一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法
阅读说明：本技术 一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法 (Low signal-to-noise ratio spread spectrum signal capturing method with variable symbol rate ) 是由 韩小娟 杨克元 张宗攀 王健欢 石伟 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法,(1)对AD采样后的数据进行正交下变频；(2)进行累加降速；(3)将累加降速后的数据由串行转成并行；同时确定最小频率区间个数,对本地伪码速率进行修正,并对产生的本地伪码进行存储；(4)读出数据与伪码实现相关运算；将相关运算后的数据串行划分成不同的频率区间；(5)对相关运算后的数据进行累加降速；(6)进行二次变频再累加,之后进行乒乓缓存；(7)读取数据进行FFT运算；当一个频率区间数据处理完成后,判断应用场景要求的最低载噪比是否高于预设的阈值,若高于,则直接根据FFT运算结果进行捕获结果判决,否则,先进行非相干累加,然后根据非相干累加结果进行捕获结果判决。(A low signal-to-noise ratio spread spectrum signal capture method with variable symbol rate, (1) data after AD sampling is subjected to orthogonal down-conversion; (2) performing accumulation speed reduction; (3) converting the accumulated data subjected to speed reduction from serial to parallel; meanwhile, determining the number of minimum frequency intervals, correcting the rate of the local pseudo code, and storing the generated local pseudo code; (4) the read data and the pseudo code realize the correlation operation; serially dividing the data after the correlation operation into different frequency intervals; (5) accumulating and reducing the speed of the data after the correlation operation; (6) performing secondary frequency conversion and accumulation, and then performing ping-pong cache; (7) reading data and performing FFT operation; and after the data processing of one frequency interval is finished, judging whether the lowest carrier-to-noise ratio required by the application scene is higher than a preset threshold value, if so, directly judging a capturing result according to an FFT (fast Fourier transform) operation result, otherwise, firstly carrying out incoherent accumulation, and then judging the capturing result according to the incoherent accumulation result.)
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法。
背景技术
直接序列扩频(DSSS)通信体制具有抗干扰、抗多径衰落、测距精度高、支持码分多址、隐蔽性强等优点。航天测控通信广泛采用该技术，将测距、测速、遥控、遥测等功能有机地组合在一起。非相干数据位调制直接序列扩频是航天测控通信中遥测、遥控信号广泛应用的信号形式。
传统的扩频信号的捕获方法要么只涉及扩频码字的捕获，未考虑非相干数据调制对捕获的影响；要么只涉及较高信噪比，多普勒频偏较小时非相干扩频信号的捕获。在目前可得到的公开刊物中，有一部分涉及到了数据速率可变的扩频信号的捕获方法，例如文献1《一种数据速率可变的非相干扩频信号捕获方法》(作者：顾杰)，对接收信号进行分段匹配滤波和非相干累积相结合的方法，消除了数据位翻转对捕获性能的影，并通过频率搜索修正多普勒频偏。匹配滤波的长度为调制数据周期的一半，修正多普勒时的搜索步径与调制数据速率相关，这种方法不适用于低信噪比大多普勒条件，因为低信噪比下，半个数据符号累加后进行再进行非相干累加，存在很大的平方损耗；调制数据速率较小时，修正多普勒频偏的频率间隔相应较小，大多普勒下需要划分很多个区间，捕获时间相应变长。文献2《高动态低信噪比下扩频信号捕获算法研究》(作者：方科)提出了一种基于二次捕获的高动态低信噪比下扩频信号快速捕获方法，未考虑非相干数据调制对捕获的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法，
本发明解决技术的方案是：一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法，通过下述方式实现：
(1)对AD采样后的数据进行正交下变频，将数据搬到基带；
(2)根据输入扩频信号的带宽对下变频后的基带数据进行累加降速；
(3)将累加降速后的数据依次存入缓存区，将累加降速后的数据由串行转成并行；同时根据多普勒频偏范围与信噪比确定最小频率区间个数，根据每个频率区间的中心频点对本地伪码速率进行修正，并对产生的本地伪码在存储区进行存储；
(4)从缓存区与存储区读出数据与伪码，对应位相乘实现相关运算；根据步骤(3)确定的频率区间个数将相关运算后的数据串行划分成不同的频率区间；
(5)依次针对每个频率区间，对相关运算后的数据进行累加降速；
(6)对步骤(5)累加后的数据进行二次变频再累加，之后采用两块存储区进行乒乓缓存，两块存储区一个处于写状态时，另一个处于读状态，存储区深度一致；所述二次变频后得到的频率区间记为小频率区间；
(7)从步骤(6)的存储区内读取数据，并进行FFT运算；当一个频率区间数据处理完成后，判断应用场景要求的最低载噪比是否高于预设的阈值，若高于，则直接根据FFT运算结果进行捕获结果判决，否则，先进行非相干累加，然后根据非相干累加结果进行捕获结果判决。
优选的，步骤(3)中的缓存区宽度为m，缓存区的深度表示为
其中，k为调制数据速率，M为根据信噪比和调制数据速率得到的参与捕获的调制数据个数，clk为AD采样的处理时钟，N为累加降速的点数，g为用遍历法去数据符号时数据滑动精度的倒数。
优选的，通过下述方式将累加降速后的数据由串行转成并行：
缓存区写入数据的顺序为BRAM_1，BRAM_2……BRAM_m的第一个地址，BRAM_1，BRAM_2……BRAM_m的第二个地址，……，BRAM_1，BRAM_2……BRAM_m的第
读数时将BRAM_1，BRAM_2……BRAM_m中某一个地址对应的数据一次性读出；
BRAM_1……BRAM_m为缓存区的一个地址对应的存储空间。
优选的，所述步骤(3)中频率区间的个数需要满足
式中，捕获运算一次累加时间为Tl，多普勒频率范围为-Fd～Fd，射频频率为Fs，伪码速率为fc。
优选的，所述步骤(3)中修正后的伪码速率为
其中，频率区间的中心频点为Fq，射频频率为Fs，伪码速率为fc。
优选的，所述步骤(4)中划分频率区间时，需将m个相关运算结果中每m1个进行累加，实现降速处理，m1由采样时钟与多普勒区间决定，根据采样定理，累加后的数据速率需大于最大多普勒频偏的2倍，记为在数据速率A下，根据步骤(3)得到的频率区间数，用每个区间的中心频点对接收信号进行正交变频，此处的中心频点Fq与步骤(3)中伪码速率修正量是一一对应的。
优选的，步骤(5)中累加后的数据速率
其中，A为步骤(4)相关累加后的数据速率，J为累加个数，多普勒频率范围为-Fd～Fd，Q为频率区间的个数。
优选的，步骤(7)中读取通过下述方式实现：
先读一个小频率区间对应的M*g个数据，进行FFT运算，再将初始地址+1，读取M*g个数据，如此重复g次，再读取下一个小频率区间对应的数据，重复g次，直到所有小频率区间对应的数据读取完毕；
所述的M为参与捕获运算的调制数据个数；g为用遍历法去数据符号时数据滑动精度的倒数。
优选的，所述步骤(7)中FFT运算通过下述方式实现：
先将每个数据符号对应的g个采样点进行累加，得到M个部分累加结果，再根据调制数据的极性对部分累加的结果再累加，由于0和1的对称性，M个调制数据共有2(M-1)种极性组合，将不同极性组合下结果的最大值作为FFT运算结果。
优选的，所述步骤(7)中的捕获结果判决具体为：
某一个频率区间对应的所***相位搜索完成后，判决捕获成功与否的同时，判断是否搜索完所有频率区间，若未搜索完，切换频率区间，继续捕获运算；若搜索完所有频率区间，判断最大值是否大于门限，即是否捕获成功，若捕获成功，则继续跟踪，若未捕获成功，则从步骤(3)开始重新进行。
优选的，在步骤(7)之后计算捕获时间，所述的捕获时间包括数据缓存时间和捕获运算时间，所述的数据缓存时间为个时钟周期，一轮捕获运算时间为个时钟周期；
式中，clk为AD采样的处理时钟，k为调制数据速率，M为根据信噪比和调制数据速率得到的参与捕获的调制数据个数，g为用遍历法去数据符号时数据滑动精度的倒数，fc为伪码速率，H为伪码周期，Q为步骤(4)中频率区间个数，J为步骤(5)中的累加个数，m为缓存区宽度，m1为步骤(4)中的累加次数，t为伪码相位的滑动精度，D为步骤(6)二次变频后小频率区间的个数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明采用数据极性遍历法消除调制数据对捕获的影响，划分多个多普勒频率区间，用每个区间的中心频点对本地伪码速率进行修正，保证低信噪比下捕获运算一次累加时间内本地伪码相对接收信号的滑动不超过半个码片；对若干次FFT结果进行非相干累加，实现低信噪比下扩频信号的捕获，可根据输入信号信噪比要求对非相干累加次数进行选择，捕获结构灵活。
附图说明
图1为本发明方法的捕获原理图。
图2为捕获控制流程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本文在部分相关FFT算法的基础上，在FFT运算过程中用遍历法消除了调制数据对捕获的影响，可实现低信噪比，大动态条件下扩频信号的捕获，具体步骤如下：
(1)下变频：对AD采样后的数据进行正交下变频，将数据搬到基带，假设AD采样的中频信号频率为f，处理时钟为clk，则本地载波的频率为Wc＝f-clk；
(2)累加降速：根据输入扩频信号的带宽对下变频后的基带数据进行N点累加降速，累加后的数据速率为clk/N。累加降速的目的是减少后续数据存储量。N满足采样定理。
(3)数据存储：将累加降速后的数据依次存入缓存区，缓存区的宽度根据捕获时间要求确定，深度根据调制数据速率和信噪比确定。假设缓存区的宽度为m(取值范围40～100)，调制数据速率为k，根据信噪比和调制数据速率得到的参与捕获的调制数据个数为M，则缓存区的深度可以表示为
(4)扩频码字产生与存储：在存储数据的同时，需要对本地伪码做相应存储操作。要达到一定的捕获概率，输入信号信噪比越低，数据累加的时间越长。在低信噪比大多普勒频偏条件下，若参与相关运算的伪码速率为标称码速率，则捕获运算一次累加时间内，本地伪码与接收信号的相对滑动会超过半个码片，严重影响捕获结果。故在产生本地伪码之前，需要根据多普勒频偏范围与信噪比计算频率区间个数，根据每个频率区间的中心频点对本地伪码速率进行修正。
假设捕获运算一次累加时间为Tl，多普勒频率范围为-Fd～Fd，射频频率为Fs，伪码速率为fc，要保证捕获运算一次累加时间内码相位滑动小于半个码片，频率区间个数Q需要满足假设频率区间的中心频点为Fq，则修正后的伪码速率为
为了实现本地伪码与接收信号的相关累加，伪码生成后同样需要存储，存储区间的宽度与接收信号相同。因捕获运算时需要滑动本地码相位，与接收信号相比，本地伪码需多存储一个码周期对应的数据量。假设伪码周期为H，则伪码存储空间的深度为
(5)划分频率区间：为了防止捕获运算一次累加时间内的码相位偏移超过半个码片，需要根据步骤4中的频率区间个数将相关运算后的数据划分成多个频率区间，具体为从接收信号存储区与本地伪码存储区读出数据与码字，对应位相乘，实现相关运算。为了减少运算过程中乘法器的数量，需将m个相关运算结果中每m1个进行累加，实现降速处理，m1由采样时钟与多普勒区间决定，累加后的数据速率需大于最大多普勒频偏的2倍，记为
(6)二次累加：为了降低资源使用率，即降低FFT运算点数，对变频后的数据再进行累加降速，累加个数J由每个频率区间的覆盖范围和调制数据速率决定。由步骤4得，每个频率区间的覆盖范围为即由采样定理得，累加后的数据速率
(7)二次变频与三次累加：为了完成调制着不同速率数据的扩频信号的捕获，需要将二次累加后的数据进行二次变频再累加。假设调制数据速率为k，用遍历法去数据符号的滑动精度为数据符号宽度的1/g，故三次累加后的数据速率可设置为最小值C＝g*k，此处最小数据速率对应最小的FFT点数。累加后的数据速率确定下来之后，累加点数和二次变频后的小区间数也相应确定：
(8)三次累加数据存取：为了节省捕获时间，用两块存储区对三次累加后的数据进行乒乓缓存，一个处于写状态时，另一个处于读状态。不同调制数据速率下，存储区的深度是一致的，便于调用同一个FFT运算模块。存储区的一个地址存储一个累加结果，深度与参与捕获运算的调制数据个数M以及二次变频的区间数D有关，可表示为[M*g+(g-1)]*D，每个小频率区间的采样点依次存入存储区。读取数据时，先读一个区间对应的M*g个数据，进行FFT运算，再将初始地址+1，读取M*g个数据，如此重复g次，再读取下一个小频率区间对应的数据，重复g次，直到所有小频率区间对应的数据读取完毕。这样读取数据的目的是用数据滑动的方法实现去调制数据符号。
(9)FFT运算：用公式
FFT运算结果的分辨率为W＝C/(M*g)＝(g*k)/(M*g)＝k/M，其中，C为三次累加后的数据速率，M为参与捕获运算的调制数据个数，g为用遍历法去数据符号时数据滑动精度的倒数，k为调制数据速率。为了达到90％的捕获概率，要求FFT输出信噪比≥17dB，则捕获算法可以适应的载噪比
(10)非相干累加：将FFT结果求模平方后存入缓存区，新的FFT运算结束后同样求模平方，与缓存区的数据累加，为了避免平方损耗的影响，每次FFT运算后的信噪比要在10dB以上。一次非相干累加可使捕获信噪比提高3dB。
(11)捕获结果判决：捕获判决模块控制着整个捕获流程，捕获控制流程图如图2，捕获流程开始后，根据步骤3和步骤4分别缓存数据和本地伪码，二者缓存完毕后进行相关累加，按照步骤5划分频率区间，开始后续捕获运算，搜索完一个频率区间对应的所***相位后，进行捕获成功与否的判决，若捕获成功，则启动跟踪运算。判决时将得到的最大值与动态门限做比较，此动态门限可设置为每帧FFT运算结果平均值的U倍。若最大值大于门限，且新的最大值大于之前求得的最大值，则判决为之前的捕获结果错误，复位跟踪模块，重新启动跟踪；若最大值未更新，则之前的捕获结果正确，继续跟踪。
某一个频率区间对应的所***相位搜索完成后，判决捕获成功与否的同时，判断是否搜索完所有频率区间，若未搜索完，切换频率区间，继续捕获运算；若搜索完所有频率区间，判断最大值是否大于门限，即是否捕获成功，若捕获成功，则继续跟踪，若未捕获成功，则复位捕获模块，重新开始捕获。
(12)捕获时间计算：此捕获算法中，需等待步骤3和步骤4中数据缓存区和伪码缓存区存满数据才能进行后续捕获运算，故捕获时间分成两部分：数据缓存时间与捕获运算时间，因FFT运算之前设置两个缓存区对数据进行乒乓缓存，即FFT运算的同时数据也在缓存，且FFT运算时间小于数据缓存时间，故计算捕获时间时FFT运算可省略。
(1)由步骤3，4，数据缓存需要个时钟周期；
(2)由步骤5，6，7，8，一个时钟周期可以输出
(3)若输入信号信噪比较低，需要进行非相干累加，则捕获时间在上述时间基础上加倍，例如两次非相干累加时：上述时间*2，三次非相干累加时，上述时间*3……。
由上可知，本发明的一种符号速率可变的低信噪比扩频信号捕获方法，在部分相关FFT算法的基础上，在FFT运算过程中用遍历法消除了调制数据对捕获的影响。可以通过设置不同的捕获参数，实现不同的多普勒范围，不同调制数据速率的扩频信号的捕获；划分多个多普勒频率区间，用每个区间的中心频点对本地伪码速率进行修正，保证大多普勒频偏，低信噪比下捕获运算一次累加时间内本地伪码相对接收信号的滑动不超过半个码片，消除大多普勒对捕获运算性能的影响；低信噪比下对若干次FFT结果进行非相干累加，可根据输入信号信噪比的要求对非相干累加次数进行选择，捕获结构灵活。
实施例：
在采用直扩序列扩频体制的某参数化ASIC基带处理芯片的研制过程中，应用该方法之后，可实现调制数据速率1kbps～300kbps，Eb/N0＝5.2dB，多普勒频偏范围为-800kHz～800kHz条件下扩频信号的快速捕获。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。