專利名稱：一種基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法，屬于測控通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在實(shí)際擴(kuò)頻通信系統(tǒng)工程中，直接序列擴(kuò)頻方式是目前使用的最多、也是最典型的一種，典型的例子有美國的GPS、俄羅斯的GL0NASS、歐洲的GaliIeo以及中國的Compass ο信號(hào)的快速捕獲技術(shù)是接收機(jī)基帶信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于發(fā)射端發(fā)射信號(hào)包括載波、偽碼以及所需的數(shù)據(jù)，為了準(zhǔn)確獲取所需數(shù)據(jù)，快速捕獲技術(shù)即消除接收信號(hào)中的載波和偽碼。 信號(hào)的捕獲原理為衛(wèi)星上測控接收機(jī)產(chǎn)生本地偽碼序列，然后必須移動(dòng)這個(gè)本地碼的相位，直到與接收擴(kuò)頻信號(hào)的偽碼發(fā)生相關(guān)為止。因?yàn)橹挥挟?dāng)接收機(jī)產(chǎn)生的本地復(fù)制碼與擴(kuò)頻信號(hào)上的偽碼相位匹配時(shí)，此時(shí)有最大的相關(guān)。同時(shí)接收機(jī)也必須在載波頻率域檢測上行信號(hào)(地面發(fā)射的信號(hào))的載波頻率，檢測的方法是產(chǎn)生本地復(fù)制載波頻率并考慮多普勒效應(yīng)，利用相關(guān)性檢測本地復(fù)制載波與上行載波的相似性，實(shí)現(xiàn)載波同步。因此，接收機(jī)對信號(hào)的捕獲過程是一個(gè)二維的(偽碼和載頻、或稱為時(shí)間和頻率)信號(hào)復(fù)制過程。除了碼相位和載波頻偏的不確定性以外，調(diào)制數(shù)據(jù)會(huì)改變碼片極性，會(huì)影響捕獲系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)算的相干長度，調(diào)制數(shù)據(jù)速率越高，相干長度越小，進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)頻系統(tǒng)處理增益下降。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基帶信號(hào)處理中，捕獲算法也是比較復(fù)雜、種類繁多的。從搜索策略方面來看，主要分為線性搜索、并行頻率搜索和并行碼相位搜索。線性搜索算法是一種最基本的信號(hào)搜索捕獲方法，其利用數(shù)字相關(guān)器在時(shí)域內(nèi)對所指定衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移和碼相位這兩維進(jìn)行掃描式搜索。二維線性搜索捕獲算法的搜索順序?yàn)槭紫葟闹虚g頻帶出發(fā)，按碼相位由小到大的順序依次搜索完該頻帶上的所有單元，然后繼續(xù)搜索下一個(gè)頻帶上的所有單元。此種方法的缺點(diǎn)是當(dāng)偽碼和載波多普勒不確定度較大情況下，捕獲過程極為耗時(shí)。并行頻率搜索算法利用傅里葉變換實(shí)現(xiàn)對頻率的并行搜索，從而加快捕獲速度。并行頻率搜索算法不需要對信號(hào)頻率一維進(jìn)行掃描式搜索，對每一個(gè)碼相位的搜索進(jìn)行一次FFT計(jì)算，能夠完成大的多普勒變化范圍內(nèi)的搜索，而且頻率搜索分辨率較高。但要實(shí)現(xiàn)調(diào)制數(shù)據(jù)速率較高，微弱信號(hào)、多普勒變化范圍大的情況下的并行頻率搜索算法是一件富有挑戰(zhàn)和困難的工作。并行碼相位搜索可將碼相位通過傅里葉變換一次性完成，這種基于FFT算法的相關(guān)技術(shù)相當(dāng)于并行相關(guān)器，最大程度的降低了搜索單元數(shù)目，因此具有最短的捕獲時(shí)間。但是在搜索每一個(gè)頻帶時(shí)，需要完成兩次傅里葉變換和一次傅里葉反變換，所需計(jì)算量較大。同時(shí)，并行碼相位搜索捕獲算法易受調(diào)制數(shù)據(jù)比特跳變的影響，因此，實(shí)現(xiàn)調(diào)制數(shù)據(jù)速率較高，微弱信號(hào)情況下的并行碼相位搜索算法存在一定困難。針對于中繼星，其調(diào)制信號(hào)形式為PCM-DSSS-BPSK，調(diào)制數(shù)據(jù)速率、載噪比、多普勒頻移范圍三方面的要求分別為I)已知調(diào)制數(shù)據(jù)速率為2000bps，在沒有信息時(shí)發(fā)送“101010……”空閑序列，以
保持同步；2)要求具有微弱信號(hào)的捕獲能力，捕獲靈敏度優(yōu)于載噪比48dB/Hz ；3)要求多普勒頻移捕獲范圍為-90kHz +90kHz。中繼測控的以上幾項(xiàng)要求與GPS民用信號(hào)相比，中繼測控調(diào)制數(shù)據(jù)速率為GPS導(dǎo)航電文速率的40倍，中繼測控要求的多普勒頻移捕獲范圍為GPS接收機(jī)的18倍，中繼測控 要求的載噪比與GPS衛(wèi)星處于天頂附近位置時(shí)強(qiáng)度46dBHz相比相當(dāng)同樣屬于微弱信號(hào)。以上幾項(xiàng)要求互相制約，造成的問題是第一，當(dāng)接收端接收的信號(hào)為微弱信號(hào)時(shí)，則捕獲需要盡可能長的相干積分時(shí)間，但是調(diào)制數(shù)據(jù)速率較高又限制了相干積分時(shí)間。第二，當(dāng)接收端和發(fā)射端之間的多普勒變化范圍大時(shí)，由于存在多普勒效應(yīng)引起的偽碼速率的變化，因此影響偽碼相位的捕獲。故克服調(diào)制數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)的影響，且考慮多普勒影響情況下，達(dá)到最優(yōu)的捕獲時(shí)間性能并滿足靈敏度要求，是當(dāng)前需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法，該方法可滿足對微弱信號(hào)的較長時(shí)間的相干累積，同時(shí)可適用大范圍多普勒變化的影響。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法，具體的步驟如下步驟一、生成8路數(shù)據(jù)序列，所述8路數(shù)據(jù)序列的比特周期為O. 5ms，從第I路數(shù)據(jù)序列開始至第8路數(shù)據(jù)序列，其起始相位按照22. 5°的步長為遞增；步驟二、利用偽碼數(shù)控振蕩器產(chǎn)生3. 069MHz的偽碼時(shí)鐘，偽碼發(fā)生器在偽碼時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下生成復(fù)制碼，所生成的復(fù)制碼的速率為3. 069Mcps ；步驟三、將所述8路數(shù)據(jù)序列分別與復(fù)制碼進(jìn)行異或運(yùn)算，得到8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼；步驟四、利用數(shù)字正交下變頻的方法對輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生正弦、余弦兩路信號(hào)，并將該正、余弦兩路信號(hào)與所述中頻信號(hào)相乘，分別得到同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)；步驟五、令所述8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼和所述復(fù)制碼分別與同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)做相關(guān)累積運(yùn)算，得到18路積分運(yùn)算結(jié)果，其中設(shè)置積分周期為2ms，即在2ms的時(shí)間范圍內(nèi)，將信號(hào)上的樣點(diǎn)數(shù)分成512份，對每一份樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行累積，得到512個(gè)樣點(diǎn)值；步驟六、將同一數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼對應(yīng)的同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)的累積結(jié)果進(jìn)行合并，得到8路累加結(jié)果，對復(fù)制碼對應(yīng)的同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)的累積結(jié)果進(jìn)行合并，得到I路累加結(jié)果，總共得到9路累加結(jié)果；步驟七、針對每一路累加結(jié)果，對其后端補(bǔ)零至2048點(diǎn)，然后將其同相累加值作為FFT變換的實(shí)部，將其正交累加值作為FFT變換的虛部，對9路信號(hào)分別進(jìn)行FFT變換，然后計(jì)算出FFT變換結(jié)果的平方和，共得到9X2048=18432個(gè)平方和；
步驟八、通過比較9 X 2048=18432個(gè)平方和，選擇其中的最大值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，當(dāng)最大值超過預(yù)設(shè)門限時(shí)，則認(rèn)為捕獲成功，即認(rèn)為當(dāng)前的復(fù)制碼與輸入中頻信號(hào)偽碼相關(guān)性滿足捕獲要求，且18432個(gè)平方和的峰值對應(yīng)的FFT位置代表了載波多普勒捕獲結(jié)果，結(jié)束本方法；如果最大值小于預(yù)設(shè)門限，則下一個(gè)相干積分周期來到，控制偽碼發(fā)生器滑動(dòng)O. 5個(gè)碼片生成復(fù)制碼，返回步驟三。有益效果本發(fā)明設(shè)置8路相位不同的數(shù)據(jù)序列，根據(jù)對數(shù)據(jù)序列的處理結(jié)果采用多路并行相關(guān)處理，盡可能的加長在信號(hào)捕獲過程中的相干積分時(shí)間，使得相干積分跨越幾個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)寬度以提高信噪比。


圖I為本發(fā)明微弱信號(hào)快速捕獲方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明基于的硬件平臺(tái)有A/D變換器、FPGA等。FPGA芯片選用美國Xilinx公司產(chǎn)品XC2V3000，它的主頻最高可達(dá)300MHz，可編程邏輯可達(dá)300萬門。A/D變換器選用美國模擬公司產(chǎn)品AD10200，它的最高采樣頻率為105MHz，數(shù)據(jù)分辨率為12位。中頻信號(hào)通過A/D變換器(芯片)的帶通采樣后轉(zhuǎn)換為樣值數(shù)據(jù)，然后在FPGA內(nèi)完成信號(hào)的捕獲。FPGA采用38MHz的工作時(shí)鐘，同時(shí)38MHz也作為A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘使用。模擬中頻信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出每秒38M的樣點(diǎn)值中頻信號(hào)，經(jīng)過12位接口作為FPGA的輸入。如圖I所示，本發(fā)明基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法，具體步驟如下步驟一、生成8路數(shù)據(jù)序列，所述8路數(shù)據(jù)序列的比特周期為O. 5ms (O. 5ms是根據(jù)所發(fā)信號(hào)的比特速率等于2000bps確定的)，從第I路數(shù)據(jù)序列開始至第8路數(shù)據(jù)序列，其起始相位按照22. 5°的步長遞增，則可以得到8路不同初始相位的數(shù)據(jù)序列。步驟二、由偽碼數(shù)控振蕩器產(chǎn)生3. 069MHz的偽碼時(shí)鐘，偽碼發(fā)生器在偽碼時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下生成復(fù)制碼，所生成的復(fù)制碼的速率為3. 069Mcps。步驟三、將所述8路數(shù)據(jù)序列分別與復(fù)制碼進(jìn)行異或運(yùn)算，得到8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼。步驟四、利用數(shù)字正交下變頻的方法對輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生正弦、余弦兩路信號(hào)，并將該正、余弦兩路信號(hào)與所述中頻信號(hào)相乘，分別得到同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)。步驟五、利用18個(gè)并行相關(guān)器對8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼和步驟二中產(chǎn)生I路復(fù)制碼共9路復(fù)制碼分別與同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)做相關(guān)累積運(yùn)算，其中設(shè)置積分周期為2ms，即在2ms的時(shí)間范圍內(nèi)，將信號(hào)上的樣點(diǎn)數(shù)分成512份，對每一份樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行累積，得到512個(gè)樣點(diǎn)值，進(jìn)而獲得18路積分運(yùn)算結(jié)果。步驟六、將同一數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼對應(yīng)的同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)的累積結(jié)果進(jìn)行合并，得到8路累加結(jié)果，對復(fù)制碼對應(yīng)的同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)的累積結(jié)果進(jìn)行合并，得到I路累加結(jié)果，總共得到9路累加結(jié)果；同時(shí)將該9路累加結(jié)果保存在FPGA的內(nèi)部雙口 RAM中。具體的存儲(chǔ)為，在FPGA內(nèi)設(shè)置兩組雙口 RAM (每組包括9塊深度為512的雙口RAM單元)，同時(shí)對兩組雙口 RAM運(yùn)用乒乓操作的讀寫方式操作。步驟七、依次從FPGA內(nèi)部的雙口 RAM中讀出其內(nèi)存儲(chǔ)的各路累加結(jié)果，針對每一路累加結(jié)果，對其后端補(bǔ)零至2048點(diǎn)，然后將其同相累加值作為FFT變換的實(shí)部，將其正交累加值作為FFT變換的虛部，對9路信號(hào)分別完成FFT變換計(jì)算，F(xiàn)FT運(yùn)算使用Xilinx公司的IP核實(shí)現(xiàn)，此IP核可輸出FFT運(yùn)算得到的實(shí)部、虛部及指數(shù)部分，然后計(jì)算出FFT變換結(jié)果的平方和，共得到9X2048=18432個(gè)平方和，將上述得到的平方和送至步驟八進(jìn)行峰值檢測來實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的捕獲。步驟八、捕獲處理通過比較9X2048=18432個(gè)平方和，選擇其中的最大值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了先猜后檢中的檢。利用出現(xiàn)相關(guān)值的一路必定是對比特翻轉(zhuǎn)位置猜的最準(zhǔn)，對捕獲信噪比削弱最小的一路的事實(shí)。當(dāng)最大值超過預(yù)設(shè)門限時(shí)，則認(rèn)為捕獲成功，即認(rèn)為當(dāng)前的復(fù)制碼與輸入中頻信號(hào)偽碼相關(guān)性滿足捕獲要求，且18432個(gè)平方和的峰值對應(yīng)的FFT位置代表了載波多普勒捕獲結(jié)果；如果最大值小于預(yù)設(shè)門限，則下一個(gè)相干積分周期來到，控制偽碼發(fā)生器滑動(dòng)O. 5個(gè)碼片生成復(fù)制碼，然后返回步驟三。 由偽碼相關(guān)特性可知在一個(gè)碼片內(nèi)均有相關(guān)峰，因此本地碼片每次滑動(dòng)的最大步長與最大多普勒造成的滑動(dòng)之和應(yīng)不大于lchip。因此，通過合理設(shè)計(jì)碼片搜索的步長，可以使在大多普勒范圍內(nèi)碼相位搜索能夠盡快獲得相關(guān)峰值。本發(fā)明控制碼片生成器滑動(dòng)O. 5個(gè)碼片生成控制碼是通過控制碼片生成單元賦初始相位的時(shí)間實(shí)現(xiàn)的，例如本發(fā)明一個(gè)相干積分周期為2ms，用計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到2ms+tl時(shí)刻，偽碼發(fā)生器的寄存器賦為初相值，同時(shí)計(jì)數(shù)器的值清零。根據(jù)控制tl的大小可達(dá)到控制滑動(dòng)碼片數(shù)的目的。例如，已知最大的載波多普勒為±90kHz，地面站發(fā)射信號(hào)的載波頻點(diǎn)與偽碼速率的比例為684. 1，相干積分周期為2ms時(shí)，在積分周期內(nèi)多普勒造成的偽碼相對滑動(dòng)為±90000/684. IX2=±0. 263 (chip)。在考慮多普勒影響情況下，為了保證捕獲成功，每次實(shí)際滑動(dòng)的量應(yīng)該滿足不大于 1-0. 263=0. 737 (chip)。已知偽碼速率為3. 069Mcps，系統(tǒng)的工作時(shí)鐘為38. 0MHz，每次實(shí)際滑動(dòng)的復(fù)制碼的步長應(yīng)當(dāng)滿足不大于9. 125 (即O. 737/3. 069X38. 0=9. 125)個(gè)工作時(shí)鐘周期。滿足此條件下，能夠滿足偽碼相關(guān)特性保證捕獲具有峰值。當(dāng)選擇復(fù)制碼的步長等于9時(shí)有最快的捕獲時(shí)間性能。已知偽碼周期為1023，復(fù)制碼滑動(dòng)的步長選擇9個(gè)工作時(shí)鐘周期，當(dāng)-90kHz、0Hz、+90kHz三種載波多普勒情況下，實(shí)際滑動(dòng)的碼相位為針對于-90kHz的情況0· 726-0. 263=0. 463針對于OHz 的情況0· 726-0=0. 726針對于90kHz 的情況0· 726+0. 263=0. 989遍歷所有1023個(gè)碼片的最長時(shí)間是-90kHz載波多普勒的情況，此時(shí)最長遍歷搜索時(shí)間等于(1023/0. 463) X0. 002=4. 4 秒如果不考慮多普勒引起的相對滑動(dòng)，仍使用常規(guī)的O. 5chip/次的滑動(dòng)步長。最長的遍歷搜索時(shí)間時(shí)間為(1023/ (O. 5-0. 263) ) X0. 002=8. 6秒。
可見，使用本方法最長縮短了 4. 2秒的捕獲時(shí)間。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí) 施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法，其特征在于，具體的步驟如下 步驟一、生成8路數(shù)據(jù)序列，所述8路數(shù)據(jù)序列的比特周期為O. 5ms,從第I路數(shù)據(jù)序列開始至第8路數(shù)據(jù)序列，其起始相位按照22. 5°的步長為遞增； 步驟ニ、利用偽碼數(shù)控振蕩器產(chǎn)生3. 069MHz的偽碼時(shí)鐘，偽碼發(fā)生器在偽碼時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下生成復(fù)制碼，所生成的復(fù)制碼的速率為3. 069Mcps ；步驟三、將所述8路數(shù)據(jù)序列分別與復(fù)制碼進(jìn)行異或運(yùn)算，得到8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼；步驟四、利用數(shù)字正交下變頻的方法對輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生正弦、余弦兩路信號(hào)，并將該正、余弦兩路信號(hào)與所述中頻信號(hào)相乘，分別得到同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)；步驟五、令所述8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼和所述復(fù)制碼分別與同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)做相關(guān)累積運(yùn)算，得到18路積分運(yùn)算結(jié)果，其中設(shè)置積分周期為2ms，即在2ms的時(shí)間范圍內(nèi)，將信號(hào)上的樣點(diǎn)數(shù)分成512份，對每ー份樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行累積，得到512個(gè)樣點(diǎn)值； 步驟六、將同一數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼對應(yīng)的同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)的累積結(jié)果進(jìn)行合井，得到8路累加結(jié)果，對復(fù)制碼對應(yīng)的同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)的累積結(jié)果進(jìn)行合并，得到I路累加結(jié)果，總共得到9路累加結(jié)果； 步驟七、針對每一路累加結(jié)果，對其后端補(bǔ)零至2048點(diǎn)，然后將其同相累加值作為FFT變換的實(shí)部，將其正交累加值作為FFT變換的虛部，對9路信號(hào)分別進(jìn)行FFT變換，然后計(jì)算出FFT變換結(jié)果的平方和，共得到9X2048=18432個(gè)平方和； 步驟八、通過比較9X2048=18432個(gè)平方和，選擇其中的最大值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，當(dāng)最大值超過預(yù)設(shè)門限時(shí)，則認(rèn)為捕獲成功，即認(rèn)為當(dāng)前的復(fù)制碼與輸入中頻信號(hào)偽碼相關(guān)性滿足捕獲要求，且18432個(gè)平方和的峰值對應(yīng)的FFT位置代表了載波多普勒捕獲結(jié)果，結(jié)束本方法；如果最大值小于預(yù)設(shè)門限，則下ー個(gè)相干積分周期來到，控制偽碼發(fā)生器滑動(dòng)O.5個(gè)碼片生成復(fù)制碼，返回步驟三。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于部分相關(guān)的微弱信號(hào)快速捕獲方法，該方法可滿足對微弱信號(hào)的較長時(shí)間的相干累積，同時(shí)可適用大范圍多普勒變化的影響。具體的步驟如下生成8路數(shù)據(jù)序列，獲取復(fù)制碼，將8路數(shù)據(jù)序列分別與復(fù)制碼進(jìn)行異或運(yùn)算，得到8路數(shù)據(jù)輔助復(fù)制碼；然后將輔助復(fù)制和復(fù)制碼對同相、正交兩路基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)累積運(yùn)算，針對每一路累加結(jié)果作FFT變換，然后計(jì)算出FFT變換結(jié)果的平方和，根據(jù)最大平方和判斷是否捕獲成功。本發(fā)明設(shè)置8路相位不同的數(shù)據(jù)序列，根據(jù)對數(shù)據(jù)序列的處理結(jié)果采用多路并行相關(guān)處理，盡可能的加長在信號(hào)捕獲過程中的相干積分時(shí)間，使得相干積分跨越幾個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)寬度以提高信噪比。
文檔編號(hào)G01S19/30GK102841360SQ20121033959
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者楊志群, 丁國棟, 紀(jì)春國, 周長青 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一三研究所