一种基于并行FFT的快速精频捕获方法技术

本发明专利技术公开了一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，首先，根据测距码的自相关特性，通过将被调制中频信号与本地产生的测距码序列相乘剥离被调制中频信号中的测距码序列；其次，设计四个不同频率的载波信号，并分别与测距码剥离后的信号进行混频，去除信号中的中频分量，同时生成四个低频信号；随后，对这四个低频信号分别进行降采样处理，减小该算法的计算量；再然后，将降采样后的四个低频信号分别进行FFT处理；最后，将这四个FFT输出幅度谱的最大值进行二次曲线拟合。本发明专利技术可以减小精频捕获的时间，获得更加优异的捕获精度，具有较高的工程使用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于并行FFT的快速精频捕获方法
本专利技术属于卫星信号处理领域，具体涉及一种基于并行FFT的快速精频捕获方法。
技术介绍
卫星导航定位技术提供高精度的定位、导航和授时服务，广泛应用于大众消费、智慧城市、精密机械控制、高空探测、电力、金融计时、交通、公安、减灾救灾、农业和渔业等工作和生活的方方面面。卫星接收机属于用户端，主要由射频前端、捕获、跟踪、导航信息解调、伪距和位置解算五部分组成。对于资源有限的多通道接收机，接收机的每个通道包含一个捕获模块和一个跟踪模块。通过降低各通道采集模块的计算量，可以为接收机节省大量的计算空间。卫星信号捕获的目的是对观测卫星进行检测，估计出多普勒频移和测距码延迟。对于锁相环(PLL，PhaseLockingLoop)来说，来自粗捕获的频率精度可能太粗糙，且捕获得到的多普勒频移越接近实际值，PLL达到稳定所需的时间越短。为了使PLL模块更快地进入跟踪状态，必须保证由精细捕获模块或锁频环(FLL，FrequencyLockedLoop)模块估计的多普勒频移误差在几十赫兹以内。现有精频捕获方法大致分为三类，第一类是通过补零提高快速傅里叶变换(FFT，FastFourierTransformAlgorithm)的分辨率进而提升载波多普勒频移的估计精度。然而，要获取10Hz的估计精度FFT需要处理100ms的数据，假设采样频率为10MHz，则意味着FFT过程需要处理1,000,000个数据，这将耗费巨大的计算资源。第二类方法是通过频率牵引实现精频捕获，如FLL，这种方法首先通过较短数据实现多普勒频移的粗略估计，然后将多普勒频移的估计精度牵引到PLL的带宽范围内。然而牵引过程需要不断地迭代，使多普勒频移的估计精度满足PLL进入稳定跟踪状态要求。迭代过程既消耗了计算资源又增加了捕获时间。第三类方法是两步法，通常称为粗-精捕获。第一步使用较短数据长度实现粗捕，第二步，通过缩短搜索步长、载波相位或FFT输出可以用Sinc函数表示特性等实现载波多普勒频移的精确捕获。然而，如果采用较短的搜索步长依然会消耗大量的计算资源，在信号很弱的时候无法采用载波相位或者FFT输出可以用Sinc函数表示的特性。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述
技术介绍
中提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，利用FFT输出幅度谱的特性，设计一种并行结构，实现对载波多普勒频移快速精确估计。技术方案：本专利技术所述的一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，包括以下步骤：(1)根据测距码的自相关特性，通过将中频信号与本地测距码序列相乘，得到剥离测距码序列后的中频信号Sj(n)；(2)获取四个不同频率的载波信号，并分别与剥离测距码序列后的中频信号Sj(n)进行混频，得到四个低频信号(3)对四个低频信号分别进行降采样处理，得到降采样后的四个信号xcn(k)；(4)将降采样后的四个低频信号分别进行FFT处理，得到四个幅度谱序列(5)分别提取四个序列幅度谱的最大值，记为MFFT1,MFFT2,MFFT3和MFFT4；引入参数MDI，明确每个FFT输出幅度谱的最大值之间的数值关系，并对这四个数进行排序，将排序后的MFFT1,MFFT2,和MFFT4进行二次曲线拟合。进一步地，所述步骤(1)通过以下公式实现：其中，i是复数符号；fIF是中频频率，为系统已知常数；表示第j个信号发射端相对接收机的载波多普勒频移；nI和nQ是一对正交的等功率的高斯白噪声；Rj表示信号测距码与本地测距码间的相关值；kn表示搜索步长编号；τ表示信号测距码与本地测距码间的相位差；表示调制在第j颗卫星B1I信号上的导航电文序列；AB1I是B1I信号的幅值；表示第j颗卫星的初始载波相位。进一步地，所述步骤(2)的实现过程如下：采用复变频技术对码剥离后的信号Sj(n)进行下变频：其中，下标cn对应四个不同频率的载波信号，分别表示为1,2,3,4，fcn表示cn相关器的中心频率。进一步地，所述在步骤(3)实现过程如下：通过积分过程降低信号的采样频率：其中，Ts表示初始采样周期；M表示累加点数；xcn(k)为通过降采样获得的四个信号，该类信号的采样周期变为M·Ts。进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：公式(5)经过矩形窗截断和DTFT处理后，可以用公式(6)表示：有限长度的离散频域信号可以用公式(7)表示：其中，*表示卷积运算符号，δ(·)表示狄拉克函数，sinc(·)表示sinc函数，Xcn(f)表示经过DTFT过程后获取的四组连续幅度谱信号，rect(·)为矩形窗函数，表示有限长的离散幅度谱序列，TL表示矩形窗长度，kf表示离散频率量，其相邻两值间的间隔为1/TL，表示对连续幅度谱Xcn(f)截断和离散后的信号。进一步地，所述步骤(5)的实现过程如下：四个FFT输出幅度谱最大值间的数值关系用公式(8)表示：其中，MFFT1,MFFT2,MFFT3和MFFT4分别表示FFT1,FFT2,FFT3和FFT4输出幅度谱的最大值，L(d)表示集合d中元素的个数，L(a)表示集合中元素a的个数，a表示集合U中的最小值，b表示集合CUa中的最小值，CU表示余集，d表示集合U中的最大值，c表示集合CUd中的最小值；根据a和b的数值关系，四个FFT输出幅度谱最大值可以分为2类，共8种情况：第一类为a远大于b，包括：情况1，a＝MFFT1；情况3，a＝MFFT4；情况5，a＝MFFT3；情况7，a＝MFFT2；第二类为a与b近似相等，包括：情况2，(a＝MFFT1&b＝MFFT4)|(a＝MFFT4&b＝MFFT1)；情况4，(a＝MFFT3&b＝MFFT4)|(a＝MFFT4&b＝MFFT3)；情况6，(a＝MFFT2&b＝MFFT3)|(a＝MFFT3&b＝MFFT2)；情况8，(a＝MFFT1&b＝MFFT2)|(a＝MFFT2&b＝MFFT1)；设计参数MDI来明确每个FFT输出的最大值之间的数值关系，如等式(9)所示：其中，MDI表示模型定义指标，为本专利设计的一个参数；二次曲线拟合方法如公式(10)所示：其中，P是二次多项式的系数矩阵；Y是由FFT1,FFT2,FFT3和FFT4输出幅度谱序列的最大值组成的矩阵，根据最小二乘原理，矩阵用式(11)求解：P＝A+Y(11)其中，A+是A矩阵的广义逆，为常数矩阵；Y矩阵如式(12)：由式(11)推导二次曲线最大点的位置，如式(13)所示：其中，P(2)＝v，表示二次多项式的一次项系数；P(1)＝u，表示二次多项式的二次项系数；fco表示二次多项式极值点位置；二次曲线的最大点位置可以作为FFT估计的多普勒频移的补偿，用fco表示，获得多普本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)根据测距码的自相关特性，通过将中频信号

【技术特征摘要】
1.一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据测距码的自相关特性，通过将中频信号与本地测距码序列相乘，得到剥离测距码序列后的中频信号Sj(n)；
(2)获取四个不同频率的载波信号，并分别与剥离测距码序列后的中频信号Sj(n)进行混频，得到四个低频信号
(3)对四个低频信号分别进行降采样处理，得到降采样后的四个信号xcn(k)；
(4)将降采样后的四个低频信号分别进行FFT处理，得到四个幅度谱序列
(5)分别提取四个序列幅度谱的最大值，记为MFFT1,MFFT2,MFFT3和MFFT4；引入参数MDI，明确每个FFT输出幅度谱序列的最大值之间的数值关系，并对这四个数进行排序，将排序后的MFFT1,MFFT2,MFFT3和MFFT4进行二次曲线拟合。


2.根据权利要求1所述的一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，其特征在于，所述步骤(1)通过以下公式实现：



其中，i是复数符号；fIF是中频频率，为系统已知常数；表示第j个信号发射端相对接收机的载波多普勒频移；nI和nQ是一对正交的等功率的高斯白噪声；Rj表示信号测距码与本地测距码间的相关值；kn表示搜索步长编号；τ表示信号测距码与本地测距码间的相位差；表示调制在第j颗卫星B1I信号上的导航电文序列；AB1I是B1I信号的幅值；表示第j颗卫星的初始载波相位。


3.根据权利要求1所述的一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，其特征在于，所述步骤(2)的实现过程如下：
采用复变频技术对码剥离后的信号Sj(n)进行下变频：



其中，下标cn对应四个不同频率的载波信号，分别表示为1,2,3,4，fcn表示cn相关器的中心频率。


4.根据权利要求1所述的一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，其特征在于，所述在步骤(3)实现过程如下：
通过积分过程降低信号的采样频率：



其中，Ts表示初始采样周期；M表示累加点数；xcn(k)为通过降采样获得的四个信号，该类信号的采样周期变为M·Ts。


5.根据权利要求1所述的一种基于并行FFT的快速精频捕获方法，其特征在于，所述步骤(4)实现过程如下：
公式(5)经过矩形窗截断和DTFT处理后，可以用公式(6)表示：



有限长度的离散频域信号可以用公式(7)表示：



其中，*表示卷积运算符号，δ(·)表示狄拉克函数，sinc(·)表示sinc函数，Xcn(f)表示经过DTFT过程后获取的四组连续幅度谱信...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾庆化，邱文旗，刘建业，李荣冰，许睿，孙永荣，熊智，赖际舟，史进恒，张苗，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32