一种高动态非相干直扩信号差分捕获系统的制作方法

1.本发明属于无线通信领域，涉及一种高动态非相干直扩信号差分捕获系统。


背景技术：

2.扩频通信以其抗干扰和抗多径能力强、频谱利用率高、多址通信等诸多优点已成为人们的共识，由于其使用了伪随机码对数据信息进行扩频调制，具有很多独特的优点：用于通信中，抗干扰能力强，发射功率低，抗截获能力高，保密性能好，具有码分多址和任意选址的特点；在测距中，采用伪随机码测距，可以极大地提高测距精度，因此，在航天测控、雷达探测、卫星导航、移动通信等等领域得到了广泛应用。
3.根据扩频调制方式的不同，扩频信号可分为相干直扩信号和非相干直扩信号，其中相干直扩信号的扩频比为整数，且调制信息与扩频码满足边界重合关系，时实现数据传输和常规定位的主要手段，而非相干直扩信号则在遥测遥控和高精度定位领域得到了广泛应用，与相干直扩信号相比，非相干直扩信号的调制信息与扩频序列一般采用非同源时钟，其信息速率与扩频码速率可根据实际情况灵活设置，具有更强的抗截获性能和更高的定位精度，但与此同时，由于非相干调制信息破坏了扩频码自身的周期性，传统相干直扩信号捕获算法的灵敏度被大幅降低。
4.载波频率和伪码相位的可靠同步，作为扩频通信系统同步的关键环节，是实现扩频通信的基础，由于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，必须事先完成信号检测并对伪码相位和频率动态进行粗估计，伪码相位捕获的目的是使本地信号的伪码相位与接收信号的伪码相位之差较小，使码环能够快速而可靠地进行伪码同步，载波频率捕获的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，因此，如何精确、快速、有效地捕获扩频信号的载波频率和伪码相位，成为扩频通信系统的关键核心技术。
5.传统直扩信号的具体方法有很多，滑动相关法结构简单，易于工程实现，应用广泛，但耗费时间长，捕获速度慢；并行频率法采用长点的快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)，对载波频率一次完成搜索，但捕获时间与伪码长度成正比，而且信号灵敏度容易变差，硬件资源消耗较大；并行码相位法采用fft将长的伪码相位搜索一次完成，捕获速度快，但载波频率搜索范围小，载波频率测量误差大；基于部分匹配滤波器和fft捕获方法，作为一种时频二维并行搜索方法，既能克服搜索速度慢的缺点，又能在大频率动态范围内估计出载波频率，与常规方法的处理速度相比有了很大的提高，但上述方法策略有各自的优点和缺点，能够适应一定特定的应用场景，并未考虑非相干调制信息对信号捕获的影响，无法精确、快速、有效地捕获到非相干直扩信号。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对传统直扩信号捕获方法的技术缺陷，提供了一种高动态非
相干直扩信号差分捕获系统，可在高动态场景下快速、有效、精确地捕获非相干直扩信号，为后续跟踪环路提供高精度的载波多普勒频移、直扩码相位测量值。
7.本发明目的通过下述技术方案来实现：
8.一种高动态非相干直扩信号差分捕获系统，所述差分捕获系统包括：积分采样缓存模块、分组数据压缩模块、本地伪码模块、频率处理支路、相位处理支路、峰值搜索模块和检测解算模块；
9.其中，频率处理支路内顺次串联有复平方模块、补零fft模块、非相干积分模块；
10.相位处理支路包括：共轭差分模块、第一fft模块、异或差分模块、第二fft模块、共轭模块、ifft模块、相干积分模块；
11.所述积分采样缓存模块对接收信号进行积分降采样处理，控制采样数据的乒乓读写；
12.分组数据压缩模块对采样数据进行分组数据压缩处理，串行多轮次输出分组数据压缩后的采样数据；
13.采样数据经过分组数据压缩后分为两路，
14.一路进入频率处理支路中，复平方模块对分组数据压缩后的采样数据进行载波恢复，补零fft模块对复平方模块输出后的数据进行快速傅里叶变换，非相干积分模块对补零fft模块输出后的数据进行非相干积分处理；
15.另一路进入相位处理支路中，共轭差分模块对分组数据压缩后的采样数据进行共轭差分处理，第一fft模块对采样数据共轭差分数据进行快速傅里叶变换得到采样数据变换数据，同时异或差分模块对本地伪码模块输出的本地伪码进行异或差分处理，第二fft模块对本地伪码异或差分数据进行快速傅里叶变换，取共轭后得到本地伪码变换数据，采样数据变换数据和本地伪码变换数据进行复乘运算得到复乘运算数据，ifft模块对复乘运算数据进行快速傅里叶逆变换，相干积分模块对逆变换数据进行相干积分处理；
16.峰值搜索模块对所有串行轮次频率处理支路、相位处理支路输出的积分累加数据采用比较搜索的方法得到积分峰值及其所在指数，采用加权平均的方法得到自适应检测门限；
17.检测解算模块采用积分峰值与自适应检测门限作比较判决的方法检测接收信号，并解算得到载波多普勒频移、直扩码相位。
18.根据一个优选的实施方式，所述积分采样缓存模块选取积分采样率为n
×
rc，n为分组数据压缩串行轮次总数，rc为直扩码速率，采用计算公式k
samp
＝n
×
rc/f
data
×232
进行数据转换，f
data
为数据采样率，得到积分采样频率控制字k
samp
，并通过直接数字频率合成器dds生成清零脉冲，然后采用累加器对输入数据不断累加，在清零脉冲有效时将数据累加值写入乒乓缓存模块中，并对累加器进行积分清零，循环此过程，对输入数据完成积分采样处理；当采样数据总数超过n
×
l
×
m 2时，l为直扩码周期，m为相干积分次数，切换采样数据缓存空间，并启动数据处理状态，采用乒乓读写控制的方法，实现接收信号的准实时捕获。
19.根据一个优选的实施方式，所述分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法，对积分采样缓存模块输出的n
×
l
×
m 2个采样数据进行分组数据压缩，转变成n组l
×
m 1个数据，串行n轮次输出处理。
20.根据一个优选的实施方式，所述分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法后输出
的n轮次l
×
m 1个数据分为两路，其中一路数据进入频率处理支路中，复平方模块对分组数据压缩后的采样数据进行载波恢复，将载波恢复后的l
×
m 1个数据补零至k个，k为补零fft模块的快速傅里叶变换点数，补零fft模块对k个补零数据进行快速傅里叶变换，非相干积分模块对补零fft模块输出的k个数据进行非相干积分处理，得到频率处理支路的积分累加数据x
n,k
，n为分组数据压缩模块输出数据的串行轮次，满足n∈(0,1,
…
,n-1)，k为频率处理支路的数据指数，满足k∈(0,1,
…
,k-1)。
21.根据一个优选的实施方式，另一路数据进入相位处理支路中，分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法后输出的数据为s(i)，i为分组数据压缩后的数据指数，满足i∈(0,1,
…
,l
×
m)，共轭运算后为s
*
(i)，差分相乘运算后采样数据共轭差分数据s
diff
(i)为s
*(i)×
s(i 1)。
22.根据一个优选的实施方式，所述本地伪码模块输出的本地伪码为c(i)，c(i)取值0或1，异或差分运算后为经过数据转换后本地伪码异或差分数据c
diff
(i)为
23.根据一个优选的实施方式，所述第一fft模块对采样数据共轭差分数据s
diff
(i)进行m次l点快速傅里叶变换得到l
×
m个采样数据变换数据，第二fft模块对本地伪码异或差分数据c
diff
(i)进行m次l点快速傅里叶变换，取共轭后得到l
×
m个本地伪码变换数据，l
×
m个采样数据变换数据和l
×
m个本地伪码变换数据进行复乘运算得到l
×
m个复乘运算数据，ifft模块对l
×
m个复乘运算数据进行m次l点快速傅里叶逆变换得到l
×
m个逆变换数据，相干积分模块对l
×
m个逆变换数据进行m次相干积分处理，得到相位处理支路的积分累加数据y
n,l
，l为相位处理支路的数据指数，满足l∈(0,1,
…
,l-1)。
24.根据一个优选的实施方式，所述峰值搜索模块对所有串行轮次频率处理支路的积分累加数据x
n,k
，采用比较搜索的方法得到频率处理支路的积分峰值x
vpp
、积分峰值所在指数k
vpp
，采用加权平均的方法得到积分均值x
avg
，结合频率检测门限比例因子κ
freq
，得到频率处理支路的自适应检测门限x
thr
为κ
freq
×
x
avg
；对所有串行轮次相位处理支路的积分累加数据y
n,l
，采用比较搜索的方法得到相位处理支路的积分峰值y
vpp
、积分峰值所在轮次n
vpp
、积分峰值所在指数l
vpp
，采用加权平均的方法得到积分均值y
avg
，结合相位检测门限比例因子κ
code
，得到相位处理支路的自适应检测门限y
thr
为κ
code
×yavg
。
25.根据一个优选的实施方式，所述检测解算模块对采用积分峰值与自适应检测门限进行比较判决，当x
vpp
》x
thr
且y
vpp
》y
thr
时，表明捕获成功，否则捕获失败；当捕获成功时，根据频率处理支路的积分峰值所在指数k
vpp
，解算得到载波多普勒频移f
dopl
为根据相位处理支路的积分峰值所在轮次n
vpp
、积分峰值所在指数l
vpp
，解算得到直扩码相位τ
code
为l
vpp
n
vpp
/n。
26.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。
27.本发明相对于传统直扩信号捕获方法具有以下有益效果：
28.适应高动态场景。本发明在频率处理支路中，复平方模块对分组数据压缩后的采
样数据进行载波恢复，补零fft模块对载波恢复后的数据直接进行快速傅里叶变换，具有极大的载波频率测量范围，可适应高动态场景的捕获性能需求，
29.捕获测量精度高。本发明中分组数据压缩模块对采样数据进行分组数据压缩，在频率处理支路中，补零fft模块采用数据补零的方法进行大点数的快速傅里叶变换，可完成直扩码相位、载波多普勒频移的精确测量。
30.处理实时性好。本发明积分采样缓存模块对采样数据采用乒乓读写控制的方法，实现接收信号的准实时捕获，采用高频时钟快速处理积分采样缓存模块输出的采样数据，使相关运算量减少，捕获速度提高显著。
31.克服非相干影响。本发明共轭差分模块对分组数据压缩后的采样数据进行共轭差分处理，实现调制信息、载波多普勒频移的双重剥离，基于fft-ifft算法实现直扩码相位的并行搜索，克服非相干调制信息对信号捕获的影响。
附图说明
32.图1是本发明高动态非相干直扩信号差分捕获系统工作原理示意图；
33.图2是本发明系统的积分采样缓存模块的工作原理示意图；
34.图3是本发明系统的分组数据压缩模块的工作原理示意图；
35.图4是本发明系统的共轭差分模块的工作原理示意图；
36.图5是本发明系统的异或差分模块的工作原理示意图。
具体实施方式
37.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。
38.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。
39.本发明公开了一种高动态非相干直扩信号差分捕获系统，所述差分捕获系统包括：积分采样缓存模块、分组数据压缩模块、本地伪码模块、频率处理支路、相位处理支路、峰值搜索模块和检测解算模块。
40.其中，频率处理支路内顺次串联有复平方模块、补零fft模块、非相干积分模块，相位处理支路包括：共轭差分模块、第一fft模块、异或差分模块、第二fft模块、共轭模块、ifft模块、相干积分模块。
41.参考图1所示，图1示出了本发明系统的工作原理。具体地：
42.优选地，所述积分采样缓存模块对接收信号进行积分降采样处理，控制采样数据的乒乓读写。
43.进一步地，参考图2所示,积分采样缓存模块选取积分采样率为n
×
rc，n为分组数据压缩串行轮次总数，rc为直扩码速率，采用计算公式k
samp
＝n
×
rc/f
data
×232
进行数据转
换，f
data
为数据采样率，得到积分采样频率控制字k
samp
，通过直接数字频率合成器(dds)生成清零脉冲，然后采用累加器对输入数据不断累加，在清零脉冲有效时将数据累加值写入乒乓缓存模块中，并对累加器进行积分清零，循环此过程，对输入数据完成积分采样处理；当采样数据总数超过n
×
l
×
m 2时，l为直扩码周期，m为相干积分次数，切换采样数据缓存空间，并启动数据处理状态，采用乒乓读写控制的方法，实现接收信号的准实时捕获。
44.优选地，分组数据压缩模块对采样数据进行分组数据压缩处理，串行多轮次输出分组数据压缩后的采样数据。
45.进一步地，参考图3所示。分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法，对积分采样缓存模块输出的n
×
l
×
m 2个采样数据进行分组数据压缩，转变成n组l
×
m 1个数据，串行n轮次输出处理，分组数据压缩模块的输入数据为：(a
1,1
、a
2,1
、
…
、a
n-1,1
、a
n,1
)、(a
1,2
、a
2,2
、
…
、a
n-1,2
、a
n,2
)、(a
1,3
、a
2,3
、
…
、a
n-1,3
、a
n,3
)、(a
1,4
、a
2,4
、
…
、a
n-1,4
、a
n,4
)、
…
，采用分组数据压缩算法后，分组数据压缩模块的输出数据为：轮次0：(a
1,1
a
2,1

…
a
n-1,1
a
n,1
)、(a
1,2
a
2,2

…
a
n-1,2
a
n,2
)、(a
1,3
a
2,3

…
a
n-1,3
a
n,3
)、
…
，轮次1：(a
2,1

…
a
n-1,1
a
n,1
a
1,2
)、(a
2,2

…
a
n-1,2
a
n,2
a
1,3
)、(a
2,3

…
a
n-1,3
a
n,3
a
1,4
)、
…
，
……
，轮次n-1：(a
n,1
a
1,2
a
2,2

…
a
n-1,2
)、(a
n,2
a
1,3
a
2,3

…
a
n-1,3
)、(a
n,3
a
1,4
a
2,4

…
a
n-1,4
)、
…
。
46.优选地，采样数据经过分组数据压缩后分为两路，一路进入频率处理支路中，复平方模块对分组数据压缩后的采样数据进行载波恢复，补零fft模块对复平方模块输出后的数据进行快速傅里叶变换，非相干积分模块对补零fft模块输出后的数据进行非相干积分处理。
47.进一步地，分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法后输出的n轮次l
×
m 1个数据分为两路，一路进入频率处理支路中，复平方模块对分组数据压缩后的采样数据进行载波恢复，将载波恢复后的l
×
m 1个数据补零至k个，k为补零fft模块的快速傅里叶变换点数，补零fft模块对k个补零数据进行快速傅里叶变换，非相干积分模块对补零fft模块输出的k个数据进行非相干积分处理，得到频率处理支路的积分累加数据x
n,k
，n为分组数据压缩模块输出数据的串行轮次，满足n∈(0,1,
…
,n-1)，k为频率处理支路的数据指数，满足k∈(0,1,
…
,k-1)。
48.优选地，采样数据经过分组数据压缩后的另一路进入相位处理支路中。共轭差分模块对分组数据压缩后的采样数据进行共轭差分处理，第一fft模块对采样数据共轭差分数据进行快速傅里叶变换得到采样数据变换数据，同时异或差分模块对本地伪码模块输出的本地伪码进行异或差分处理，第二fft模块对本地伪码异或差分数据进行快速傅里叶变换，取共轭后得到本地伪码变换数据，采样数据变换数据和本地伪码变换数据进行复乘运算得到复乘运算数据，ifft模块对复乘运算数据进行快速傅里叶逆变换，相干积分模块对逆变换数据进行相干积分处理。
49.进一步地，参考图4所示。另一路进入相位处理支路中，分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法后输出的数据为s(i)，i为分组数据压缩后的数据指数，满足i∈(0,1,
…
,l
×
m)，共轭运算后为s
*
(i)，差分相乘运算后采样数据共轭差分数据s
diff
(i)为s
*(i)×
s(i 1)。
50.参阅图5。本地伪码模块输出的本地伪码为c(i)，c(i)取值0或1，异或差分运算后为经过数据转换后本地伪码异或差分数据c
diff
(i)为
51.第一fft模块对采样数据共轭差分数据s
diff
(i)进行m次l点快速傅里叶变换得到l
×
m个采样数据变换数据，第二fft模块对本地伪码异或差分数据c
diff
(i)进行m次l点快速傅里叶变换，取共轭后得到l
×
m个本地伪码变换数据，l
×
m个采样数据变换数据和l
×
m个本地伪码变换数据进行复乘运算得到l
×
m个复乘运算数据，ifft模块对l
×
m个复乘运算数据进行m次l点快速傅里叶逆变换得到l
×
m个逆变换数据，相干积分模块对l
×
m个逆变换数据进行m次相干积分处理，得到相位处理支路的积分累加数据y
n,l
，l为相位处理支路的数据指数，满足l∈(0,1,
…
,l-1)。
52.优选地，峰值搜索模块对所有串行轮次频率处理支路、相位处理支路输出的积分累加数据采用比较搜索的方法得到积分峰值及其所在指数，采用加权平均的方法得到自适应检测门限。
53.进一步地，峰值搜索模块对所有串行轮次频率处理支路的积分累加数据x
n,k
，采用比较搜索的方法得到频率处理支路的积分峰值x
vpp
、积分峰值所在指数k
vpp
，采用加权平均的方法得到积分均值x
avg
，结合频率检测门限比例因子κ
freq
，得到频率处理支路的自适应检测门限x
thr
为κ
freq
×
x
avg
；对所有串行轮次相位处理支路的积分累加数据y
n,l
，采用比较搜索的方法得到相位处理支路的积分峰值y
vpp
、积分峰值所在轮次n
vpp
、积分峰值所在指数l
vpp
，采用加权平均的方法得到积分均值y
avg
，结合相位检测门限比例因子κ
code
，得到相位处理支路的自适应检测门限y
thr
为κ
code
×yavg
。
54.优选地，检测解算模块采用积分峰值与自适应检测门限作比较判决的方法检测接收信号，并解算得到载波多普勒频移、直扩码相位。
55.进一步地，检测解算模块对采用积分峰值与自适应检测门限进行比较判决，当x
vpp
》x
thr
且y
vpp
》y
thr
时，表明捕获成功，否则捕获失败；当捕获成功时，根据频率处理支路的积分峰值所在指数k
vpp
，解算得到载波多普勒频移f
dopl
为根据相位处理支路的积分峰值所在轮次n
vpp
、积分峰值所在指数l
vpp
，解算得到直扩码相位τ
code
为l
vpp
n
vpp
/n。
56.实施例1：
57.以某卫星发射的直扩信号为例，工作频率f
rf
为22.0ghz，直扩码速率rc为3.069mcps，直扩码周期l为2047，调制信息速率rb为1.0kbps～500kcps，数据采样率f
data
为90mhz，载波多普勒频移范围为
±
180khz。
58.积分采样缓存模块选取积分采样率n
×
rc为8
×
3.069mcps。当采样数据总数超过n
×
l
×
m 2＝8
×
2047
×
8 2时，切换采样数据缓存空间，启动数据处理状态。
59.分组数据压缩模块采用分组数据压缩算法后采样数据转变成8组2047
×
8 1个数据，串行8轮次输出处理。
60.8轮次2047
×
8 1个数据分为两路，一路进入频率处理支路中，复平方模块对分组数据压缩后的采样数据进行载波恢复，将载波恢复后的2047
×
8 1个数据补零至32768个，补零fft模块对32768个补零数据进行快速傅里叶变换，非相干积分模块对补零fft模块输出的32768个数据进行非相干积分处理，得到频率处理支路的积分累加数据x
n,k
。
61.另一路进入相位处理支路中，共轭差分模块对2047
×
8 1个数据进行共轭差分处
理得到2047
×
8个采样数据共轭差分数据，异或差分模块对2047
×
8 1个本地伪码进行异或差分处理得到2047
×
8个本地伪码异或差分数据，基于fft-ifft算法得到2047
×
8个逆变换数据，相干积分模块对2047
×
8个逆变换数据进行8次相干积分处理，得到相位处理支路的积分累加数据y
n,l
。
62.峰值搜索模块对所有串行轮次频率处理支路的积分累加数据x
n,k
和所有串行轮次频率处理支路的积分累加数据y
n,l
，采用比较搜索的方法得到积分峰值及其所在指数，采用加权平均的方法得到自适应检测门限。
63.检测解算模块检测解算模块采用积分峰值与自适应检测门限作比较判决的方法检测接收信号，并解算得到载波多普勒频移、直扩码相位。
64.试验分析验证：在上述应用范例中，当接收信号信噪比snr≥-10.0db时，成功检测概率优于99.0％，载波多普勒频移测量精度优于
±
50hz，直扩码相位测量精度优于
±
0.25码片。
65.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。