多普勒域和延遲域二維捕獲方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種多普勒域和延遲域二維捕獲方法及裝置，屬于直接序列擴頻通信技術領域。該方法首先對直擴導頻信號取FFT變換和圓周移位，然后與本地偽碼的FFT變換序列相乘，經過IFFT變換，得到載波多普勒補償的匹配濾波結果，然后使用內插擬合方法調整匹配濾波結果的采樣速率，實現碼多普勒補償，內插擬合的輸出結果經過非相干積累和門限判決，得到直擴導頻信號的載波頻偏和偽碼相位。對比現有技術，本發明專利技術使用載波多普勒和碼多普勒聯合補償的捕獲方法，克服了傳統捕獲方法在高動態、大偽碼長度、弱信號環境下的不足，通過內插擬合的方式修正了相關峰走動，從而避免非相干積累中的平臺化效應，使捕獲性能大幅度提高。

【技術實現步驟摘要】
多普勒域和延遲域二維捕獲方法及裝置
本專利技術涉及一種多普勒域和延遲域二維捕獲方法，尤其適用于高動態、低信噪比環境下直接序列擴頻系統導頻信號的檢測及搜索其多普勒頻偏、碼偏和偽碼相位，屬于直接序列擴頻通信

技術介紹
直接序列擴頻通信系統基帶數字信號處理主要用到捕獲和跟蹤兩個模塊。捕獲模塊主要實現對接收信號載波頻率和偽碼相位的粗略估計，為跟蹤模塊的載波環和碼環提供頻率和碼相位的初始值。假設直接序列擴頻通信的擴頻碼為c(l)，l＝0,1,2,…，L-1，L為擴頻碼長度。c(l)取值為0或1，采用無線電技術的慣例，c(l)＝0表示邏輯正，c(l)＝1表示邏輯負，并采用根升余弦脈沖成形，脈沖成形濾波器沖擊函數為h(t)，則成形后的擴頻碼形狀為其中Tc為碼片周期。為了便于捕獲，直接序列擴頻通信的發射端往往在通信開始時發射一段導頻信號，即只包含“1”信息碼的擴頻信號，使基帶信號具有周期性。其基帶信號形式如下所示：其中Ts為碼元周期，Ts＝LTc；M為導頻信號長度。由上式可知，Sb,s(t)是x(t)以Ts為周期重復M次的有限周期信號。經過調制后，射頻所發出的信號為，Ssend(t)＝cos(2πfRFt)Sb,s(t)上式中fRF為射頻頻率，并且為了表達簡潔方便，認為在發射時載波初相位和碼初相位都為0。經過無線傳輸過程的多普勒效應和信道延遲，到達接收端的直接序列擴頻信號是：Srec(t)＝cos(2πfRFδt+τ0)Sb,s(δt+τ0)其中δ是由于多普勒效應所產生的時間系數，v是通信的收發雙方相對徑向速度，相向運動時v為正，向背運動時v為負。c是無線電傳播速度，一般認為是光速，且有v＜＜c。τ0是碼相位延遲。接收機對射頻信號進行I/Q兩路正交下變頻，得到正交基帶信號I(t)＝cos(2πfRF(δ-1)t+τ0)Sb,s(δt+τ0)Q(t)＝sin(2πfRF(δ-1)t+τ0)Sb,s(δt+τ0)且有稱r(t)為復基帶信號，它包含兩部分，載波殘余和基帶偽碼Sb,s(δt+τ0)。載波殘余表現為復正弦波，其頻率為稱為載波多普勒偏移頻率，簡稱頻偏；基帶偽碼與發送端的基帶信號相比具有兩方面變化:首先其具有碼相位延遲τ0；其次偽碼的形狀也相對時間t發生了δ倍的展縮，從碼片層面上看，偽碼的碼片速率從變成其差值稱為偽碼多普勒偏移速率，簡稱為碼偏。由于常規的捕獲過程包括對接收信號的載波頻率和偽碼相位這兩個相對獨立的參數進行二維搜索。一種常用的捕獲算法是基于快速傅里葉變換的捕獲算法(邢方劍,程蘭,謝剛等.一種基于快速傅里葉變換和圓周移位的捕獲算法[J].科學技術與工程,2014,14(6):196-198,202.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2014.06.044.)，該算法利用了FFT的調制特性和圓周相關性質，其原理如下：r(t)經過頻率為fs的采樣，過采樣率fs/Rc為正整數，則每個碼元周期得到的采樣數為N＝(fs/Rc)*L,則整段導頻信號的正交基帶采樣序列為以其連續N個采樣點為一組，共分為M組，得到n＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…,M-1分別進行FFT變換，得到Rm(k)＝FFT[rm(n)]，k＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…,M-1。接收機生成本地基帶采樣序列：并對其取FFT變換，得到Sb,l(k)＝FFT[Sb,l(n)],k＝0,1,2,…,N-1利用了FFT的調制特性和圓周相關性質，將Rm(k)圓周移位q位后，和Sb,l(k)的共軛逐點相乘，并取逆快速傅里葉變換，可得到上其中表示圓周卷積運算。根據圓周卷積的性質，只有當即時，圓周卷積的結果才比較大，否則圓周卷積結果近似于0。通過FFT變換的圓周移位等效實現時域調制的過程稱為頻偏補償。基于快速傅里葉變換的捕獲算法正是利用了這一原理，通過不斷改變Rm(k)圓周移位量q，檢測逆快速傅里葉變換輸出結果中是否出現峰值，來估計Δf。當時，忽略由于分辨率帶來的誤差，認為由于v＜＜c，忽略采樣點之間的微小的相位展縮，認為因此，根據偽碼的自相關性質，可得出，|ym(n)|的峰值出現在n＝(<τ0fs+δmN>)N處，基于快速傅里葉變換的捕獲算法正是利用了這一原理，通過檢測峰值位置，來估計τ0。在長距離、弱信號等諸多情況下，捕獲模塊往往需要通過非相干積累來抬高相關峰高度，以滿足捕獲準確度要求，但傳統算法往往會忽略碼偏帶來的相關峰走動，在多普勒較大或偽碼較長的情況下，相關峰走動會致使非相干累積出現平臺化效應，給捕獲精確度帶來巨大影響。平臺化效應的原理是：如上文所述，|ym(n)|的峰值出現在n＝(<τ0fs+δmN>)N處，隨著m的變化，峰值位置也會隨之發生走動，當多普勒較小、偽碼長度較短或非相干積累碼元數較少時，傳統算法往往忽略相關峰的走動，認為(<τ0fs+δmN>)N＝(<τ0fs+mN>)N＝(<τ0fs>)N，所有相關峰都出現在n＝(<τ0fs>)N處；但是在衛星通信等應用環境中，由于高動態、遠距離、發射信號功率受限、通信保密需求高等原因，使得多普勒效應強，偽碼較長且非相干積累碼元數多，致使相關峰不再出現在同一個位置，而呈現小范圍的平均分散，非相干積累結果呈現平臺狀，峰值明顯削弱，使捕獲精度受到嚴重影響。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了克服傳統偽碼捕獲方法的不足，提供一種載波多普勒和碼多普勒聯合補償方法，實現多普勒域和延遲域的二維捕獲，可以保證在高動態、低信噪比條件下，直接序列擴頻系統導頻信號快速捕獲成功。本專利技術方法的目的是通過以下技術方案實現的：一種多普勒域和延遲域二維捕獲方法，包括以下步驟：1、接收機天線所接收到的導頻信號，通過射頻前端已完成正交解調及AD采樣，并可能經過必要的降采樣等步驟，以I/Q兩路正交解調基帶采樣序列的形式提供給數字信號處理部分；I/Q兩路正交解調基帶采樣序列所組成的復序列簡稱為輸入信號r(n)，其形式如前文所述；2、將r(n)分為M組，每組長度為N個采樣，對每一組輸入信號進行FFT變換，得到Rm(k)，m＝0,1,2,…,M-1，k＝1,2,…,N-1,N；3、M組FFT序列被提供給并行搜索通道。共有P條搜索通道，根據一定的信道先驗信息估計的頻偏動態范圍為(-Δfmax,Δfmax),表示向上取整函數；4、在搜索通道p中(p＝1,2,…P)，Rm(k)圓周移位qp位，其中得到Rm((k+qp))N，并且與本地存儲的本地基帶采樣序列FFT變換的共軛逐點相乘，并進行IFFT變換，得到M組圓周相關結果；5、在搜索通道p中，對步驟4所得到的M組圓周相關結果取模值，進行并串轉換，使用插值擬合濾波器對其進行采樣速率轉換，將采樣率從fs變換到插值擬合之后的序列經過必要的補零或刪減之后，重新進行串并轉換，分為M組，每組N個采樣點，進行非相干積累；6、所有搜索通道都有一相同的信號檢測門限A，將所有搜索通道非相干積累結果與信號檢測門限A進行比較，對所有超過檢測門限A的相關峰，記錄其峰值及其位置；7、比較所有通道中的所有超過檢測門限的相關峰，取其最大值，其對應通道的FFT變換圓周移位位數為qmax，其峰值在該通道非相干積本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多普勒域和延遲域二維捕獲方法，其特征在于，包括訓練步驟以及分割步驟，具體如下：步驟一、接收機天線所接收到的導頻信號，經正交解調及采樣率為fs的AD采樣得到輸入信號r(n)；步驟二、將r(n)分為M組，每組長度為N個采樣，對每一組輸入信號進行FFT變換，得到Rm(k)，m＝0，1，2，...，M?1，k＝1，2，...，N?1，N；步驟三、M組FFT序列被提供給P條并行搜索通道，其頻偏動態范圍為(?Δfmax，Δfmax)，其中，Δfmax表示最大頻偏，fs表示輸入信號的采樣率，表示向上取整函數；步驟四、在搜索通道p中(p＝1，2，...P)，Rm(k)圓周移位qp位，其中得到Rm((k+qp))N，并且與本地存儲的本地基帶采樣序列FFT變換的共軛逐點相乘，并進行IFFT變換，得到M組圓周相關結果；(·)*表示共軛函數。步驟五、在搜索通道p中，對步驟四得到的M組圓周相關結果取模值，進行并串轉換，使用插值擬合濾波器對其進行采樣速率轉換，將采樣率從fs變換到插值擬合之后的序列經過必要的補零或刪減之后，重新進行串并轉換，分為M組，每組N個采樣點，進行非相干積累；其中，fRF表示射頻頻率；步驟六、所有搜索通道都有一相同的信號檢測門限A，將所有搜索通道非相干積累結果與信號檢測門限A進行比較，對所有超過檢測門限A的相關峰，記錄其峰值及其位置；步驟七、比較所有通道中的所有超過檢測門限的相關峰，取其最大值，其對應通道的FFT變換圓周移位位數為qmax，其峰值在該通道非相干積累序列的下標為nmax，則頻偏估計值為Δf^=fsNqmax,]]>碼相位估計值為τ^0=nmaxfs.]]>...

【技術特征摘要】
1.一種多普勒域和延遲域二維捕獲方法，其特征在于，包括訓練步驟以及分割步驟，具體如下：步驟一、接收機天線所接收到的導頻信號，經正交解調及采樣率為fs的AD采樣得到輸入信號r(n)；步驟二、將r(n)分為M組，每組長度為N個采樣，對每一組輸入信號進行FFT變換，得到Rm(k)，m＝0，1，2，...，M-1，k＝1，2，...，N-1，N；步驟三、M組FFT序列被提供給P條并行搜索通道，其頻偏動態范圍為(-Δfmax，Δfmax),其中，Δfmax表示最大頻偏，fs表示輸入信號的采樣率，表示向上取整函數；步驟四、在搜索通道p中,p＝1，2，...，P，Rm(k)圓周移位qp位，其中得到Rm((k+qp))N，并且與本地存儲的本地基帶采樣序列FFT變換的共軛逐點相乘，并進行IFFT變換，得到M組圓周相關結果；(·)*表示共軛函數；步驟五、在搜索通道p中，對步驟四得到的M組圓周相關結果取模值，進行并串轉換，使用插值擬合濾波器對其進行采樣速率轉換，將采樣率從fs變換到插值擬合之后的序列經過必要的補零或刪減之后，重新進行串并轉換，分為M組，每組N個采樣點，進行非相干積累；其中，fRF表示射頻頻率；步驟六、所有搜索通道都有一相同的信號檢測門限A，將所有搜索通道非相干積累結果與信號檢測門限A進行比較，對所有超過檢測門限A的相關峰，記錄其峰值及其位置；步驟七、比較所有通道中的所有超過檢測門限的相關峰，取其最大值，其對應通道的FFT變換圓周移位位數為qmax，其峰值在該通道非相干積累序列的下標為nmax，則頻偏估計值為碼相位估計值為2.一種多普勒域和延遲域二維捕獲裝置，其特征在于，包括依次相連的串并轉換/分組模塊，FFT模塊和多個并聯的搜索通道模塊以及判決模塊；所述串并轉換/分組模塊用于將輸入信...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王帥，羅士荀，安建平，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11