一种DS/FH扩频信号载波频率的高精度测量系统的制作方法

一种ds/fh扩频信号载波频率的高精度测量系统
技术领域
1.本发明属于无线通信领域，涉及一种ds/fh扩频信号载波频率的高精度测量系统。


背景技术：

2.扩频通信技术由于具有保密性好、抗干扰能力强和频谱效率高的优点，已被广泛应用军事和民用通信系统，扩频通信在发射端采用扩频码对基带信息进行调制，然后再接收端采用相同的扩频码进行解扩以恢复出原始基带信息，传输过程中信号占的频带宽度远大于传输信息所需要的带宽，目前已成为无线电通信的主流技术。
3.扩频通信根据扩频方式可分为直接序列(direct sequence，ds)扩频、跳频(frequency hopping，fh)扩频、跳时(time hopping，th)等单一体制扩频技术以及上述几种方式组合得到的混合扩频。ds扩频具有通信隐蔽性好和抗多径干扰性能好的优点，但其处理增益受限、对同步要求严格、远近效应不好，fh扩频具有良好的远近特性、可达到非常宽的通信带宽、可避免单频干扰的优点，但快跳时设备复杂、慢跳时隐蔽性差，ds/fh扩频技术在ds扩频的基础上增加跳频的工作方式，综合了ds扩频和fh扩频的优点，兼具有ds扩频隐蔽性好和fh扩频对干扰的躲避性号的性能，而且克服了ds扩频系统的远近效应，突破单一扩频方式的瓶颈，因此，ds/fh扩频技术不仅在军事领域上占据着重要位置，而且在民用通信领域也具有重要意义。
4.在高动态、低信噪比、强干扰等复杂环境下，高精度信号跟踪环路的带宽极窄，要实现扩频通信的可靠跟踪，必须在事先信号捕获的基础上对接收信号的载波频率进行进一步精确测量，载波频率的精确测量目的是使本地信号的载波频率与接收信号的载波频率之差较小，使载波环可以快速而可靠地进行频率同步，若本地信号与接收信号之间的误差超过了跟踪环路的牵引范围，则跟踪环路通常会无法正常入锁。
5.传统测量方法一般采用快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)，对接收信号的采样数据直接进行频率测量，方法简单，易于工程实现，应用广泛，但无法克服不同跳频频点具有不同的载波多普勒的影响，而且只实现了载波多普勒频移的粗略测量，没有测量载波多普勒变化率，无法校正由于目标高速机动、处理时间延迟等造成的频率偏移，频率测量精度差，无法适应实际接收系统的性能需求，因此，如何精确、快速、有效地测量ds/fh扩频信号的载波频率，成为ds/fh扩频通信系统亟待解决的关键核心技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种ds/fh扩频信号载波频率的高精度测量系统，本测量系统可在高动态、低信噪比场景下快速、有效、精确地测量ds/fh扩频信号的载波频率，为后续信号处理提供高精度的载波多普勒频移、载波多普勒变化率测量值。
7.本发明目的通过下述技术方案来实现：
8.一种ds/fh扩频信号载波频率的高精度测量系统，所述测量系统包括：扩跳图案模
块、解扩解跳模块、采样缓存模块、二维开槽模块、补偿修正模块、积分累加模块、峰值搜索模块和频率解算模块；
9.所述扩跳图案模块根据捕获信息结合直扩伪码和跳频图案实时生成直扩伪码和跳频频率；
10.所述解扩解跳模块根据实时生成的直扩伪码和跳频频率对接收信号进行伪码解扩和频率解跳；
11.采样缓存模块对解扩解跳模块输出的修正数据进行滤波采样和数据缓存；
12.二维开槽模块根据捕获信息中的载波多普勒频移和载波多普勒变化率范围将运动速度、加速度划分成若干个二维搜索子槽；
13.补偿修正模块根据扩跳图案模块输出的跳频频率和二维开槽模块输出的子槽信息对采样缓存模块逆序读取的采样数据进行载波频率的补偿修正；
14.积分累加模块对补偿修正模块输出的补偿数据采用相干积分方法和非相干积分方法，得到积分累加数据；
15.峰值搜索模块对所有子槽的积分累加数据采用比较搜索方法，得到积分峰值所在子槽信息；
16.频率解算模块根据积分峰值子槽信息采用时间修正方法，解算得到输出时刻接收信号的载波多普勒频移、载波多普勒变化率。
17.根据一个优选的实施方式，所述扩跳图案模块根据捕获信息中的直扩码相位、跳频码相位和载波多普勒频移f
acq
，结合直扩伪码和跳频图案，实时产生直扩伪码c
ds
和跳频频率f
hopp
。
18.根据一个优选的实施方式，解扩解跳模块根据扩跳图案模块输出的跳频频率f
hopp
和工作时钟频率f
sys
，采用计算公式cw
hopp
＝f
hopp
/f
sys
×232
进行数据转换，得到跳频频率控制字cw
hopp
，对cw
hopp
进行累加得到查询地址，通过地址映射、查表生成跳频频率f
hopp
的本地载波；接收信号与扩跳图案模块输出的直扩伪码c
ds
进行异或运算，然后异或运算结果与跳频频率f
hopp
的本地载波进行复乘运算，完成接收信号扩跳修正。
19.根据一个优选的实施方式，采样缓存模块根据信号采样频率f
samp
，采用计算公式cw
samp
＝f
samp
/f
sys
×232
进行数据转换，并利用直接数字频率合成器dds生成清零脉冲，然后采用累加器对解扩解跳模块输出的修正数据不断累加，在清零脉冲有效时输出累加值，并对输入累加器的数据进行积分清零，循环此过程，对解扩解跳模块输出的修正数据完成滤波采样处理，将采样数据正序存入数据缓存模块中，当采样数据数目达到n
×
m时，n为相干积分点数，m为非相干积分次数，启动数据处理状态，从数据缓存模块中逆序读取采样数据。
20.根据一个优选的实施方式，二维开槽模块根据捕获信息中的载波多普勒频移f
acq
，采用计算公式v
acq
＝f
acq
×
c/f
rf
进行数据转换，得到初始运动速度v
acq
，其中，c为光在真空中的传播速度，f
rf
为射频频率；
21.将运动速度划分为2lv 1个运动速度搜索值，运动速度搜索轮次lv∈(0,1,
…
,2lv)，运动速度搜索步进v
step
，从最小运动速度v
acq-lv×vstep
顺次搜索至最大运动速度v
acq
lv×vstep
；
22.根据载波多普勒变化率范围将加速度划分为la 1个加速度搜索值，加速度搜索轮次la∈(0,1,
…
,la)，加速度搜索步进a
step
＝(a
max-a
min
)/la，从最小加速度a
min
顺次搜索至最
大加速度a
max
；
23.2lv 1个运动速度搜索值和la 1个加速度搜索值一共组成(2lv 1)
×
(la 1)个二维搜索子槽，搜索子槽中运动速度搜索值v
comp
为v
acq
(l
v-lv)
×vstep
、加速度搜索值a
comp
为a
min
la×astep
。
24.根据一个优选的实施方式，补偿修正模块根据二维开槽模块中搜索子槽的运动速度搜索值v
comp
和跳频图案模块输出的跳频频率f
hopp
，采用计算公式k
dopl
＝v
comp
/c
×
(f
rf
f
hopp
)
×
(2
32
/f
samp
)进行数据转换，得到载波多普勒频移控制字k
dopl
，同时根据二维开槽模块中搜索子槽的加速度搜索值a
comp
和跳频图案模块输出的跳频频率f
hopp
，采用计算公式k
rate
＝a
comp
/c
×
(f
rf
f
hopp
)
×
(2
32
/f
samp
)2进行数据转换，得到载波多普勒变化率控制字k
rate
；对载波多普勒频移控制字k
dopl
进行一次累加得到查询地址，通过地址映射、查表生成载波多普勒频移的本地载波，同时对载波多普勒变化率控制字k
rate
进行两次累加得到查询地址，通过地址映射、查表生成载波多普勒变化率的本地载波；最后利用两路生成的本地载波进行复乘运算得到本地复合载波，从采样缓存模块逆序读取的采样数据与本地复合载波进行复乘运算完成载波多普勒频移、载波多普勒变化率的频率补偿。
25.根据一个优选的实施方式，积分累加模块对补偿修正模块输出的频率补偿数据采用n点相干积分和m次非相干积分方法，得到积分累加数据；峰值搜索模块对所有搜索子槽的积分累加数据采用比较搜索方法，得到积分峰值所在子槽的运动速度v
vpp
和加速度a
vpp
。
26.根据一个优选的实施方式，频率解算模块根据峰值搜索模块输出的运动速度v
vpp
和加速度a
vpp
，结合采样数据处理时间t
calcu
，采用时间修正技术，校正得到当前时刻接收信号的载波多普勒频移f
dopl
为[-v
vpp
a
vpp
×
t
calcu
]/c
×
(f
rf
f
hopp
)、载波多普勒变化率f
rate
为a
vpp
/c
×
(f
rf
f
hopp
)。
[0027]
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0028]
本发明相对于传统ds/fh扩频信号载波频率测量方法具有以下有益效果：
[0029]
适应高动态场景。本发明二维开槽模块将运动速度、加速度划分成多个二维搜索子槽进行载波频率的补偿修正，实现了接收信号载波多普勒频移、载波多普勒变化率的双重测量，相比于传统捕获方法，可适应高动态场景的性能需求。
[0030]
频率测量精度高。本发明二维开槽模块将运动速度、加速度划分成多个二维搜索子槽进行载波频率的补偿修正，克服了不同跳频频点具有不同的载波多普勒的影响，结合时间修正技术，相对于传统测量方法，进一步提高了载波频率的测量精度。
[0031]
处理实时性好。本发明采用高频时钟快速处理采样缓存模块逆序读取的采样数据，使相关运算量减少，可采用多个积分累加模块并行处理，极大地缩短数据处理时间，相对于传统测量方法，捕获速度得到显著提高。
附图说明
[0032]
图1是本发明ds/fh扩频信号载波频率的高精度测量系统的工作原理示意图；
[0033]
图2是本发明的解扩解跳模块的工作原理示意图；
[0034]
图3是本发明的采样缓存模块的工作原理示意图；
[0035]
图4是本发明的补偿修正模块的工作原理示意图。
具体实施方式
[0036]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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。
[0038]
本发明公开了一种ds/fh扩频信号载波频率的高精度测量系统，所述测量系统包括：扩跳图案模块、解扩解跳模块、采样缓存模块、二维开槽模块、补偿修正模块、积分累加模块、峰值搜索模块和频率解算模块。
[0039]
本发明测量系统的工作原理参考图1所示。具体地：
[0040]
优选地，扩跳图案模块根据捕获信息结合直扩伪码和跳频图案实时生成直扩伪码和跳频频率。
[0041]
进一步地，扩跳图案模块根据捕获信息中的直扩码相位、跳频码相位和载波多普勒频移f
acq
，结合直扩伪码和跳频图案，实时产生直扩伪码c
ds
和跳频频率f
hopp
。
[0042]
优选地，解扩解跳模块根据实时生成的直扩伪码和跳频频率对接收信号进行伪码解扩和频率解跳。
[0043]
进一步地，参考图2所示，解扩解跳模块根据扩跳图案模块输出的跳频频率f
hopp
和工作时钟频率f
sys
，采用计算公式cw
hopp
＝f
hopp
/f
sys
×232
进行数据转换，得到跳频频率控制字cw
hopp
，对cw
hopp
进行累加得到查询地址，通过地址映射、查表生成跳频频率f
hopp
的本地载波；接收信号与扩跳图案模块输出的直扩伪码c
ds
进行异或运算，然后异或运算结果与跳频频率f
hopp
的本地载波进行复乘运算，对接收信号完成扩跳修正。
[0044]
优选地，采样缓存模块对解扩解跳模块输出的修正数据进行滤波采样和数据缓存。
[0045]
进一步地，参考图3所示。采样缓存模块根据信号采样频率f
samp
，采用计算公式cw
samp
＝f
samp
/f
sys
×232
进行数据转换，利用直接数字频率合成器(dds)生成清零脉冲，然后采用累加器对解扩解跳模块输出的修正数据不断累加，在清零脉冲有效时输出累加值，并对输入累加器的数据进行积分清零，循环此过程，对解扩解跳模块输出的修正数据完成滤波采样处理，将采样数据正序存入数据缓存模块中，当采样数据数目达到n
×
m时，n为相干积分点数，m为非相干积分次数，启动数据处理状态，从数据缓存模块中逆序读取采样数据。
[0046]
优选地，二维开槽模块根据捕获信息中的载波多普勒频移和载波多普勒变化率范围将运动速度、加速度划分成若干个二维搜索子槽。
[0047]
进一步地，二维开槽模块根据捕获信息中的载波多普勒频移f
acq
，采用计算公式v
acq
＝f
acq
×
c/f
rf
进行数据转换，得到初始运动速度v
acq
，其中，c为光在真空中的传播速度，f
rf
为射频频率；将运动速度划分为2lv 1个运动速度搜索值，运动速度搜索轮次lv∈(0,
1,
…
,2lv)，运动速度搜索步进v
step
，从最小运动速度v
acq-lv×vstep
顺次搜索至最大运动速度v
acq
lv×vstep
；根据载波多普勒变化率范围将加速度划分为la 1个加速度搜索值，加速度搜索轮次la∈(0,1,
…
,la)，加速度搜索步进a
step
＝(a
max-a
min
)/la，从最小加速度a
min
顺次搜索至最大加速度a
max
；2lv 1个运动速度搜索值和la 1个加速度搜索值一共组成(2lv 1)
×
(la 1)个二维搜索子槽，搜索子槽中运动速度搜索值v
comp
为v
acq
(l
v-lv)
×vstep
、加速度搜索值a
comp
为a
min
la×astep
。
[0048]
优选地，补偿修正模块根据扩跳图案模块输出的跳频频率和二维开槽模块输出的子槽信息对采样缓存模块逆序读取的采样数据进行载波频率的补偿修正。
[0049]
进一步地，参考图4所示。补偿修正模块根据二维开槽模块中搜索子槽的运动速度搜索值v
comp
和跳频图案模块输出的跳频频率f
hopp
，采用计算公式k
dopl
＝v
comp
/c
×
(f
rf
f
hopp
)
×
(2
32
/f
samp
)进行数据转换，得到载波多普勒频移控制字k
dopl
，同时根据二维开槽模块中搜索子槽的加速度搜索值a
comp
和跳频图案模块输出的跳频频率f
hopp
，采用计算公式k
rate
＝a
comp
/c
×
(f
rf
f
hopp
)
×
(2
32
/f
samp
)2进行数据转换，得到载波多普勒变化率控制字k
rate
；对载波多普勒频移控制字k
dopl
进行一次累加得到查询地址，通过地址映射、查表生成载波多普勒频移的本地载波，同时对载波多普勒变化率控制字k
rate
进行两次累加得到查询地址，通过地址映射、查表生成载波多普勒变化率的本地载波；最后利用两路生成的本地载波进行复乘运算得到本地复合载波，从采样缓存模块逆序读取的采样数据与本地复合载波进行复乘运算完成载波多普勒频移、载波多普勒变化率的频率补偿。
[0050]
优选地，积分累加模块对补偿修正模块输出的补偿数据采用相干积分方法和非相干积分方法，得到积分累加数据，峰值搜索模块对所有子槽的积分累加数据采用比较搜索方法，得到积分峰值所在子槽信息。
[0051]
进一步地，积分累加模块对补偿修正模块输出的频率补偿数据采用n点相干积分和m次非相干积分方法，得到积分累加数据；峰值搜索模块对所有搜索子槽的积分累加数据采用比较搜索方法，得到积分峰值所在子槽的运动速度v
vpp
和加速度a
vpp
。
[0052]
优选地，频率解算模块根据积分峰值子槽信息采用时间修正方法，解算得到输出时刻接收信号的载波多普勒频移、载波多普勒变化率。
[0053]
进一步地，频率解算模块根据峰值搜索模块输出的运动速度v
vpp
和加速度a
vpp
，结合采样数据处理时间t
calcu
，采用时间修正技术，校正得到当前时刻接收信号的载波多普勒频移f
dopl
为[-v
vpp
a
vpp
×
t
calcu
]/c
×
(f
rf
f
hopp
)、载波多普勒变化率f
rate
为a
vpp
/c
×
(f
rf
f
hopp
)。
[0054]
实施例
[0055]
以某卫星发射的ds/fh扩频信号为例，工作频率f
rf
为22.0ghz，直扩码速率r
dsrds
为10.0mcps，直扩码周期l
ds
为2500，跳频速率r
fh
为20khop/s，跳频间隔f
fh
为40khz调制信息速率rb为4.0kbps，载波多普勒频移范围为
±
900.0khz，载波多普勒变化率范围为
±
7.5khz/s。
[0056]
扩跳图案模块根据捕获信息中的直扩码相位、跳频码相位和载波多普勒频移f
acq
，实时产生直扩伪码c
ds
和跳频频率f
hopp
。
[0057]
解扩解跳模块根据实时的直扩伪码c
ds
和跳频频率f
hopp
对接收信号进行伪码解扩和频率解跳。
[0058]
采样缓存模块的信号采样频率f
samp
为100khz，接收信号经过滤波采样处理后得到采样数据，当采样数据数目达到n
×
m为100
×
16时，启动数据处理状态，二维开槽模块根据捕获信息中的载波多普勒频移f
acq
得到初始运动速度v
acq
将运动速度划分为101个运动速度搜索值，运动速度搜索步进v
step
为1.0m/s，从最小运动速度v
acq-50顺次搜索至最大运动速度v
acq
50，根据载波多普勒变化率范围将加速度划分为201个加速度搜索值，加速度搜索步进a
step
为1.0m/s，从最小加速度-100.0m/s2顺次搜索至最大加速度 100.0m/s2，101个运动速度搜索值和201个加速度搜索值一共组成101
×
201个二维搜索子槽。
[0059]
补偿修正模块根据扩跳图案模块输出的跳频频率和二维开槽模块输出的子槽信息对采样缓存模块逆序读取的采样数据进行载波频率的补偿修正。
[0060]
积分累加模块对补偿修正模块输出的频率补偿数据采用n点相干积分和m次非相干积分方法，得到积分累加数据。
[0061]
峰值搜索模块对所有搜索子槽的积分累加数据采用比较搜索方法，得到积分峰值所在子槽的运动速度v
vpp
和加速度a
vpp
。
[0062]
频率解算模块根据峰值搜索模块输出的运动速度v
vpp
和加速度a
vpp
，结合采样数据处理时间t
calcu
采用时间修正技术，校正得到当前时刻接收信号的载波多普勒频移f
dopl
、载波多普勒变化率f
rate
。
[0063]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。