CN102841359B - 一种抗电文翻转的直扩信号载波伪码二维捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗电文翻转的直扩信号载波伪码二维捕获方法，该方法在对直扩信号的捕获过程中，能够抗电文的翻转。具体步骤为：获取同相、正交两路基带信号；对同相、正交两路基带信号分别进行1次，2次，3次，……，(N-1)次延时处理，得到2N路并行的基带信号；伪码发生器在伪码时钟的驱动下生成复制码，利用2N个并行相关器对2N路基带信号与复制码分别进行相关累积运算，然后对累积运算结果进行倍角处理和FFT变换后，求取FFT变换后的平方和，选择平方和中的最大值与预设门限进行比较，来进行捕获。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗电文翻转的直扩信号载波伪码二维捕获方法，属于通信技术领域。
背景技术
在实际扩频通信***工程中，直扩方式是目前使用的最多、也是最典型的一种，典型的例子有：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo以及中国的Compass。
信号的快速捕获技术是接收机基带信号处理的关键技术之一。卫星上测控接收机产生本地伪码序列，然后必须移动这个本地码的相位，直到与接收扩频信号的伪码发生相关为止。同时，接收机也必须在载波频率域检测地面发射信号（上行信号）的载波频率，方法是产生本地复制载波频率加多普勒，利用相关性检测本地复制的载波与上行载波的相似性，实现载波同步。因此，接收机对信号的捕获过程是一个二维的（伪码和载频、或称为时间和频率）信号复制过程。
空间测控通信***中，空间测控接收机接收解调地面发送的上行带遥控信息的直扩信号。S频段上行遥控信息为低速率调制应用，一般要求为2kbps~16kbps。同时，接收机要完成载波多普勒和伪码相位的二维快速捕获。
针对空间测控接收机在对上行直扩信号进行二维快速捕获过程中，调制数据翻转影响的问题。调制数据符号的跳变会对多普勒估计和伪码相位估计产生影响：即信号的频谱泄露、频点产生偏移导致在利用多普勒滤波器组分析信号频谱时检测不到正确的多普勒频率。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗电文翻转的直扩信号载波伪码二维捕获方法，该方法在对直扩信号的捕获过程中，能够抗电文的翻转。
实现本发明的技术方案如下：
步骤一、对所需捕获的中频直扩信号进行数字正交下变频处理，得到正弦、余弦两路信号，然后将得到的正弦、余弦两路信号分别与所述中频直扩信号相乘，得到同相、正交两路基带信号；
步骤二、对同相、正交两路基带信号分别进行1次，2次，3次，……，(N-1)次延时处理，得到2N路并行的基带信号；其中每次延时的样点数K＝(fs/fc)×(L/N)，fs代表采样率，fc表示伪码速率，L表示伪码周期；
步骤三、令伪码数控振荡器产生3.069MHz的伪码时钟，伪码发生器在伪码时钟的驱动下生成复制码，所生成的复制码的速率为3.069Mcps；
步骤四、利用2N个并行相关器对2N路基带信号与复制码分别进行相关累积运算，其中设置每次累积运算的周期为2ms，即在2ms的时间范围内，将信号上的样点数分成512份，对每一份上的样点数进行累积，进而得到2N路累积运算结果；对具有同一延时的同相、正交基带信号的累积运算结果进行合并成一路，得到N路经合并后的累加结果；
步骤五、对N路合并后的累加结果分别采用公式（1）和（2）进行倍角处理，得到N路信号组，其中每一信号组包括I(n)和Q(n)，
I(n)＝rI(n)×rI(n)-rQ(n)×rQ(n)（1）
Q(n)＝rI(n)×rQ(n)+rQ(n)×rI(n)（2）
其中rI(n)为同相基带信号的累加结果，rQ(n)为正交基带信号的累加结果，×为乘法运算，n为取遍1至512中的所有整数；
步骤六、针对N路信号组中的每一路，对I(n)后端补零至1024个累加结果，对Q(n)后端补零至1024个累加结果；然后将I(n)作为傅里叶FFT变换的实部，将Q(n)作为FFT变换的虚部，分别对N路信号进行快速傅里叶变换，得到FFT变换后的实部、虚部及指数部分，然后计算出FFT变换后的实部和虚部的平方和，共得到1024×N个平方和；
步骤七、通过比较1024×N个平方和，选择其中的最大值与预设门限进行比较，当比较结果为超过预设门限时，则认为捕获成功，获取最大的平方和所对应的延迟量，利用该延迟量产生一个粗同步的复制码用于精确伪码跟踪，且1024×N个平方和最大值对应的FFT位置代表了载波多普勒捕获结果；当获取比较结果为小于门限时，则判定捕获不成功，则下一个相干积分周期来到，控制伪码发生器滑动0.5个码片生成复制码，返回步骤三。
有益效果
本发明利用在频域FFT捕获算法中，在FFT之前采用倍角公式对同相、正交两路信号进行处理，消除数据调制造成FFT进行多普勒频谱分析时检测不到正确的多普勒频率的问题。
附图说明
图1为本发明捕获方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
该发明的具体实施为一台测控单元，采用FPGA和A/D转换器等硬件实现。FPGA芯片选用美国Xilinx公司产品XC2V3000，它的主频最高可达300MHz，可编程逻辑可达300万门。A/D变换芯片选用美国模拟公司产品AD10200，它的最高采样频率为105MHz,数据分辨率为12位。输入的模拟中频信号经A/D芯片的带通采样后转换为中频直扩信号，在FPGA内完成信号的捕获。
在FPGA中包括数字正交下变频模块、并行相关器组、伪码发生器、FFT变换模块、模值计算模块、捕获处理模块等。采用的方案基于频域FFT并行-时域多路并行搜索捕获算法，处理的流程如图1所示，以下对发明实施进行阐述。
本实施例中所述FPGA采用38MHz的工作时钟，同时38MHz也作为A/D的转换时钟使用。模拟中频信号经过模数转换，输出每秒38M的样点值的中频直扩信号，通过12位接口作为FPGA的输入。
如图1所示，具体的捕获过程如下：
步骤一、对所需捕获的中频直扩信号进行数字正交下变频处理，得到正弦、余弦两路信号，然后将得到的正弦、余弦两路信号分别与所述中频直扩信号相乘，得到同相、正交两路基带信号。
步骤二、通过RAM资源以先入先出的方式延时输入信号，采用经过(N-1)组RAM进行延迟处理，将同相、正交两路基带信号变成2N路并行信号；对于同相和正交基带信号，第N路相对于第N-1路相当于在时间上相差了L/N个码片。这样N路并行可以实现同时搜索N个间隔为L/N码片的伪码相位。具体的过程为：对同相、正交两路基带信号分别进行1次，2次，3次，……，(N-1)次延时处理，其中每次延时的样点数K＝(fs/fc)×(L/N)，fs代表采样率，fc表示伪码速率，L表示伪码周期，N表示并行的路数，进而得到2N路并行的基带信号。本实施中较佳的令L等于1023，较佳的令N等于8，以下步骤皆令N等于8进行说明。
由于对每一路信号都分别进行了7种延时，加上没有延时的一路共得到8路信号，因此考虑每一路又包括同相和正交，共得到16路信号，在所得到的2N路信号中，若只存在1次延时，则延时量为K，若存在2次延时，则延时量为2K，并因此类推，得到了16路信号。
产生时间上依次相差L/N个码相位的8路信号，然后与本地复制伪码相关，本地复制码滑动到某个相位时，相当于并行检测了N个相位。
步骤三、令伪码数控振荡器产生3.069MHz的伪码时钟，伪码发生器在伪码时钟的驱动下生成复制码，所生成的复制码的速率为3.069Mcps。
步骤四、利用16个并行相关器对16路同相、正交基带信号与复制码分别进行相关累积运算，其中设置每次累积运算的周期为2ms，即在2ms的时间范围内，将信号上的样点数分成512份，对每一份样点数进行累积，进而获得16路积分运算结果。针对具有同一延时的同相、正交基带数据，将同相、正交两路基带数据与复制码的相关累积结果进行合并成一路，得到8路经合并后的累加结果。
步骤五、对8路合并后的累加结果分别采用公式（1）和（2）进行倍角处理，消除数据调制的影响，得到N路信号组，其中每一信号组包括I(n)和Q(n)，
I(n)＝rI(n)×rI(n)-rQ(n)×rQ(n)（1）
Q(n)＝rI(n)×rQ(n)+rQ(n)×rI(n)（2）
其中rI(n)为同相基带信号的累加结果，rQ(n)为正交基带信号的累加结果，×为乘法运算，n为取遍1至512中的所有整数。
将运算得到的、消除数据调制的影响的同相累加结果I(n)和正交累加结果Q(n)保存在FPGA的内部双口RAM中。由于每个2ms时间产生的结果为8路512个值，按乒乓操作保存在FPGA的内部RAM中，因此需要16个存储深度为512的块RAM。
步骤六、依次从FPGA内部的双口RAM中读出数据，针对N路信号组中的每一路，对I(n)后端补零至1024个累加结果，对Q(n)后端补零至1024个累加结果；然后将I(n)作为傅里叶FFT变换的实部，将Q(n)作为FFT变换的虚部，8路信号分别完成快速傅里叶变换计算，FFT运算使用Xilinx公司的IP核实现，此IP核可输出FFT运算得到的实部、虚部及指数部分，计算出FFT变换后的实部和虚部的平方和送至峰值检测，其中计算出的平方和共有1024×8=8192个。
步骤七、通过比较8192个平方和，选择其中的最大值与预设门限进行比较，当比较结果为超过预设门限时，则认为捕获成功，获取最大的平方和所对应的延迟量，利用该延迟量产生一个粗同步的复制码用于精确伪码跟踪，而且最大值对应的FFT位置代表了捕获的多普勒值；当比较结果为小于门限，则判定捕获不成功，到下一个相干积分周期来到，码NCO控制复制码码片滑动，进入下一组码相位搜索单元。
使用2ms的相干积分周期，用计数器循环计数，当达到2ms+t1时刻，伪码发生器的寄存器赋为初相值，同时计数器的值清零。根据t1可以计算出每次复制码滑动的码片数，每2ms进行一次滑动。已知积分周期为2ms，t1选择为1~9个工作时钟周期。
使用2ms的相干积分周期，FFT的频率分辨率为1/2ms=500Hz，2ms样点积分为512个累加值，对应的载波捕获范围为500Hz×512/2=128kHz,即-64kHz~+63kHz。采用1024点FFT，每一个FFT样点值对应的捕获的频率分辨率为128kHz/1024=125Hz。
本发明可克服电文翻转对载波多普勒捕获的影响，具有快速的载波捕获速度和高可靠性。且与时域并行多路伪码搜索方法结合可实现载波和伪码二维快速捕获。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种抗电文翻转的直扩信号载波伪码二维捕获方法，其特征在于，
步骤一、对所需捕获的、中频直扩信号进行数字正交下变频处理，得到正弦、余弦两路信号，然后将得到的正弦、余弦两路信号分别与所述中频直扩信号相乘，得到同相、正交两路基带信号；
步骤二、对同相、正交两路基带信号分别进行1次，2次，3次，……，N-1次延时处理，得到2N路并行的基带信号；其中每次延时的样点数K=(fs/fc)×(L/N)，fs代表采样率，fc表示伪码速率，L表示伪码周期；
步骤三、令伪码数控振荡器产生3.069MHz的伪码时钟，伪码发生器在伪码时钟的驱动下生成复制码，所生成的复制码的速率为3.069Mcps；
步骤四、利用2N个并行相关器对2N路基带信号与复制码分别进行相关累积运算，其中设置每次累积运算的周期为2ms，即在2ms的时间范围内，将信号上的样点数分成512份，对每一份上的样点数进行累积，进而得到2N路累积运算结果；对具有同一延时的同相、正交基带信号的累积运算结果进行合并成一路，得到N路经合并后的累加结果；
步骤五、对N路合并后的累加结果分别采用公式（1）和（2）进行倍角处理，得到N路信号组，其中每一信号组包括I(n)和Q(n)，
I(n)=rI(n)×rI(n)-rQ(n)×rQ(n) （1）
Q(n)=rI(n)×rQ(n)+rQ(n)×rI(n) （2）
其中rI(n)为同相基带信号的累加结果，rQ(n)为正交基带信号的累加结果，×为乘法运算，n为取遍1至512中的所有整数；
步骤六、针对N路信号组中的每一路，对I(n)后端补零至1024个累加结果，对Q(n)后端补零至1024个累加结果；然后将I(n)作为傅里叶FFT变换的实部，将Q(n)作为FFT变换的虚部，分别对N路信号进行快速傅里叶变换，得到FFT变换后的实部、虚部及指数部分，然后计算出FFT变换后的实部和虚部的平方和，共得到1024×N个平方和；
步骤七、通过比较1024×N个平方和，选择其中的最大值与预设门限进行比较，当比较结果为超过预设门限时，则认为捕获成功，获取最大的平方和所对应的延迟量，利用该延迟量产生一个粗同步的复制码用于精确伪码跟踪；当获取比较结果为小于门限时，则判定捕获不成功，则下一个相干积分周期来到，控制伪码发生器滑动0.5个码片生成复制码，返回步骤三。
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