CN115499036A - 宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质，其方法包括射频输入信号经射频前端、ADC采样、编码后得到高速数字基带编码信号，然后通过本地解码解串、串并变换得到低速原始扩位信号，并产生低速同步随路时钟信号；将具有固定相位偏移的输出载波信号与第一步骤产生的低速原始扩位信号相乘，剥离原始信号中的载波多普勒；将具有固定相位偏移的输出伪码信号与第二步骤产生的信号进行部分匹配滤波与相干积分，并对相干积分结果进行FFT运算；对第三步骤的FFT结果进行峰值侦测。若找到正确的相关峰，则计算对应的载波多普勒与码相位；若没有找到相关峰，则切换载波多普勒频点，继续进行搜索。本发明实现简单，捕获结果准确。

Description

宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种宽带扩频信号并行捕获方法。
背景技术
扩频信号以其隐蔽性好、抗干扰性强的特点，在各类通信、导航、数据链传输体制中得到广泛应用。常用扩频信号（如北斗、GPS）伪码速率不超过10.23Mcps，伪码长度不超过1023，扩频增益较低、信号带宽较窄，抗干扰和保密能力有限。随着飞行器通信频段由传统的L、S频段向更高的Ku、Ka频段迈进，用户信道资源日趋丰富，带宽达数百兆赫兹的宽带扩频体制逐步得到应用，宽带扩频信号频谱更隐蔽保密性更高，抗干扰能力更强，具有良好的应用前景。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程数字器件，它的基本结构包括可编程输入输出单元、可配置逻辑块、数字时钟管理模块、嵌入式块RAM、布线资源、内嵌专用硬核、底层内嵌功能单元。由于FPGA具有布线资源丰富，可重复编程和集成度高，投资较低的特点，使其在软件无线电、数字图像处理、数据中心、人工智能加速等领域有着广泛的应用。
发明内容
本发明提出的一种宽带扩频信号并行捕获方法，可至少解决上述问题之一。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种宽带扩频信号并行捕获方法，包括以下步骤，
步骤一、射频输入信号
Figure 463280DEST_PATH_IMAGE001
经过零中频、抗混叠滤波、ADC采样、编码处理，变成两 路相互正交的高速数字基带编码信号，分别是I支路信号
Figure 260334DEST_PATH_IMAGE002
和Q支路信号
Figure 806853DEST_PATH_IMAGE003
，其中k 表示第k个时钟周期，高速数字基带编码信号分别经过本地解码解串、串并转换处理之后， 变成低速的原始扩位信号
Figure 980346DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 991027DEST_PATH_IMAGE005
，同时产生低速同步随路时钟信号；
步骤二、第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地载波多普勒发生 器，每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 148863DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 244995DEST_PATH_IMAGE007
具有固定的相位偏移
Figure 691020DEST_PATH_IMAGE008
， 其中i表示第i个载波多普勒发生器，j表示第j个时钟周期，并在状态机的控制下对载波多 普勒频点进行分段搜索；每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 759470DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 898328DEST_PATH_IMAGE007
与 第一步骤产生的低速的原始扩位信号
Figure 481756DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 731472DEST_PATH_IMAGE010
进行相乘，得到相乘后的信号
Figure 903696DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 213454DEST_PATH_IMAGE012
，用于剥离原始信号中大的载波多普勒；
步骤三、第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地伪码发生器；每个 伪码发生器输出的本地伪码信号
Figure 284179DEST_PATH_IMAGE013
具有固定的相位偏移
Figure 337585DEST_PATH_IMAGE014
，其中i表示第i个伪码发 生器，k表示第k个时钟周期，并在状态机的控制下对本地伪码多普勒频点进行调节；每个伪 码发生器输出的本地伪码信号
Figure 115048DEST_PATH_IMAGE013
与第二步骤产生的信号
Figure 595708DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 888149DEST_PATH_IMAGE012
进 行部分匹配滤波与相干积分，并对相干积分结果进行FFT运算；
步骤四、对第三步骤FFT结果中出现相关峰峰值的信号分段处进行噪底统计，如果相关峰比统计噪声大于门限值Threshold，则认为找到正确的相关峰，这时计算找到的相关峰对应的载波多普勒与码相位，向后输出传递给跟踪电路；如果没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，继续进行搜索。
进一步的，所述步骤一具体包括以下步骤，
S11、原始射频输入信号
Figure 745247DEST_PATH_IMAGE015
，经过零中频、抗混叠滤波、ADC采样、编码处理，变成 两路相互正交的高速数字基带编码信号，分别是I支路信号
Figure 626484DEST_PATH_IMAGE016
和Q支路信号
Figure 278045DEST_PATH_IMAGE017
，信 号
Figure 323362DEST_PATH_IMAGE016
和信号
Figure 656254DEST_PATH_IMAGE017
的码率相等，都是
Figure 205047DEST_PATH_IMAGE018
；
S12、高速数字基带编码信号
Figure 293089DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 747073DEST_PATH_IMAGE017
分别经过本地解码解串、串并转换处 理之后，变成低速的原始扩位信号
Figure 680394DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 349272DEST_PATH_IMAGE020
，同时产生低速同步随路时钟信号，该 低速同步随路时钟信号的频率是
Figure 545899DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 34649DEST_PATH_IMAGE021
的大小与高速采样时钟
Figure 37240DEST_PATH_IMAGE022
和串并比N有关，关系为
Figure 560625DEST_PATH_IMAGE023
；
其中，
Figure 903052DEST_PATH_IMAGE024
Figure 144677DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 685380DEST_PATH_IMAGE026
是输入的原始射频信号，
Figure 955DEST_PATH_IMAGE027
是经零中频处理之后的多普勒频率，高速数 字基带编码信号的采样时钟频率为
Figure 601700DEST_PATH_IMAGE022
；
则
Figure 65043DEST_PATH_IMAGE028
Figure 596387DEST_PATH_IMAGE029
。
Figure 94365DEST_PATH_IMAGE019
是高速数字基带编码信号
Figure 600432DEST_PATH_IMAGE016
进行低速抽取后的取样向量，
Figure 754333DEST_PATH_IMAGE020
是 高速数字基带编码信号
Figure 636838DEST_PATH_IMAGE017
进行低速抽取后的取样向量，这里大括号“{}”表示取样后的 向量区间，{}里面表示向量元素。
进一步的，所述步骤二具体包括，
S21、用S12步骤中产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地载波多普勒发生 器，每个载波多普勒发生器输出的载波信号为彼此之间具有固定的相位偏移
Figure 989322DEST_PATH_IMAGE030
的正交信 号
Figure 853242DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 291177DEST_PATH_IMAGE032
；
即将第i个载波多普勒发生器在第j个时钟周期的载波幅值记为
Figure 977373DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 184363DEST_PATH_IMAGE032
，i=1,2,…,N，则有：
Figure 235496DEST_PATH_IMAGE033
Figure 160727DEST_PATH_IMAGE034
S22、每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 385035DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 899061DEST_PATH_IMAGE032
与S12中产生的 低速的原始扩位信号
Figure 183412DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 330360DEST_PATH_IMAGE020
进行相乘，用于剥离原始信号中大的载波多普勒， 相乘后的信号是
Figure 296042DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 477624DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 932876DEST_PATH_IMAGE037
Figure 832699DEST_PATH_IMAGE038
Figure 588690DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 624779DEST_PATH_IMAGE036
即剥离了原始信号中大的载波多普勒。
进一步的，所述步骤三具体包括，
S31、用S12步骤中产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地伪码发生器，每个 伪码发生器输出的本地伪码信号
Figure 250933DEST_PATH_IMAGE039
具有固定的相位偏移
Figure 372473DEST_PATH_IMAGE040
；
S32、利用FPGA的片上分布式RAM，开辟
Figure 679957DEST_PATH_IMAGE041
块缓存区，从每块缓存区的起始地址开始， 存入一个伪码发生器输出的本地伪码信号
Figure 836132DEST_PATH_IMAGE039
，同时将S22中相乘后的信号
Figure 633187DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 242023DEST_PATH_IMAGE036
，依次轮流写入
Figure 336886DEST_PATH_IMAGE041
块缓存区；
S33、从缓存区中读出的
Figure 347568DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 315524DEST_PATH_IMAGE036
送入I支路的分块并行相关器和Q 支路的分块并行相关器中进行相干积分，对相干积分结果进行FFT处理，FFT结果送入峰值 侦测电路，进行相关峰的检测。
进一步的，所述步骤四、对第三步骤FFT结果中出现相关峰峰值的信号分段处进行噪底统计，如果相关峰比统计噪声大于门限值Threshold，则认为找到正确的相关峰，这时计算找到的相关峰对应的载波多普勒与码相位，向后输出传递给跟踪电路；如果没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，继续进行搜索，具体包括，
S41、对S33步骤中FFT运算结果的幅值平方进行缓存，缓存的数据计为
Figure 349339DEST_PATH_IMAGE042
， 统计一段时间内
Figure 60943DEST_PATH_IMAGE042
的极大值max_point，同时计算噪声估计值Noise，若
Figure 191710DEST_PATH_IMAGE043
Noise×Threshold，其中Threshold表示门限值，则认为max_point出现的 位置确实是相关峰位置；
S42、如果在S41步骤中找到相关峰，根据S41步骤中FFT运算次数推出相关峰所在位置的码相位，根据FFT结果中最大谱峰的位置推出多普勒频移值，之后把码相位和多普勒频移值传递给跟踪电路；
S43、如果在S41步骤中没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，回到S21步骤，继续进行搜索，直到把所有多普勒区间搜索完毕。
另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述方法的步骤。
由上述技术方案可知，同窄带扩频信号相比，宽带扩频信号带宽更宽，AD采样速率要求高达数百兆赫兹，超出大多数后端器件直接处理能力。目前主流的扩频快捕算法均针对10Mbps以下的窄带扩频信号，而对于宽带扩频信号尚未发现有效的捕获方法。为解决此问题，本发明提出了一种宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质，在不降低前端采样率的情况下，使得后端处理器件在可承受的时钟频率下实现宽带扩频信号的快速捕获。
本发明步骤如下：步骤一：射频输入信号经射频前端、ADC采样、编码后得到高速数字基带编码信号，然后通过本地解码解串、串并变换得到低速原始扩位信号，并产生低速同步随路时钟信号；步骤二：第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地载波多普勒发生器。将具有固定相位偏移的输出载波信号与第一步骤产生的低速原始扩位信号相乘，剥离原始信号中的载波多普勒；步骤三：第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地伪码发生器。将具有固定相位偏移的输出伪码信号与第二步骤产生的信号进行部分匹配滤波与相干积分，并对相干积分结果进行FFT运算；步骤四：对第三步骤的FFT结果进行峰值侦测。若找到正确的相关峰，则计算对应的载波多普勒与码相位；若没有找到相关峰，则切换载波多普勒频点，继续进行搜索。本发明装置由前端射频处理电路、模拟中频处理电路、数字编码电路、基带处理电路组成。本发明利用了“空间置换时间”的原理与部分匹配滤波原理完成对宽带扩频信号的捕获。首选对两路相互正交的高速数字基带编码信号进行本地解码解串、串并转换处理，将其转换为低速的原始扩位信号，同时产生低速同步随路时钟信号；然后用低速同步随路时钟信号驱动多个有固定相差的本地载波多普勒发生器和多个本地伪码发生器，将高速的本地载波与伪码信号在空间（电路面积）上“展宽”；之后将扩位信号与多个本地载波相乘，用于剥离较大的多普勒，相乘结果与本地伪码信号送入部分匹配滤波器进行相干积分处理；最后对相干积分处理的结果进行FFT运算，对峰值信号与噪底进行比较，如果相关峰比噪底大于门限值，则认为找到正确的相关峰，这时计算找到的相关峰对应的载波多普勒与码相位，向后输出传递给跟踪电路，否则切换载波多普勒频点，继续进行搜索。至此，完成了整个宽带扩频信号的并行捕获。
通过上述步骤，一种宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质，通过“空间置换时间”的原理与部分匹配滤波原理，实现了宽带扩频信号的快速捕获。因为宽带扩频信号的带宽更宽，所以其捕获过程需要更高的AD采样速率，这已经超出大多数后端器件直接处理的能力。通过将本地载波多普勒发生器和本地伪码发生器并行展开的方式，在这种利用更多的硬件资源的条件下，有效的降低了***处理时钟的要求，即“空间置换时间”的原理，且这种并行捕获算法技术可行实现简单；部分匹配滤波和FFT算法是目前常用的一种捕获算法，通过调整该算法的参数，可以在硬件资源与时间开销之间得到一个不错的平衡点。
依据本发明的设计，本发明实现了一种宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质，算法实现复杂度低，捕获结果准确，尤其适用于大动态场景下的宽带扩频信号捕获。
依据本发明的设计，本发明实现了一种宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质，算法易于集成，方便对现有窄带接收机中捕获算法的改造与升级。
附图说明
图1是本发明实施例装置电路硬件框架图；
图2是本发明实施例算法数字逻辑框架图；
图3是本发明实施例基带信号解串时序示意图；
图4是本发明实施例载波多普勒NCO并行展开设计示意图；
图5是本发明实施例码NCO并行展开设计示意图；
图6是本发明实施例PMF-FFT处理示意图；
图7是本发明实施例噪底统计过程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明实施例利用了“空间置换时间”的原理与部分匹配滤波原理完成对宽带扩频信号的捕获。因为宽带扩频信号往往具有高中频（＞300MHz）、大带宽（＞200MHz）、大多普勒（＞2MHz）、高码率（＞100MHz）等特征，而即使是高端FPGA芯片内部的时钟速率也往往很难超过200MHz，所以一般的窄带扩频接收方案不再适用于宽带扩频信号的接收。而我们知道，在大容量FPGA芯片内部，都具有大量的逻辑资源（LUT、D触发器、分布式RAM、乘法器等），如果通过“空间置换时间”方式，将运行在高速时钟上的原始基带信号变换到低速时钟上，就可以利用大容量FPGA芯片内部的海量逻辑资源完成对原始信号的处理，同时利用部分匹配滤波原理，对原始信号与本地码分块进行相干积分，可以达到最高效率的捕获处理能力，极大缓解大载波多普勒对码率偏移的影响。以下具体说明：
如图1所示，是本次发明装置的***电路硬件框架图，输入宽带射频信号依次经过低噪放（LNA）、抗镜像滤波器（SAW）、下变频器、抗混叠滤波器、模拟自动增益控制（AGC）、AD采样之后，得到中频数字信号，中频数字信号通过JESD204B编码成为高速数字码流，然后送给FPGA芯片，在FPGA芯片内部完成基带信号处理，这里的基带处理主要是指本次发明提出的并行捕获算法。本发明提供了一种基于FPGA实现的宽带扩频信号并行捕获方法及存储介质，如图2所示，是本次发明算法的数字逻辑框架图。具体实施步骤如下：
第一步：射频输入信号
Figure 517518DEST_PATH_IMAGE001
经过零中频、抗混叠滤波、ADC采样、编码处理，变成两 路相互正交的高速数字基带编码信号，分别是I支路信号
Figure 835367DEST_PATH_IMAGE002
和Q支路信号
Figure 350662DEST_PATH_IMAGE003
，其中k 表示第k个时钟周期，高速数字基带编码信号分别经过本地解码解串、串并转换处理之后， 变成低速的原始扩位信号
Figure 335935DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 583377DEST_PATH_IMAGE005
，同时产生低速同步随路时钟信号。
输入FPGA待处理的正交高速数字基带编码信号如下所示：
Figure 388522DEST_PATH_IMAGE024
Figure 441929DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 281709DEST_PATH_IMAGE026
是输入的原始射频信号，
Figure 949319DEST_PATH_IMAGE027
是经零中频处理之后的多普勒频率，高速数 字基带编码信号的采样时钟频率为
Figure 507340DEST_PATH_IMAGE022
。I支路信号
Figure 98858DEST_PATH_IMAGE016
和Q支路信号
Figure 996407DEST_PATH_IMAGE017
，信号
Figure 647968DEST_PATH_IMAGE016
和 信号
Figure 427705DEST_PATH_IMAGE017
的码率相等，都是
Figure 822914DEST_PATH_IMAGE018
；
对
Figure 827167DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 649629DEST_PATH_IMAGE017
进行本地解码、解串之后，得到低速的原始扩位信号
Figure 916663DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 53246DEST_PATH_IMAGE020
，并且产生低速同步随路时钟，其频率为
Figure 722125DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 715489DEST_PATH_IMAGE021
的大小与高速数字基带编码信号 的采样时钟频率
Figure 469818DEST_PATH_IMAGE022
和串并比N有关，关系为
Figure 659360DEST_PATH_IMAGE023
。低速原始扩位信号
Figure 182745DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 347010DEST_PATH_IMAGE020
可表示为：
Figure 526319DEST_PATH_IMAGE044
Figure 67021DEST_PATH_IMAGE045
；
Figure 444913DEST_PATH_IMAGE019
是高速数字基带编码信号
Figure 45659DEST_PATH_IMAGE016
进行低速抽取后的取样向量，
Figure 695952DEST_PATH_IMAGE020
是 高速数字基带编码信号
Figure 40345DEST_PATH_IMAGE017
进行低速抽取后的取样向量，这里大括号“{}”表示取样后的 向量区间，{}里面表示向量元素。
图3是基带信号解串时序示意图。
第二步：第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地载波多普勒发生 器，每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 272744DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 982074DEST_PATH_IMAGE007
具有固定的相位偏移
Figure 932712DEST_PATH_IMAGE008
， 其中i表示第i个载波多普勒发生器，j表示第j个时钟周期，并在状态机的控制下对载波多 普勒频点进行分段搜索；每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 815217DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 354652DEST_PATH_IMAGE007
与 第一步骤产生的低速的原始扩位信号
Figure 297200DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 735135DEST_PATH_IMAGE010
进行相乘，得到相乘后的信号
Figure 359014DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 566005DEST_PATH_IMAGE012
，用于剥离原始信号中大的载波多普勒；
本地载波多普勒发生器主要由FPGA内部的NCO构成，NCO的驱动时钟频率与高速数 字基带编码信号的采样时钟频率
Figure 679454DEST_PATH_IMAGE022
相等，在
Figure 794565DEST_PATH_IMAGE022
的时钟驱动下，每经过一个时钟周期
Figure 18873DEST_PATH_IMAGE046
即 可得到一个载波相位点。若要得到N个载波相位点，则需要经过N个时钟周期，即
Figure 345949DEST_PATH_IMAGE047
。但宽带基带信号的
Figure 302404DEST_PATH_IMAGE022
往往＞300MHz，如此高采样率的载波NCO无法在器件 上实现，因此需要对NCO作并行展开设计。
如图4所示，是载波多普勒NCO并行展开设计的示意图。通过第一步骤可以产生低 速的随路时钟
Figure 714931DEST_PATH_IMAGE021
，在
Figure 742930DEST_PATH_IMAGE021
的采样率下，此时采用N个载波NCO同时工作，那么在一个时钟周期
Figure 111463DEST_PATH_IMAGE048
内，同样可以得到N个载波相位值。将每个载波NCO所产生的信号之间的固定相位偏移 设置为
Figure 566715DEST_PATH_IMAGE030
，则此时低速时钟下N个并行载波NCO的采样结果可做到与高速时钟下1个载波 NCO的采样结果等效。这里将第i个载波NCO在第j个时钟周期的载波幅值记为
Figure 138642DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 704752DEST_PATH_IMAGE032
（i=1,2,…,N），则有：
Figure 6421DEST_PATH_IMAGE033
Figure 819525DEST_PATH_IMAGE034
每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 941065DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 310866DEST_PATH_IMAGE032
与第一步骤中产生 的低速原始扩位信号
Figure 404724DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 201779DEST_PATH_IMAGE020
进行相乘，相乘后的信号记为
Figure 810615DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 905478DEST_PATH_IMAGE036
，则有：
Figure 916160DEST_PATH_IMAGE037
Figure 884116DEST_PATH_IMAGE038
Figure 917931DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 629535DEST_PATH_IMAGE036
即剥离了原始信号中大的载波多普勒。
第三步：第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地伪码发生器；每个 伪码发生器输出的本地伪码信号
Figure 494723DEST_PATH_IMAGE013
具有固定的相位偏移
Figure 835179DEST_PATH_IMAGE014
，其中i表示第i个伪码发 生器，k表示第k个时钟周期，并在状态机的控制下对本地伪码多普勒频点进行调节；每个伪 码发生器输出的本地伪码信号
Figure 418607DEST_PATH_IMAGE013
与第二步骤产生的信号
Figure 933902DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 591280DEST_PATH_IMAGE012
进 行部分匹配滤波与相干积分，并对相干积分结果进行FFT运算；
如图5所示，是码NCO并行展开设计的示意图。与第二步骤类似，码NCO也采用并行 展开设计。在低速时钟
Figure 901038DEST_PATH_IMAGE021
下，采用N个码NCO同时工作，并且将码NCO所产生的伪码信号间的 固定相位偏移设置为
Figure 971762DEST_PATH_IMAGE040
，可做到与高速时钟下1个码NCO的采样结果等效。第i个码NCO在第 k个时钟周期下输出的本地伪码信号记为
Figure 212120DEST_PATH_IMAGE039
。然后利用FPGA的片上分布式RAM，开辟
Figure 51900DEST_PATH_IMAGE041
块 缓存区，从每块缓存区的起始地址开始，存入初始相位固定偏移为
Figure 532560DEST_PATH_IMAGE040
的本地伪码信号
Figure 90580DEST_PATH_IMAGE039
，同时将第二步骤中剥离了原始信号中大的载波多普勒后的信号
Figure 619781DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 314068DEST_PATH_IMAGE050
，也依次轮流写入
Figure 231208DEST_PATH_IMAGE041
块缓存区。
如图6所示，是PMF-FFT处理示意图。对
Figure 197896DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 593106DEST_PATH_IMAGE050
进行PMF（部分匹配滤 波）下的相干积分可得：
Figure 407478DEST_PATH_IMAGE051
Figure 229940DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 434657DEST_PATH_IMAGE053
是部分相干积分(累加)的数据个数，
Figure 633557DEST_PATH_IMAGE054
是分块 数，
Figure 302436DEST_PATH_IMAGE055
()函数是本地伪码序列，
Figure 482750DEST_PATH_IMAGE056
。
对
Figure 237079DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 974091DEST_PATH_IMAGE058
进行FFT处理，在相关峰处，可以得到伪码相位点：
Figure 497477DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 865004DEST_PATH_IMAGE060
是伪码相位点，一个伪码周期共有NUM_PN个码片，
Figure 106629DEST_PATH_IMAGE022
是采样率，
Figure 381753DEST_PATH_IMAGE061
是相干 积分时长，
Figure 25224DEST_PATH_IMAGE062
是进行相关峰处对应的FFT运算次数；FFT运算即快速傅里叶变换。
同理，可以得到载波多普勒值为：
Figure 550271DEST_PATH_IMAGE063
其中，其中，
Figure 279192DEST_PATH_IMAGE027
是载波多普勒值，
Figure 358007DEST_PATH_IMAGE021
是降采样率，
Figure 855984DEST_PATH_IMAGE053
是部分相干积分累 加的数据个数，
Figure 565314DEST_PATH_IMAGE054
是分块数，
Figure 515953DEST_PATH_IMAGE064
是FFT运算的点数，m是FFT的索引 值，
Figure 398458DEST_PATH_IMAGE065
函数是本地伪码序列，
Figure 937893DEST_PATH_IMAGE066
函数是剥离了原始信号中大的载波多普勒后的信 号，
Figure 880441DEST_PATH_IMAGE056
，表示累加范围，
Figure 318375DEST_PATH_IMAGE057
表示第i个本地伪码发生器产生的 伪码与原始I路信号相干积分的值，
Figure 676676DEST_PATH_IMAGE058
表示第i个本地伪码发生器产生的伪码与原始Q 路信号相干积分的值，n表示对部分相干积分的第n个取样；
第四步：对第三步骤FFT结果中出现相关峰峰值的信号分段处进行噪底统计，如果相关峰比统计噪声大于门限值Threshold，则认为找到正确的相关峰，这时计算找到的相关峰对应的载波多普勒与码相位，向后输出传递给跟踪电路；如果没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，继续进行搜索。此处的门限值Threshold反映的是一种倍数关系，如果相关峰峰值大于统计噪声功率的Threshold倍，说明找到的相关峰峰值足够高。
经过第三步骤中的相干积分，Q支路输出的表达式如下：
Figure 149245DEST_PATH_IMAGE067
Figure 262695DEST_PATH_IMAGE068
与之对应的I支路输出如下：
Figure 374876DEST_PATH_IMAGE069
Figure 599184DEST_PATH_IMAGE070
为消除初相差
Figure 660681DEST_PATH_IMAGE071
的影响，将
Figure 945032DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 295242DEST_PATH_IMAGE073
平方后相加，记为
Figure 323241DEST_PATH_IMAGE042
，得到：
Figure 504823DEST_PATH_IMAGE074
式中，
Figure 881447DEST_PATH_IMAGE075
为噪声项，
Figure 781270DEST_PATH_IMAGE076
为中频带通信号的功率，
Figure 347380DEST_PATH_IMAGE077
函数为自相关函数，
Figure 649049DEST_PATH_IMAGE078
为实际 中频与标称中频的差值，
Figure 947306DEST_PATH_IMAGE079
为真实码相位与本地码相位的差值，
Figure 334425DEST_PATH_IMAGE080
表示卡方分布，则上式 说明相加后的结果
Figure 704226DEST_PATH_IMAGE042
符合自由度为2的非中心卡方分布，
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为非中心化参数，
Figure 784702DEST_PATH_IMAGE061
是一 次相干积分时长；。
将
Figure 581757DEST_PATH_IMAGE042
进行缓存，统计一段时间内
Figure 190593DEST_PATH_IMAGE042
的极大值max_point，同时计算噪 声估计值Noise，噪声Noise的统计可以选任一条没有相关峰出现的支路进行，若
Figure 301768DEST_PATH_IMAGE043
Noise×Threshold，则认为max_point出现的位置确实是相关峰位置，即认 为找到正确的相关峰；捕获概率可以表示为：
Figure 312450DEST_PATH_IMAGE082
式中，
Figure 280406DEST_PATH_IMAGE083
为0阶一类贝塞尔函数，
Figure 563488DEST_PATH_IMAGE075
为噪声项，
Figure 275092DEST_PATH_IMAGE076
为中频带通信号的功率， Threshold是门限值，
Figure 140280DEST_PATH_IMAGE061
是一次相干积分时长，z为积分变量。如图7所示，是噪底统计过程示 意图。
如果在上述步骤中找到相关峰，根据第三步骤中FFT运算次数推出相关峰所在位置的码相位，根据FFT结果中最大谱峰的位置推出多普勒频移值，之后把码相位和多普勒频移值传递给跟踪电路，并同步给出跟踪启动信号。如果通过上述步骤中没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，继续进行搜索，直到把所有多普勒区间搜索完毕。
由上可知，通过本发明实施例的一种宽带扩频信号并行捕获方法通过“空间置换时间”的原理与部分匹配滤波原理，实现了宽带扩频信号的快速捕获，有效降低了接收机的整体硬件成本。
又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。
再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法的步骤。
可理解的是，本发明实施例提供的***与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一、射频输入信号
Figure 233422DEST_PATH_IMAGE001
经过零中频、抗混叠滤波、ADC采样、编码处理，变成两路相 互正交的高速数字基带编码信号，分别是I支路信号
Figure 882709DEST_PATH_IMAGE002
和Q支路信号
Figure 747897DEST_PATH_IMAGE003
，其中k表示 第k个时钟周期，高速数字基带编码信号分别经过本地解码解串、串并转换处理之后，变成 低速的原始扩位信号
Figure 886754DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 657133DEST_PATH_IMAGE005
，同时产生低速同步随路时钟信号；
步骤二、第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地载波多普勒发生器，每 个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 172428DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 892122DEST_PATH_IMAGE007
具有固定的相位偏移
Figure 139564DEST_PATH_IMAGE008
，其中i 表示第i个载波多普勒发生器，j表示第j个时钟周期，并在状态机的控制下对载波多普勒频 点进行分段搜索；每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 210288DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 263695DEST_PATH_IMAGE007
与第一步 骤产生的低速的原始扩位信号
Figure 103475DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 771085DEST_PATH_IMAGE010
进行相乘，得到相乘后的信号
Figure 329105DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 920624DEST_PATH_IMAGE012
，用于剥离原始信号中大的载波多普勒；
步骤三、第一步骤产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地伪码发生器；每个伪码 发生器输出的本地伪码信号
Figure 614910DEST_PATH_IMAGE013
具有固定的相位偏移
Figure 469734DEST_PATH_IMAGE014
，其中i表示第i个伪码发生器， k表示第k个时钟周期，并在状态机的控制下对本地伪码多普勒频点进行调节；每个伪码发 生器输出的本地伪码信号
Figure 249471DEST_PATH_IMAGE013
与第二步骤产生的信号
Figure 644680DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 648933DEST_PATH_IMAGE012
进行部 分匹配滤波与相干积分，并对相干积分结果进行FFT运算；
步骤四、对第三步骤FFT结果中出现相关峰峰值的信号分段处进行噪底统计，如果相关峰比统计噪声大于门限值Threshold，则认为找到正确的相关峰，这时计算找到的相关峰对应的载波多普勒与码相位，向后输出传递给跟踪电路；如果没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，继续进行搜索。
2.根据权利要求1所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：所述步骤一具体包括以下步骤，
S11、原始射频输入信号
Figure 471395DEST_PATH_IMAGE015
，经过零中频、抗混叠滤波、ADC采样、编码处理，变成两路 相互正交的高速数字基带编码信号，分别是I支路信号
Figure 738429DEST_PATH_IMAGE016
和Q支路信号
Figure 875012DEST_PATH_IMAGE017
，信号
Figure 543891DEST_PATH_IMAGE016
和信号
Figure 537254DEST_PATH_IMAGE017
的码率相等，都是
Figure 291584DEST_PATH_IMAGE018
；
S12、高速数字基带编码信号
Figure 215546DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 738932DEST_PATH_IMAGE017
分别经过本地解码解串、串并转换处理之 后，变成低速的原始扩位信号
Figure 168776DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 348085DEST_PATH_IMAGE020
，同时产生低速同步随路时钟信号，该低速 同步随路时钟信号的频率是
Figure 623208DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 266679DEST_PATH_IMAGE021
的大小与高速采样时钟
Figure 788796DEST_PATH_IMAGE022
和串并比N有关，关系为
Figure 517718DEST_PATH_IMAGE023
；
其中，
Figure 534215DEST_PATH_IMAGE024
Figure 32193DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 803840DEST_PATH_IMAGE026
是输入的原始射频信号，
Figure 754478DEST_PATH_IMAGE027
是经零中频处理之后的多普勒频率，高速数字基 带编码信号的采样时钟频率为
Figure 823934DEST_PATH_IMAGE022
；
则
Figure 176418DEST_PATH_IMAGE028
Figure 118966DEST_PATH_IMAGE029
Figure 494584DEST_PATH_IMAGE019
是高速数字基带编码信号
Figure 915201DEST_PATH_IMAGE016
进行低速抽取后的取样向量，
Figure 387771DEST_PATH_IMAGE020
是高速 数字基带编码信号
Figure 702819DEST_PATH_IMAGE017
进行低速抽取后的取样向量，这里大括号“{}”表示取样后的向量 区间，{}里面表示向量元素。
3.根据权利要求1所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：所述步骤二具体包括，
S21、用S12步骤中产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地载波多普勒发生器，每 个载波多普勒发生器输出的载波信号为彼此之间具有固定的相位偏移
Figure 628050DEST_PATH_IMAGE030
的正交信号
Figure 852358DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 913855DEST_PATH_IMAGE032
；
即将第i个载波多普勒发生器在第j个时钟周期的载波幅值记为
Figure 135889DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 548415DEST_PATH_IMAGE032
，i =1,2,…,N，则有：
Figure 576414DEST_PATH_IMAGE033
Figure 944948DEST_PATH_IMAGE034
S22、每个载波多普勒发生器输出的载波信号
Figure 134621DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 34443DEST_PATH_IMAGE032
与S12中产生的低速 的原始扩位信号
Figure 538237DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 839905DEST_PATH_IMAGE020
进行相乘，用于剥离原始信号中大的载波多普勒，相乘 后的信号是
Figure 200480DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 587599DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 144351DEST_PATH_IMAGE037
Figure 34946DEST_PATH_IMAGE038
Figure 832001DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 378520DEST_PATH_IMAGE036
即剥离了原始信号中大的载波多普勒。
4.根据权利要求1所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：所述步骤三具体包括，
S31、用S12步骤中产生的低速同步随路时钟信号驱动多个本地伪码发生器，每个伪码 发生器输出的本地伪码信号
Figure 552012DEST_PATH_IMAGE039
具有固定的相位偏移
Figure 562694DEST_PATH_IMAGE040
；
S32、利用FPGA的片上分布式RAM，开辟
Figure 717600DEST_PATH_IMAGE041
块缓存区，从每块缓存区的起始地址开始，存入 一个伪码发生器输出的本地伪码信号
Figure 813732DEST_PATH_IMAGE039
，同时将S22中相乘后的信号
Figure 525337DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 390524DEST_PATH_IMAGE036
，依次轮流写入
Figure 467065DEST_PATH_IMAGE041
块缓存区；
S33、从缓存区中读出的
Figure 50493DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 300209DEST_PATH_IMAGE036
送入I支路的分块并行相关器和Q支路 的分块并行相关器中进行相干积分，对相干积分结果进行FFT处理，FFT结果送入峰值侦测 电路，进行相关峰的检测。
5.根据权利要求1所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：所述步骤四具体包括，
S41、对S33步骤中FFT运算结果的幅值平方进行缓存，缓存的数据计为
Figure 285482DEST_PATH_IMAGE042
，统计 一段时间内
Figure 785121DEST_PATH_IMAGE042
的极大值max_point，同时计算噪声估计值Noise，若
Figure 855845DEST_PATH_IMAGE043
Noise×Threshold，其中Threshold表示门限值，则认为max_point出现的位置确实是相关 峰位置；
S42、如果在S41步骤中找到相关峰，根据S41步骤中FFT运算次数推出相关峰所在位置的码相位，根据FFT结果中最大谱峰的位置推出多普勒频移值，之后把码相位和多普勒频移值传递给跟踪电路；
S43、如果在S41步骤中没有找到相关峰，则通过状态机切换载波多普勒频点，回到S21步骤，继续进行搜索，直到把所有多普勒区间搜索完毕。
6.根据权利要求4所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：对相干积分结果进行FFT处理具体包括，
对
Figure 909252DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 686715DEST_PATH_IMAGE045
进行PMF下的相干积分可得：
Figure 167375DEST_PATH_IMAGE046
Figure 459816DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 316914DEST_PATH_IMAGE048
是部分相干积分累加的数据个数，
Figure 198151DEST_PATH_IMAGE049
是分块数，
Figure 849712DEST_PATH_IMAGE050
函数是本地伪码序列，
Figure 895028DEST_PATH_IMAGE051
函数是剥离了原始信号中大的载波多普勒后的信号，
Figure 227921DEST_PATH_IMAGE052
，表示累加范围，
Figure 776714DEST_PATH_IMAGE053
表示第i个本地伪码发生器产生的伪 码与原始I路信号相干积分的值，
Figure 864756DEST_PATH_IMAGE054
表示第i个本地伪码发生器产生的伪码与原始Q路 信号相干积分的值，n表示对部分相干积分的第n个取样；
对
Figure 318739DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 517640DEST_PATH_IMAGE054
进行FFT处理，在相关峰处，得到伪码相位点：
Figure 920939DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 179882DEST_PATH_IMAGE056
是伪码相位点，一个伪码周期共有NUM_PN个码片，
Figure 871895DEST_PATH_IMAGE022
是采样率，
Figure 608907DEST_PATH_IMAGE057
是相干积分 时长，
Figure 132292DEST_PATH_IMAGE058
是进行相关峰处对应的FFT运算次数；
同理，得到载波多普勒值为：
Figure 749087DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 725133DEST_PATH_IMAGE027
是载波多普勒值，
Figure 265836DEST_PATH_IMAGE021
是降采样率，
Figure 909307DEST_PATH_IMAGE048
是部分相干积分累加的数据 个数，
Figure 182156DEST_PATH_IMAGE060
是FFT运算的点数，m是FFT的索引值。
7.根据权利要求6所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：
经过第三步骤中的相干积分，Q支路输出的表达式如下：
Figure 911078DEST_PATH_IMAGE061
Figure 989892DEST_PATH_IMAGE062
与之对应的I支路输出如下：
Figure 677750DEST_PATH_IMAGE063
Figure 183818DEST_PATH_IMAGE064
为消除初相差
Figure 400035DEST_PATH_IMAGE065
的影响，将
Figure 282541DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 572708DEST_PATH_IMAGE067
平方后相加，记为
Figure 515256DEST_PATH_IMAGE042
，得到：
Figure 953191DEST_PATH_IMAGE068
式中，
Figure 373808DEST_PATH_IMAGE069
为噪声项，
Figure 33328DEST_PATH_IMAGE070
为中频带通信号的功率，
Figure 881198DEST_PATH_IMAGE071
函数为自相关函数，
Figure 806429DEST_PATH_IMAGE072
为实际中频 与标称中频的差值，
Figure 968420DEST_PATH_IMAGE073
为真实码相位与本地码相位的差值，
Figure 295496DEST_PATH_IMAGE074
表示卡方分布，则上式说明 相加后的结果
Figure 579847DEST_PATH_IMAGE042
符合自由度为2的非中心卡方分布，
Figure 992374DEST_PATH_IMAGE075
为非中心化参数，
Figure 941744DEST_PATH_IMAGE057
是一次相 干积分时长；
将
Figure 123327DEST_PATH_IMAGE042
进行缓存，统计一段时间内
Figure 578579DEST_PATH_IMAGE042
的极大值max_point，同时计算噪声估 计值Noise，若
Figure 416085DEST_PATH_IMAGE043
Noise×Threshold，其中Threshold表示门限值，则认为max_ point出现的位置确实是相关峰位置，即认为找到正确的相关峰；捕获概率表示为：
Figure 982195DEST_PATH_IMAGE076
式中，
Figure 18284DEST_PATH_IMAGE077
为0阶一类贝塞尔函数，
Figure 644438DEST_PATH_IMAGE069
为噪声项，
Figure 218508DEST_PATH_IMAGE070
为中频带通信号的功率，Threshold是 门限值，
Figure 322730DEST_PATH_IMAGE057
是一次相干积分时长，z为积分变量。
8.根据权利要求7所述的宽带扩频信号并行捕获方法，其特征在于：噪声Noise的统计选任一条没有相关峰出现的支路进行。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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