一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，對采樣后的信號求絕對值，通過FIFO進(jìn)行采樣速率與FFT計算時鐘的異步時鐘數(shù)據(jù)傳輸速率匹配，F(xiàn)IFO存儲1024點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，一個完整的1024點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)FFT變換成頻域數(shù)據(jù)，對1024點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度最大值搜索得到頻率峰值的順序排列，根據(jù)目標(biāo)信號特性，以及頻率可能的取值范圍，選擇合理的頻率值，通常為搜索得到的最大幅度頻率值作為頻率引導(dǎo)值。在該頻率值下，進(jìn)行碼片搜索，當(dāng)出現(xiàn)的相關(guān)峰大于設(shè)定門限時，即完成了搜索過程。本發(fā)明將信號捕獲搜索過程由二維搜索，變?yōu)橐痪S碼片搜索，大大縮短了信號捕獲搜索時間。
【專利說明】
_種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法。屬于通信工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在衛(wèi)星發(fā)射過程中，對于上升段和主動段，存在星地間通信信號存在較大多普勒信號，對于S頻段的通信信號其多普勒變化范圍達(dá)到±50KHz以上。
[0003]對于擴(kuò)頻信號，要完成其信號捕獲過程，需要完成偽碼碼片相位與載波頻率搜索過程，以1023碼長、偽碼速率為1.023Mchip/s的偽碼，多普勒變化范圍為±50KHz時，采用通用的二維搜索捕獲方法，假設(shè)相關(guān)積分時間為lms，碼片搜索步長為0.5個碼片，頻率搜索步長為500Hz，則捕獲時間將達(dá)到400秒以上，這將使得星地間的擴(kuò)頻通信時間大為減少。
[0004]在擴(kuò)頻信號的捕獲過程中，一般采用的二維搜索過程，其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，頻率碼片搜索通過合理的步長進(jìn)行遍歷搜索。
[0005]對于大動態(tài)擴(kuò)頻信號的快速捕獲方法，提出過一些方法，總的來說可概括為兩種:一種是并行頻率搜索，另一種是并行碼相位搜索。其基本思想就是將二維搜索變換為一維搜索。但均過于復(fù)雜，需要消耗大量的電路資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，解決大動態(tài)擴(kuò)頻信號捕獲時間較長的問題，對一般二維搜索方案進(jìn)行改進(jìn)，簡化捕獲過程，降低資源消耗。
[0007]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案為:一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，對采樣后的求絕對值，解決因PSK調(diào)制信號無殘留載波問題，絕對值后載波頻率變?yōu)?倍，通過FIFO (先進(jìn)先出存儲器)進(jìn)行采樣速率與FFT (快速傅氏變換)計算時鐘的異步時鐘數(shù)據(jù)傳輸速率匹配，F(xiàn)IFO存儲1024點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，一個完整的1024點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)FFT變換成頻域數(shù)據(jù)，對1024點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度最大值搜索得到頻率峰值的順序排列，根據(jù)目標(biāo)信號特性，以及頻率可能的取值范圍，選擇合理的頻率值，通常為搜索得到的最大幅度頻率值作為頻率引導(dǎo)值。在該頻率值下，進(jìn)行碼片搜索，當(dāng)出現(xiàn)的相關(guān)峰大于設(shè)定門限時，即完成了搜索過程。
[0008]從上述搜索過程可知，信號捕獲搜索過程由二維搜索，變?yōu)橐痪S碼片搜索，大大縮短了信號捕獲搜索時間。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010]本發(fā)明通過基于頻率引導(dǎo)的方法，將大動態(tài)范圍的擴(kuò)頻信號的二維搜索捕獲過程，簡化為一維搜索捕獲過程，其捕獲時間基本為碼片搜索捕獲時間，與信號的多普勒動態(tài)范圍無關(guān)，當(dāng)多普勒動態(tài)越大時，本發(fā)明捕獲時間優(yōu)勢越明顯，適用于捕獲低軌衛(wèi)星的大動態(tài)多普勒擴(kuò)頻信號。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為傳統(tǒng)的擴(kuò)頻信號二維搜索原理圖。
[0012]圖2為基于頻率引導(dǎo)的擴(kuò)頻信號快速捕獲原理圖。
[0013]圖3為頻率差異引起的相關(guān)結(jié)果幅度。
[0014]圖4為本發(fā)明的偽碼相關(guān)函數(shù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0016]本發(fā)明提供一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，如圖2所示，具體過程為:
[0017]第一步、對本地信號和接收信號混頻后的信號，先進(jìn)行平滑濾波，再求絕對值，得到新的數(shù)字信號；
[0018]第二步、對新的數(shù)字信號進(jìn)行抽取濾波，并進(jìn)行FIFO緩存；
[0019]第三步、當(dāng)FIFO緩存數(shù)據(jù)已滿1024個點(diǎn)時，送復(fù)數(shù)FFT計算單元進(jìn)行計算，再進(jìn)行模值計算；
[0020]第四步、對FFT計算得到的1024個頻域幅度值，進(jìn)行最大值搜索，并按值的大小順序排列；
[0021]第五步、以最大幅度值的頻率值作為引導(dǎo)值，對本地載波進(jìn)行頻率賦值；
[0022]第六步、控制本地碼片以半個碼片長度，進(jìn)行碼片搜索；
[0023]第七步、當(dāng)本地信號與接收的信號的相關(guān)峰大于設(shè)定的門限值時，判定完成擴(kuò)頻信號的捕獲過程，當(dāng)前搜索到的碼片相位與頻率引導(dǎo)值即輸入信號的頻率值與碼片相位。
[0024]本發(fā)明提供的方法可在FPGA中實(shí)現(xiàn)，也可以分離器件實(shí)現(xiàn)，由于FPGA使用的普遍使用，本文假定是在Altera公司Stratix系列FPGA中實(shí)現(xiàn)的。
[0025]本發(fā)明第一步對混頻后得到的號，先進(jìn)行平滑濾波去除高頻分量，保留低頻分量，該信號仍然是擴(kuò)頻信號，直接對其進(jìn)行FFT計算是不能得到載波頻率值，對該信號求平方后，可以得到二倍頻率的載波信號，為簡化計算，在第一步中以絕對值代替平方計算。
[0026]第二步抽取濾波的階數(shù)選取與頻率引導(dǎo)值的關(guān)系
[0027]通過信號抽取降低數(shù)據(jù)采樣率，假設(shè)數(shù)據(jù)采樣周期為T。，經(jīng)過η倍抽取后采樣周期為n*Tc，則在該采樣時鐘下，1024點(diǎn)數(shù)據(jù)FFT變換后，其頻率范圍為O?I/(2n*Tc)，頻率分辨率為(l/(1024*n*Tc))。
[0028]假設(shè)對70MHz中頻信號進(jìn)行帶通采樣，采樣率為56MHz，抽取倍數(shù)為128倍，則可計算得到頻率范圍為O?218.75KHz，頻率分辨率為213.62Hz。因?yàn)檫M(jìn)行了絕對值運(yùn)算，實(shí)際的多普勒搜索范圍為:0?1091(取，頻率分辨率為106.8Hz。
[0029]本地信號與接收信號頻率差異時，會引起相關(guān)結(jié)果變化，其關(guān)系如圖3所示，其中縱坐標(biāo)表示以最大值歸一化后的信號幅度，橫坐標(biāo)表示兩信號的頻率差，當(dāng)頻率差為O時，相關(guān)得到最大值。其中Tcoh表示相關(guān)器積分時間。為了相關(guān)積分能夠很好地工作，本地信號與接收信號的頻率差不應(yīng)超過l/(2*Tcoh)。對于積分時間為Ims時，頻率差不應(yīng)超過500Hz。
[0030]由此可見，抽取倍數(shù)的選取應(yīng)考慮:頻率分辨率應(yīng)小于l/(2*Tcoh)，頻率范圍應(yīng)大于實(shí)際接收信號的最大多普勒(包括本地本振源信號的頻率偏差)。
[0031 ]第六步碼片搜索及搜索步長
[0032]相關(guān)峰除與頻率差相關(guān)外，還與本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼碼相位、接收信號的偽碼碼相位兩者的碼相位差有關(guān)。不考慮頻率差因素，僅從偽碼相位考慮，則可用偽碼的自相關(guān)函數(shù)表示，如圖4所示。
[0033]由圖可知，當(dāng)本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼碼相位、接收信號的偽碼碼相位對齊時，相關(guān)峰最大，當(dāng)兩者差到一個碼片，兩者基本不相關(guān)，這是由偽碼信號本身的特性決定的。由此一般選擇偽碼碼相位搜索步長為0.5個碼片長度。
[0034]要想確定接收信號的偽碼碼相位，可靠的方法是，本地產(chǎn)生各種可能的碼相位偽碼與接收偽碼信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其相關(guān)峰滿足要求時的本地偽碼碼相位即接收信號的碼相位。為此，是對本地偽碼信號發(fā)生器，進(jìn)行一個偽碼周期內(nèi)的移相控制，每次移0.5個碼片長度，逐一計算其相關(guān)峰，直至滿足要求的相關(guān)峰出現(xiàn)。
[0035]第七步相關(guān)峰門限值的設(shè)定
[0036]合理地選取相關(guān)峰門限值，是通過兩個方面來考慮的:一方面，過小的門限值容易造成虛警，也就是容易將噪聲或干擾信號誤判為信號，而認(rèn)為系統(tǒng)捕獲了擴(kuò)頻信號；另一方面，過大的門限值，又容易造成漏警，即系統(tǒng)不能捕獲擴(kuò)頻信號。對于信噪較好時，相關(guān)峰門限值可以設(shè)的高一些，而信噪比較差時，相關(guān)峰門限值的設(shè)定就較為困難。對于相關(guān)峰門限值的設(shè)定問題，一般擴(kuò)頻信號捕獲方法與本方法是相同的，不是本方法的重點(diǎn)，在此不詳述。
[0037]最大捕獲時間
[0038]本方法捕獲時間與FFT引導(dǎo)值計算時間、碼片搜索時間有關(guān)。FFT引導(dǎo)值計算時間主要是收集1024點(diǎn)數(shù)據(jù)所用時間，F(xiàn)FT計算采用高速時鐘，用時很小，在此忽略不計。假設(shè)相關(guān)積分時間為一個偽碼周期，可用下式計算:
[0039 ] T駄)釀=1024* (n/Tc) + (2*Lf#馬)* (Li?馬/R倆)
[0040]其中:T:.表示最大捕獲時間；
[0041]LfM表示偽碼長度；
[0042]表示偽碼碼片速率；
[0043]而采用一般擴(kuò)頻信號捕獲方法，相同條件下，最大捕獲時間可由下式計算:
[0044 ] T駄繊=(2*fd/fs tep) * (2*Lf#馬)* (Li?馬/Rf?馬)
[0045]其中:表示最大捕獲時間；
[0046]表示最大多普勒頻偏；
[0047]表示頻率搜索步長，其取值應(yīng)小于LfM/(2*R偽碼)；
[0048]Lis碼表示偽碼長度；
[0049]表示偽碼碼片速率；
[0050]假設(shè)擴(kuò)頻信號的指標(biāo)要求為:最大多普勒頻偏為±10KHz，偽碼碼長1023，偽碼速率1.023MPS，采樣速率為56MHz，抽取倍數(shù)為128倍，頻率搜索步長500Hz，碼片搜索步長為
0.5個碼片。則采用本方法的最大捕獲時間為:2.048秒，而采用一般捕獲方法的最大捕獲時間為818.4秒。當(dāng)最大多普勒頻偏越大時，本方法優(yōu)勢越明顯。
[0051]由此可見，本方法大縮短了具有大動態(tài)多普勒頻偏的擴(kuò)頻信號捕獲時間。
[0052]除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還包括有其他實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效替換方式形成的技術(shù)方案，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 第一步、對本地信號和接收信號混頻后的信號，先進(jìn)行平滑濾波，再求絕對值，得到新的數(shù)字信號； 第二步、對新的數(shù)字信號進(jìn)行抽取濾波，并進(jìn)行FIFO緩存； 第三步、當(dāng)FIFO緩存數(shù)據(jù)已滿1024個點(diǎn)時，送復(fù)數(shù)FFT計算單元進(jìn)行計算，再進(jìn)行模值計算； 第四步、對FFT計算得到的1024個頻域幅度值，進(jìn)行最大值搜索，并按值的大小順序排列； 第五步、以最大幅度值的頻率值作為引導(dǎo)值，對本地載波進(jìn)行頻率賦值； 第六步、控制本地碼片以半個碼片為長度，進(jìn)行碼片搜索； 第七步、當(dāng)本地信號與接收的信號相關(guān)峰大于設(shè)定的門限值時，判定完成擴(kuò)頻信號的捕獲過程。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，其特征在于:第二步的抽取倍數(shù)選取應(yīng)考慮:頻率分辨率應(yīng)小于l/(2*Tcoh)，頻率范圍應(yīng)大于實(shí)際接收信號的最大多普勒，其中Tcoh表示相關(guān)器積分時間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于頻率引導(dǎo)的大動態(tài)擴(kuò)頻信號快速捕獲方法，其特征在于:第六步中的本地信號和接收信號的偽碼碼相位搜索步長為0.5個碼片長度，接收信號的偽碼碼相位是對本地偽碼信號發(fā)生器，進(jìn)行一個偽碼周期內(nèi)的移相控制，每次移0.5個碼片長度，逐一計算其相關(guān)峰，直至滿足要求的相關(guān)峰出現(xiàn)。
【文檔編號】H04B1/7075GK105846855SQ201610136505
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月28日
【發(fā)明人】謝勇, 梁盛, 潘高峰, 蘇*, 薛軍, 毛南平, 周承斌, 夏利利
【申請人】中國人民解放軍63686部隊