CN106842252A - 一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其步骤如下:步骤一：双通道联合主码捕获；步骤二：获得子码和导航电文的关系序列r_s[k]；步骤三：子码和导航电文的关系序列延迟相乘得到x_dif[k]；步骤四：本地序列延迟相乘得到y_dif[k]，并计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关峰；通过以上步骤，本发明实现了双通道相干联合捕获新体制信号的主码和子码，自动位同步的效果，解决了单通道捕获方法能量利用率低的问题,以及实现和具备了双通道捕获的子码相位检测功能。

Description

一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法

技术领域

本发明提供一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

子码捕获为利用北斗新体制信号定位重要处理步骤。它是接收机获得新体制信号子码粗相位值，以便进行子码跟踪的必要步骤。新体制北斗卫星导航信号具有数据导频双通道、分层码特性，在原有扩频码的基础上引入慢频率的子码，拓宽码周期，具有更优的抗窄带干扰能力和互相关性能，利用子码的相位信息可实现导航电文的自同步功能，无需单独的比特同步电路；采用数据导频双通道结构，导频通道相干积分时间不受导航电文的限制，可采用纯锁相环进行跟踪，比科斯塔斯环有更高的相位测量精度。新体制信号较传统信号而言，具有更优导航性能，同时，也对现有接收机提出了新的问题，如子码加快了符号跳变的速度，使相干积分时间进一步受限至单个主码周期，且捕获从二维搜索变为三维搜索，伪码相位的捕获包括主码、子码两个层次。沿用单通道的伪码捕获方法会造成一半的信号能量浪费，能量 利用率低。

发明内容

(一)发明的目的

本发明的目的是提供一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，它能够解决新体制北斗导航信号的子码捕获的问题，并能够实现自动位同步的功能，剥离分层码后能得到有效的导航电文数据。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其步骤如下:

步骤一：双通道联合主码捕获；

步骤二：获得子码和导航电文的关系序列r_s[k]；

步骤三：子码和导航电文的关系序列延迟相乘得到x_dif[k]；

步骤四：本地序列延迟相乘得到y_dif[k]，并计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关峰；

其中，在步骤一中所述的“双通道联合主码捕获”，其作法如下：

将中频信号采样序列分别与I路和Q路载波相乘，进行下变频；然后将下变频序列与Plus通道和Minus通道的本地序列进行相关，取Plus通道和Minus通道的相关峰值进行比较，得到较大的值作为 判决变量；判决变量大于预设捕获门限，表示主码相位和频偏捕获成功。

其中，在步骤二中所述的“获得子码和导航电文关系序列”，其作法如下：

若Plus通道的相关结果峰值比Minus大，则表示S_D″[k]＝S_P′[k]，记r_s[k]＝1，若Plus通道的相关结果峰值比Minus小，则表示S_D″[k]＝-S_P′[k]，记r_s[k]＝-1；即：

r_s[k]＝S_D″[k]S_P′[k]＝D[k]S_D′[k]S_P′[k]

其中，在步骤三中所述的“子码和导航电文的关系序列延迟相乘”，其作法如下：

将子码和导航电文关系序列r_s[k]延迟m个采样点，获得的延迟序列r_s[k-m]的共轭与r_s[k]相乘，得到去除导航电文影响的采样序列x_dif[k]。

所述的子码和导航电文的关系序列延迟相乘步骤，由于r_s[k]为实数序列，r_s[k-m]的共轭值与其本身相等，可得到x_dif[k]去除导航电文的效果：

r_{s_L}[k]＝S_D[k]S_P[k]

其中，D[k]为接收信号序列中的导航电文序列成分，S_D[k]、S_P[k]分别代表接收信号序列中的数据通道子码和导频通道子码成分。由于延 迟采样点m对应延迟时间较导航电文数据码宽度较小，因此，延迟相乘后的差分输入序列可近似认为对导航电文数据码D[k]进行了平方运算，D[k]D[k-m]≈1，从而消除了导航电文数据码的跳变影响。

其中，在步骤四中所述的“本地序列延迟相乘得到y_dif[k]，并计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关峰”，其作法如下：

将本地序列r_{s_L}[k]延迟m个采样点，获得的延迟序列r_{s_L}[k-m]与r_{s_L}[k]相乘，得到本地差分序列y_dif[k]。

y_dif[k]＝r_{s_L}[k]r_{s_L}[k-m]

采用并行码相位捕获算法计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关值，若相关峰值大于预设门限，即完成子码捕获过程。

通过以上步骤，本发明实现双通道相干联合捕获新体制信号的主码和子码，自动位同步的效果，解决了单通道捕获方法能量利用率低的问题，以及实现和具备了双通道捕获的子码相位检测功能。

(三)优点和功效

基于上述步骤，本发明的基于延迟相乘的相干联合捕获子码检测法可以达到以下目的：

一：实现双通道捕获的子码相位检测功能。

二：改进的相干联合捕获算法和子码检测法具有较高的能量利用率和较高的动态性能。

三：子码检测采用基于FFT的并行伪码检测算法，算法复杂度较 低。

四：算法适用于数据导频通道子码长度不同的情况。

总之，本发明能够解决导航下行信号接收中，双通道捕获的子码相位检测问题。该发明能量利用率和动态性能较高、算法复杂度较低，适用于数据导频通道子码长度不同的情况，对实际导航信号的捕获接收具有良好的性能。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图。

图2是双通道相干联合主码捕获的***框图。

图3为延迟相乘的相干联合捕获子码检测法的***框图。

图4是应用本发明得到的子码关系差分序列的相关峰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码检测法进行更进一步的介绍。

如图1所示，本发明一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其具体实施步骤如下：

第一步：双通道相干联合主码捕获；

双通道相干联合主码捕获方法***框图如图2所示，将中频信号 采样序列r_IF[n]分别与I路和Q路载波相乘，得到下变频序列i[n]+jq[n]；然后将下变频序列与Plus通道和Minus通道的本地信号进行相关，取Plus通道和Minus通道的相关峰值进行比较，得到较大的值作为判决变量；判决变量大于预设捕获门限，表示主码相位和频偏捕获成功。

接收机前端经过射频信号调整、下变频混频、中频信号滤波放大及数模转换后，忽略量化误差得到的中频信号采样序列为：

其中，

F_IF＝f_IF+f_d

E_D′[n]＝D′[n]S_D′[n]C_D′[n]

＝S_D″[n]S_D′[n]

E_P′[n]＝S_P′[n]C_P′[n]

f_IF为接收机的中频频率，D_i′[n]、S_D,i′[n]、C_D,i′[n]、S_P,i′[n]、C_P,i′[n]分别为经过数字前端滤波的导航电文数据码，数据通道子码，数据通道主码，导频通道子码，导频通道主码采样序列，η_IF[n]为经过下变频和滤波的中频噪声分量。

r_IF[n]与I路和Q路载波相乘，得到的下变频序列：

计算i[n]+jq[n]与Plus和Minus通道的相关结果分别为R₊(F₀,Δτ)和R_-(F₀,Δτ)：

其中，R_D(·)为数据通道主码的自相关函数，R_P(·)为导频通道主码 的自相关函数。由于一个主码周期子码码片值不变，子码采用k作为计时时序，间隔为一个主码周期，T_coh为相干积分时间。η_I和η_Q是η_IF相干积分处理后的高斯随机变量，方差相等，且相互独立，由于一共有T_cohf_s个采样点，归一化后有：

由于数据通道和导频通道主码具有相同的码速率和伪码长度，因此可近似认为R_D(Δτ)≈R_P(Δτ)＝R(Δτ)，对两个通道的相关结果取模方，去除载波相位差影响，得到：

取Plus通道和Minus通道的峰值进行比较，得到较大的值作为判决变量S(F₀,Δτ)，即：

S(F₀,Δτ)＝max{S₊(F₀,Δτ),S_-(F₀,Δτ)}

当S(F₀,Δτ)大于预设的捕获门限时，表示主码相位和频偏已经捕获成功。

第二步：获得子码和导航电文的关系序列r_s[k]；

根据第一步的得到的Plus和Minus通道的相关结果，

可知若Plus通道的相关结果峰值比Minus大，则表示S_D″[k]＝S_P'[k]，记r_s[k]＝1，

若Plus通道的相关结果峰值比Minus小，则表示S_D″[k]＝-S_P'[k]，记r_s[k]＝-1。即：

r_s[k]＝S_D″[k]S_P′[k]＝D[k]S_D′[k]S_P′[k]

得到的r_s[k]即为子码和导航电文的关系序列。

第三步：r_s[k]延迟相乘得到x_dif[k]；

将子码和导航电文关系序列r_s[k]延迟m个采样点，获得的延迟序列r_s[k-m]的共轭与r_s[k]相乘，由于r_s[k]为实数序列，r_s[k-m]的共轭值与其本身相同，即：

r_{s_L}[k]＝S_D[k]S_P[k]

其中，D[k]为接收信号序列中的导航电文序列成分，S_D[k]、S_P[k]分别代表接收信号序列中的数据通道子码和导频通道子码成分。由于延迟采样点m对应延迟时间较导航电文数据码宽度较小，因此，延迟相乘后的差分输入序列可近似认为对导航电文数据码D[k]进行了平方运算，D[k]D[k-m]≈1，从而消除了导航电文数据码的跳变影响。

第四步：本地序列延迟相乘得到y_dif[k]，并计算延迟；

将本地序列r_{s_L}[k]延迟m个采样点，获得的延迟序列r_{s_L}[k-m]与r_{s_L}[k]相乘，得到本地差分序列y_dif[k]：

y_dif[k]＝r_{s_L}[k]r_{s_L}[k-m]

延迟相乘子码信号捕获的***框图如图3所示，本发明采用并行码相位搜索的捕获方法。具体实施过程如下：对x_dif[k]进行FFT，并与y_dif[k]的FFT的共轭相乘，对得到的乘积进行IFFT，即可得到在同一多普勒频移的条件下，2046次码相位搜索得到的相关值。即

其中R(n)为第n次码相位搜索计算得到的相关值。

将相关峰与预设门限进行比较，若大于门限值，即完成了子码捕获。

为验证本专利提出算法的有效性、合理性、可行性及科学性，利用本方法捕获新体制信号的主码和子码。图4(a)和图4(b)是应用本发明的延迟相乘子码信号的自相关峰和互相关峰。试验中各参数设置如下：采样频率f_s＝20MHz，码速率f_c＝5.115MHz，B_IF＝f_s/2＝10MHz，中频频率f_IF＝10MHz，主码长为5115，子码长为100，载噪比为35dB/Hz，相干积分时间为1ms，频率搜索间隔500Hz，多普勒频偏范围为-10～10kHz。

由试验结果可以看出，本文算法可以有效捕获导航信号的子码；由图4(a)和图4(b)可以看出，延迟子码的自相关峰明显高于本地信号与噪声的相关值，且延迟信号的互相关值远低于自相关值，即能够利用设置门限的方法实现子码捕获功能。

Claims (5)

1.一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其特征在于：其步骤如下:

步骤一：双通道联合主码捕获；

步骤二：获得子码和导航电文的关系序列r_s[k]；

步骤三：子码和导航电文的关系序列延迟相乘得到x_dif[k]；

步骤四：本地序列延迟相乘得到y_dif[k]，并计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关峰；

通过以上步骤，实现了双通道相干联合捕获新体制信号的主码和子码，自动位同步的效果，解决了单通道捕获方法能量利用率低的问题,以及实现和具备了双通道捕获的子码相位检测功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其特征在于：在步骤一中所述的“双通道联合主码捕获”，其作法如下：

将中频信号采样序列分别与I路和Q路载波相乘，进行下变频；然后将下变频序列与Plus通道和Minus通道的本地序列进行相关，取Plus通道和Minus通道的相关峰值进行比较，得到大的值作为判决变量；判决变量大于预设捕获门限，表示主码相位和频偏捕获成功。

3.根据权利要求1所述的一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其特征在于：在步骤二中所述的“获得子码和导航电文关系序列”，其作法如下：

若Plus通道的相关结果峰值比Minus大，则表示S_D″[k]＝S_P′[k]，记r_s[k]＝1，若Plus通道的相关结果峰值比Minus小，则表示S_D″[k]＝-S_P′[k]，记r_s[k]＝-1；

即：

r_s[k]＝S_D″[k]S_P′[k]＝D[k]S_D′[k]S_P′[k]。

4.根据权利要求1所述的一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其特征在于：在步骤三中所述的“子码和导航电文的关系序列延迟相乘”，其作法如下：

将子码和导航电文关系序列r_s[k]延迟m个采样点，获得的延迟序列r_s[k-m]的共轭与r_s[k]相乘，得到去除导航电文影响的采样序列x_dif[k]；

所述的子码和导航电文的关系序列延迟相乘步骤，由于r_s[k]为实数序列，r_s[k-m]的共轭值与其本身相等，得到x_dif[k]去除导航电文的效果：

$\begin{array}{c}{x}_{dif}\[k\]=r_s\[k\]\stackrel{\‾}{r_s\[k-m\]}\\ =r_s\[k\]r_s\[k-m\]\\ =D\[k\]D\[k-m\]r_{s\_L}\[k\]r_{s\_L}\[k-m\]\end{array}$

r_{s_L}[k]＝S_D[k]S_P[k]

其中，D[k]为接收信号序列中的导航电文序列成分，S_D[k]、S_P[k]分别代表接收信号序列中的数据通道子码和导频通道子码成分；由于延迟采样点m对应延迟时间较导航电文数据码宽度要小，因此，延迟相乘后的差分输入序列近似认为对导航电文数据码D[k]进行了平方运算，D[k]D[k-m]≈1，从而消除了导航电文数据码的跳变影响。

5.根据权利要求1所述的一种基于延迟相乘的相干联合捕获子码的检测方法，其特征在于：在步骤四中所述的“本地序列延迟相乘得到y_dif[k]，并计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关峰”，其作法如下：

将本地序列r_{s_L}[k]延迟m个采样点，获得的延迟序列r_{s_L}[k-m]与r_{s_L}[k]相乘，得到本地差分序列y_dif[k]；

y_dif[k]＝r_{s_L}[k]r_{s_L}[k-m]

采用并行码相位捕获算法计算x_dif[k]与y_dif[k]的相关值，若相关峰值大于预设门限，即完成子码捕获过程。