一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法，将经模数转换器采样、数控振荡器下变频及低通滤波得到的基带信号与本地伪码信号连续进行多次圆周相关，将圆周相关的结果存入数据缓存区，同时对该结果进行非相干积分，取非相干积分最大值与门限值进行比较，若最大值超过门限值，则从数据缓存区中取出相应数据块进行快速傅里叶变换，最后对FFT的输出进行峰值搜索，从而完成频偏估计。本发明专利技术在传统圆周相关法所需硬件资源的基础上，额外增加一定的数据存储资源和一个点数较少的FFT运算单元即可实现伪码相位和载波频偏的双并行搜索，逻辑控制简单，可应用于低信噪比高动态长周期伪码的卫星通信系统中，具有重要的工程应用价值。的工程应用价值。的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法


[0001]本专利技术属于航天测控通信
，具体涉及一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法。

技术介绍

[0002]扩频通信技术具有良好的抗干扰性和抗噪声性，同时低功率谱特性又使其具有天然的保密性，被广泛应用于卫星测控通信中；常用的扩频信号捕获算法有滑动相关法、基于FFT的并行频率搜索法和圆周相关法。
[0003]文献[D.DiCarlo,C.Weber,“Statistical performance of single dwell serial synchronization systems”,Computer Science,Published 1.August.1980]中对滑动相关法进行了相关研究与应用，该方法实现简单但捕获时间过长。文献[Su Su Yi Mon,M.Aung,“Comparative study on different acquisition algorithms of GPS signal acquisition”,Computer Science,Published 2018]中对基于FFT的并行频率搜索法进行了相关研究与应用，然而该方法需要长相关时间以满足低信噪比捕获，长周期伪码又决定了串行搜索次数至少达上千次，因此将该方法用于低信噪比、长周期伪码的捕获时，捕获时间较长甚至无法满足应用需求。文献[黄健.高动态扩频信号的快速捕获算法研究[D].中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)]中对圆周相关法进行了相关研究与应用，该方法中载波跟踪采用锁相环时测量误差小但环路带宽小，扫频步进将受限于环路带宽，锁频环则放宽了扫频步进的要求，但其测量误差大且数据解调的误码率远高于锁相环；虽然锁频环牵引锁相环和锁频环辅助锁相环的方式在一定程度上融合了锁相环和锁频环的优点，但前者的切换过程可能会导致环路不稳定，后者不能根据信号动态调整，对环境的适应性不强。因此，传统的圆周相关法或无法设置较大的扫频步进使捕获速度受限，或设置较大的扫频步进以得到更快的捕获速度但会导致跟踪性能恶化。
[0004]文献[王猛.直接序列扩频信号参数及扩频序列估计算法的研究[D].南昌大学]提出的平方倍频法、文献[万方鹏.直接序列扩频信号检测与参数估计及DSP实现[D].哈尔滨工程大学,2019]提出的延时相乘法以及文献[Wang J,Lian B,Xue Z.Weak GPS signal acquisition method based on DBZP[J].系统工程与电子技术：英文版,2018,29(2):8]提出的双块补零法都将基于FFT的并行频率搜索法及圆周相关法相结合，实现了伪码相位和频偏两个维度的并行搜索，捕获速度得到极大提升，从而为消除伪码或多普勒频偏的影响。平方倍频法和延时相乘法均包含接收信号与其自身相乘的处理，该过程会增加噪声量，对弱信号的捕获能力下降；双块补零法将长的相关积分切割为若干个短的相关积分后进行圆周相关及频率估计，然而用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现时控制逻辑十分复杂，分块、补零、移块等操作在FPGA中需要顺序执行，捕获时间的优势无法体现。

技术实现思路

[0005]鉴于上述，本专利技术提供了一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统及方法，
在传统圆周相关法所需硬件资源的基础上，额外增加一定的数据存储资源和一个点数较少的FFT运算单元即可实现伪码相位和载波频偏的双并行搜索，逻辑控制简单，可应用于低信噪比高动态长周期伪码的卫星通信系统中，具有重要的工程应用价值。
[0006]一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统，包括：
[0007]数控振荡器，用于输出两路相位差90度的本地载波信号；
[0008]乘法模块，用于将上述两路本地载波信号分别与ADC采样后的接收信号相乘，得到信号I和信号Q；
[0009]低通滤波器，用于滤除信号I和信号Q中的高频分量；
[0010]加法器，用于将滤波后的信号I与信号Q相加组成复数信号；
[0011]伪码产生器，用于生成本地伪码信号，并在伪码相位估计成功后根据估计的相位差τ调整本地伪码信号的相位；
[0012]FFT模块，用于对复数信号和本地伪码信号分别进行快速傅里叶变换；
[0013]共轭运算器，用于对本地伪码信号经快速傅里叶变换后得到的结果进行共轭运算；
[0014]乘法器，用于将复数信号经快速傅里叶变换后得到的结果与共轭运算器的输出结果相乘；
[0015]IFFT模块，用于对乘法器的输出结果进行快速傅里叶反变换，得到圆周相关的计算结果；
[0016]数据存储器，用于对圆周相关计算结果进行存储；
[0017]非相干积分模块，用于对圆周相关计算结果进行非相干积分；
[0018]峰值搜索及判决模块，用于对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索及峰值比较，从而估计出接收信号与本地伪码信号的相位差τ并将其反馈给伪码产生器；
[0019]FFT变换器，用于从数据存储器中读取与相位差τ对应的一列圆周相关计算结果，并对其进行快速傅里叶变换；
[0020]频偏估计模块，用于对FFT变换器的输出信号进行平方运算、峰值搜索及峰值比较，从而估计出残余频偏值Δω并将其作为载波频率的补偿量反馈至数控振荡器的频率控制字中。
[0021]进一步地，所述数控振荡器输出两路本地载波信号的表达式如下：
[0022][0023][0024]其中：s
c1
(n)和s
c2
(n)分别为s
c1
和s
c2
中第n个采样点的信号值，s
c1
和s
c2
分别为两路相干载波及移相后的本地载波信号，ω
c
为本地载波频率，T
s
为采样周期，为本地载波的初始相位，n为自然数。
[0025]进一步地，所述非相干积分模块由平方运算器和累加器连接实现非相干积分运算，具体表达式如下：
[0026][0027]其中：R
NC
(k)为非相干积分模块输出信号中第k个点的信号值，R(i,k)为第i次圆周
相关的计算结果中第k个点的数值，M为圆周相关的次数，k为自然数且k∈[0,L
‑
1]，L为圆周相关的点数。
[0028]进一步地，所述数据存储器中存储的圆周相关计算结果为一个L
×
M的矩阵，L为圆周相关的点数，M为圆周相关的次数，峰值搜索及判决模块在估计出相位差τ后，将该相位差τ对应峰值纵坐标计为j，FFT变换器则从数据存储器中读取第j列圆周相关计算结果并对其进行快速傅里叶变换，用以后续频偏估计。
[0029]进一步地，所述峰值搜索及判决模块首先对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索，将搜索到的峰值与设定的门限值进行比较，若峰值超过门限值，该峰值对应的纵坐标即为接收信号与本地伪码信号的相位差τ，伪码相位估计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种载波伪码双并行搜索的扩频信号捕获系统，其特征在于，包括：数控振荡器，用于输出两路相位差90度的本地载波信号；乘法模块，用于将上述两路本地载波信号分别与ADC采样后的接收信号相乘，得到信号I和信号Q；低通滤波器，用于滤除信号I和信号Q中的高频分量；加法器，用于将滤波后的信号I与信号Q相加组成复数信号；伪码产生器，用于生成本地伪码信号，并在伪码相位估计成功后根据估计的相位差τ调整本地伪码信号的相位；FFT模块，用于对复数信号和本地伪码信号分别进行快速傅里叶变换；共轭运算器，用于对本地伪码信号经快速傅里叶变换后得到的结果进行共轭运算；乘法器，用于将复数信号经快速傅里叶变换后得到的结果与共轭运算器的输出结果相乘；IFFT模块，用于对乘法器的输出结果进行快速傅里叶反变换，得到圆周相关的计算结果；数据存储器，用于对圆周相关计算结果进行存储；非相干积分模块，用于对圆周相关计算结果进行非相干积分；峰值搜索及判决模块，用于对非相干积分模块的输出信号进行峰值搜索及峰值比较，从而估计出接收信号与本地伪码信号的相位差τ并将其反馈给伪码产生器；FFT变换器，用于从数据存储器中读取与相位差τ对应的一列圆周相关计算结果，并对其进行快速傅里叶变换；频偏估计模块，用于对FFT变换器的输出信号进行平方运算、峰值搜索及峰值比较，从而估计出残余频偏值Δω并将其作为载波频率的补偿量反馈至数控振荡器的频率控制字中。2.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述数控振荡器输出两路本地载波信号的表达式如下：地载波信号的表达式如下：其中：s
c1
(n)和s
c2
(n)分别为s
c1
和s
c2
中第n个采样点的信号值，s
c1
和s
c2
分别为两路相干载波及移相后的本地载波信号，ω
c
为本地载波频率，T
s
为采样周期，为本地载波的初始相位，n为自然数。3.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述非相干积分模块由平方运算器和累加器连接实现非相干积分运算，具体表达式如下：其中：R
NC
(k)为非相干积分模块输出信号中第k个点的信号值，R(i,k)为第i次圆周相关的计算结果中第k个点的数值，M为圆周相关的次数，k为自然数且k∈[0,L
‑
1]，L为圆周相关的点数。4.根据权利要求1所述的扩频信号捕获系统，其特征在于：所述数据存储器中存储的圆
周相关计算结果为一个L...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝杰，刘洁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：