CN102288975B - 一种基于dft优化的捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信和导航领域，公开了一种基于DFT优化的捕获方法。针对现有的卫星导航捕获方法中的效率、资源和功耗较大的问题，本发明通过对DFT的系数进行量化实现了对DFT的计算进行优化，同时根据需要对DFT点数进行优化，节约了大量的计算量、存储和其它等资源。在导航应用中，除了对DFT系数进行低比特量化，同时也根据搜索多普勒偏移范围对DFT点数进行裁剪，从而使得DFT的计算量和计算点数都大量减少，节约存储资源、计算资源、时间和功耗等。本发明的方法可以有效应用于卫星导航。

Description

一种基于DFT优化的捕获方法

技术领域

本发明属于通信和导航领域，尤其涉及用于卫星导航的捕获方法。

背景技术

全球定位***(GPS，Global Position System)是新一代的精密卫星定位***。GPS接收机对所接收信号的处理通常包括信号的捕获、信号载波和码锁定、导航电文和伪距的提取与计算以及定位值的解算。GPS***采用的是扩频通信技术，在扩频接收机解扩解调前必须使接收机本地恢复的扩频码与载波与接收信号同步，只有在码相位与载波频率误差在一定范围内时，解调器才能正常工作。由于存在频率源的漂移、电波传输的时延、多普勒频移、多径效应等因素的影响，码相位以及载波的同步会具有一定的不确定性，因此接收机必须首先对信号进行捕获，将码相位与载波频率估计误差降低到一定范围内才能提供给跟踪环路，进行信号跟踪。导航卫星信号的捕获是GPS接收机信号处理的第一步和关键。

目前接收机中，特别在军码接收机和多模接收机中，资源、体积和功耗是约束接收机发展的一大难题。针对这一问题，国内外许多机构和单位进行了大量研究。卫星信号的捕获大多数是基于时域上与频域上实现，传统的方法是在时域上利用串行搜索的办法对扩频码进行捕获。在文献“Van Nee,Coenen,Davenport.New Fast GPS Code-Acquisition TechniqueUsing FFT,Electronic Letters，1991，vol.27，NO.2:158-160”首先提出使用FFT实现扩频码的快速捕获方法；在文献“C.Yang.Fast code acquisition with FFT and its sampling schemes，Proc.Institute of Navigation ION-GPS 96,Kansas City，MO,September 1996,1729-173”对FFT的多种抽样方案进行了比较和分析；在文献“Extended Replica Folding for DirectAcquisition of GPS P-Code and Its Performance Analysis,Proceedings of ION GPS 2000.SaltLake City，Ut:The Institute of Navigation，2000.2070-2078”提出了XFAST实现P(Y)码的快速捕获方案，又在文献“Sequential Block Search for Direct Acquisition of Long Codes underLarge Uncertainty，Proceedings of the 2001 National Technical Meeting.Long Beach，CA:ION，Jan.2001.408-414”提出了序列块搜索算法，并对利用FFT实现短周期码，长周期码以及无周期码的捕获方法进行分类和归纳。国内对长码直捕的方法的分析也很多，并且很多在实现上给出了相应的研究成果，如大规模并行相关器实现的串并结合的滑动相关器法，扩展复制重叠均值法，以及PMF-FFT的方法等。

由于卫星和接收机之间存在的相对运动，在接收机使用过程中必然会引入多普勒频移。而多普勒频移将导致扩频增益发生衰减，影响捕获工作，因此在捕获过程中必须进行相应的补偿处理，去除多普勒频移所产生的影响。为了实现低功耗、低资源和小型化的接收机，特别在未来的多模接收机中，许多学者提出了众多的优化方法，但是效率、资源、功耗等的优化问题依然是捕获的研究重点。

发明内容

本发明是为了解决现有的卫星导航捕获方法中的效率、资源和功耗较大的问题，提出了一种基于DFT优化的捕获方法。

本发明的技术方案是：一种基于DFT优化的捕获方法，包括如下步骤：

S1，把接收到的卫星信号N点数据和本地的伪随机码的N点数据进行相关运算；

S2，对步骤S1中每次相关运算的结果作N点DFT，其中x(n)为相关运算的结果，X(k)为计算DFT后的频域结果，具体过程如下：把频域复平面上N个等分点缩小为M等分，设N=M*m，M等分后，把M等分上的值

代替原来N等分值

即N等分值

在区间 $\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M-\frac{1}{2})*m}}& e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M+\frac{1}{2})*m}}\end{array}\right)$ 或 $\left(\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M-\frac{1}{2})*m}}& e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M+\frac{1}{2})*m}}\end{array}\right]$ 上的值都用M等分上的值代替，然后按照DFT计算方法计算N点DFT，得到DFT频域结果；

S3，将DFT频域结果和预设的门限值比较，如果超过门限值，得到信号的多普勒频移值，如果没有超过门限值，则码相位移动一个数据，继续步骤S1，如果所有的相位搜索完毕后仍然没有结果，则更换中频或码序列，继续搜索。

进一步的，所述步骤S2和步骤S3之间还包括如下步骤：

计算DFT计算点数的最大值

其中，f_s为接收到的卫星信号的采样率，Δf为多普列频率偏移最大值，然后根据计算得到的点数n_max计算DFT，即计算k的区间为[N-n_max/2N-1]和[0 n_max/2-1]的X(k)的值。

本发明的有益效果：本发明通过提供一种基于DFT的算法而提出的一种高效和低资源优化算法，并有效应用于卫星导航。通过对DFT的系数进行量化，进而对DFT的计算进行优化，同时根据需要对DFT点数进行优化，节约了大量的存储资源和计算量。在导航应用中，除了对DFT系数进行低比特量化，同时也根据搜索多普勒偏移范围对DFT点数进行裁剪，从而使得DFT的计算量和计算点数都大量减少，节约存储资源、计算资源、时间和功耗等。

附图说明

图1是本发明的基于DFT优化的捕获方法流程示意图。

图2是本发明实施例的比特量化的DFT系数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

传统的计算DFT的方法是根据公式

进行计算，即每个频域分量都得计算N个输入信号与频域复平面上N个等分点的乘积。因此在接收机捕获过程中，基于传统的DFT的捕获方法，会带来效率、资源和功耗较大的问题。

本发明的基于DFT优化的捕获方法，具体流程如图1所示，包括如下步骤：

S1，把接收到的卫星信号N点数据和本地的伪随机码的N点数据进行相关运算；

S2，对步骤S1中每次相关运算的结果作N点DFT，

其中x(n)为相关运算的结果，X(k)为计算DFT后的频域结果，具体过程如下：把频域复平面上N个等分点缩小为M等分，设N=M*m，M等分后，把M等分上的值

代替原来N等分值

即N等分值

在区间 $\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M-\frac{1}{2})*m}}& e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M+\frac{1}{2})*m}}\end{array}\right)$ 或 $\left(\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M-\frac{1}{2})*m}}& e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{(M+\frac{1}{2})*m}}\end{array}\right]$ 上的值都用M等分上的值

代替，然后按照DFT计算方法进行计算N点DFT，得到DFT频域结果；这里的m可以为整数，也可以为小数。

S3，将DFT频域结果和预设的门限值比较，如果超过门限值，得到信号的多普勒频移值，如果没有超过门限值，则码相位移动一个数据，继续步骤S1，如果所有的相位搜索完毕后仍然没有结果，则更换中频或码序列，继续搜索。

为了进一步的减少计算量，在步骤S2和步骤S3之间还包括如下步骤：计算DFT计算点数的最大值

其中，f_s为接收到的卫星信号的采样率，Δf为多普列频率偏移最大值，然后根据计算得到的点数n_max计算DFT，即计算k的区间为[N-n_max/2 N-1]和[0 n_max/2-1]的X(k)的值。在这里，DFT变换频域表示范围为0到f_s，搜索多普列频移范围为-1*Δf～Δf。

设相关运算的结果为x(n)，根据DFT变换，则序列x(n)的DFT为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}}=X\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right){|}_{\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{N}k}.$

由于e^jθ=cosθ-jsinθ，所以DFT系数

是单位圆上的N等分点上的数据。如果把圆分成M<N，通常N为M的整数倍，那么DFT的系数只有M个，但是输入数据点数不变，通过把原来圆N等分的数据在M等分附近的数据划入M等分的数据之中。选择合适的M，可以极大节约DFT的存储资源、计算量和计算资源。

当M取8进行等分时，可以以获得一个较优的效果。下面以M=8为例进行说明。

本发明按M取8等分时进行计算，根据DFT的

可知量化后所有的系数都位于复平面的单位圆上。如图2所示，把一个复平面圆周分成了8等份，对DFT系数进行2比特量化即可把八等分上的点全部表示完毕，并对系数进行适当的放大以后的量化系数为[1.5,1+i,1.5i,-1+i,-1.5,-1-i,-1.5i,1-i]。根据DFT的量化系数，DFT运算乘法资源可以由原来的乘法器变成了直连信号（系数为±1）或者几个寄存器和加法器（系数为±1.5），这将大大缩减了DFT的运算量。假设现在要做256点DFT，因为M取8进行等分，所以原来256等分中的240～256和1～16等分点用M=8等分点中的第一个等分点对应的DFT系数为(1.5,0)代替，17～48等分点用八等分点的第二个等分点的DFT系数变为(1,i)代替，49～80等分点用八等分点的第三个等分点DFT系数变为(15i)代替，剩余的系数及其它点数的DFT以此类推。

为了只对多普勒的频带进行搜索，可以调整DFT系数，把系数集中于需要的频带范围内进行变换，而对其它频带的参数则不进行计算，这样还可以节省大量的计算量。如果采样率为f_s，那么DFT变换频域表示范围为0到f_s。如果搜索多普列范围为±10KHZ，那么计算范围只要

就可以计算出最大的计算点数为n_max，然后根据这个点数就可以计算需要的DFT。假设采用4ms数据做256点DFT，因此频谱分辨率为对应

在计算离散DFT时候，为了搜索±10KHz信号，需要计算的点数为因此只需要216点到255点、0点到39点的X(k)即可。因而不需要计算全部的256点DFT。同样如果只搜索±5KHz，只需要计算236到255点、0点到19点的DFT即可，其它频率计算原理一样。如果需要全频域搜索，或者搜索范围很大，导致计算步骤数超过FFT的方式的话，可以把这种量化方式应用到FFT上去。

可以看出，本发明的通过对DFT的系数进行量化，可以简化DFT的计算，同时量化以后的根据需要对DFT的点数进行优化，可以节约大量的存储资源和计算量。在导航应用中，除了对DFT系数进行量化，同时也根据搜索多普勒偏移范围对DFT点数进行裁剪，使得DFT的计算点数和计算量都减少，节约存储资源、计算资源、时间和功耗等，本方法可以有效应用于卫星导航。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于DFT优化的捕获方法，包括如下步骤：

S1，把接收到的卫星信号的N点数据和本地的伪随机码的N点数据进行相关运算；

S2，对步骤S1中每次相关运算的结果作N点DFT，

其中x(n)为相关运算的结果，X(k)为计算DFT后的频域结果，具体过程如下：把频域复平面上N个等分点缩小为M等分，设N=M*m，M等分后，把M等分上的值

代替原来N等分值N等分值在区间 $\left[\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{(M-\frac{1}{2})*m}}& e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{(M+\frac{1}{2})*m}}\end{array}\right)$ 或 $\left(\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{(M-\frac{1}{2})*m}}& e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{(M+\frac{1}{2})*m}}\end{array}\right]$ 上的值都用M等分上的值

代替，然后按照DFT计算方法进行计算N点DFT，得到DFT频域结果；

S3，将DFT频域结果和预设的门限值比较，如果超过门限值，得到信号的多普勒频移值，如果没有超过门限值，则码相位移动一个数据，继续步骤S1，如果所有的相位搜索完毕后仍然没有结果，则更换中频或码序列，继续搜索。

2.根据权利要求1所述的基于DFT优化的捕获方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S3之间还包括如下步骤：

计算DFT计算点数的最大值

其中，f_s为接收到的卫星信号的采样率，Δf为多普列频率偏移最大值，然后根据计算得到的点数n_max计算DFT，即计算k的区间为[N-n_max/2N-1]和[0 n_max/2-1]的X(k)的值。

3.根据权利要求1或2所述的基于DFT优化的捕获方法，其特征在于，所述的N为M的整数倍。

4.根据权利要求1或2所述的基于DFT优化的捕获方法，其特征在于，所述的M为8。

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