CN105049081A - 一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法。该方法包括：利用模数转换器对扩频信号进行采样，接着通过数字下变频器来获得复数基带信号；接着在第一驻留阶段，利用码相位压缩与快速傅里叶变换实现时频二维搜索，确定大致的伪码相位压缩区间和频偏估计值；在第二驻留阶段，利用传统相干累积算法对码相位压缩相位区间内的各个码相位进行逐个搜索。本发明的特点在于：在时域上使用码相位压缩相关器进行大区间搜索，在频域上利用快速傅里叶变换并行搜索，能够快速捕获大动态扩频信号；同时该方法复杂度较低，可节约大量硬件资源。

Description

一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法

技术领域

本发明涉及无线电通信与导航***中一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法。

背景技术

在直接序列扩频***里，伪码捕获在建立良好通信链路中起着非常重要的作用。高动态环境下，扩频接收机与发射机存在较大的相对运动速度，而且考虑到抗干扰、抗截获等因素常常使用较长的扩频码，因此对于接收机来说，在捕获阶段所要搜索的码相位和多普勒频偏范围很大，按照传统串行捕获方法进行捕获时所需要的捕获时间很长，不能满足高动态环境下快速捕获的要求。

目前，高动态情况下扩频信号快速捕获方法主要有三类：(1)用快速傅里叶变换/快速傅里叶反变换实现伪码相位捕获，将码相位的串行搜索变为并行搜索，但多普勒频移和符号翻转对其捕获性能影响很大，而且该捕获算法在对长码进行捕获时需要较长的傅里叶变换资源。(2)用快速傅里叶变换进行多普勒频偏捕获，将多个部分匹配滤波器和快速傅里叶变换相结合，捕获速度很快，但随着伪码周期的变长和对信号的过采样，将消耗大量的硬件资源。(3)二维压缩相关捕获方法，该捕获算法是针对大频偏、长码情况下的扩频***的快速捕获，码相位和多普勒频偏的压缩搜索是在单位驻留时间内完成的，该方法比传统方法节约了至少一半的时间。但该捕获算法在频率压缩过程中加大了对硬件资源的需求，而且单次驻留捕获带宽受频率压缩通道数限制。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于码相位压缩与快速傅里叶变换的高动态长码扩频信号快速捕获方法。其特点在于：(1)在时域上使用码相位压缩相关器进行大区间搜索，在频域上利用快速傅里叶变换并行搜索，与二维压缩相关捕获方法相比，本方法能够进一步减少捕获时间；(2)通过合理选择码相位压缩相关器长度，可完成大多普勒频偏的高动态信号捕获；(3)与基于匹配滤波器或者快速傅里叶变换/快速傅里叶反变换的伪码捕获方法相比，在长伪码周期的情况下，本发明方法复杂度较低，可节约大量硬件资源。

本发明的目的通过以下技术方案实现的：

一种基于码相位压缩与快速傅里叶变换的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，包括：

A、利用模数转换器对接收机收到的扩频信号进行采样，接着利用数字下变频器来获得复数基带信号；

B、利用码相位压缩与快速傅里叶变换实现时频二维搜索，确定大致的伪码相位区间和频偏区间，记为第一驻留阶段；

C、利用传统的相干累积算法对第一驻留阶段获得的最佳压缩码相位区间内的相位点进行逐个搜索，记为第二驻留阶段。

所述步骤A进一步包括：

A1、设置数模转换器的采样频率为f_s，其值是伪码速率的S倍；

A2、接收机收到的扩频频信号经过模数转换器采样和数字下变频后得到复数基带信号。

所述步骤B进一步包括：

B1、设码相位压缩系数为K，将K路连续相位的本地伪码形成的码压缩序列与复数基带信号进行码相位压缩相关，对码相位区间进行快速、粗略的搜索；

B2、对码相位压缩相关器的输出进行快速傅里叶变换，实现对多普勒频偏的并行捕获。

所述步骤B1进一步包括：

B11、把连续K个码相位定义为一个码相位压缩区间，设整个伪码长度可以划分成L个码相位压缩区间。设某个码相位压缩区间为[τ+iK,τ+iK+K-1]，其中i＝0,1,2,3,…L-1，即i表示该码相位压缩区间的分段序号，τ+iK表示该码相位压缩区间的起始相位，c(τ+iK)表示相位为τ+iK的伪码序列。则通过对该码相位压缩区间内的双极性本地伪码进行求和，得码压缩序列

$C_c\left(i\right)=\underset{m=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}c(\mathrm{\τ}+m)=c(\mathrm{\τ}+\mathrm{iK})+c(\mathrm{\τ}+\mathrm{iK}+1)+\·\·\·\·\·\·+c(\mathrm{\τ}+(i+1)K-1);$

B12、设置码相位压缩相关器的积分时间所对应的码片个数M，相应的采样点数SM；

B13、设本地伪码的分段序号为i＝0，将得到的码压缩序列与复数基带信号进行压缩相关积分，获得压缩相关值。

所述步骤B2进一步包括：

B21、设置第一驻留阶段的门限值为T₁；

B22、取连续P次的压缩相关值，利用P阶延迟线对压缩相关值进行延迟；

B23、对P阶延迟线的每个输出进行N(N＞P)点的快速傅里叶变换；

B24、确定N点快速傅里叶变换输出值的模值的最大值和其所对应的通道号K_max；

B25、若输出值的模值的最大值小于预先设置好的门限值T₁，则取i＝i+1，设置下一压缩码相位区间[τ+iK,τ+iK+K-1]，然后重复第一驻留阶段的搜索步骤，直至输出值的模值的最大值大于第一驻留阶段的门限值；

B26、若输出值的模值的最大值大于预先设置好的门限值T₁，则可确定最佳压缩码相位区间[τ₀,τ₀+K-1]，以及最佳压缩码区间的起始相位τ₀，并可利用输出值的模值的最大值对应的通道号估计出多普勒频偏的近似值为K_maxf_s/(NSM)，并将该多普勒频偏对应的频率反馈到数字下变频器，暂停第一驻留阶段码相位的搜索，进入第二驻留阶段。

所述步骤C进一步包括：

C1、设置第二驻留阶段的门限值为T₂；

C2、在本地伪码的最佳压缩码相位区间[τ₀,τ₀+K-1]内，首先使用码相位为最佳压缩码相位τ₀的本地伪码序列与复数基带信号进行相关积分；

C3、得相关积分的相关值；

C4、若相关积分的相关值小于预先设置好的门限值T₂，则对最佳压缩码相位区间内的下一个码相位进行验证，直到整个最佳压缩码相位区间搜索完毕；

C5、若相关值大于门限值T₂，则认为捕获成功。

从上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明在时域上使用码压缩相关器，在频域上利用快速傅里叶变换进行并行捕获，进一步缩短了捕获时间；而且通过合理选择码相位的压缩相关长度，可实现对大多普勒频偏的捕获；同时该发明在硬件实现上相对简单灵活，可以节约大量硬件资源。

附图说明

图1为本发明的***框图

图2为本发明的处理流程图

图3为本发明的第一驻留模块示意图

具体实施方式

本发明提供了一种高动态环境下长码扩频信号快速捕获方法。本发明的核心为：设本地伪码的起始相位为τ_，把连续K个码相位定义为一个码相位压缩区间，将以τ为起始相位的码相位压缩区间内的双极性本地伪码进行求和，得码压缩序列。接收机收到的扩频信号经过模数转换器采样和数字下变频后得到复数基带信号，然后将该复数基带信号与码压缩序列进行压缩相关积分，获得压缩相关值。接着对压缩相关值用P阶延迟线延迟，并进行N(N≥P)点复数快速傅里叶变换，然后选择快速傅里叶变换输出值的模值的最大值与门限值进行比较，若小于门限值，就搜索下一压缩码相位区间，然后重复第一驻留阶段的搜索步骤，直至输出值的模值的最大值大于第一驻留阶段的门限值；若大于门限值，就完成了码相位的粗略压缩捕获，获得了最佳压缩码相位区间，进入第二驻留阶段，完成对最佳压缩码相位区间内的码相位逐个验证。

本发明所述基于码相位压缩相关器与快速傅里叶变换的长码扩频信号快速捕获方法的***框图如图1所示，其中包括模数转换器、数字下变频器、伪码和多普勒频偏双驻留捕获模块：

模数转换器和数字下变频器：将接收机收到的扩频信号通过模数转换和数字下变频处理，从而得到复数基带信号。

伪码和多普勒频偏双驻留捕获模块：用于完成基于码相位压缩相关器与快速傅里叶变换相结合的快速捕获，分为两个驻留阶段：(1)在第一驻留阶段，把连续K个码相位定义为一个码相位压缩区间，将码相位压缩区间内的双极性本地伪码进行求和，得码压缩序列。然后将该码压缩序列与复数基带信号进行相关积分，得到压缩相关值。接着利用P阶延迟线对压缩相关值进行延迟，并对P阶延迟线的输出进行N(N≥P)点复数快速傅里叶变换，然后选择快速傅里叶变换输出值的模值的最大值与门限值进行比较，若小于门限值，就搜索下一压缩码相位区间，然后重复第一驻留阶段的搜索步骤，直至输出值的模值的最大值大于第一驻留阶段的门限值；若大于门限值，就暂停第一驻留阶段的码相位搜索，得到了最佳压缩码相位区间和多普勒频偏的近似值，并将多普勒频偏对应的频率反馈到数字下变频器，进入第二驻留阶段；(2)在第二驻留阶段，运用传统相干累积算法对码相位在第一驻留阶段捕获的最佳压缩码相位区间内的相位点进行逐个搜索，实现伪码的最终捕获。

本发明的处理流程图如图2所示，包括如下步骤：

步骤201：对接收机收到的扩频信号进行采样。

步骤202：对经过采样过的扩频信号再进行数字下变频处理，得到复数基带的信号。

步骤203：设码相位压缩系数为K，初始本地伪码的压缩码相位区间和本地伪码初始相位。

步骤204：以本地伪码初始相位作为压缩码相位区间内的初始相位产生K路依次延迟一个码相位的双极性本地伪码序列。

步骤205：对K路依次延迟一个码相位的双极性本地伪码序列求和，获得码压缩序列。

步骤206：将码压缩序列与复数基带信号进行码压缩相关积分，得到压缩相关值。

步骤207：对压缩相关值利用P阶延迟线进行延迟。

步骤208：对P阶延迟线的输出进行N(N≥P)点快速傅里叶变换。

步骤209：将N点快速傅里叶变换输出值的模值的最大值与第一门限值T₁比较。

步骤210：若输出最大值小于第一门限值，则继续搜索下一压缩码相位区间，并返回到步骤205。

步骤211：若输出最大值大于第一门限值，则可估计出多普勒频偏的近似值，并将该多普勒频偏对应频率反馈到数字下变频器。

步骤212：确定最佳压缩码相位区间，并首先选取该区间内的第一个相位点的本地伪码。

步骤213：对处于该相位点的本地伪码进行传统相干累积。

步骤214：将传统相干累积输出值的模值的最大值与第二门限值T₂比较。

步骤215：若输出值的模值的最大值小于第二门限值，则搜索处于最佳压缩码相位区间内的下一个相位点的本地伪码，并返回到步骤213。

步骤216：若输出值的模值的最大值大于第一门限值，则表明完成伪码的最终捕获。

本发明所述基于码相位压缩相关器与快速傅里叶变换的长码扩频信号快速捕获方法的第一驻留模块示意图如图3所示，其中包括：

把连续K个码相位定义为一个码相位压缩区间，设整个伪码长度可以划分成L个码相位压缩区间。设某个码相位压缩区间为[τ+iK,τ+iK+K-1]，其中i＝0,1,2,3,…L-1，即i表示该码相位压缩区间的分段序号，τ+iK表示该码相位压缩区间的起始相位，c(τ+iK)表示初始相位为τ+iK的伪码序列。则通过对该码相位压缩区间内的双极性本地伪码进行求和，得码压缩序列

$C_c\left(i\right)=\underset{m=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}c(\mathrm{\τ}+m)=c(\mathrm{\τ}+\mathrm{iK})+c(\mathrm{\τ}+\mathrm{iK}+1)+\·\·\·\·\·\·+c(\mathrm{\τ}+(i+1)K-1);$

然后将码压缩序列与复数基带信号进行码压缩相关积分，同时利用P分频器将整个伪码周期的压缩相关分为多次的短时压缩相关。接着利用P阶延迟线对压缩相关值进行延迟，并对P阶延迟线的输出进行N(N≥P)点复数快速傅里叶变换，然后选择快速傅里叶变换输出值的模值的最大值与门限值进行比较，若小于门限值，就搜索下一压缩码相位区间，然后重复第一驻留阶段的搜索步骤，直至输出值的模值的最大值大于第一驻留阶段的门限值；若大于门限值，就暂停第一驻留阶段的码相位搜索，确定最佳压缩码相位区间，并计算出多普勒频偏估计值约K_maxf_s/(NSM)，将多普勒频偏对应的频率反馈到数字下变频器中，同时进入第二驻留阶段。

综上所述，本发明提供了一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，包括：

A、利用模数转换器对接收机收到的扩频信号进行采样，接着利用数字下变频器来获得复数基带信号；

B、利用码相位压缩与快速傅里叶变换实现时频二维搜索，确定大致的伪码相位区间和频偏区间，记为第一驻留阶段；

C、利用传统的相干累积算法对第一驻留阶段获得的最佳压缩码相位区间内的相位点进行逐个搜索，记为第二驻留阶段。

2.根据权利要求1所述的一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

A1、设置数模转换器的采样频率为f_s，其值是伪码速率的S倍；

A2、接收机收到的扩频频信号经过模数转换器采样和数字下变频后得到复数基带信号。

3.根据权利要求1所述的一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，所述步骤B进一步包括：

B1、设码相位压缩系数为K，将K路连续相位的本地伪码形成的码压缩序列与复数基带信号进行码相位压缩相关，对码相位区间进行快速、粗略的搜索；

B2、对码相位压缩相关器的输出进行快速傅里叶变换，实现对多普勒频偏的并行捕获。

4.根据权利要求3所述的一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，所述步骤B1进一步包括：

B11、把连续K个码相位定义为一个码相位压缩区间，设整个伪码长度可以划分成L个码相位压缩区间。设某个码相位压缩区间为[τ+iK,τ+iK+K-1]，其中i＝0,1,2,3,…L-1，即i表示该码相位压缩区间的分段序号，τ+iK表示该码相位压缩区间的起始相位，c(τ+iK)表示相位为τ+iK的伪码序列。则通过对该码相位压缩区间内的双极性本地伪码进行求和，得码压缩序列

$C_c\left(i\right)=\underset{m=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}c(\mathrm{\τ}+m)=c(\mathrm{\τ}+\mathrm{iK})+c(\mathrm{\τ}+\mathrm{iK}+1)+\·\·\·\·\·\·+c(\mathrm{\τ}+(i+1)K-1);$

B12、设置码相位压缩相关器的积分时间所对应的码片个数M，相应的采样点数SM；

B13、设本地伪码的分段序号为i＝0，将得到的码压缩序列与复数基带信号进行压缩相关积分，获得压缩相关值。

5.根据权利要求3所述的一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，所述步骤B2进一步包括：

B21、设置第一驻留阶段的门限值为T₁；

B22、取连续P次的压缩相关值，利用P阶延迟线对压缩相关值进行延迟；

B23、对P阶延迟线的每个输出进行N(N＞P)点的快速傅里叶变换；

B24、确定N点快速傅里叶变换输出值的模值的最大值和其所对应的通道号K_max；

B25、若输出值的模值的最大值小于预先设置好的门限值T₁，则取i＝i+1，设置下一压缩码相位区间[τ+iK,τ+iK+K-1]，然后重复第一驻留阶段的搜索步骤，直至输出值的模值的最大值大于第一驻留阶段的门限值；

B26、若输出值的模值的最大值大于预先设置好的门限值T₁，则可确定最佳压缩码相位区间[τ₀,τ₀+K-1]，以及最佳压缩码区间的起始相位τ₀，并可利用输出值的模值的最大值对应的通道号估计出多普勒频偏的近似值为K_maxf_s/(NSM)，并将该多普勒频偏对应的频率反馈到数字下变频器，暂停第一驻留阶段码相位的搜索，进入第二驻留阶段。

6.根据权利要求1所述的一种适应高动态环境的长码扩频信号快速捕获方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括：

C1、设置第二驻留阶段的门限值为T₂；

C2、在本地伪码的最佳压缩码相位区间[τ₀,τ₀+K-1]内，首先使用码相位为最佳压缩码相位τ₀的本地伪码序列与复数基带信号进行相关积分；

C3、得相关积分的相关值；

C4、若相关积分的相关值小于预先设置好的门限值T₂，则对最佳压缩码相位区间内的下一个码相位进行验证，直到整个最佳压缩码相位区间搜索完毕；

C5、若相关值大于门限值T₂，则认为捕获成功。