專利名稱：一種基于頻域的pn碼快速捕獲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于頻域的PN碼快速捕獲裝置，屬于通信抗干擾技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在采用CDMA通信體制的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星相對地球具有很大的徑向速度和加速度，使得接收信號(hào)附加了很大的多普勒偏移及其變化率，并且它過境時(shí)間短，所以要求星上系統(tǒng)能夠快速的進(jìn)行PN碼的捕獲。一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路42階長PN碼用于區(qū)分用戶，11階短PN碼進(jìn)行衛(wèi)星和軌道面的區(qū)分，頻偏范圍為±45kHz，頻偏變化率為200Hz/s，PN碼不確定度±64chip。由于上行鏈路沒有導(dǎo)頻信道，要求接入信道在20ms全零范圍內(nèi)完成長碼和短碼的捕獲，在Eb/No等于7dB時(shí)捕獲概率達(dá)到95%。PN碼捕獲結(jié)構(gòu)主要有三種:頻率碼相位二維搜索捕獲、碼相位并行捕獲和頻率并行捕獲方法。頻率碼相位二維捕獲方法示意圖如圖1a所示，在頻率和碼相位上進(jìn)行二維搜索，這種方法占用資源最少，但是捕獲時(shí)間很長，當(dāng)頻偏范圍和碼不確定度較大時(shí)，不能夠滿足實(shí)際需求；碼相位并行捕獲方法示意圖如圖1b所示，在搜索一個(gè)頻率單元的同時(shí)搜索所有的碼相位單元，主要包括匹配濾波法和基于FFT的碼相位并行捕獲，匹配濾波器實(shí)現(xiàn)全并行碼相位搜索，占用資源巨大，基于FFT的碼相位搜索方法需要完成兩次FFT和一次IFFT操作，當(dāng)PN碼很長時(shí)，占用資源較多，并且當(dāng)頻偏較大時(shí)，需要搜索的頻率點(diǎn)數(shù)太多，均不適用于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的捕獲；頻率并行捕獲方法示意圖如圖1c所示，在搜索一個(gè)碼相位的同時(shí)可以搜索所有的多普勒頻率單元，碼相位串行搜索，當(dāng)PN碼不確定度較大時(shí)，搜索時(shí)間較長。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種擴(kuò)頻體制下低軌衛(wèi)星星載通信接收機(jī)PN碼快速捕獲裝置。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:一種基于頻域的PN碼快速捕獲裝置，包括并行相關(guān)單元、FFT處理單元、門限判決單元和策略控制單元；策略控制單元控制PN碼生成器生成IQ兩路PN碼’并輸出控制信號(hào)至FFT處理單元和門限判決單元進(jìn)行多碼相位搜索；并行相關(guān)單元由M個(gè)并行相關(guān)器組成，每個(gè)并行相關(guān)器對輸入的擴(kuò)頻調(diào)制IQ兩路信號(hào)分別與PN碼生成器生成的IQ兩路PN碼進(jìn)行相關(guān)，輸出M組相關(guān)值至FFT處理單元；FFT處理單元包括M個(gè)RAM、復(fù)用選擇器、N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊和累加器；M組相關(guān)值分別存儲(chǔ)在M個(gè)RAM中，每個(gè)RAM與復(fù)用選擇器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，復(fù)用選擇器的輸出連接N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊，N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊通過復(fù)用選擇器從RAM中按順序完成M個(gè)PN碼相位的N點(diǎn)FFT運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出至累加器進(jìn)行非相干累加，累加結(jié)果輸出至門限判決單元；門限判決單元根據(jù)累加結(jié)果確定自適應(yīng)門限，搜索最大值并且記錄最大值對應(yīng)的位置和當(dāng)前的PN碼相位，根據(jù)自適應(yīng)門限和最大值在策略控制單元的控制下進(jìn)行PN碼的捕獲。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:(I)本實(shí)用新型采用基于頻域的PN碼快速捕獲方法進(jìn)行多普勒頻率的并行搜索，硬件實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行部分碼相位的并行搜索，采用自適應(yīng)門限計(jì)算和多碼相位搜索捕獲策略，當(dāng)Eb/No等于7dB時(shí)，在20ms內(nèi)能夠完成捕獲，捕獲概率達(dá)到98%以上，并且能夠到達(dá)資源和速度的折中，適應(yīng)星上的處理要求；通過改變相關(guān)長度X、部分相關(guān)值個(gè)數(shù)P和碼相位的搜索個(gè)數(shù)Q等參數(shù)，合理進(jìn)行資源配置，適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，在結(jié)構(gòu)不變的情況下減少資源的占用，實(shí)現(xiàn)靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)。(2)本實(shí)用新型采用頻率并行搜索結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上部分碼相位并行搜索，采用相關(guān)器復(fù)用和FFT計(jì)算模塊復(fù)用設(shè)計(jì)，減少捕獲時(shí)間和硬件資源開銷。(3)本實(shí)用新型采用多碼相位搜索策略，在信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍下都能夠?qū)Υa相位進(jìn)行準(zhǔn)確的捕獲，并且通過參數(shù)修改可以更改部分相關(guān)長度、部分相關(guān)值的個(gè)數(shù)和碼相位的搜索個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)靈活。

圖1a-1c為一般PN碼捕獲示意圖,其中，Ia:頻率碼相位二維搜索，Ib:碼相位并行搜索，Ic:頻率并行搜索；圖2為本實(shí)用新型頻率并行PN碼捕獲實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)；圖3為單路相關(guān)器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)；圖4為自適應(yīng)門限計(jì)算判決實(shí)現(xiàn)框圖；圖5為捕獲策略控 制流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步介紹。圖2為PN碼捕獲實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，主要分四部分:并行相關(guān)單元、FFT處理單元、門限判決單元和策略控制單元。一、并行相關(guān)單元:輸入的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)首先進(jìn)入并行相關(guān)單元。并行相關(guān)單元由M個(gè)并行相關(guān)器組成，每個(gè)相關(guān)器的長度為X，每個(gè)PN碼相位點(diǎn)上輸出P個(gè)部分相關(guān)值，補(bǔ)零送至FFT處理單元做N點(diǎn)的FFT運(yùn)算，可以同時(shí)搜索整個(gè)多普勒頻率范圍。相關(guān)器長度X、分段個(gè)數(shù)P和FFT點(diǎn)數(shù)N由多普勒頻率范圍和頻率捕獲精度決定。FFT的捕獲范圍為:土 l/2XTc，其中，Tc為PN碼片寬度，F(xiàn)FT頻率捕獲精度為:I/(NXTc)，其中N取2n，P取小于等于N的整數(shù)，P越小占用資源越小，捕獲時(shí)間越短，但捕獲概率降低，具體取值可以根據(jù)捕獲算法仿真得到。相關(guān)器的并行度M根據(jù)捕獲時(shí)間要求、相位不確定度和占用硬件資源的要求確定，平均捕獲時(shí)間:RXPTc/M，增大并行度M可以減小捕獲時(shí)間，但會(huì)增加硬件資源開銷。PN碼產(chǎn)生器依次產(chǎn)生M個(gè)碼相位相差l/2chip的PN序列，送入M并行相關(guān)器與輸入的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，M并行相關(guān)器可以同時(shí)計(jì)算M個(gè)相位的相關(guān)值，如果接收擴(kuò)頻信號(hào)PN碼的不確定度為土R/2個(gè)chip，不考慮捕獲確認(rèn)，則至少共需要計(jì)算2R/M次并行相關(guān)運(yùn)算可以遍歷所有的碼相位完成捕獲，捕獲精度為±l/2chip。[0024]圖3為單路相關(guān)器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，由于PN碼為二進(jìn)制序列，所以相關(guān)運(yùn)算可以完全由選擇器和加法器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)PN碼為O時(shí)，對輸入擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行加運(yùn)算，否則對輸入信號(hào)取反后做加運(yùn)算，即做減操作；當(dāng)輸入X個(gè)信號(hào)時(shí)，輸出累加結(jié)果并且對寄存器清零。二、FFT處理單元:并行相關(guān)單元輸出的M路并行相關(guān)值進(jìn)入FFT處理單元。FFT處理單元完成M路并行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和M個(gè)N點(diǎn)FFT運(yùn)算，可以同時(shí)得到某一個(gè)碼相位上的所有多普勒頻率值，通過判決確定碼相位和多普勒頻率值。FFT處理單元包括M個(gè)RAM、復(fù)用選擇器、N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊和累加器。a) M個(gè)并行相關(guān)器對應(yīng)M個(gè)RAM，RAM的存儲(chǔ)深度為P，M個(gè)并行相關(guān)器輸出按順序?qū)?yīng)輸出P個(gè)部分相關(guān)值存儲(chǔ)到M個(gè)RAM中；b) RAM輸出P個(gè)部分相關(guān)值通過補(bǔ)零做N點(diǎn)FFT運(yùn)算。設(shè)計(jì)主要考慮復(fù)用FFT計(jì)算模塊減少硬件資源的使用，通過合理選擇處理時(shí)鐘felk可以只使用一個(gè)FFT計(jì)算模塊按順序分別完成M個(gè)PN碼相位的N點(diǎn)FFT運(yùn)算。c) FFT輸出的相關(guān)值送至累加器做非相干累加，通過Y個(gè)碼元的非相干累加可以提高信噪比，增大捕獲概率，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求選擇。 三、門限判決單元:FFT處理單元輸出的累加結(jié)果進(jìn)入門限判決單元。門限判決單元完成自適應(yīng)門限計(jì)算、比較判決和頻率計(jì)算等功能。圖4為門限計(jì)算判決實(shí)現(xiàn)框圖。a)對輸入每個(gè)碼相位的N個(gè)FFT值分別求模的平均，然后乘以系數(shù)r得到當(dāng)前碼相位當(dāng)前時(shí)刻的門限值，門限值實(shí)時(shí)計(jì)算，系數(shù)r確定方法如下:通過MATLAB進(jìn)行捕獲算法仿真，得到當(dāng)前碼相位N個(gè)FFT值的平均值De和最大值Dm，得到粗略的系數(shù)rl=2/3XDm/De ;通過仿真調(diào)整rl使得捕獲概率等指標(biāo)達(dá)到要求，得到系數(shù)r2 ;通過實(shí)際場景測試調(diào)整系數(shù)rl使得捕獲概率等指標(biāo)達(dá)到要求，得到最終的系數(shù)r。b)在計(jì)算判決門限的同時(shí)搜索當(dāng)前碼相位的最大值，最大值計(jì)算只需要一個(gè)比較器即可順序求出當(dāng)前碼相位N點(diǎn)的最大值。搜索最大值的方法如下:假定當(dāng)前碼相位累加結(jié)果的第一個(gè)值為最大值，從第二個(gè)值開始與上一個(gè)值進(jìn)行比較，若該值大于最大值，則最大值進(jìn)行更新，更新為當(dāng)前值；否則最大值進(jìn)行保持，保持上一次的最大值，如此往復(fù)，直至第N個(gè)值比較完畢；得到當(dāng)前碼相位的最大值及其所在的位置；按照此方法繼續(xù)搜索下一個(gè)碼相位的最大值。c)比較當(dāng)前碼相位最大值和門限判斷是否捕獲。確定捕獲后，根據(jù)FFT輸出最大值的位置計(jì)算載波頻率，輸出捕獲到的碼相位和載波頻率值，進(jìn)入后續(xù)跟蹤模塊。四、策略控制單元:策略控制單元按照捕獲策略完成整個(gè)捕獲系統(tǒng)的控制，主要完成捕獲策略控制(采用多碼相位搜索策略，控制M并行相關(guān)的次數(shù)和多碼相位搜索的個(gè)數(shù)Q ;并且進(jìn)行捕獲碼相位的判斷和多普勒頻率的計(jì)算)、PN碼的生成控制、FFT計(jì)算模塊的復(fù)用控制、碼元的非相干累加控制和自適應(yīng)門限的計(jì)算調(diào)整等功能。圖5為本裝置的捕獲流程。其中counterl:輸入FFT計(jì)算模塊中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù),最大值為P ；counter2:計(jì)算2R個(gè)1/2碼相位的相關(guān)，M并行共需計(jì)算2R/M次；捕獲標(biāo)志:標(biāo)記捕獲到碼相位FFT輸出最大值超過門限。a)對PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的PN碼依次進(jìn)行l(wèi)/2chip延遲，每M個(gè)相位的PN碼作為一組分別和輸入信號(hào)進(jìn)行長度為X的相關(guān)，通過counterl計(jì)數(shù)，對M組各P個(gè)部分相關(guān)值分別補(bǔ)零計(jì)算N點(diǎn)的FFT ；b)分別對每組N個(gè)FFT的值求模的最大值與計(jì)算出來的檢測門限進(jìn)行比較，若最大值大于設(shè)定的檢測門限，則表明信號(hào)捕獲，繼續(xù)搜索Q個(gè)碼相位，然后比較Q+1個(gè)碼相位上FFT輸出最大值的最大值，給出信號(hào)所在位置的碼相位和FFT最大值的位置，通過FFT最大值的位置計(jì)算載波頻率值，進(jìn)入信號(hào)跟蹤階段；如果最大值小于門限，則表明信號(hào)未捕獲，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)碼相位的搜索；c)依次判斷M個(gè)最大值，如果M組FFT輸出的最大值都沒有超過檢測門限，通過控制器邏輯改變碼相位，進(jìn)行下一組M個(gè)碼相位的判斷；PN碼每移動(dòng)M個(gè)l/2chip，counter2進(jìn)行計(jì)數(shù),控制PN碼輸出的相位進(jìn)而控制并行相關(guān)計(jì)算的次數(shù),如果counter2計(jì)數(shù)等于2R/M，則表明完成整個(gè)PN碼相位的搜索，進(jìn)行下一輪搜索或者直接退出。在大信噪比的情況下，頻率并行PN碼捕獲方法存在搜索到的碼相位不準(zhǔn)確的問題，即在上述捕獲策略中可能會(huì)在最佳碼相位前的某個(gè)碼相位上捕獲成功，這樣增加了虛警概率。本文采用多碼相位搜索策略，在相關(guān)值超過門限后再連續(xù)搜索Q個(gè)碼相位，然后比較Q+1個(gè)碼相位上FFT輸出最大值的最大值，通過這種方法可以找到最佳碼相位，Q值可以根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行配置，當(dāng)信噪比較大時(shí)增大Q值，當(dāng)信噪比低時(shí)減小Q值，達(dá)到最大限度的減少硬件實(shí)現(xiàn)資源、較小捕獲時(shí)間和增大正確捕獲概率的目的。本實(shí)用新型未詳 細(xì)說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種基于頻域的PN碼快速捕獲裝置，其特征在于:包括并行相關(guān)單元、FFT處理單元、門限判決單元和策略控制單元； 并行相關(guān)單元由M個(gè)并行相關(guān)器組成，每個(gè)并行相關(guān)器對輸入的擴(kuò)頻調(diào)制IQ兩路信號(hào)分別與PN碼生成器生成的IQ兩路PN碼進(jìn)行相關(guān)，輸出M組相關(guān)值至FFT處理單元； FFT處理單元包括M個(gè)RAM、復(fù)用選擇器、N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊和累加器；M組相關(guān)值分別存儲(chǔ)在M個(gè)RAM中，每個(gè)RAM與復(fù)用選擇器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，復(fù)用選擇器的輸出連接N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊，N點(diǎn)FFT計(jì)算模塊通過復(fù)用選擇器從RAM中按順序完成M個(gè)PN碼相位的N點(diǎn)FFT運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出至累加器進(jìn)行非相干累加，累加結(jié)果輸出至門限判決單元； 策略控制單元控制PN碼生成器生成IQ兩路PN碼，并輸出控制信號(hào)至FFT處理單元和門限判決單元進(jìn)行多碼相位搜索； 門限判決單元根據(jù)累加結(jié)果確定自適應(yīng)門限，搜索最大值并且記錄最大值對應(yīng)的位置和當(dāng)前的PN碼相位，根據(jù) 自適應(yīng)門限和最大值在策略控制單元的控制下進(jìn)行PN碼的捕獲。
專利摘要一種基于頻域的PN碼快速捕獲裝置，策略控制單元控制PN碼生成器生成IQ兩路PN碼，并輸出控制信號(hào)至FFT處理單元和門限判決單元進(jìn)行多碼相位搜索；并行相關(guān)單元由M個(gè)并行相關(guān)器組成，每個(gè)并行相關(guān)器對輸入的擴(kuò)頻調(diào)制IQ兩路信號(hào)分別與PN碼生成器生成的IQ兩路PN碼進(jìn)行相關(guān)，輸出M組相關(guān)值至FFT處理單元；FFT處理單元按順序完成M個(gè)PN碼相位的N點(diǎn)FFT運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出至累加器進(jìn)行非相干累加，累加結(jié)果輸出至門限判決單元；門限判決單元根據(jù)累加結(jié)果確定自適應(yīng)門限，搜索最大值并且記錄最大值對應(yīng)的位置和當(dāng)前的PN碼相位，根據(jù)自適應(yīng)門限和最大值在策略控制單元的控制下進(jìn)行PN碼的捕獲。
文檔編號(hào)H04B1/7075GK203086464SQ20132003738
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者翟繼強(qiáng), 李雄飛, 陶孝鋒, 王顯煜, 董超 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所