一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法
【專利摘要】本發明公開了一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，涉及無線測控通信【技術領域】，將中頻模擬信號進行ADC采樣得到數字信號，數字信號送入多頻率槽處理單元，每個頻率槽處理單元采用基于相干累積的FFT捕獲算法對內碼、外碼進行遍歷得到相關結果，最后對所有頻率槽處理單元的相關結果進行檢測判決，得到碼相位與多普勒頻率信息。本發明可實現復雜信道環境下偽碼的快速捕獲和載波的估計，根據復合碼M×M復合的特點，實現復合碼擴頻信號內外碼同時捕獲，兼顧多普勒頻移的不確定性，形成內碼、外碼和多普勒頻率的三維搜索過程，最終得到偽碼相位與多普勒頻率信息。
【專利說明】一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線測控通信【技術領域】，確切地說涉及一種快速、可靠、同步實時性要求比較高的復合碼擴頻信號捕獲方法，尤指在低信噪比高動態環境下的復合碼擴頻信號快速捕獲。
【背景技術】
[0002]擴頻通信是將待傳送的信息數據被偽隨機碼調制，實現頻譜擴展后再傳輸，接收端則采用同樣的編碼進行解調和相關處理，恢復原始信息數據。偽隨機碼一般采用具有尖銳的自相關特性和良好的互相關特性的碼類型，比如復合碼。復合碼是由外碼m序列和內碼m序列通過“一次擴頻”的方式復合而成，如圖1所示。擴頻信號的捕獲指找到本地參考碼和接收碼相位差小于一個碼元寬度的位置，且收發碼時鐘基本一致，同時使載波相互對準，得到偽碼相位與初始多普勒頻率信息。
[0003]作者任宇飛、程乃平，在期刊名為《國外電子測量技術》的期刊上發表了一篇篇名為“高動態擴頻信號快速捕獲技術研宄”的期刊文件，其發表日期為2009年7月第28卷第
7期，主要研宄了兩種高動態擴頻信號快速捕獲的方法，即基于FFT的頻域(載波)并行捕獲法和基于FFT的時域(偽碼)并行捕獲法，并使用MATLAB進行了仿真和比較。仿真結果表明:基于FFT的頻域并行捕獲可捕獲較大的頻偏并跟蹤一定的頻率變化率，可用于衛星變軌等高動態、高加速度等飛行過程。而基于FFT的時域并行捕獲可快速捕獲碼相位，用于在軌飛行的飛行器，可根據軌道參數提前預報其多普勒頻偏，但同時需要精密測距的飛行過程。
[0004]在以上述專利文獻為代表的現有技術方案中，偽碼捕獲的方法基本上都是將接收的擴頻信號與本地擴頻碼序列求相關，通過相關結果的大小來判定它們的相位是否對齊，若未對齊則改變它們的相位再求相關，直至在相位不確定度范圍內捕獲到接收信號的相位為止。由于多普勒頻移不確定度的存在，對偽碼的捕獲過程是一個在時間域和頻域的二維搜索過程。而對于復合碼捕獲，采用傳統擴頻序列的捕獲算法，把復合碼按照普通長碼進行處理，以傳統的半個碼片為單位進行碼元的搜索，所需要的捕獲時間非常長。采用先內碼后外碼的捕獲方法，外碼沒有解擴的前提下只有僅限于內碼單個碼片寬度的相干累積時間，無法實現低信噪比下的信號捕獲。一方面，對于高動態、而且擴頻信號連續閃斷的環境，對捕獲時間要求非常苛刻。另一方面，對于遠距離通信，擴頻信號非常弱，對捕獲靈敏度要求非常高。在這樣復雜的信道環境下，還沒有快速、可靠捕獲復合碼擴頻信號的方法。
【發明內容】
[0005]本發明旨在針對上述現有技術所存在的缺陷和不足，提供一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，可實現復雜信道環境下偽碼的快速捕獲和載波的估計，根據復合碼MXM復合的特點，實現復合碼擴頻信號內外碼同時捕獲，兼顧多普勒頻移的不確定性，形成內碼、外碼和多普勒頻率的三維搜索過程，最終得到偽碼相位與多普勒頻率信息。
[0006]本發明是通過采用下述技術方案實現的:
一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，其特征在于:將中頻模擬信號進行ADC采樣得到數字信號，數字信號送入多頻率槽處理單元，每個頻率槽處理單元采用基于相干累積的FFT捕獲算法對內碼、外碼進行遍歷得到相關結果，最后對所有頻率槽處理單元的相關結果進行檢測判決，得到碼相位與多普勒頻率信息。
[0007]每個頻率槽處理單元主要由數字下變頻模塊、半碼片延時處理模塊、內碼多相位部分相干模塊、并串轉換模塊、讀存儲器時序控制模塊、外碼解擴控制模塊、外碼解擴與FFT計算模塊，和FFT結果分析模塊組成；其中:經過ADC采樣后的數字信號送入多頻率槽處理單元后，首先用數字下變頻模塊進行數字下變頻得到基帶復信號r (k) =I (k) +jQ (k)，半碼片延時處理模塊將基帶復信號經過2M個半碼片延時控制后，得到2M路基帶復信號rm(k)(m=l、2、3，…，2M-1)，內碼多相位部分相干模塊中的內碼發生器根據內碼NCO產生本地內碼，將本地內碼與2M路基帶復信號相乘，去除基帶復信號的內碼得到去除內碼的基帶復信號lm(k)(m=l、2、3，…，2M-1)，分別對2M路基帶復信號進行相干累積，累積時間長度為一個內碼周期MXTmA，也就是一個外碼碼片的長度TmB，將不同相位的相干累積結果用2M路存儲器進行緩存，緩存的深度N取決于需要累積的信噪比、動態特性。
[0008]外碼解擴采用高速率時鐘對2M路存儲器進行輪流循環讀取，并由外碼解擴控制模塊對讀存儲器時序控制模塊和外碼發生器進行控制，將并串轉換的結果與所有的外碼相位進行相關解擴，對相關后的結果進行P路FFT運算，將P路FFT計算的結果進行處理判決得到最大相關結果，以及最大相關結果對應的碼相位和多普勒頻率。
[0009]對外碼解擴的并行度P取決于硬件資源占用率，例如對于MXM的復合碼，總共有2M路存儲著不同內碼相位的存儲器，當P=M時意味著所有的外碼解擴可以全部并行，捕獲時間最短，但資源消耗比較多。可以折中選擇P，循環操作存儲器Μ/P次就可以完成所有外碼的解擴。
[0010]所有頻率槽處理單元得到的相關結果及偽碼和多普勒信息送入檢測判決模塊后，檢測判決模塊找到所有處理單元中最大的相關峰與自適應門限模塊得到的門限進行對比，得到當前復合碼擴頻信號中偽碼的相位和多普勒信息。其中頻率槽處理單元的個數和擴頻信號的動態特性密切相關，可根據需求分析后可進行相應的調整。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果表現在:
1、在本發明中，根據復合碼MXM的特點，相干累積時間剛好取一個外碼碼片的長度，對相干累積后的數據與外碼解擴后進行N點FFT運算，實現了內外碼同時解擴，提升了捕獲過程信號相干累積的信噪比，克服了弱復合碼擴頻信號下的捕獲靈敏度，同時克服了傳統的將復合碼按照半碼片搜索2XMXM個相位無法降低捕獲時間的弱點。
[0012]2、在本發明中，根據復合碼擴頻信號的動態特性，采用多頻率槽的并行搜索實現技術，與基于相干累積的FFT捕獲算法融合形成內碼、外碼和多普勒頻率的三維搜索過程，實現了高動態弱復合碼擴頻信號下的快速捕獲。克服了頻率串行搜索或搜索頻帶窄導致捕獲時間較長的弱點。
[0013]3、在本發明中，在硬件實現與所有的外碼相位進行相關解擴時，對外碼解擴的并行度P進行合理折中考慮，可以靈活調整并行度P適應于不同硬件平臺需求或不同應用場合下的指標需求，實現架構簡單，易于工程實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面將結合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明，其中:
圖1為本發明復合碼復合過程框圖；
圖2為本發明復合碼擴頻信號捕獲實現總體框圖；
圖3為本發明復合碼外碼解擴實現框圖。
【具體實施方式】
[0015]本發明提出了一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，可實現復雜信道環境下偽碼的快速捕獲和載波的估計，根據復合碼MXM復合的特點，實現復合碼擴頻信號內外碼同時捕獲，兼顧多普勒頻移的不確定性，形成內碼、外碼和多普勒頻率的三維搜索過程，最終得到偽碼相位與多普勒頻率信息。具體實現方案如下:
復合碼擴頻信號捕獲實現總體框圖如圖2所示。將中頻模擬信號進行ADC采樣得到數字信號，數字信號送入多頻率槽處理單元，每個頻率槽處理單元采用基于相干累積的FFT捕獲算法對內碼、外碼進行遍歷得到相關結果，最后對所有頻率槽處理單元的相關結果進行檢測判決，得到碼相位與多普勒頻率信息。每個頻率槽處理單元主要由數字下變頻模塊、半碼片延時處理模塊、內碼多相位部分相干模塊、并串轉換模塊、外碼解擴控制模塊、外碼解擴與FFT計算模塊、FFT結果分析模塊組成。
[0016]經過ADC采樣后的數字信號送入多頻率槽處理單元后，首先進行數字下變頻得到基帶復信號r(k)=I(k)+jQ(k)，基帶復信號經過2M個半碼片延時控制后，得到2M路基帶復信號rjk) (m=l、2、3，…，2M-1)。內碼發生器根據內碼NCO產生本地內碼，將本地內碼與2M路基帶復信號相乘，去除基帶復信號的內碼得到去除內碼的基帶復信號Im (k) (m=l、
2、3，…，2M-1)，分別對2M路基帶復信號進行相干累積，累積時間長度為一個內碼周期MXTmA，也就是一個外碼碼片的長度TmB。將不同相位的相干累積結果用2M路存儲器進行緩存，緩存的深度N取決于需要累積的信噪比、動態特性。
[0017]外碼解擴實現框圖如圖3所示。采用高速率時鐘對2M路存儲器進行輪流循環讀取，并由外碼解擴控制模塊對讀存儲器控制時序和外碼發生器進行控制，循環與所有的外碼相位進行相關解擴，對相關后的結果進行P路FFT運算，將P路FFT計算的結果進行處理判決得到最大相關結果，以及最大相關結果對應的碼相位和多普勒頻率。對外碼解擴的并行度P取決于硬件資源占用率，例如對于MXM的復合碼，總共有2M路存儲著不同內碼相位的存儲器，當P=M時意味著所有的外碼解擴可以全部并行，捕獲時間最短，但資源消耗比較多。可以折中選擇P，循環操作存儲器Μ/P次就可以完成所有外碼的解擴。
[0018]所有頻率槽處理單元得到的相關結果及偽碼和多普勒信息送入檢測判決模塊后，檢測判決模塊找到所有處理單元中最大的相關峰與自適應門限模塊得到的門限進行對比，便可得到當前復合碼擴頻信號中偽碼的相位和多普勒信息，其中頻率槽處理單元的個數和擴頻信號的動態特性密切相關，可根據需求分析后可進行相應的調整。
[0019]基帶復信號^^^&扮^^&沁其中I(k)為同相支路，Q(k)為正交支路，j為純虛數。
[0020]rffl(k)表示經過延遲處理后的基帶復信號。
[0021] Iffl(k)表示對rm(k)信號進行處理剝離內碼后的基帶復信號。
【權利要求】
1.一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，其特征在于:將中頻模擬信號進行八IX:采樣得到數字信號，數字信號送入多頻率槽處理單元，每個頻率槽處理單元采用基于相干累積的？?I捕獲算法對內碼、外碼進行遍歷得到相關結果，最后對所有頻率槽處理單元的相關結果進行檢測判決，得到碼相位與多普勒頻率信息。
2.根據權利要求1所述的一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，其特征在于:每個頻率槽處理單元主要由數字下變頻模塊、半碼片延時處理模塊、內碼多相位部分相干模塊、并串轉換模塊、外碼解擴控制模塊、外碼解擴與叩!'計算模塊，和叩!'結果分析模塊組成；其中:經過八IX:采樣后的數字信號送入多頻率槽處理單元后，首先用數字下變頻模塊進行數字下變頻得到基帶復信號“10=100+% 00，半碼片延時處理模塊將基帶復信號經過21個半碼片延時控制后，得到21路基帶復信號4(10 0^1、2、3，…，21-1)，內碼多相位部分相干模塊中的內碼發生器根據內碼產生本地內碼，將本地內碼與21路基帶復信號相乘，去除基帶復信號的內碼得到去除內碼的基帶復信號100(111=12^,…，21-1),分別對21路基帶復信號進行相干累積，累積時間長度為一個內碼周期IX1^，也就是一個外碼碼片的長度1^8，將不同相位的相干累積結果用21路存儲器進行緩存，緩存的深度~取決于需要累積的彳目噪比、動態特性。
3.根據權利要求1或2所述的一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，其特征在于:外碼解擴采用高速率時鐘對21路存儲器進行輪流循環讀取，并由外碼解擴控制模塊對由外碼解擴控制模塊對讀存儲器控制時序和外碼發生器進行控制，將并串轉換的結果與所有的外碼相位進行相關解擴，對相關后的結果進行？路運算，將？路計算的結果進行處理判決得到最大相關結果，以及最大相關結果對應的碼相位和多普勒頻率。
4.根據權利要求3所述的一種高動態弱復合碼擴頻信號快速捕獲方法，其特征在于:所有頻率槽處理單元得到的相關結果及偽碼和多普勒信息送入檢測判決模塊后，檢測判決模塊找到所有處理單元中最大的相關峰與自適應門限模塊得到的門限進行對比，得到當前復合碼擴頻信號中偽碼的相位和多普勒信息。
【文檔編號】H04B1/7077GK104485976SQ201410754503
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】王明, 馬國寧, 賀寓東, 解楠, 諶波 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所