基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法技术

本发明专利技术公开了一种基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，主要解决现有双块补零方法中相干积累长度和分块数固定不变的缺陷。其实现方案是：在接收端，将接收到的射频信号依次进行滤波、下变频和数字采样，得到原始基带复信号；将发送端采用的导航数据经过扩频调制和成形偏移正交相移键控调制，得到原始本地信号；引入相干积累扩展数据和步进因子，对原始基带复信号和本地信号进行分块组合，得到新的基带复信号数据块和新的本地信号数据块；对新的基带复信号数据块和新的本地信号数据块进行圆周相关，得到相关值数据；根据相关值数据中出现的峰值，判定捕获是否成功。本发明专利技术能在小频偏下获得更好的捕获性能，可用于数据传输、卫星定位导航。

Weak signal acquisition method based on overlapping multi block zero padding algorithm

The invention discloses a method for weak signal capture overlapping multi block algorithm based on zero, mainly solves the existing double block zero padding method in coherent length and number of fixed point defects. The solution is: at the receiver, the received RF signal by filtering, down conversion and digital sampling, get the original baseband complex signal; the navigation data transmitter used by spread spectrum modulation and shaped offset quadrature phase shift keying modulation, get the original local signal; introducing coherent extended data and step factor, the original complex baseband signal and the local signal block combination, a new complex signal baseband data blocks and new local signal data blocks; the new baseband complex signal data block and local signal new data block circle, get the relevant value data; according to the relevant data in the peak value the judge capture success. The method can obtain better acquisition performance under small frequency offset, and can be used for data transmission and satellite positioning navigation.

【技术实现步骤摘要】
基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法
本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种对弱信号的捕获方法，可用于数据传输、卫星定位导航和测距。
技术介绍
随着卫星导航技术的不断发展，全球导航定位系统GNSS的应用越来越广泛，美国、俄罗斯、中国、欧盟等都制定了加快发展全球卫星导航技术的政策与计划。无盲区、高灵敏度的定位与导航成为目前最新的技术发展方向，这就要求实现高动态环境下对弱信号的快速捕获。传统弱信号捕获算法中，串行捕获算法通过不断地调整本地载波频率和本地码相位来实现信号捕获，是一个二维搜索过程；并行频率搜索算法利用一次FFT变换实现频率搜索，对码相位进行一维搜索；并行码相位搜索将时域相关运算变换为频域的乘积运算，通过IFFT变换一次求出各个码相位的相关值，对频率进行一维搜索。这种传统捕获算法存在计算量大、耗时长和硬件资源消耗大的问题。针对这一问题，Lin.D.M.在“ComparisonofAcquisitionMethodsforSoftwareGPSReceiver”(ProceedingsoftheInstituteofNavigation’sIONGPS,2000:2385～2390)中讨论了GPS软件接收机捕获微弱信号的问题，采用了20ms的相干积分时间，提出了双块补零算法DBZP，其核心思想是将长的相关积分操作分割为多个短的相干积分操作，然后采用傅里叶变换进行圆周相关，能够一次计算出所有多普勒频移的相干累积，运算量大大减小。在此基础上，ZiedanN.I.考虑了导航数据位跳变的影响，在“UnaidedAcquisitionofWeakGPSSignalsUsingCircularCorrelationorDoubleBlockZeroPadding”(PositionLocationandNavigationSymposium(PLANS),2004:461～470)中提出了修正DBZP算法MDBZP，引入多普勒补偿和频移减少技术，解决了DBZP总积分时间受限制的问题。HecklerG.W.和GarrisonJ.L.在“ImplementationandTestingofanUnaidedMethodfortheAcquisitionofWeakGPSC/ACodeSignals”(Navigation,2009,56(4):241～259)中提出快速MDBZP算法FMDBZP，该算法去除了冗余的FFT计算，减小了计算量，提高了算法效率。张文在FMDBZP的基础上提出减小计算量和节省计算空间的改进算法IFMDBZP，该算法重点讨论了导航数据位组合、码相位和多普勒频移的筛选机制。2016年，孟骞等人提出一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法，该算法对参与块内相关运算的基带信号和本地测距码分别进行重构，解决了块内点数与快速傅里叶变换输入点数之间的矛盾，提高了北斗导航接收机弱信号捕获性能。上述这些基于DBZP的算法主要考虑的是导航数据比特跳变引起检测性能下降的问题，集中对DBZP完成块内循环相关和移块操作后得到的相关值矩阵的频域变换和检测判决部分进行优化和简化。然而在DBZP中，分块长度和分块数由频率分辨率和多普勒频偏搜索范围确定且固定不变，为保证较大的多普勒频偏搜索范围，采用的分块长度较短，但是当频偏较小时，短的分块长度会导致检测性能下降和运算量增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，以在频偏较小时，提高捕获性能。实现本专利技术目的的技术关键是：优化数据子块组合方式，引入相干积累扩展数据长度和步进因子，通过增加相干积累长度或者分块数来获得更高的捕获性能。其具体步骤包括如下：1.基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，包括：(1)在发送端，将一段导航数据经过扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列依次进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频，得到发送的射频信号；(2)根据进入接收端的信号获得原始基带复信号和原始本地信号：(2a)将接收到的射频信号经过滤波、下变频、数字采样后，得到长度为Nt的原始基带复信号rn；(2b)将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到长度为Nt的原始本地信号其中Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，为码相位的估计值；(3)根据已知的频率分辨率fres和已知的频率搜索范围确定原始基带复信号和原始本地信号的分块数Ns：得到基本数据长度Ls：Ls＝Nt/Ns；(4)将原始的基带复信号rn和本地信号进行分块组合，组成新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk：(4a)由原始的基带复信号rn的第(k-1)S+1～Ls+Δl+kS样点组成第k块新的基带复信号数据块Bk，其中Δl是相干积累扩展数据长度，0≤Δl≤Ls，S是步进因子，0<S≤Ls，k＝1,2,3,...,Nt/S；(4b)由原始本地信号的第(k-1)S+1～Ls+Δl+(k-1)S样点和S个0组成第k块新的本地信号数据块Lk；(5)对应新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk做圆周相关：(5a)对新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk分别做Ls+Δl+S点的离散傅里叶变换；(5b)对新的本地数据块Lk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果取共轭，并与新的基带复信号数据块Bk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果对应相乘，相乘的结果为Mk；(5c)对相乘结果Mk做Ls+Δl+S点逆傅里叶变换，得到相关值数据Ck；(5d)保留相关值数据Ck中的前S个数据，舍弃后边Ls+Δl个数据；(6)保持新的本地数据块Lk不动，将新的基带复信号数据块Bk左移一块，使第k+1块新的基带复信号数据块Bk+1变为第k块新的基带复信号数据块Bk，再将新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk返回步骤(5)，直到移块次数达到一个扩频码周期后完成相关操作；(7)根据相关值数据Ck是否存在明显的峰值判断是否捕获成功，若存在明显峰值，则认为捕获到信号，同时得到码相位和多普勒频移的估计值，否则捕获失败。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术对数据的分块组合方式进行优化，克服了双块补零方法中分块数和相干积累长度固定不变的缺陷。第二，本专利技术引入相干积累扩展数据和步进因子，通过增加分块数或者相干积累长度提高了小频偏下的捕获性能。附图说明图1为本专利技术使用的高动态弱信号捕获系统图；图2为本专利技术的实现示意图；图3为本专利技术中构造出的第k个新数据块示意图；图4为用本专利技术判决捕获信号是否成功的仿真图；图5为用本专利技术与现有双块补零方法DBZP在小频偏下的捕获性能仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例和效果做进一步的描述：参照图1，本实施例应用的是高动态弱信号捕获系统，其包括发送端和接收端，信道模型采用附加载波频偏和相偏的加性高斯白噪声信道。该系统的基本工作原理如下：发送端，利用扩频码将一段导航数据进行扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频后得到发送的射频信号；接收端，将接收到的射频信号依次进行滤波、下变频和数字采样后得到原始基带复信号；将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制后得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，包括：(1)在发送端，将一段导航数据经过扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列依次进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频，得到发送的射频信号；(2)根据进入接收端的信号获得原始基带复信号和原始本地信号：(2a)将接收到的射频信号经过滤波、下变频、数字采样后，得到长度为Nt的原始基带复信号rn；(2b)将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到长度为Nt的原始本地信号

【技术特征摘要】
1.基于重叠多块补零算法的弱信号捕获方法，包括：(1)在发送端，将一段导航数据经过扩频调制，形成一组扩频序列，对该序列依次进行成形偏移正交相移键控SOQPSK调制和上变频，得到发送的射频信号；(2)根据进入接收端的信号获得原始基带复信号和原始本地信号：(2a)将接收到的射频信号经过滤波、下变频、数字采样后，得到长度为Nt的原始基带复信号rn；(2b)将本地扩频码经过成形偏移正交相移键控SOQPSK调制，得到长度为Nt的原始本地信号其中Ts为采样间隔，nTs表示第n个采样时刻，为码相位的估计值；(3)根据已知的频率分辨率fres和已知的频率搜索范围确定原始基带复信号和原始本地信号的分块数Ns：得到基本数据长度Ls：Ls＝Nt/Ns；(4)将原始的基带复信号rn和本地信号进行分块组合，组成新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk：(4a)由原始的基带复信号rn的第(k-1)S+1～Ls+Δl+kS样点组成第k块新的基带复信号数据块Bk，其中Δl是相干积累扩展数据长度，0≤Δl≤Ls，S是步进因子，0＜S≤Ls，k＝1,2,3,...,Nt/S；(4b)由原始本地信号的第(k-1)S+1～Ls+Δl+(k-1)S样点和S个0组成第k块新的本地信号数据块Lk；(5)对应新的基带复信号数据块Bk和新的本地信号数据块Lk做圆周相关：(5a)对新的基带复信号数据块Bk和新的本地数据块Lk分别做Ls+Δl+S点的离散傅里叶变换；(5b)对新的本地数据块Lk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果取共轭，并与新的基带复信号数据块Bk的Ls+Δl+S点离散傅里叶变换结果对应相乘，相乘的结果为Mk；(5c)对相乘结果Mk做Ls+Δl+S点逆傅里叶变换，得到相关值数据Ck；(5d)保留相关值数据Ck中的前S个数据，舍弃后边Ls+Δl个数据；(6)保持新的本地数据块Lk不动，将新的基带复信号数据块...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙锦华，吕珊珊，岳家弘，王昊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61