专利名称：快速捕获宽带载波信号的方法
技术领域：
本发明是关于主要应用于完成双通道或单通道跟踪接收机，利用傅立叶变换 (FFT)算法实现宽带载波快速捕获的实现方法。
背景技术：
目前，跟踪接收机载波捕获、跟踪都是采用快速傅立叶变换(FFT)算法实现的，希 望在低信噪比条件下，实现对宽带信号的快速捕获，这就挑战了跟踪接收机中FFT运算的 速度、精度和范围。现有技术主要是利用三种方法实现的一种是利用现场可编程门阵列芯 片(FPGA)内嵌的IP核，并借助其丰富的资源实现FFT运算，但是FPGA没有实现真正意义 上的浮点运算，定点运算会降低FFT精度，且定点数动态范围小，容易溢出，同时FFT的运算 长度对FPGA内存储器空间要求高。现有的IP核配置性也不够灵活；第二种方法是利用擅 长高速运算的通用数字信号处理器(DSP)实现FFT运算，但是DSP的存储器极大的限制了 FFT的运算长度，并且DSP串行处理模式也影响了 FFT运算速度。第三种方法是采用专用的 FFT处理芯片，虽然速度能达到要求，但其可扩展性差。
发明内容
为了克服现有跟踪接收机中FFT实现方法存在的上述不足，本发明提出一种简单 灵活，易于扩展，FPGA+DSP对宽带低信噪比载波快速捕获的FFT算法的实现方法。以提高 跟踪接收机捕获灵敏度。本发明的上述目的可以通过以下措施来达到一种快速捕获宽带载波信号的方 法，其特征在于包括如下步骤(1)在可编程门阵列芯片(FPGA)内，设计至少一个数字频率合成器(DDS)，至少一 个存储器(FIFO)和一个环路滤波器(LPF)，DDS用以合成不同频率的本振信号，并利用DDS 对输入信号进行下变频和设置频率控制字，FIFO用于采集并存储下变频后的信号，FIFO由 DSP控制，LPF在闭环时，对下变频后的信号滤波，从而调整DDS的频率；(2)根据信噪比要求和信号带宽，在DSP内设置FFT运算长度N，将信号带宽分为 M段并计算各段中心频率对应的控制字，用于向FPGA多次预置不同本振频率fi，利用相关 函数设计FFT运算程序及相关逻辑控制程序，用以进行状态查询和启动FIFO读写控制信号 等工作；(3)运用FFT运算程序，结合预置本振频率计算多普勒值，将运算结果送至FPGA内 载波环，DSP实时查询载波环状态，在环路未锁定时，反复进行FFT循环运算，环路锁定则进 入跟踪状态。本发明相比于现有技术具有如下有益效果易于扩展。本发明基于FPGA+DSP的FFT实现方法，可以有效利用FFT内丰富的逻 辑资源和存储器资源，在资源允许的情况下，设置存储器深度为N，根据需要可以选择进行 N点，N/2点，N/4···不同深度的FFT，深度由DSP设置。在FFT运算过程中，利用DSP集成开发环境CCS软件的波形观察工具进行实时溢出判断和移位选择扩展动态范围。简单灵活。在所述的FFT运算中，运算长度N可灵活变化，根据跟踪接收机的捕获 灵敏度计算出最低多普勒分辨率，结合采样率即可得出最小长度N，N同时决定FIFO的最小 深度。在DSP内进行FFT运算，充分发挥DSP库函数丰富，精度高优势，避免了 FFT运算 倒序等复杂工作。M次FFT处理在DSP中只要使用一个简单的循环语句，就可以灵活有效的 实现FFT运算，使跟踪接收机在低信噪比条件下，实现对宽带信号的快速捕获。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。图1是本发明提出的FPGA+DSP系统组成示意图。图2是本发明DSP程序的控制流程框图。
具体实施例方式参阅图1。在以下实施例中，实现宽带载波快速捕获的FFT算法的实现是由设计在 FPGA内的数字信号处理模块和DSP内的控制程序联合实现的。在可编程门阵列芯片(FPGA)内，设计一个数字频率合成器(DDS)用以合成不同频 率的本振信号，并利用其对输入信号进行下变频，DDS的频率控制字由DSP设置；设计一个 大容量存储器(FIFO)，用于采集下变频后的信号，FIFO由DSP控制；设计一个环路滤波器 (LPF)，LPF在闭环时，对下变频后的信号滤波，从而调整DDS的频率，LPF的开环闭环信号由 DSP控制。实施时也可以设计两个DDS，一个专用于下变频DDS，一个专用于载波环DDS时， 这种情况下不必对DSP环路进行开环闭环控制。在DSP内根据信噪比要求和信号带宽，设置FFT运算深度N，将信号带宽分为M段 并计算各段中心频率对应的控制字，利用相关函数设计FFT运算程序及相关逻辑控制程 序，用于向FPGA多次预置不同频率&及启动FIFO读写控制信号。系统初始化后，在FFT 运算前，DSP控制开环闭环控制信号，使得环路处于开环状态，对FPGA内的DDS设置频率控 制字，70M中频输入信号与预置的DDS产生的本振&的I路输出信号进行下变频，同时启动 FIFO写使能信号，FIFO开始进行采样并存储准备送至DSP内，当FIFO采集到预置的N点数 据后，通知DSP写满，DSP关闭FIFO写使能启动读使能，读完N点数据，通知DSP读空FIFO， 关闭FIFO读使能并对FIFO清零，利用相关库函数执行FFT运算，调用DSP集成开发环境 CCS软件的波形观察工具，对FIFO送来的采样数据进行实时溢出判断和移位选择，进行动 态范围扩展。第一次FFT运算结束后，求取当前运算结果中的最大幅度，存储最大幅度及其 对应的多普勒频率值，运算每段对应的多普勒值需加入预置频率控制字对应的频率，运算 结束FFT运算次数计数器加1，然后DSP预置下一频率控制字至DDS进行下一次FFT运算， 分段多次运算，依次循环直到完成M次FFT运算。DSP比较M次FFT运算的最大幅度，取最 大幅度对应的多普勒频率送至FPGA内DDS，同时控制开环闭环控制信号使得环路处于闭环 状态，LPF的输出和DSP预置的频率控制值相加联合调整DDS的频率使之逐步等于载波频 率，70M中频输入信号与调整后DDS产生的本振&的Q路输出信号进行下变频，经过一定积 分时间t后，积分值与锁定门限进行比较，积分值超过锁定门限值则锁定信号输出高电平，反之为低电平，DSP查询积分判决模块结果，环路锁定则进入跟踪状态，否则DSP重新进行 FFT循环运算直至锁定。所述方法，可以结合硬件资源和捕获灵敏度对载波频率进行灵活的分段，每次FFT 运算前，DSP对FPGA内的DDS设置频率控制字，输入信号与对应频率进行混频，然后FIFO进 行采样并送至DSP内准备运算，最后计算对应的多普勒值。运算每段对应的多普勒值要加 入预置频率控制字对应的频率，运算结束预置下一频率控制字至DDS，分段多次运算从而实 现宽带载波捕获。系统初始化。在DSP内，首先根据信噪比要求和信号带宽设置FFT运算长度N，将 信号带宽分为M段，并计算各段中心频率对应的频率控制字，频率控制字Φ根据公式Φ = fi · 2N/f。lk计算出，其中fi为所需的本振频率，fclk为DDS工作时钟，N为DDS累加器长度； 将FFT运算次数计数器置1，控制开环闭环控制信号，使得环路处于开环状态，完成相关参 数的初始化。采集下变频数据。DSP向FPGA芯片内的DDS预置第一个频段中心频率对应的频率 控制字Φ1，DDS产生对应本振频率，其正弦输出作为I路信号用以对70M中频输入信号进 行下变频，变频后的信号分两路，一路输入到FPGA内的环路滤波器LPF模块，在开环状态下 滤波后输出对系统无影响；一路输入到FIF0，FIF0在DSP发送过来的读写，使能控制信号下 启动采样，并存储采样，采集到N点后向DSP上报写满信号，DSP关闭FIFO写使能开启读使 能，开始读FIFO内存储的N点采样。FFT运算。FIFO内的N点采样被读出后，向DSP上报读空信号，DSP关闭读使能 信号，同时调用FFT子函数启动第一次FFT运算，运算结束，对运算出的N点幅度值求绝对 值，并用冒泡法取最大值，记录最大幅度及对应的多普勒频率，计算多普勒频率是根据公式
力=1··/+/，其中fs是采样频率，4是当前频段对应的中心频率，k是最大幅度对应的 N
点数，由于是对变频后的数据进行FFT运算，所以加上预置的中心频率A才是真实的多普 勒频率。FFT循环。完成一次FFT运算后，DSP中的FFT运算次数计数器自动加1，并对FPGA 内DDS预置第二个频段中心频率的频率控制字，开始第二次FFT运算，依次循环直至完成M 次FFT运算。DSP对M次FFT运算得出的M个最大幅度进行比较，取最大幅度对应的频率控 制字置入DDS，同时控制开环闭环控制信号使得环路处于闭环状态。积分判决。在闭环后，DSP送来的最大幅度对应的频率控制字和环路滤波器滤波 后输出相加后作为DDS的频率控制字，产生的本振信号的I路信号再次进入环路滤波器，环 路滤波器是个低通滤波器，滤除高频分量，保留低频分量，使得滤波后输出逐步接近输入信 号频率直至和输入信号同频，同时滤波调整后的本振信号的余弦信号作为Q路信号与输入 信号进行混频积分，积分后与锁定门限判决，超过门限则环路锁定，低于门限则失锁。DSP查询及状态控制。环路经过一定的积分时间t，DSP查询判决结果，环路锁定 则进入跟踪状态，否则DSP启动相关控制信号进入FFT循环运算直至锁定。参阅图2。具体DSP实施控制流程，根据信噪比要求和信号带宽设置FFT运算长 度N，将信号带宽分为M段，并计算各频段中心频率对应的控制字，将N和M作为常量存于 DSP0开机DSP启动后，初始化相关参数，FFT运算次数置1，对FGPA内DDS预置第一个频段的中心频率控制字，同时打开载波环，启动FIFO写。FIFO采集存储经第一个本振频率混 频后的信号。当FIFO采集到预置的N点数据后通知DSP写满，DSP关闭FIFO写使能启动 读使能，读完N点数据，关闭FIFO读使能并对FIFO清零，同时利用相关库函数执行FFT运 算。FFT运算结束后，求取当前运算结果中的最大幅度，存储最大幅度及其对应的多普勒频 率值，FFT运算次数加1，然后DSP预置第二个频段的中心频率控制字进行第二次FFT运算， 依次循环直到完成M次FFT运算。DSP比较M次运算的最大幅度，取幅度最大值对应的频 率送回FPGA内DDS并关闭载波环，等待环路经过一定积分时间t后，DSP查询FPGA内积分 值与锁定门限判决结果，环路锁定则进入跟踪状态，否则DSP重新进行FFT循环运算直至锁 定。所述方法，可以结合硬件资源和捕获灵敏度对载波频率进行灵活的分段，每次FFT 运算前，DSP对FPGA内的DDS设置频率控制字，输入信号与对应频率进行混频，然后FIFO进 行采样并送至DSP内准备运算，最后计算对应的多普勒值。运算每段对应的多普勒值要加 入预置频率控制字对应的频率，运算结束预置下一频率控制字至DDS，分段多次运算从而实 现宽带载波捕获。以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，从上面的描述可以 看出，只要FPGA内资源足够丰富，可以设计两个DDS，一个专用于下变频，一个专用于载波 环，这样DSP不必进行开环闭环控制。在FPGA内也可以设计M个深度相同的FIFO对输入 信号进行并行采样，然后DSP分别进行运算以此缩短捕获时间，这些变更和改变应视为属 于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于包括如下步骤(1)在可编程门阵列芯片(FPGA)内，设计至少一个数字频率合成器(DDS)，至少一个存 储器(FIFO)和一个环路滤波器(LPF)，DDS用以合成不同频率的本振信号，并利用DDS对输 入信号进行下变频和设置频率控制字，FIFO用于采集并存储下变频后的信号，FIFO由DSP 控制，LPF在闭环时，对下变频后的信号滤波，从而调整DDS的频率；(2)根据信噪比要求和信号带宽，在DSP内设置FFT运算长度N，将信号带宽分为M段 并计算各段中心频率对应的控制字，用于向FPGA多次预置不同本振频率fi;利用相关函数 设计FFT运算程序及相关逻辑控制程序，用以进行状态查询和启动FIFO读写控制信号等工 作；(3)运用FFT运算程序，结合预置本振频率计算多普勒值，将运算结果送至FPGA内载波 环，DSP实时查询载波环状态，在环路未锁定时，反复进行FFT循环运算，环路锁定则进入跟 踪状态。
2.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，每次FFT运算前， DSP对FPGA内的DDS设置频率控制字，输入信号与对应频率进行混频，然后FIFO进行采样 并送至DSP内准备运算。
3.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，当FIFO采集到预 置的N点数据后，通知DSP写满，DSP关闭FIFO写使能启动读使能，读完N点数据，关闭FIFO 读使能并对FIFO清零，同时利用相关库函数执行FFT运算，并计算对应的多普勒值。
4.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，在DSP内利用相关 函数设计快速傅立叶变换(FFT)运算程序，利用DSP集成开发环境CCS软件的波形观察工 具，对FIFO送来的采样数据进行实时溢出判断和移位选择扩展动态范围。
5.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，运算每段对应的 多普勒值加入预置频率控制字对应的频率，运算结束预置下一频率控制字至DDS，分段多次 运算。
6.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，第一次FFT运算结 束后，求取当前运算结果中的最大幅度，存储最大幅度及其对应的多普勒频率值，FFT运算 次数加1，然后DSP预置第二个频段的中心频率控制字进行第二次FFT运算，依次循环直到 完成M次FFT运算。
7.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，DSP比较M次FFT 运算的最大幅度，取最大幅度对应的多普勒频率送至FPGA内DDS，等待环路经过一定积分 时间t后，查询FPGA内载波环状态，环路锁定则进入跟踪状态，否则DSP重新进行FFT循环运算直至锁定。
8.如权利要求1所述的快速捕获宽带载波信号的方法，其特征在于，当设计一个专用 于下变频DDS，一个专用于载波环DDS时，DSP不进行开环、闭环控制。
全文摘要
本发明提出一种快速捕获宽带载波信号的方法，通过下述技术方案予以实现(1)在FPGA内设计至少一个DDS、FIFO和一个LPF，DDS用以合成不同频率的本振信号对输入信号进行下变频，DDS的频率控制字由DSP设置，FIFO用于采集并存储下变频后的信号，FIFO由DSP控制，LPF在闭环时对下变频后的信号滤波从而调整DDS的频率；(2)在DSP内设置FFT运算长度N，将信号带宽分为M段并计算各段中心频率对应的控制字，利用相关函数设计FFT运算程序及相关逻辑控制程序；(3)运用运算程序结合预置本振频率计算多普勒值，DSP实时查询载波环状态直至跟踪接收机锁定。利用本发明提出的FPGA+DSP结合的处理方法可以快速灵活地实现跟踪接收机宽带载波捕获。
文档编号H04B1/7075GK102122971SQ20111000262
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者李晓松, 赵宇玲 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所