扩频信号捕获系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总地涉及扩频通信技术，具体地说，涉及一种用于直接序列扩频通信的基 于卫星导航授时功能的扩频信号捕获系统和方法。
【背景技术】
[0002] 扩频通信技术是一种信息传输方式，其将待传送的数据信息用扩频码序列调制， 实现频谱扩展后再进行传输；接收端则用同样的扩频码序列进行相关同步接收、解扩及恢 复原始数据信息。扩频通信具有抗干扰性能好、保密性能好、频谱密度低、对其他通信系统 干扰小、能精确定时和测距等优点，早期主要应用于军用通信系统，后逐渐扩展至民用移动 通信系统（CDM)及无线局域网（WLAN)等领域。
[0003] 直接序列扩频（DS-SS，direct sequence spread spectrum)是扩频通信技术的一 种，其是在发送端将待发送的信号与高速率伪随机码（简称伪码或PN码，也可以称为扩频 码）波形相乘后直接控制射频信号的某个参量来扩展传输带宽，在接收端直接使用相同的 伪码对扩展后的信号频谱进行解扩，还原出原始信号。
[0004] 直接序列扩频通信的过程可以参见图1所示的示意性流程图。
[0005] 如图1所示，首先，在发射端，信号源发出的信号在编码模块处被编码，然后与PN 码生成模块产生的PN码相乘，获得的信号输入到正交相移（QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)编码调制模块中，经编码调制的信号通过信道发射，在通过信道传输的过程中，不 免会受到噪声等因素的干扰。在接收端，从信道接收到的信号首先在解调/滤波模块进行 解调和滤波，去除干扰，进行载波同步，然后，信号被输入到乘法器，利用PN码生成模块产 生的PN码进行PN码同步，进而在译码模块进行符号同步，从而在信号接收端（信宿）处还 原出原始信号。
[0006] 对于直接序列扩频通信系统而言，为了实现准确顺畅的通信，需要保证收发两端 的伪码同步和载波同步，分别包括频率的同步和相位的同步。为了完成同步，通常需要两个 步骤：捕获与跟踪。捕获的作用是完成粗同步，得到粗略的多普勒频移的估计值和码相位的 估计值，跟踪的作用是利用捕获得到的粗同步结果初始化跟踪环路，完成精细同步，进而还 原出信息。捕获，作为扩频信号接收处理的首要环节担当着非常重要的角色。在高动态、低 信噪比的环境中，尤其是高速率、伪码周期长的情况下，要完成信号的捕获是比较困难的。
[0007] 现有的捕获方法有：滑动相关法，其捕获时间正比于伪码周期的平方，在伪码周期 较长时，搜索时间极长；匹配滤波法，在缩短伪码捕获时间的同时增加了系统硬件的复杂 度。这两种方法受多普勒频移的影响较大，如图2所示的扩频信号捕获示意图，捕获时需要 在伪码相位与多普勒频移之间进行二维的搜索。此外，还有基于载波频率的快速傅里叶变 换（FFT)算法的捕获方法，虽然可以克服多普勒频移对伪码捕获的影响，达到快速捕获的 目的，但是要求接收信号的功率变化要小，当接收信号的功率变化较大时，必须进行自适应 门限调整以实现正确捕获，这增加了系统的复杂度和捕获时间，无法完成短时突发通信的 伪码捕获。
[0008] 综上，由于码相位和频偏值是一个随机量，缺乏相应的先验信息，在现有的捕获方 式中，捕获算法运算量较大，需要占用大量的硬件资源；并且对信号的检测是一个概率事 件，需要进行多次门限判断和调整，因此，捕获过程往往需要占用较长的时间，降低了通信 效率，对于通信时间较短的突发性通信极为不利。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明提出一种新的技术方案，借助于卫星导航系统的授时功能实现 对扩频信号的快速捕获。
[0010] 根据本发明的一方面，提供了一种扩频信号捕获系统，其包括：
[0011] 卫星导航授时模块，输出载体位置、速度和时间信息，所述时间信息包括世界协调 时、秒脉冲；
[0012] 触发逻辑模块，接收卫星导航授时模块输出的世界协调时、秒脉冲，并以世界协调 时作为时间基准，以秒脉冲作为输入信号，生成触发信号，以触发生成扩频码；
[0013] 钟差测量模块，接收卫星导航授时模块输出的秒脉冲，计算钟差；和
[0014] 多普勒计算模块，接收卫星导航授时模块输出的载体位置和速度以及时间信息， 计算载体相对运动造成的多普勒偏差。
[0015] 这里，载体相对运动造成的多普勒偏差，包括与码钟相关的多普勒码偏和与载波 相关的多普勒频偏。
[0016] 上述系统可以进一步包括：码相位差计算模块，其根据卫星导航授时模块输出的 载体位置、速度和时间信息，计算链路传输时延ΛΤ，并将计算所得的链路传输时延ΛΤ输 出给所述触发逻辑模块。其中，当所述移动站作为发射端时，在世界协调时指示的时刻提前 ΛΤ的时间触发生成扩频码；当所述移动站作为接收端时，在世界协调时指示的时刻延迟 Λ T的时间触发生成扩频码并开始与接收信号进行相关解调。
[0017] 其中，所述钟差测量模块包括：
[0018] 脉冲计数器，其接收系统时钟和所述卫星导航授时模块输出的秒脉冲，并对两个 秒脉冲之间的系统时钟的脉冲个数进行计数；和
[0019] 加权平均滤波模块，其对所述脉冲计数器的输出结果进行滤波平均，输出钟差。
[0020] 所述钟差测量模块输出的钟差和所述多普勒计算模块输出的偏差，分别输入至码 钟数字控制振荡器和载波数字控制振荡器，用以在生成码钟和载波时进行预偏纠正。
[0021] 另一方面，本发明还提供一种扩频信号捕获方法，其包括如下步骤：
[0022] 接收来自卫星导航授时模块的位置、速度和时间信息，所述时间信息包括世界协 调时、秒脉冲；
[0023] 以所述世界协调时作为时间基准，以所述秒脉冲作为输入信号，生成触发信号，以 触发生成扩频码；
[0024] 利用所述秒脉冲，计算钟差；
[0025] 利用所述位置、速度和时间信息，计算载体相对运动造成的多普勒偏差。
[0026] 上述方法进一步包括：根据所述载体位置、速度和时间（世界协调时、秒脉冲）信 息，计算链路传输时延ΛΤ，所述链路传输时延ΛΤ用于与所述世界协调时结合使用，生成 触发信号，以触发生成扩频码。其中，在发射时，在世界协调时指示的时刻提前ΛΤ的时间 触发生成扩频码；在接收时，在世界协调时指示的时刻延迟AT的时间触发生成扩频码并 开始与接收信号进行相关解调。
[0027] 其中，所述计算钟差包括：
[0028] 对两个秒脉冲之间的系统时钟的脉冲个数进行计数；
[0029] 对计数结果进行滤波平均，以输出钟差。
[0030] 所述钟差和所述载体相对运动造成的多普勒偏差用于在生成码钟和载波时进行 预偏纠正。
[0031] 本发明基于卫星导航系统的授时功能，实现扩频信号的快速捕获，不需要占用大 量的硬件资源，通信效率高，对于通信时间较短的突发性通信尤其有利。
【附图说明】
[0032] 图1是直接序列扩频通信的示意性流程图；
[0033] 图2是现有捕获方法中扩频信号捕获的示意图；
[0034] 图3是基于卫星导航系统授时功能的扩频信号捕获系统的组成示意图；
[0035] 图4是固定站侧/移动站侧的码相位同步方案的组成示意图；
[0036] 图5是移动站侧的码相位同步方案的另一组成示意图；
[0037] 图6是发送端载波多普勒频偏的修正示意图；
[0038] 图7是接收端载波多普勒频偏的修正示意图；
[0039] 图8是钟差修正示意图。
【具体实施方式】
[0040] 以下，结合附图详细描述本发明所提出的基于卫星导航系统授时功能的扩频信号 捕获方案。
[0041] 需要说明的是，为了避免不必要的细节模糊了本发明的重点，在附图及相关描述 中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不 大的其他细节。
[0042] 卫星导航系统或卫星定位系统，例如全球定位系统（GPS)和北斗导航系统，主要 目的是提供实时、全天候和全球性的导航定位服务，可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个 人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。除了能够提供基于位置信息的导航定 位服务，卫星导航系统还具备授时功能，可以输出时间信息，例如，世界协调时（UTC)及秒 脉冲（IPPS)。本发明正是从这一点出发，在直接序列扩频通信系统的发射端和接收端都设 置卫星导航授时模块，该模块从卫星导航系统（例如，GPS和/或北斗）接收信号，输出IPPS 和UTC以及包括位置、速度等载体运动信息。这样，在同一时间基准UTC下以IPPS作为收 发两端的触发信号，使得收发操作同步进行，并利用位置、速度和时间信息计算载波频偏和 码钟偏差，实现扩频码的同步和载波的同步，达到快速捕获扩频信号的目的，从而实现直接 序列扩频通信中收发两端的高度同步，其同步精度甚至可以达到50纳秒以内。
[0043] 下面，