CN116233266A - 支持民用5g手机的北斗短报文入站信号捕获方法 - Google Patents

支持民用5g手机的北斗短报文入站信号捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，属于北斗短报文通信系统领域。本发明利用延长北斗短报文入站信号的同步头,增加固定调制序列,对现有北斗短报文入站信号格式进行优化设计，提升了入站信号的跟踪和解调性能，可用于北斗短报文手机入站信号设计中，支持5G手机实现北斗短报文入站通信的功能。本发明通过延长原有北斗短报文信号的同步头，提升信号的捕获灵敏度，利用两级同步头捕获算法，提升捕获结果的精度。

Description

支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法
技术领域
本发明属于领域，具体涉及一种支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法。
背景技术
随着北斗区域民用短报文系统(RSMC)应用领域的拓展，利用民用手机实现北斗短报文通信功能，尤其是用于应急救援、应急通信等领域，已成为北斗区域短报文通信系统的重要发展方向，但是现有的北斗短报文系统无法支持民用手机的接入，主要表现在：民用手机终端的发射功率低，导致北斗短报文中心站接收到的民用手机发射的入站信号载噪比较低，传统的中心站对入站信号的捕获方法灵敏度不够高，无法实现对民用手机入站信号的捕获和接收处理，本专利提出了一种北斗短报文入站信号高灵敏度捕获方法，提升了中心站对入站信号的捕获门限，满足民用手机中对北斗短报文应用的要求
提升信号捕获性能的方法有：延长信号捕获过程的积累时间、缩短信号的不确定搜索范围等；本发明专利设计了一种支持民用手机北斗短报文引用的入站同步头方案，进一步提出了小搜索范围内的两级捕获方法，并将其应用于北斗短报文通信系统中，满足了对民用手机入站信号的应用要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，以解决现有的北斗短报文系统无法支持民用手机的接入的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1，手机北斗短报文入站信号经过中心站的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号r(t)；
步骤S2，信号捕获单元中的下变频装置，生成两路正交的载波频率为fLO的本地下变频载波，分别为同相信号cos(2πfLO·t)和正交信号-sin(2πfLO·t)，利用下变频载波对中频信号进行下变频，得到基带信号sI(t)和sQ(t)，具体为
sI(t)＝r(t)·cos(2πfLO·t)
sQ(t)＝-r(t)·sin(2πfLO·t)
步骤S3，伪码相位搜索装置依次生成伪码相位为τi的伪码信号c(t-τi)，其中i＝1,2,3,……,n；
步骤S4，利用c(t-τi)·d(t-τi)与基带信号sI(t)和sQ(t)进行匹配滤波运算，其中c(t)为接收信号中调制的伪码，d(t)为调制的同步序列；获得匹配滤波器的输出结果：包络结果的最大值Rmax和最大值的下标kmax；
步骤S5，将Rmax与门限Th进行比较，如果Rmax比门限值大，则说明粗捕成功，对应的伪码相位为τi，频率为fkmax，否则粗捕失败；
步骤S6，根据粗捕成功的结果进行精捕。
(三)有益效果
本发明提出一种支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，本发明的有益技术效果是：1、通过延长原有北斗短报文信号的同步头，提升信号的捕获灵敏度，2、利用两级同步头捕获算法，提升捕获结果的精度。
附图说明
图1为支持手机应用的RSMC系统入站信号数据帧结构示意图；
图2为支持手机应用的RSMC系统中心站入站信号两次捕获流程示意图；
图3为RSMC系统中心站入站信号粗捕获中匹配滤波器处理流程示意图；
图4为RSMC系统中心站入站信号精捕获处理流程示意图；
图5为载噪比31dBHz时中心站对入站信号的粗捕获仿真结果；在弱信号下，中心站可以正常实现对入站信号的粗捕获；
图6为载噪比31dBHz时，中心站对入站信号载波频率精捕获仿真结果；可以看出通过精捕获后，信号的载波频率估计精度99％的概率小于1.9Hz；高于传统的捕获模块载波频率捕获精度；
图7为载噪比31dBHz时，中心站对入站信号载波相位精捕获结果仿真结果；可以看出通过精捕获后，信号的载波相位估计精度99％的概率小于0.072周；优于传统的捕获模块的捕获精度。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明属于北斗短报文通信系统领域，具体涉及一种支持民用手机应用的北斗短报文入站信号高灵敏度捕获方法及系统，其可运用在北斗短报文通信系统设计与建设中。
本发明利用延长北斗短报文入站信号的同步头,增加固定调制序列,利用对现有北斗短报文入站信号格式进行优化设计，提升了入站信号的跟踪和解调性能，可用于北斗短报文手机入站信号设计中，支持5G手机实现北斗短报文入站通信的功能。
一种支持民用手机的北斗短报文入站信号同步头设计，包括下列步骤：
1，延长北斗短报文入站信号的同步头至40ms，提升入站信号的捕获极限性能。
北斗二号短报文入站信号同步头设计为6ms，其捕获灵敏度的极限性能受制于同步头长度，为了解决支持民用手机北斗短报文应用的问题，将支持民用手机应用的北斗短报文入站信号同步头长度延长至40ms，其捕获极限性能可提升10×log10(40/6)＝8.2dB；
2，在北斗短报文入站信号同步头的扩频码c(t)上增加调制的同步序列d(t)，改善同步头的自相关性能。
北斗二号短报文入站信号同步头较短，同步头未调制同步序列，同步头的自相关性仅取决于同步头所采用的扩频码，支持民用手机应用的北斗短报文入站信号同步头中，增加了同步序列的调制，即同步头在传统的扩频码基础上，调制同步序列，可以进一步改善同步头的自相关性能。
对北斗民用服务系统在对支持手机应用的北斗短报文入站信号捕获过程中，采用了小搜索范围的两级同步头捕获算法，提升了民用手机入站信号的捕获性能，其特征在于：
步骤S1，手机北斗短报文入站信号经过中心站的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号r(t)；
步骤S2，信号捕获单元中的下变频装置，生成两路正交的载波频率为fLO的本地下变频载波，分别为同相信号cos(2πfLO·t)和正交信号-sin(2πfLO·t)，利用下变频载波对中频信号进行下变频，得到基带信号sI(t)和sQ(t)，具体为
sI(t)＝r(t)·cos(2πfLO·t)
sQ(t)＝-r(t)·sin(2πfLO·t)
步骤S3，伪码相位搜索装置，依次生成伪码相位为τi的伪码信号c(t-τi)，其中i＝1,2,3,……,n；
步骤S4，利用c(t-τi)·d(t-τi)与基带信号sI(t)和sQ(t)进行匹配滤波运算，其中c(t)为接收信号中调制的伪码，d(t)为调制的同步序列，获得匹配滤波器的输出结果：包络结果的最大值Rmax和最大值的下标kmax；
具体为：
步骤S401，c(t-τi)·d(t-τi)与基带信号sI(t)、sQ(t)进行分段相关运算，每段相关长度为Tcoh，第一预设时间内的总分段数为M，每段相关器输出的结果为Ik和Qk，其中k＝1,2,…,M；第一预设时间为40ms；
步骤S402，对M个积分结果Ik+jQk做N点FFT，并取结果的包络值，得到N点包络Rss值
即Rss＝abs(fft(Ik+jQk,N))
其中，abs为取包络运算
步骤S403，取N点包络结果的最大值Rmax，作为匹配滤波器的输出结果，并记录N点最大值的下标kmax。
步骤S5，将Rmax与门限Th进行比较，如果Rmax比门限值大，则说明粗捕成功，对应的伪码相位为τi，频率为fkmax，否则粗捕失败。
步骤S6，根据粗捕成功的结果进行精捕，具体包括如下步骤：
步骤S601，经过下变频处理后的基带信号为s(t)＝sI(t)+jsQ(t)
步骤S602，本地复制信号生成装置，生成载波频率为fkmax、伪码相位为τi的本地复制信号，分别为同相信号rI(t)和正交信号rQ(t)，具体为
rI(t)＝cos(2πfkmax·t)·c(t-τi)·d(t-τi)
rQ(t)＝-sin(2πfkmax·t)·c(t-τi)·d(t-τi)
其中c(t-τi)和d(t-τi)分别与接收的入站信号匹配的伪码序列和同步序列；
步骤S603，精捕获相关器，用于将本地复制生成的信号和接收信号进行相干积累，相干积分时间Tc，选取为5ms，积分后得到同相支路相关值In和正交支路相关值Qn；
Figure BDA0004028743930000051
/>
Figure BDA0004028743930000052
步骤S604，频率精捕获，取第二预设时间的同步头输出的8个相关积分结果cori＝Ii+jQi，其中i＝1,2,…8，利用128点FFT对8个相关积分结果cori组成的序列进行频率精估计，获得本地复制信号和接收信号的频率估计误差结果。第二预设时间为40ms。
具体计算方法为：
Rm＝abs(fft([cor1,cor2,cor3,cor4,cor5,cor6,cor7,cor8],128))
其中m＝1,2,…,128，求序列Rm中的最大值，对应为Rmax，最大值对应的下标为p，则频率估计误差为
Figure BDA0004028743930000061
步骤S605，载波相位精捕获，取第二预设时间的同步头输出的8个相关积分结果Ii、Qi，其中i＝1,2,…8，利用相位估计器对8个相关积分结果进行估计，获得本地复制信号和接收信号的载波相位估计误差结果，第二预设时间为40ms。具体计算方法为：
Figure BDA0004028743930000062
本发明的有益技术效果是：1、通过延长原有北斗短报文信号的同步头，提升信号的捕获灵敏度，2、利用两级同步头捕获算法，提升捕获结果的精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1，手机北斗短报文入站信号经过中心站的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号r(t)；
步骤S2，信号捕获单元中的下变频装置，生成两路正交的载波频率为fLO的本地下变频载波，分别为同相信号cos(2πfLO·t)和正交信号-sin(2πfLO·t)，利用下变频载波对中频信号进行下变频，得到基带信号sI(t)和sQ(t)，具体为
sI(t)＝r(t)·cos(2πfLO·t)
sQ(t)＝-r(t)·sin(2πfLO·t)
步骤S3，伪码相位搜索装置依次生成伪码相位为τi的伪码信号c(t-τi)，其中i＝1,2,3,……,n；
步骤S4，利用c(t-τi)·d(t-τi)与基带信号sI(t)和sQ(t)进行匹配滤波运算，其中c(t)为接收信号中调制的伪码，d(t)为调制的同步序列；获得匹配滤波器的输出结果：包络结果的最大值Rmax和最大值的下标kmax；
步骤S5，将Rmax与门限Th进行比较，如果Rmax比门限值大，则说明粗捕成功，对应的伪码相位为τi，频率为fkmax，否则粗捕失败；
步骤S6，根据粗捕成功的结果进行精捕。
2.如权利要求1所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，将北斗短报文入站信号的同步头延长至40ms。
3.如权利要求1所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，在北斗短报文入站信号同步头的扩频码c(t)上增加调制的同步序列d(t)，改善同步头的自相关性能。
4.如权利要求1-3任一项所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S401，c(t-τi)·d(t-τi)与基带信号sI(t)、sQ(t)进行分段相关运算，每段相关长度为Tcoh，第一预设时间内的总分段数为M，每段相关器输出的结果为Ik和Qk，其中k＝1,2,…,M；
步骤S402，对M个积分结果Ik+jQk做N点FFT，并取结果的包络值，得到N点包络Rss值
即Rss＝abs(fft(Ik+jQk,N))
其中，abs为取包络运算；
步骤S403，取N点包络结果的最大值Rmax，作为匹配滤波器的输出结果，并记录N点最大值的下标kmax。
5.如权利要求4所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，第一预设时间为40ms。
6.如权利要求4所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括如下步骤：
步骤S601，经过下变频处理后的基带信号为s(t)＝sI(t)+jsQ(t)；
步骤S602，本地复制信号生成装置，生成载波频率为fkmax、伪码相位为τi的本地复制信号，分别为同相信号rI(t)和正交信号rQ(t)，具体为
rI(t)＝cos(2πfkmax·t)·c(t-τi)·d(t-τi)
rQ(t)＝-sin(2πfkmax·t)·c(t-τi)·d(t-τi)
其中c(t-τi)和d(t-τi)分别与接收的入站信号匹配的伪码序列和同步序列；
步骤S603，精捕获相关器，用于将本地复制生成的信号和接收信号进行相干积累，相干积分时间Tc，积分后得到同相支路相关值In和正交支路相关值Qn；
Figure FDA0004028743920000021
Figure FDA0004028743920000022
步骤S604，频率精捕获，取第二预设时间的同步头输出的8个相关积分结果cori＝Ii+jQi，其中i＝1,2,…8，利用128点FFT对8个相关积分结果cori组成的序列进行频率精估计，获得本地复制信号和接收信号的频率估计误差结果；
步骤S605，载波相位精捕获，取第二预设时间的同步头输出的8个相关积分结果Ii、Qi，其中i＝1,2,…8，利用相位估计器对8个相关积分结果进行估计，获得本地复制信号和接收信号的载波相位估计误差结果。
7.如权利要求6所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，Tc为5ms。
8.如权利要求6所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，第二预设时间为40ms。
9.如权利要求6-8任一项所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，所述步骤S604的具体计算方法为：
Rm＝abs(fft([cor1,cor2,cor3,cor4,cor5,cor6,cor7,cor8],128))
其中m＝1,2,…,128，求序列Rm中的最大值，对应为Rmax，最大值对应的下标为p，则频率估计误差为
Figure FDA0004028743920000031
10.如权利要求9所述的支持民用5G手机的北斗短报文入站信号捕获方法，其特征在于，所述步骤S605的，具体计算方法为：
Figure FDA0004028743920000032
/>
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