基于fft全相干累積時頻域并行捕獲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體設(shè)及一種直接序列擴頻通信系統(tǒng)的同步方法，實 現(xiàn)對低信噪比、大頻偏下突發(fā)直擴信號的快速捕獲。
【背景技術(shù)】
[0002] 直接序列擴頻(DSSS:Direct Sequence Spread Spectrum)信號具有抗多徑衰落、 抗干擾能力強、發(fā)射功率低、截獲率低、保密性好等特點，目前在軍事、移動和衛(wèi)星通信中得 到廣泛應(yīng)用。在某直接序列擴頻系統(tǒng)中，接收信號是突發(fā)的，同步頭調(diào)制信息為全"r或全 "0"序列，并且具有低信噪比和大多普勒頻偏的特點。信號捕獲速度直接影響接收機的捕獲 性能W及系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，同時低資源消耗量是實現(xiàn)接收機小型化目標(biāo)的關(guān)鍵。因 此，研究低處理資源、適應(yīng)大頻偏、突發(fā)弱直擴信號的快速捕獲方法具有重要意義。
[0003] 直接序列擴頻信號的捕獲實際上是對偽碼相位和多普勒頻偏進(jìn)行二維捜索的過 程，等效于一個二元假設(shè)檢驗問題。捕獲算法主要設(shè)及偽碼相關(guān)、累積、W及檢測判決等方 面。針對低信噪比和大多普勒頻偏的突發(fā)短信號的快速捕獲，本文將主要研究偽碼相關(guān)和 累積算法。偽碼相關(guān)主要有滑動相關(guān)法、匹配濾波器法和基于FFT算法等，滑動相關(guān)法捕獲 速度很慢，匹配濾波器法和基于FFT算法分別為時、頻域偽碼并行捕獲算法，相比而言后者 運算量小。常用的累積算法有相干累積、非相干累積和差分相干累積=種，非相干累積算法 的平方損耗很大，不適合應(yīng)用于信噪比很低的情況，而一般的相干累積和差分相干累積算 法對多普勒頻移非常敏感，在大多普勒頻偏環(huán)境下性能損失嚴(yán)重。本文提出一種基于FFT全 相干累積時頻域并行捕獲算法，并通過合理設(shè)計偽碼相關(guān)和累積算法實現(xiàn)架構(gòu)，利用存儲 資源大幅度降低信號處理資源開銷和平均捕獲時間，較短時間內(nèi)完成偽碼相位-多普勒頻 偏的高精度并行捜索。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于FFT全相干累積時頻域并行捕獲方法，解決了處理 資源受限的直接序列擴頻系統(tǒng)中大多普勒頻偏下突發(fā)弱信號的快速捕獲問題。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 首先對相關(guān)表示符號進(jìn)行說明。fd表示多普勒頻偏范圍，Rb表示接收信號符號速 率，Lc表示偽碼碼長，同步頭是全"r序列，長度為UdL表示一個符號周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)長 度;￥表示相干累積符號數(shù)；(6/二「尤/(馬/2)+f|=「2尤/馬+巧表示頻域分割次數(shù)，表示 向上取整。
[0007] -種基于FFT全相干累積時頻域并行捕獲方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟一，中頻模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到中頻采樣信號，對采樣信號進(jìn)行數(shù)字正交 下變頻和低通濾波處理，獲得基帶信號I、Q。通過采樣率變換，假定信號采樣速率為2倍擴頻 碼速率，貝化S=^CD
[0009] 步驟二，捕獲啟動。時域圓周相關(guān)等價于頻域共輛相乘，偽碼相關(guān)模塊的輸入包括 接收信號和本地偽碼。其中本地偽碼由I個符號周期的偽碼和I個符號周期的全零序列組 成，經(jīng)過補零FFT和共輛操作后，其結(jié)果存儲在本地緩存器中。接收信號為2個符號周期的采 樣數(shù)據(jù)S (iTs)，i = O，1，…，，經(jīng)過補零FFT后，獲得頻域數(shù)字信號S化），k = O，1，…， 1，化，2L+1。依次循環(huán)移位得到S化-11)，11 = -1]，-'1]，分別與本地存儲的偽碼頻域共輛值相 乘，然后進(jìn)行IFFT操作，最后將輸出結(jié)果的前L個數(shù)據(jù)存在S維矩陣[X]Lxvxu中的X(1:L，1， U)位置上。因此，信號頻域移位補償后剩余多普勒頻偏范圍大小為1/(2LT)，即I Afdl含1/4 (LT)。需要注意的是，為滿足FFT運算2的幕次方要求，時域序列補零，導(dǎo)致范圍略小于1/ (2LT)，但其影響很小可忽略。
[0010]步驟=，對新進(jìn)入偽碼相關(guān)模塊的第v、v+l個符號數(shù)據(jù)重復(fù)步驟二操作，結(jié)果存在 X(l:L，v，l:U)。當(dāng)矩陣存滿V列后，步驟四啟動。
[0011] 步驟四，按行1、頁U依次取矩陣X中的V列數(shù)據(jù)X[,'，V! *'）Fm(。山嗎 > 補U 零做M點FFT運算，得到矩陣[Y]lxmxu。其中起始列V的初始值為0,后續(xù)操作逐漸累積，最小累 積步進(jìn)為1，具體值應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)處理速度來設(shè)計。
[0012] 步驟五，對矩陣[Y]lxmxu進(jìn)行最大值捜索，如果最大值過捕獲口限，則捕獲成功，進(jìn) 入跟蹤狀態(tài)。否則捕獲失敗，繼續(xù)上述步驟。其中，過口限的最大值Y(l〇，m〇，u〇)的坐標(biāo)Io表 示接收信號的初始相位，坐標(biāo)mo和UO共同表示接收信號的多普勒頻偏。
[0013] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:本方法基于FFT，完成了信號圓周相關(guān)和全相干累積處 理，實現(xiàn)了極低信噪比下大多普勒頻偏信號的高精度快速捕獲。本方法的平均捕獲時間與 需要考察的偽碼相位和多普勒頻偏單元數(shù)無關(guān)，且全相干累積算法使信號信噪比在短時間 內(nèi)快速提升，降低了單次駐留積分時間，因此平均捕獲時間很短。同時根據(jù)平均捕獲時間來 設(shè)計同步頭長度，可降低同步頭開銷，使得系統(tǒng)獲得較高的信息傳輸率。由于本方法基于 FFT實現(xiàn)，速度快，占用資源少，硬件實現(xiàn)過程中采用流水線處理模式和分類處理結(jié)構(gòu)，W存 儲換取處理資源和時間，實現(xiàn)了資源統(tǒng)一優(yōu)化。
【附圖說明】
[0014] 圖1捕獲方法實現(xiàn)框圖。
[0015] 圖2存儲矩陣示意圖。
[0016] 圖3捕獲模塊數(shù)據(jù)流。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。W下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能W此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。捕獲方法在FPGA中實現(xiàn)時，ADC和FPGA系 統(tǒng)工作時鐘均為80MHz，實現(xiàn)總體框圖如圖1所示，符號速率化為1kbps，偽碼碼長Lc為1023。 相干累積符號數(shù)V為32;多普勒頻偏為±4. SIfflz，則U取17。直接序列擴頻信號的捕獲過程包 括偽碼相關(guān)、累積、檢測判決等方面。其中，檢測和判決分別采用平方律檢測和單次判決方 法，偽碼相關(guān)和累積采用本發(fā)明提供的方法，具體實現(xiàn)過程敘述如下：
[0018] 步驟一，中頻模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到中頻采樣信號，對采樣信號進(jìn)行數(shù)字正交 下變頻和低通濾波處理，獲得基帶信號I、Q。通過采樣率變換，假定信號采樣速率為2倍擴 頻碼速率。
[0019] 步驟二，捕獲啟動。時域圓周相關(guān)等價于頻域共輛相乘，偽碼相關(guān)模塊的輸入包括 接收信號和本地偽碼。其中本地偽碼由1個符號周期的偽碼和1個符號周期的全零序列組 成，經(jīng)過補零FFT和共輛操作后，其結(jié)果存儲在本地緩存器中。接收信號為2個符號周期的采 樣數(shù)據(jù)S(