc为本地载波频率，Ts为采样周期，
Figure BDA0004073171150000033
为本地载波的初始相位，n为自然数。
进一步地，所述非相干积分模块由平方运算器和累加器连接实现非相干积分运算，具体表达式如下：
Figure BDA0004073171150000034
其中：RNC(k)为非相干积分模块输出信号中第k个点的信号值，R(i,k)为第i次圆周相关的计算结果中第k个点的数值，M为圆周相关的次数，k为自然数且k∈[0,L-1]，L为圆周相关的点数。
进一步地，所述数据存储器中存储的圆周相关计算结果为一个L×M的矩阵，L为圆周相关的点数，M为圆周相关的次数，峰值搜索及判决模块在估计出相位差τ后，将该相位差τ对应峰值纵坐标计为j，FFT变换器则从数据存储器中读取第j列圆周相关计算结果并对其进行快速傅里叶变换，用以后续频偏估计。
进一步地，所述峰值搜索及判决模块首先对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索，将搜索到的峰值与设定的门限值进行比较，若峰值超过门限值，该峰值对应的纵坐标即为接收信号与本地伪码信号的相位差τ，伪码相位估计完成；反之则判定接收信号不存在或伪码相位估计不成功，重新开始采集接收信号进行圆周相关运算、非相干积分、峰值搜索及判决的过程。
进一步地，所述频偏估计模块由平方运算器、峰值搜索模块和比较器依次连接组成，平方运算器对FFT变换器的输出信号平方运算后输入至峰值搜索模块中，峰值搜索模块对输入的信号进行峰值搜索，将搜索到的峰值输入至比较器中与设定的门限值进行比较，若峰值超过门限值，该峰值对应的纵坐标即为残余频偏值Δω，频偏估计完成；反之判定接收信号不存在或频偏估计不成功，重新开始采集接收信号进行伪码相位估计和频偏估计的过程。
一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获方法，具体地：首先根据初始的频率控制字输出两路相位差90度的本地载波信号，将这两路本地载波信号分别与ADC采样后的接收信号相乘，得到信号I和信号Q；将信号I和信号Q通过滤波后相加组成复数信号；然后对复数信号和本地伪码信号分别进行快速傅里叶变换，并对本地伪码信号经快速傅里叶变换后得到的结果进行共轭运算，将复数信号经快速傅里叶变换后得到的结果与共轭运算的结果相乘后进行快速傅里叶反变换，得到圆周相关的计算结果并进行存储；同时对圆周相关计算结果进行非相干积分，进而对积分输出信号进行峰值搜索及峰值比较，从而估计出接收信号与本地伪码信号的相位差τ，利用该相位差τ对本地伪码信号的相位进行调整，实现本地伪码信号与接收信号的伪码同步；最后读取与相位差τ对应一列圆周相关计算结果并对其进行快速傅里叶变换，进而对快速傅里叶变换的输出信号进行平方运算、峰值搜索及峰值比较，从而估计出残余频偏值Δω并将其作为载波频率的补偿量，实现本地载波信号与接收信号的载波同步。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明对圆周相关后的计算结果使用FFT运算进行频偏估计，从而实现了伪码相位及载波频偏的双并行搜索。
2.本发明在传统圆周相关法所需硬件资源的基础上，仅额外增加一定的数据存储资源和一个点数较少的FFT运算单元，逻辑控制简单，可应用于低信噪比高动态长周期伪码的卫星通信系统中。
3.当单次估计的频偏范围不满足用户需求时，本发明另增加一个频率扫描模块即可，无需复杂的环路跟踪方式即可使扫频步进不再受锁相环环路带宽的限制，实现了捕获时间的大幅缩减。
附图说明
图1为本发明扩频信号捕获系统结构示意图。
图2为本发明扩频信号捕获系统的数据处理流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统包括乘法器1、数控振荡器2、乘法器3、低通滤波器4、低通滤波器5、加法器6、伪码产生器7、FFT模块8、FFT模块9、乘法器10、共轭运算器11、IFFT模块12、数据存储器13、平方运算器14、FFT模块15、累加器16、平方运算器17、峰值搜索及判决模块18以及峰值搜索及判决模块19；其中乘法器1、低通滤波器4、加法器6、FFT模块8、乘法器10、IFFT模块12、平方运算器14、累加器16、峰值搜索及判决模块18顺次相连；乘法器3、低通滤波器5、加法器6顺次相连；数控振荡器2分别与乘法器1、乘法器3相连；伪码产生器7、FFT模块9、共轭运算器11、乘法器10顺次相连；IFFT模块12、数据存储器13、FFT模块15、平方运算器17、峰值搜索及判决模块19顺次相连；峰值搜索及判决模块18与数据存储器13相连。
系统将ADC采样后的信号分别与数控振荡器2输出的I、Q两路本地载波信号相乘，再分别利用低通滤波器4和低通滤波器5滤除高频分量，然后将两路信号通过加法器6组成复数信号输入到FFT模块8做快速傅里叶变换；同时将伪码产生器7输出的本地伪码信号输入到FFT模块9做FFT运算，通过共轭运算器11对该结果进行共轭运算，将FFT模块8和共轭运算器11的运算结果相乘后输入到IFFT模块12做逆快速傅里叶变换从而得到圆周相关的计算结果，再将圆周相关的结果存入数据存储器13中，同时利用平方运算器14和累加器16实现非相干积分，并通过峰值搜索及判决模块18对非相干积分的结果进行峰值搜索，将该值与门限比较，若峰值未超过门限，则接收信号不存在或伪码相位估计不成功，重复前述步骤，反之说明伪码相位估计完成，非相干积分峰值对应的纵坐标即为接收信号与本地伪码信号存在的相位差；最后从数据存储器13中取出该纵坐标对应的数据块输入到FFT模块15中进行FFT运算，最后通过平方运算器17和峰值搜索及判决模块19完成频偏估计，数据处理流程如图2所示。
本发明扩频信号捕获方法的信号(不考虑噪声)理论推导如下：
设ADC采样后的信号s(n)表达示为：
Figure BDA0004073171150000061
式中：c'(n-τ)为接收伪码，τ为伪码相位差，ωc'为接收中频载波频率，Ts为采样周期，
Figure BDA0004073171150000062
为载波初始相位。
NCO输出的相干载波及移相后的信号为：
Figure BDA0004073171150000063
Figure BDA0004073171150000064
式中：ωc为本地载波频率，
Figure BDA0004073171150000065
为数控振荡器输出的载波信号初始相位。
将输入信号分别与NCO输出的两路信号相乘，经低通滤波器滤除高频分量之后，得到I、Q两路信号为：
Figure BDA0004073171150000066
Figure BDA0004073171150000067
式中：Δω为残余频偏，
Figure BDA0004073171150000068
为载波相位差。
通过I、Q两路信号相加得到复数信号：
s'(n)＝i(n)+jq(n)
再利用FFT和IFFT完成圆周相关运算，将单次圆周相关的结果用R(i,k)表示：
Figure BDA0004073171150000071
式中，c(n)为本地伪码信号，i∈[0,M-1]，M为圆周相关的次数，k∈[0,L-1]，L为圆周相关的点数。
将M次圆周相关的结果取模平方后进行非相干积分得到RNC(k)，最后进行峰值搜索及门限判别，其中RNC(k)表示为：
Figure BDA0004073171150000072
若非相干积分峰值超过预设门限，则伪码相位估计完成；设此时非相干积分峰值对应的纵坐标为j，由于伪码相位已对齐，因此第j列圆周相关结果可表示为：
Figure BDA0004073171150000073
从上式可以看出第j列对应的圆周相关结果是一个带有频偏信息的复数信号，因此对第j列圆周相关结果做FFT运算可估计出频偏值，并将此作为载波频率的补偿量反馈至NCO的频率控制字中。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统，其特征在于，包括：
数控振荡器，用于输出两路相位差90度的本地载波信号；
乘法模块，用于将上述两路本地载波信号分别与ADC采样后的接收信号相乘，得到信号I和信号Q；
低通滤波器，用于滤除信号I和信号Q中的高频分量；
加法器，用于将滤波后的信号I与信号Q相加组成复数信号；
伪码产生器，用于生成本地伪码信号，并在伪码相位估计成功后根据估计的相位差τ调整本地伪码信号的相位；
FFT模块，用于对复数信号和本地伪码信号分别进行快速傅里叶变换；
共轭运算器，用于对本地伪码信号经快速傅里叶变换后得到的结果进行共轭运算；
乘法器，用于将复数信号经快速傅里叶变换后得到的结果与共轭运算器的输出结果相乘；
IFFT模块，用于对乘法器的输出结果进行快速傅里叶反变换，得到圆周相关的计算结果；
数据存储器，用于对圆周相关计算结果进行存储；
非相干积分模块，用于对圆周相关计算结果进行非相干积分；
峰值搜索及判决模块，用于对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索及峰值比较，从而估计出接收信号与本地伪码信号的相位差τ并将其反馈给伪码产生器；
FFT变换器，用于从数据存储器中读取与相位差τ对应的一列圆周相关计算结果，并对其进行快速傅里叶变换；
频偏估计模块，用于对FFT变换器的输出信号进行平方运算、峰值搜索及峰值比较，从而估计出残余频偏值Δω并将其作为载波频率的补偿量反馈至数控振荡器的频率控制字中。
2.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述数控振荡器输出两路本地载波信号的表达式如下：
Figure FDA0004073171130000021
Figure FDA0004073171130000022
其中：sc1(n)和sc2(n)分别为sc1和sc2中第n个采样点的信号值，sc1和sc2分别为两路相干载波及移相后的本地载波信号，ωc为本地载波频率，Ts为采样周期，
Figure FDA0004073171130000023
为本地载波的初始相位，n为自然数。
3.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述非相干积分模块由平方运算器和累加器连接实现非相干积分运算，具体表达式如下：
Figure FDA0004073171130000024
其中：RNC(k)为非相干积分模块输出信号中第k个点的信号值，R(i,k)为第i次圆周相关的计算结果中第k个点的数值，M为圆周相关的次数，k为自然数且k∈[0,L-1]，L为圆周相关的点数。
4.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述数据存储器中存储的圆周相关计算结果为一个L×M的矩阵，L为圆周相关的点数，M为圆周相关的次数，峰值搜索及判决模块在估计出相位差τ后，将该相位差τ对应峰值纵坐标计为j，FFT变换器则从数据存储器中读取第j列圆周相关计算结果并对其进行快速傅里叶变换，用以后续频偏估计。
5.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述峰值搜索及判决模块首先对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索，将搜索到的峰值与设定的门限值进行比较，若峰值超过门限值，该峰值对应的纵坐标即为接收信号与本地伪码信号的相位差τ，伪码相位估计完成；反之则判定接收信号不存在或伪码相位估计不成功，重新开始采集接收信号进行圆周相关运算、非相干积分、峰值搜索及判决的过程。
6.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述频偏估计模块由平方运算器、峰值搜索模块和比较器依次连接组成，平方运算器对FFT变换器的输出信号平方运算后输入至峰值搜索模块中，峰值搜索模块对输入的信号进行峰值搜索，将搜索到的峰值输入至比较器中与设定的门限值进行比较，若峰值超过门限值，该峰值对应的纵坐标即为残余频偏值Δω，频偏估计完成；反之判定接收信号不存在或频偏估计不成功，重新开始采集接收信号进行伪码相位估计和频偏估计的过程。
7.一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获方法，其特征在于：首先根据初始的频率控制字输出两路相位差90度的本地载波信号，将这两路本地载波信号分别与ADC采样后的接收信号相乘，得到信号I和信号Q；将信号I和信号Q通过滤波后相加组成复数信号；然后对复数信号和本地伪码信号分别进行快速傅里叶变换，并对本地伪码信号经快速傅里叶变换后得到的结果进行共轭运算，将复数信号经快速傅里叶变换后得到的结果与共轭运算的结果相乘后进行快速傅里叶反变换，得到圆周相关的计算结果并进行存储；同时对圆周相关计算结果进行非相干积分，进而对积分输出信号进行峰值搜索及峰值比较，从而估计出接收信号与本地伪码信号的相位差τ，利用该相位差τ对本地伪码信号的相位进行调整，实现本地伪码信号与接收信号的伪码同步；最后读取与相位差τ对应一列圆周相关计算结果并对其进行快速傅里叶变换，进而对快速傅里叶变换的输出信号进行平方运算、峰值搜索及峰值比较，从而估计出残余频偏值Δω并将其作为载波频率的补偿量，实现本地载波信号与接收信号的载波同步。
8.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：该系统在传统圆周相关法所需硬件资源的基础上，额外增加一定的数据存储资源和一个点数较少的FFT运算单元即可实现伪码相位和载波频偏的双并行搜索，逻辑控制简单，可应用于低信噪比高动态长周期伪码的卫星通信系统中，具有重要的工程应用价值。
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