CN102841360B - 一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法，该方法可满足对微弱信号的较长时间的相干累积，同时可适用大范围多普勒变化的影响。具体的步骤如下：生成8路数据序列，获取复制码，将8路数据序列分别与复制码进行异或运算，得到8路数据辅助复制码；然后将辅助复制和复制码对同相、正交两路基带数据进行相关累积运算，针对每一路累加结果作FFT变换，然后计算出FFT变换结果的平方和，根据最大平方和判断是否捕获成功。本发明设置8路相位不同的数据序列，根据对数据序列的处理结果采用多路并行相关处理，尽可能的加长在信号捕获过程中的相干积分时间，使得相干积分跨越几个调制数据宽度以提高信噪比。

Description

一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法

技术领域

本发明涉及一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法，属于测控通信技术领域。

背景技术

在实际扩频通信***工程中，直接序列扩频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，由于发射端发射信号包括载波、伪码以及所需的数据，为了准确获取所需数据，快速捕获技术即消除接收信号中的载波和伪码。

信号的捕获原理为：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。因为只有当接收机产生的本地复制码与扩频信号上的伪码相位匹配时，此时有最大的相关。同时接收机也必须在载波频率域检测上行信号（地面发射的信号）的载波频率，检测的方法是产生本地复制载波频率并考虑多普勒效应，利用相关性检测本地复制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。

除了码相位和载波频偏的不确定性以外，调制数据会改变码片极性，会影响捕获***相关运算的相干长度，调制数据速率越高，相干长度越小，进而导致扩频***处理增益下降。

在扩频通信***的基带信号处理中，捕获算法也是比较复杂、种类繁多的。从搜索策略方面来看，主要分为：线性搜索、并行频率搜索和并行码相位搜索。

线性搜索算法是一种最基本的信号搜索捕获方法，其利用数字相关器在时域内对所指定卫星信号的多普勒频移和码相位这两维进行扫描式搜索。二维线性搜索捕获算法的搜索顺序为首先从中间频带出发，按码相位由小到大的顺序依次搜索完该频带上的所有单元，然后继续搜索下一个频带上的所有单元。此种方法的缺点是当伪码和载波多普勒不确定度较大情况下，捕获过程极为耗时。

并行频率搜索算法利用傅里叶变换实现对频率的并行搜索，从而加快捕获速度。并行频率搜索算法不需要对信号频率一维进行扫描式搜索，对每一个码相位的搜索进行一次FFT计算，能够完成大的多普勒变化范围内的搜索，而且频率搜索分辨率较高。但要实现调制数据速率较高，微弱信号、多普勒变化范围大的情况下的并行频率搜索算法是一件富有挑战和困难的工作。

并行码相位搜索可将码相位通过傅里叶变换一次性完成，这种基于FFT算法的相关技术相当于并行相关器，最大程度的降低了搜索单元数目，因此具有最短的捕获时间。但是在搜索每一个频带时，需要完成两次傅里叶变换和一次傅里叶反变换，所需计算量较大。同时，并行码相位搜索捕获算法易受调制数据比特跳变的影响，因此，实现调制数据速率较高，微弱信号情况下的并行码相位搜索算法存在一定困难。

针对于中继星，其调制信号形式为PCM-DSSS-BPSK，调制数据速率、载噪比、多普勒频移范围三方面的要求分别为：

1)已知调制数据速率为2000bps，在没有信息时发送“101010……”空闲序列，以保持同步；

2)要求具有微弱信号的捕获能力，捕获灵敏度优于载噪比48dB/Hz；

3)要求多普勒频移捕获范围为-90kHz~+90kHz。

中继测控的以上几项要求与GPS民用信号相比，中继测控调制数据速率为GPS导航电文速率的40倍，中继测控要求的多普勒频移捕获范围为GPS接收机的18倍，中继测控要求的载噪比与GPS卫星处于天顶附近位置时强度46dBHz相比相当同样属于微弱信号。

以上几项要求互相制约，造成的问题是：第一，当接收端接收的信号为微弱信号时，则捕获需要尽可能长的相干积分时间，但是调制数据速率较高又限制了相干积分时间。第二，当接收端和发射端之间的多普勒变化范围大时，由于存在多普勒效应引起的伪码速率的变化，因此影响伪码相位的捕获。故克服调制数据翻转的影响，且考虑多普勒影响情况下，达到最优的捕获时间性能并满足灵敏度要求，是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法，该方法可满足对微弱信号的较长时间的相干累积，同时可适用大范围多普勒变化的影响。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法，具体的步骤如下：

步骤一、生成8路数据序列，所述8路数据序列的比特周期为0.5ms，从第1路数据序列开始至第8路数据序列，其起始相位按照22.5°的步长为递增；

步骤二、利用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；

步骤三、将所述8路数据序列分别与复制码进行异或运算，得到8路数据辅助复制码；

步骤四、利用数字正交下变频的方法对输入的中频信号进行处理，产生正弦、余弦两路信号，并将该正、余弦两路信号与所述中频信号相乘，分别得到同相、正交两路基带数据；

步骤五、令所述8路数据辅助复制码和所述复制码分别与同相、正交两路基带数据做相关累积运算，得到18路积分运算结果，其中设置积分周期为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，得到512个样点值；

步骤六、将同一数据辅助复制码对应的同相、正交两路基带数据的累积结果进行合并，得到8路累加结果，对复制码对应的同相、正交两路基带数据的累积结果进行合并，得到1路累加结果，总共得到9路累加结果；

步骤七、针对每一路累加结果，对其后端补零至2048点，然后将其同相累加值作为FFT变换的实部，将其正交累加值作为FFT变换的虚部，对9路信号分别进行FFT变换，然后计算出FFT变换结果的平方和，共得到9×2048=18432个平方和；

步骤八、通过比较9×2048=18432个平方和，选择其中的最大值与预设门限进行比较，当最大值超过预设门限时，则认为捕获成功，即认为当前的复制码与输入中频信号伪码相关性满足捕获要求，且18432个平方和的峰值对应的FFT位置代表了载波多普勒捕获结果，结束本方法；如果最大值小于预设门限，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

本发明设置8路相位不同的数据序列，根据对数据序列的处理结果采用多路并行相关处理，尽可能的加长在信号捕获过程中的相干积分时间，使得相干积分跨越几个调制数据宽度以提高信噪比。

附图说明

图1为本发明微弱信号快速捕获方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。

本发明基于的硬件平台有A/D变换器、FPGA等。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变换器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。中频信号通过A/D变换器（芯片）的带通采样后转换为样值数据，然后在FPGA内完成信号的捕获。

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的样点值中频信号，经过12位接口作为FPGA的输入。

如图1所示，本发明基于部分相关的微弱信号快速捕获方法，具体步骤如下：

步骤一、生成8路数据序列，所述8路数据序列的比特周期为0.5ms（0.5ms是根据所发信号的比特速率等于2000bps确定的），从第1路数据序列开始至第8路数据序列，其起始相位按照22.5°的步长递增，则可以得到8路不同初始相位的数据序列。

步骤二、由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。

步骤三、将所述8路数据序列分别与复制码进行异或运算，得到8路数据辅助复制码。

步骤四、利用数字正交下变频的方法对输入的中频信号进行处理，产生正弦、余弦两路信号，并将该正、余弦两路信号与所述中频信号相乘，分别得到同相、正交两路基带数据。

步骤五、利用18个并行相关器对8路数据辅助复制码和步骤二中产生1路复制码共9路复制码分别与同相、正交两路基带数据做相关累积运算，其中设置积分周期为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，得到512个样点值，进而获得18路积分运算结果。

步骤六、将同一数据辅助复制码对应的同相、正交两路基带数据的累积结果进行合并，得到8路累加结果，对复制码对应的同相、正交两路基带数据的累积结果进行合并，得到1路累加结果，总共得到9路累加结果；同时将该9路累加结果保存在FPGA的内部双口RAM中。具体的存储为，在FPGA内设置两组双口RAM（每组包括9块深度为512的双口RAM单元），同时对两组双口RAM运用乒乓操作的读写方式操作。

步骤七、依次从FPGA内部的双口RAM中读出其内存储的各路累加结果，针对每一路累加结果，对其后端补零至2048点，然后将其同相累加值作为FFT变换的实部，将其正交累加值作为FFT变换的虚部，对9路信号分别完成FFT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，然后计算出FFT变换结果的平方和，共得到9×2048=18432个平方和，将上述得到的平方和送至步骤八进行峰值检测来实现对信号的捕获。

步骤八、捕获处理：通过比较9×2048=18432个平方和，选择其中的最大值与预设门限进行比较，这个过程实现了先猜后检中的检。利用出现相关值的一路必定是对比特翻转位置猜的最准，对捕获信噪比削弱最小的一路的事实。当最大值超过预设门限时，则认为捕获成功，即认为当前的复制码与输入中频信号伪码相关性满足捕获要求，且18432个平方和的峰值对应的FFT位置代表了载波多普勒捕获结果；如果最大值小于预设门限，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，然后返回步骤三。

由伪码相关特性可知在一个码片内均有相关峰，因此本地码片每次滑动的最大步长与最大多普勒造成的滑动之和应不大于1chip。因此，通过合理设计码片搜索的步长，可以使在大多普勒范围内码相位搜索能够尽快获得相关峰值。

本发明控制码片生成器滑动0.5个码片生成控制码是通过控制码片生成单元赋初始相位的时间实现的，例如本发明一个相干积分周期为2ms，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。根据控制t1的大小可达到控制滑动码片数的目的。

例如，已知最大的载波多普勒为±90kHz，地面站发射信号的载波频点与伪码速率的比例为684.1，相干积分周期为2ms时，在积分周期内多普勒造成的伪码相对滑动为±90000/684.1×2=±0.263（chip）。

在考虑多普勒影响情况下，为了保证捕获成功，每次实际滑动的量应该满足不大于1-0.263=0.737（chip）。

已知伪码速率为3.069Mcps，***的工作时钟为38.0MHz，每次实际滑动的复制码的步长应当满足不大于9.125（即0.737/3.069×38.0=9.125）个工作时钟周期。满足此条件下，能够满足伪码相关特性保证捕获具有峰值。当选择复制码的步长等于9时有最快的捕获时间性能。

已知伪码周期为1023，复制码滑动的步长选择9个工作时钟周期，当-90kHz、0Hz、+90kHz三种载波多普勒情况下，实际滑动的码相位为：

针对于-90kHz的情况：0.726-0.263=0.463

针对于0Hz的情况：0.726-0=0.726

针对于90kHz的情况：0.726+0.263=0.989

遍历所有1023个码片的最长时间是-90kHz载波多普勒的情况，此时最长遍历搜索时间等于(1023/0.463)×0.002=4.4秒

如果不考虑多普勒引起的相对滑动，仍使用常规的0.5chip/次的滑动步长。最长的遍历搜索时间时间为(1023/（0.5-0.263）)×0.002=8.6秒。

可见，使用本方法最长缩短了4.2秒的捕获时间。

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)

1.一种基于部分相关的微弱信号快速捕获方法，其特征在于，具体的步骤如下：

步骤一、生成8路数据序列，所述8路数据序列的比特周期为0.5ms，从第1路数据序列开始至第8路数据序列，其起始相位按照22.5°的步长递增；

步骤二、利用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；

步骤三、将所述8路数据序列分别与复制码进行异或运算，得到8路数据辅助复制码；

步骤四、利用数字正交下变频的方法对输入的中频信号进行处理，产生正弦、余弦两路信号，并将该正、余弦两路信号与所述中频信号相乘，分别得到同相、正交两路基带数据；

步骤五、令所述8路数据辅助复制码和所述复制码分别与同相、正交两路基带数据做相关累积运算，得到18路积分运算结果，其中设置积分周期为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，得到512个样点值；

步骤六、将同一数据辅助复制码对应的同相、正交两路基带数据的累积结果进行合并，得到8路累加结果，对复制码对应的同相、正交两路基带数据的累积结果进行合并，得到1路累加结果，总共得到9路累加结果；

步骤七、针对每一路累加结果，对其后端补零至2048点，然后将其同相累加值作为FFT变换的实部，将其正交累加值作为FFT变换的虚部，对9路信号分别进行FFT变换，然后计算出FFT变换结果的平方和，共得到9×2048=18432个平方和；

步骤八、通过比较9×2048=18432个平方和，选择其中的最大值与预设门限进行比较，当最大值超过预设门限时，则认为捕获成功，即认为当前的复制码与输入中频信号伪码相关性满足捕获要求，且18432个平方和的峰值对应的FFT位置代表了载波多普勒捕获结果，结束本方法；如果最大值小于预设门限，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。

Images