一种直扩信号时频二维内插精估方法与流程

1.本发明属于直接序列扩频通信以及伪码相位及多普勒频率精估技术领域，涉及一种基于三角包络拟合的直扩信号时频二维内插精估方法。


背景技术：

2.直接扩频序列(direct sequences spread spectrum，dsss)作为一种隐蔽性好、具有一定抗干扰、抗截获能力的信号处理方式，已被广泛应用于卫星通信、深空通信等环境较为恶劣的场景。其信号处理过程通常包括捕获、跟踪、位同步等步骤，其中，捕获过程作为对dsss信号的第一步处理，其估计效果将直接影响后续跟踪和位同步是否能准确、稳定地工作，因此，捕获过程在dsss信号处理过程中尤为重要。
3.dsss信号的捕获过程需要进行时频二维估计，通过在较大范围内按照一定搜索步进进行搜索，实现载波多普勒频率及伪码相位的粗略估计，为了便于后续跟踪环路的快速、稳定锁定，通常捕获过程的估计精度越高越好。捕获过程中通常面临的主要问题分为两类：第一，由于发射信号的能量有限，且传输距离较远，接收信号的信噪比极低，导致捕获过程的搜索极为困难，捕获之后的估计精度无法满足后续跟踪的入锁要求；第二，由于捕获过程要求捕获时间极短，而较大相对运动带来的高动态将导致捕获搜索范围变大，若要在规定时间内完成搜索，只能降低捕获的估计精度。综上所述，dsss信号的捕获过程亟需解决的问题为时频二维估计精度与高动态、低信噪比之间的矛盾。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是：针对信噪比、高动态下传统捕获方法中存在载波多普勒频率和伪码相位估计精度不足的缺陷，提出一种直扩信号时频二维内插精估方法。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供一种直扩信号时频二维内插精估装置；本装置包括接收机天线、射频前端、存储器模块、并行频率搜索模块、fft模块、伪码相关模块、非相干积累模块、峰值检测模块、相关积累存储模块以及三角包络拟合模块；
8.其中，射频前端包括下变频单元以及ad采样单元；
9.伪码相关模块包括预存的本地伪码快速傅立叶变换、乘法单元以及逆快速傅立叶变换单元；
10.并行频率搜索模块包含l个频率通道；
11.本装置的各模块连接关系如下：
12.接收机天线与射频前端相连，射频前端与并行频率搜索模块相连，并行频率搜索模块与fft模块相连，fft模块和存储器模块均与伪码相关模块相连，伪码相关模块与非相干积累模块相连，非相干积累模块与峰值检测模块相连，峰值检测模块与相关积累存储模块相连，相关积累存储模块与三角包络拟合模块相连；
13.本装置的各模块功能如下：
14.接收机天线用于接收信号；
15.射频前端用于对接收信号进行下变频和采样；
16.存储器模块用于存储经过fft变换后一个周期的本地伪码序列；
17.并行搜索模块用于按固定频率步进产生本地载波，再与接收信号相乘，以剥离多普勒频率，再将此剥离多普勒频率后的信号输出fft模块；
18.fft模块用于对并行搜索模块输出的每一组序列进行快速傅立叶变换，得到伪码相关模块的输入fft序列；
19.伪码相关模块用于将fft模块的输出序列与本地伪码信号的快速傅立叶变换序列相乘，再通过逆快速傅立叶变换得到相关结果，取模值，其中乘法单元调用预存的本地伪码fft序列，与折叠相加后fft模块的输出依次相乘，ifft单元对乘法单元的输出进行逆快速傅立叶变换，取模单元对ifft单元的输出进行取模运算；
20.非相干积累模块用于将伪码相关模块输出的结果按照相应位置进行非相干累加，提高输出信噪比；
21.峰值检测模块用于比较非相干积累模块输出的相关结果，找出其中的最大值，根据其所处的搜索通道位置得到载波多普勒频率估计值f
max
，并由峰值检测模块输出的峰值位置得到码相位估计值τ
max
，作为捕获结果p
max
；
22.相关积累存储模块用于存储捕获结果p
max
以及其左右相邻各一搜索通道内的相关结果和并存储三个搜索通道对应的载波多普勒频率值f
max
，f
mid
和f
min
，同时存储捕获结果p
max
左右相邻各一码相位处的相关结果和并存储两个搜索位置对应的码相位值τ
mid
和τ
min
；
23.三角包络拟合模块用于计算相关积累存储模块中三个相关结果p
max
，和以及p
max
，和所构成的三角包络，将三角包络顶点和所对应的频率值f
v
和相位值τ
v
作为载波多普勒频率和伪码相位的精估结果；
24.本发明还提供一种直扩信号时频二维内插精估方法，包括以下步骤：
25.步骤一、接收机天线接收信号，再通过射频前端进行下变频及采样；
26.其中，下变频通过下变频单元实现，输出为带有数据调制的复信号；采样通过ad采样单元实现，采样率为f
s
，采样结果为带有数据调制的基带采样序列，可以用如下公式(1)表示：
[0027][0028]
其中，n为总体采样点数；t
s
＝1/f
s
为时域采样间隔，d(nt
s
)代表nt
s
采样时刻的调制数据，为二进制数据，n代表第n个采样点；c(nt
s
‑
τ0)表示接收信号的伪码，τ0代表伪码初始相位，表示载波多普勒频率，其中，c为光速，v为本装置相对于卫星的运动速度，f
rf
为射频载波频率，ξ＝v/c，代表本装置相对于卫星的运动速度与光速的比值；exp代表以e为底的幂级数；j代表虚数单位；为射频载波初始相位；
[0029]
步骤二、伪码相关模块以和ad采样单元的相同采样率对存储器模块产生的一个周期伪码序列进行采样，再输入fft模块进行处理后存入存储器模块，具体为：
[0030]
步骤2.1伪码相关模块以和ad采样单元的相同采样率对存储器模块产生的一个周期伪码序列，即对本地伪码进行采样，得到采样输出；
[0031]
其中，所述的相同采样率为f
s
；采样输出记为其表达式为如下公式(2)：
[0032][0033]
其中，表示带有估计相位的本地伪码；为本地伪码的估计相位，n
c
＝t
c
f
s
是本地伪码一个伪码周期的采样点数，t
c
＝lt
cp
为本地伪码的伪码周期，t
cp
＝1/r
cp
为一个本地伪码的码片持续时间，r
cp
为本地伪码的码速率；
[0034]
步骤2.2fft模块对步骤2.1的采样输出进行fft变换并取共轭；
[0035]
其中，fft变换并取共轭得到其表达式为如下公式(3)：
[0036][0037]
其中，表示对本地伪码的采样输出进行fft变换，表示对fft变换后的结果取共轭，k表示本地伪码经过fft处理后变换到频域的点数；
[0038]
步骤2.3将步骤2.2所得的结果存入存储器模块；
[0039]
步骤三、并行频率搜索模块确定搜索频率，并进行载波多普勒剥离，具体为：
[0040]
步骤3.1并行频率搜索模块根据信道先验信息估计载波多普勒频偏范围；
[0041]
其中，所述的信道先验信息为可预知的最大载波多普勒频偏；所述的载波多普勒频偏范围，记为：(
‑
f
d,max
,f
d,max
)，f
d,max
即最大载波多普勒频偏；
[0042]
步骤3.2将频偏范围按固定搜索步进划分成多个频率单元；
[0043]
其中，固定搜索步进，记为δf
d
，划分成l个频率单元，且第l个本地频率单元对应的搜索频率可以用如下公式(4)表示：
[0044]
f
l
＝
‑
f
d,max
lδf
d
,l＝0,1,2,...,l
‑1ꢀꢀꢀ
(4)
[0045]
其中，表示对2f
d,max
/δf
d
向上取整：
[0046]
步骤3.3并行频率搜索模块将本地载波与接收信号相乘完成载波多普勒剥离，具体为：
[0047]
所述的载波多普勒剥离可以用如下公式(5)表示：
[0048][0049]
其中，p
l
表示非相干积累模块中的累加次数；
[0050]
步骤四、伪码相关模块计算步骤3.3中载波多普勒频率剥离后的信号与本地伪码的循环相关结果，并取模值，具体为：
[0051]
步骤4.1先将第l条搜索通道的接收信号r
l
(n)以每行采样点长度为一个伪码周期n
c
，分为p
l
行，令i＝0,1,...,p
l
‑
1，经过划分后的r
l
(n)可写为：
[0052][0053]
步骤4.2伪码相关模块对步骤4.1划分后的信号按行做fft，得到每行的fft结果如下公式(7)：
[0054]
r
l
′
(p
l
,k)＝fft[r
l
(p
l
,n)],k＝0,1,2,...,n
c
‑1ꢀꢀꢀ
(7)
[0055]
步骤4.3伪码相关模块取步骤4.2的结果与步骤2.2的结果进行逐点相乘，并进行ifft变换，得到第l条频率搜索通道的p
l
次相关结果y
l
(p
l
,n)如下公式(8)：
[0056][0057]
其中，表示循环卷积，此时上式(8)可化简为：
[0058][0059]
步骤五、非相干积累模块将步骤4.3所得的每个频率搜索通道内的p
l
个相关结果进行非相干累加，得到长度为n
c
的相关序列，如下公式(11)：
[0060][0061]
步骤六、峰值检测模块对步骤五所得所有频率搜索通道内的相关积累结果进行幅值大小比较，设第l0条频率搜索通道内第τ0个位置出现最大幅值，则选取其结果定义为p
max
；
[0062]
步骤七、相关积累存储模块存储峰值检测模块所检测得到的幅值最大结果p
max
，及其左右相邻各一频率通道内的相关积累结果，具体为：
[0063]
步骤7.1相关积累存储模块存储峰值检测模块所检测得到的幅值最大结果p
max
，包括其对应的频率值f
max
和相位值τ
max
；
[0064]
步骤7.2相关积累存储模块同时存储与p
max
左右相邻各一频率通道l0‑
1和l0 1内，相同相位τ
max
处的相关积累结果，并比较三个相关积累结果的幅值大小，三个相关积累结果幅值可表示为：
[0065][0066][0067][0068]
其中，r
c
(
·
)表示伪码相关函数。
[0069]
将按照大小进行排序，分别将其对应的点定义为和同时也存储其相应的频率值f
max
，f
mid
和f
min
以及幅值和
[0070]
步骤7.3相关积累存储模块同时存储与p
max
左右相邻各一码相位内，相同频率f
max
处的相关积累结果，并比较三个相关积累结果的幅值大小，三个相关积累结果幅值可表示为：
[0071][0072][0073][0074]
其中，|τ
max
‑
τ
mid
|＝|τ
mid
‑
τ
min
|＝δτ。
[0075]
将按照大小进行排序，分别将其对应的点定义为和同时也存储其相应的码相位值τ
max
，τ
mid
和τ
min
以及幅值和
[0076]
步骤八、三角包络拟合模块利用相关积累结果和拟合频域和时域三角包络，分别求取各自三角包络顶点位置，具体为：
[0077]
步骤8.1连接和构成三角包络的一条斜边，可表示为：
[0078][0079]
步骤8.2以公式(18)的斜率取反，过作另一条斜边为：
[0080][0081]
步骤8.3求取步骤8.1和步骤8.2中两条斜边的交点，即为三角包络的顶点，记作利用三角包络与sinc包络顶点的位置具有相似性可知，所对应的频率值即为精化后的载波多普勒频率值；
[0082]
步骤8.4连接和构成三角包络的一条斜边，可表示为：
[0083][0084]
步骤8.5以公式(20)的斜率取反，过作另一条斜边为：
[0085][0086]
步骤8.6求取步骤8.4和步骤8.5中两条斜边的交点，即为三角包络的顶点，记作p
vτ
，利用三角包络与伪码相关包络顶点的位置具有相似性可知，p
vτ
所对应的伪码相位值即为
精化后的伪码相位值；
[0087]
至此，从步骤一到步骤八完成了一种直扩信号时频二维内插精估方法。
[0088]
(三)有益效果
[0089]
上述技术方案所提供的直扩信号时频二维内插精估方法，具有如下有益效果：
[0090]
1.本发明建立在传统码域并行搜索捕获结构的基础上，实现简单，无需加入额外的复杂结构，保证了捕获速度，在捕获时间受限的情况下能够快速、准确地完成时频二维精估；
[0091]
2.通过利用三角包络与sinc包络及伪码相关包络顶点位置的相似性，避免选取大量点数进行拟合，在低信噪比下可通过非相干积累有效获取信噪比增益，只需选取5个采样点便可完成时频二维精估。
附图说明
[0092]
图1为本发明实施例1的示意图；
[0093]
图2为本发明实施例1中载波多普勒频率精化结果仿真图；
[0094]
图3为本发明实施例1中伪码相位精化结果仿真图。
具体实施方式
[0095]
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0096]
为了提高低信噪比、高动态下的捕获精度，本发明研究了一种基于三角包络拟合的时频二维精估算法，利用时频二维模糊函数(cross
‑
ambiguity function，caf)切面与三角包络的相似性，将精估过程简化为求取三角包络顶点位置的过程，在不提升捕获模块采样率和采样点数的情况下，有效改善低信噪比、高动态dsss信号的估计精度，同时捕获时间没有明显增加。
[0097]
实施例1
[0098]
本实施例阐述了将本发明“一种直扩信号时频二维内插精估方法”应用于大频偏、低信噪比下直接序列扩频信号时频二维精估的结构框图。本实施例以射频频率为f
rf
＝2.2ghz，伪码周期为1023，码片速率为r
cp
＝3.069mcps，数据速率为r
d
＝2kbps，取相关时间长度为1个伪码周期，载波多普勒频率为f
d
∈(
‑
200khz,200khz)为例，由图1可以看出，接收机天线接收信号，再通过射频前端下变频和采样，再进行频率并行搜索，其结果输出给fft模块，fft模块处理后，输出值伪码相关模块并与存储器模块中存储的本地伪码序列fft结果进行相关运算，再经非相干积累模块进行信噪比积累，之后将相关积累结果输出给峰值检测模块完成检测，利用相关积累存储模块对5个相关积累结果进行存储，最终经过三角包络拟合模块处理得出时频二维精估结果。
[0099]
实施例2
[0100]
本实施例按照实施例1所述的参数具体阐述了执行本发明步骤一到八后时频二维精估结果，频域结果如图2所示，时域结果如图3所示；
[0101]
图2中，横坐标表示捕获之后的频差，其单位为hz；纵坐标表示频率精化之后的频差，单位为hz；
[0102]
从图2中可以看出，本实施例中，捕获之后最大频差可达1khz，经过本方法对载波多普勒频率进行精化后，残余频差最大不超过90hz，极大地优化了捕获之后的频率误差，更有利于后续载波跟踪环路快速稳定地锁定信号。
[0103]
图3中，横坐标表示捕获之后的码相位差，其单位为chip；纵坐标表示时域精化之后的码相位精化比例，定义码相位精化比例为经过精化处理后，码相位估计误差与处理前之比；
[0104]
从图3中可以看出，本实施例中，精化算法在捕获后码相位误差越大的情况下，具有越为明显的精化效果，当码相位搜索步进为1码片时，捕获之后所得码相位误差相较于其他两组数值较大，但通过精化之后，码相位误差明显减小，完全满足后续伪码跟踪环路入锁需求。
[0105]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。