专利名称：一种多波束频偏提取装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的卫星定位系统中的终端用户机，具体涉及北斗导航定位系统终端用户机内基带信号部分中的多波束频偏提取装置。
背景技术：
卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供位置、速度及时间等信息来完成对各种目标的定位、导航、监测和管理。卫星导航定位系统中，通信终端用户机对接收信号的处理主要包含两个主要部分，即射频处理部分和基带处理部分，其中基带处理部分完成接收信号的A/D转换、解调解扩、信息解码、及发射信息的卷积编码、信息拼接、扩频调制等。在码分多址(CDMA)体制下，射频处理部分只能完成形式上的解调。事实上，是由基带处理部分先完成解扩后，再通过获得扩频增益抬高信噪比，之后才进行同步载波提取，实现真正的解调。对于基带信号处理部分，载波频偏的存在会导致信号的相位迅速变化，而且受用户机移动的影响，载波频偏是一个随时间变化的量，如果不实时准确地进行载波频偏提取和补偿，就难以完成解调。载波频偏是指通信系统的收发载波之间存在的频率差异，简称频偏，载波频偏的提取是通信终端用户机基带信号处理模块的关键任务之一，在提取了载波频偏后，就可以以各种方式进行频偏自动消除，达到完成解调的目的。
在扩频通信中，通常称解扩前的信号为码片(Chip)级信号，称解扰解扩后的信号为符号(Symbol)级信号，经过射频处理模块和基带解扩之后，I支路接收到的符号级信息可以用复数表示为D1(t)exp(-j(Δωt+φ))，其中为I支路需要接收的二进制原始信息只有1和-1两种取值，为载波频偏，为固定相差，考虑到DI2(t)＝1，进行平方运算，可以得到exp(-j2(Δωt+φ))，这是一个包含频偏和固定相差的单频信号，只要消除固定相差的影响就可以提取出频偏。因此，频偏提取一般都是通过对符号级信号进行频偏实时估计，称为频偏提取，其常见的方法包括一、快速傅立叶变换(FFT)频偏提取法，包含几个步骤复数平方运算、快速傅立叶变换(FFT)、功率谱峰值查找、频偏估计值输出；二、相邻符号延时共扼相乘提取频偏，其原理公式为exp(-j2(Δωt+φ))×exp(j2(Δω(t-ΔT)+φ))＝exp(-j2Δω×ΔT)，其中ΔT为符号速率为已知数值，上述公式事实上提取了频偏特征，进行平滑滤波就可以获得可靠的频偏特征，因此采用相邻符号延时共扼相乘提取频偏包含几个步骤数据平方、数据延迟、相邻符号共扼相乘、滤波。
全球卫星导航定位系统中，每颗定位卫星都以一个或多个波束覆盖地面终端用户机，由于不同卫星所处位置不同，不同波束信号经历的空中传播途径有差异，因此对于终端用户机的接收而言，不同波束信号到达终端接收机，经过解扩之后遗留的载波频偏是不同的。对于通信终端用户机必须能够和多颗卫星的多个波束都建立通信通道，才能完善地实现定位功能，因此基带处理模块必须对多个波束信号都进行实时的载波频偏提取，称为多波束的频偏提取。
频偏提取装置无论采用哪种算法都要用到复数乘法器，是非常耗费硬件资源的，对于多波束的频偏提取实现装置，传统的实现方法采用完全并行处理方式，即对于每一个波束都有自己独立的一套电路提取，对于多波束需要多套频偏提取单元，资源浪费比较严重；同时，传统的实现方法对频偏提取采用固定的提取方法，频偏估计值的更新周期是固定的，当用户机移动速度较高时，频偏估计值更新过慢，会导致估计值精度下降；当用户机移动较慢而频偏估计值更新过快也会导致估计值精度下降；另外，由于不同的终端用户机采用不同的频偏消除办法，对提取频偏的方法、频偏提取精度、输出的形式的要求会有所不同。因此，目前的频偏提取方法，对于卫星数目较少时，是比较简单直观的方法，但当定位卫星数目增加时，资源耗费巨大，成本急剧增加；同时不同移动速度下，频偏提取精度难以保障。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，如何克服现有技术中的定位卫星数目增加时频偏提取装置资源耗费庞大的缺点以及频偏估计值的更新周期和提取的方法都不可配置问题，针对传统流水线处理方式提供一个共享频偏提取资源、可以预先选择设置更新周期和每个波束的频偏提取方法的频偏提取装置。
本实用新型上述第一个技术问题这样解决，构造一种多波束频偏提取装置，包括内置对应频偏提取算法的FFT频偏估计单元和共扼相乘频偏估计单元，其特征在于，还包括分别与所述FFT频偏估计单元和共扼相乘频偏估计单元的控制选择端和数据输入端连接的集中控制模块和数据缓冲模块。
按照本实用新型提供的装置，其特征在于，所述FFT频偏估计单元和共扼相乘频偏估计单元为一个，还可根据需要增加其它算法的频偏估计单元，这些共同组成供选择的主处理模块。
按照本实用新型提供的装置，其特征在于，所述数据缓冲模块包括多个Ram存储器及其输入端的Ram读写通道控制单元和输出端的多ram读出数据选择控制单元。
按照本实用新型提供的装置，其特征在于，所述数据缓冲模块包括一个内含多个存储地址段的Ram存储器及其输入端的多地址读写通道控制单元和输出端的多地址读出数据选择控制单元。
按照本实用新型提供的装置，其特征在于，所述FFT频偏估计单元包括并联在输出数据选择块(23)输入端的复数平方运算块(20)、FFT变换块(21)、FFT谱计算和峰值查找块(22)。
按照本实用新型提供的装置，其特征在于，所述共扼相乘频偏估计单元(15)包括依次电连接的复数平方运算块(30)、数据延迟块(31)、共扼相乘复数乘法器(32)和IIR滤波器(33)；所述复数平方运算块(30)的另一输出端与所述共扼相乘复数乘法器(32)的另一输入端连接。
按照本实用新型提供的装置，其特征在于，所述各自指定的频偏提取算法和更新周期可以预先设置和选择，同时可以通过外部软件或硬件控制的方式进行按实际需要进行实时控制和调整。
本实用新型提供的频偏提取装置，可以利用软件或其他方式对参数进行灵活配置，在集中控制单元的控制下，六个波束输入的解扩数据被周期性地，分时地完成频偏提取，其装置具备1、参数可配置，特别是频偏估计更新周期和频偏估计利用的符号点数可以通过参数配置，实际上就是频偏估计的精度可以通过外部来配置，在不同的移动速度下，可以通过配置参数来选择精度；频偏提取的方法有两种可选方式，通用性强；2、只用一套FFT频偏提取单元和共扼相乘频偏提取单元，只需要相应增加一些存储器资源，就能完成所有波束的频偏提取任务，处理的波束数目可高达80个波束。这样，本实用新型的频偏提取装置，与传统并行处理和固定频偏提取装置相比，有效地利用了硬件资源，大大降低了开发成本；而且，不因定位卫星数目的增加而大量增加硬件资源，便于硬件开发中资源的充分利用；进一步，提供了两种可选择频偏提取方法、灵活的参数配置，有利于专用基带集成芯片的开发。同时，对于通信终端用户机而言，能处理的波束越多，定位精度越准确，系统越可靠，本实用新型解决了波束数目增加时的频偏提取硬件资源耗费庞大的问题，有利于降低系统成本，也提出了一种通用性强、可灵活配置的频偏提取的方法，有利于专用基带集成芯片的开发。
图1是本实用新型的系统结构图；图2是本实用新型的FFT频偏提取单元结构图；图3是本实用新型的共扼相乘频偏提取单元结构图；图4是本实用新型的数据处理控制信号图之一；图5是本实用新型的数据处理控制信号图之二；
具体实施方式
首先，说明本实用新型的基础点。
(一)本实用新型的主要思想是利用一个集中控制单元，针对不同的参数配置产生出不同的控制信号来控制频偏提取的完成；对于多波束频偏提取，在时间上进行周期性地分段，每一段时间段内完成一次所有波束的频偏估计，该时间段称为频偏估计值更新周期，在每个更新周期内，首先利用存储器缓存并行到来的多波束信号，然后在每个周期结束之前串行地读出每个波束数据，分别快速地进行频偏估计并实时输出估计结果，实现对单个频偏估计器的分时复用；同时为了节约存储器，增加对存储器的读写控制，每个波束对应一个存储器或存储地址段，频偏估计过程小的所有中间结果多次从存储器中对应的存储单元进行读出和写入。
(二)时分复用原理本实用新型所述装置基于扩频原理，在发射端每个符号(Symbol)按扩频因子(SF-Spreading Factor)扩展为码片级数据，接收端的解扩将码片级数据又恢复为符号级数据，解扩之后的数据速率降为扰解扩之前的1/SF，也就是说在SF个码片(Chip)时间段里，输出一个符号数据，如果采用8倍的码片时钟作处理时钟，在这样的时间段里，将有8×SF个处理时钟。频偏估计需要存储一定长度的解扩数据，然后再用快速系统时钟(比如8倍的码片时钟)进行频偏提取。本实用新型以频偏估计值更新周期为处理周期，每个处理周期里首先缓存并行到来的若干波束信号，当存够频偏提取要求的数据点数时，开始进行逐个波束的频偏提取运算，直到所有波束频偏提取结束，然后又开始下一个周期，这样周而复始地不断给所有波束提供频偏估计值。在对第一个波束进行数据缓存时，频偏提取单元可以为其他波束工作，由于数据缓存的速率为符号级速率，每存一个数据点就有8×SF个处理时钟，因此相对于数据缓存，完成频偏提取占用的时间非常小，同一个频偏提取模块可以轮流为许多波束轮流工作。比如，对于SF＝256，采用512点FFT频偏提取法，一次数据缓存可以利用的时间是512×8×SF＝1048576个处理时钟，FFT频偏提取法采用基2快速算法，需要的时钟个数为9600个处理时钟，加上平方和频偏输出，总共需要13000个处理时钟，那么一个频偏提取模块可以处理的波束数目为1048576/13000＝80。
进一步，根据附图和实施例，具体说明本实用新型的装置(一)硬件结构如图1，本实用新型提出的频偏装置包括新增的集中控制单元10、通用的FFT频偏估计单元14和共扼相乘频偏估计单元15，还包括新增的Ram读写通道控制单元11、ram存储器组12和多ram读出数据选择控制单元13；FFT频偏估计单元14和共扼相乘频偏估计单元15组成频偏提取的主处理模块6，Ram读写通道控制单元11、多个ram存储器和多ram读出数据选择控制单元13组成数据缓冲模块8。进一步地，如图2，FFT频偏估计单元14还包括复数平方运算单元20、FFT变换单元21、FFT谱计算和峰值查找单元22、输出数据选择单元23；如图3，共扼相乘频偏估计单元15还包括复数平方运算单元30、数据延迟单元31、共扼相乘复数乘法器32、IIR滤波器33。
(二)工作原理。下面就装置六个主要部分对工作步骤和原理进行具体说明①集中控制单元10可以响应五个输入参数的设置，参数1为频偏提取方法选择，参数2为频偏估计值更新周期，参数3为数据存储区间长度；参数4为数据存储长度，参数5为要处理的波束数目。根据配置的五个参数产生出四种控制信号即控制信号A、控制信号B、控制信号C、控制信号D。通过控制信号A和B，实现对Ram读写通道控制单元11的读写地址、写入数据、读写使能的生成控制；通过控制信号B控制多ram读出数据选择控制单元13选择多波束数据中的的某一波束输出给频偏提取单元14和15；通过控制信号B、C、D控制FFT频偏提取单元14是否启动和控制FFT频偏提取单元以流水线方式完成多波束中的每个波束的不同处理阶段；；通过控制信号B、C、D控制共扼相乘频偏提取单元15是否启动和控制共扼相乘提取单元以流水线方式完成多波束中的每个波束的不同处理阶段。
②Ram读写通道控制单元11，根据输入的控制信号A和B，决定存入的数据来源，在每个更新周期内，首先存入的是原始的I支路解扩数据，然后当频偏提取阶段开始，写入的是频偏提取过程中的平方、FFT处理的中间结果，相应地产生读写地址和读写使能。当选择FFT频偏提取模式，读写地址按照FFT同址计算原则生成；当采用共扼相乘频偏提取模式，只需要写入复数平方中间结果。存储器组12包括若干存储器，每一个存储器对应一个波束；分别存储从所述读写通道控制单元11送出的I、Q两路复数信号数据。
③多ram读出数据选择单元13，根据控制信号B，在频偏提取阶段，根据当前处理的波束号，从存储器组12多个存储器的输出数据中，选择其中的一个波束对应的数据，经过该模块后，并行到达的多波束输入信号，变成串行信号，即首先输出第一波束对应存储器中的所有已存信号，然后是第二、三波束，依次输出。串行多波束信号依次送给频偏提取单元。
④FFT频偏估计单元14完成从输入信号种提取频偏，如图2包括利用FFT提取频偏的四个处理块，分别是复数平方运算块20、FFT谱计算和峰值查找块22以及输出数据选择块23，完成从多波束符号级信号中提取频偏的任务。复数平方运算块20完成输入信号的平方；FFT变换块21完成FFT变换；FFT谱计算和峰值查找块22完成FFT结果的平方和运算以及峰值位置查找并转化为对应波束的频偏估计值；输出数据选择块23从平方、FFT两个模块的输出数据中选择数据作为中间结果，即在平方阶段，输出的是平方结果，FFT阶段输出FFT的中间结果。
⑤共扼相乘频偏估计单元15采用相邻符号共扼相乘方法从输入信号中提取频偏特征，如图3，包括利用FFT提取频偏的四个处理块，分别是复数平方运算块30、数据延迟块31、共扼相乘复数乘法器32和IIR滤波器33。复数平方运算块30完成输入信号的平方；数据延迟块31对平方后的数据作一个符号级延迟；共扼相乘复数乘法器32完成延迟前后数据的共扼复数相乘；IIR滤波器33完成对频偏提取结果的平滑滤波，并输出对应波束的频偏估计值。
⑥所述Ram读写通道控制单元11是这样控制数据读写(1)在FFT方式下，数据缓存阶段，以FFT位倒序方式存入解扩数据；数据平方阶段，逐个读出数据送给复数平方运算单元20进行平方运算，然后又存回对应存储单元，直到所有数据平方结束，进入FFT处理阶段，根据FFT同址计算方式读出数据送给蝶形处理器，同时将中间结果存回对应存储单元，知道FFT变换结束；然后又逐个读出数据送给FFT谱计算和峰值查找单元22进行功率谱计算和峰值位置查找并输出频偏估计值。(2)在采用共扼相乘方式下，数据缓存阶段，以顺序方式存入解扩数据；数据平方阶段，逐个读出数据送给复数平方运算单元20进行平方运算，然后又存回对应存储单元，直到所有数据平方结束；然后进入数据延迟和共扼复数相乘阶段，逐个读出数据进行延迟共扼相乘处理并送给IIR滤波器33，直到存储器中所有数据都用完时才输出频偏特征信号。
(三)信号控制流程。本实用新型装置中的各处理单元之间频偏提取的流程控制实例如图4和图5所示，详细描述如下1.参数配置集中控制单元有五个可配置参数，通过外部设置，设定具体的值；对于不同的参数，该装置会自动选择不同的频偏提取方法和频偏估计的精度。
2.集中控制单元的输入时钟系统时钟输入(图1中Clk_sysl)是8倍码片时钟，数据参考时钟(图1中Clk_sys2)是外部输入的符号级时钟，它的时钟周期是8倍码片时钟的8×SF倍，利用这两个输入时钟，集中控制单元可以计算出扩频因子。
3.集中控制单元产生控制信号以两种参数配置方式进行详细描述。
(1)如图4，下述参数配置方式下控制信号参数1频偏提取方法＝0采用FFT方式；参数2频偏估计更新周期T＝541；参数3缓存数据时间长度T1＝514；参数4频偏估计利用的符号点数L＝512；参数5处理的波束数目＝6，这样设置后相当于在每541个符号中，利用其中前512个符号进行频偏提取，控制信号如图4。
控制信号A(40)，包含了两部分频偏提取方法选择和阶段控制信号。频偏提取方法选择信号控制频偏提取阶段要不要存储中间结果，每一个波束都有自己的阶段控制信号，阶段控制信号是一个周期为T周期信号，低电平维持时间为T1，表示该波束正处于信号缓存阶段，否则表示该波束正处于频偏提取阶段。根据上述参数配置，阶段控制信号周期为541个数据参考时钟，其中低电平514个数据参考时钟；频偏提取方法选择信号为低电平，表示频偏提取阶段要存储FFT中间结果。控制信号A用来控制读写通道控制单元选择输入数据和生成读写地址。
控制信号B(41)，该信号是当前频偏提取的波束号计数，0～5表示有波束正在完成频偏提取，6表示频偏提取模块空闲。波束号可以用来控制频偏提取阶段要对哪一个Ram进行操作。
控制信号C(42)，在每一个波束完成频偏提取阶段，用来指示所处的中间阶段0表示进行复数平方、1表示进行FFT运算、2表示进行谱计算和频偏输出、3表示波束间切换的保护间隔。该信号用来控制FFT频偏估计单元依次打开复数平方运算单元、FFT变换、谱计算和峰值查找单元，完成完整的频偏估计。
控制信号D(42)频偏提取方法选择，用来选择打开FFT频偏估计单元还是共扼相乘频偏提取单元。
(2)如图5，下述参数配置方式下控制信号参数1频偏提取方法＝1采用共扼相乘方式；参数2频偏估计更新周期T＝350；参数3缓存数据时间长度T1＝310；参数4频偏估计利用的符号点数L＝300；参数5处理的波束数目＝6，控制信号如图5。这样设置后相当于在每350个符号中，利用其中前300个符号进行频偏提取，控制信号A、B、C、D在物理连线和信号格式上与图4完全一样。
4.Ram的写入由Ram读写通道控制单元控制。写入控制在数据缓存阶段，存入对应波束解扩输入数据；在频偏提取阶段如果有FFT中间结果，则在对应的存储器中写入FFT中间结果。自动生成写入地址如果采用FFT方式，在平方运算阶段，存储器数据逐个读出顺序写入，在FFT阶段则按照FFT同址计算原则生成写入地址；如果采用共扼相乘方式，则顺序生成写入地址。
5.Ram的读出由Ram读写通道控制单元控制。读出控制如果采用FFT方式，在平方运算阶段，顺序读出，在FFT阶段则按照FFT同址计算原则生成读出地址；如果采用共扼相乘方式，则顺序生成读出地址。
6.频偏提取单元输入信号的选取根据来自集中控制单元的控制信号B即波束号，选取对应波束数据送给频偏估计单元。
7.FFT频偏估计单元根据参数设置，自动打开或关闭。在工作状态下，根据控制信号逐步完成所有处理，输出多波束频偏估计值。
8.共扼相乘频偏估计单元根据参数设置，自动打开或关闭。在工作状态下，根据控制信号逐步完成所有处理，输出多波束频偏估计值。
权利要求1.一种多波束频偏提取装置，包括内置对应频偏提取算法的FFT频偏估计单元(14)和共扼相乘频偏估计单元(15)，其特征在于，还包括分别与所述FFT频偏估计单元(14)和共扼相乘频偏估计单元(15)的控制选择端和数据输入端连接的集中控制模块(10)和数据缓冲模块(8)。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述FFT频偏估计单元(14)和共扼相乘频偏估计单元(15)为一个。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述数据缓冲模块(8)包括多个Ram存储器(12)及其输入端的Ram读写通道控制单元(11)和输出端的多ram读出数据选择控制单元(13)。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述数据缓冲模块(8)包括一个内含多个存储地址段的Ram存储器及其输入端的多地址读写通道控制单元和输出端的多地址读出数据选择控制单元。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述FFT频偏估计单元包括并联在输出数据选择块(23)输入端的复数平方运算块(20)、FFT变换块(21)、FFT谱计算和峰值查找块(22)。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述共扼相乘频偏估计单元(15)包括依次电连接的复数平方运算块(30)、数据延迟块(31)、共扼相乘复数乘法器(32)和IIR滤波器(33)；所述复数平方运算块(30)的另一输出端与所述共扼相乘复数乘法器(32)的另一输入端连接。
专利摘要本实用新型涉及并公开了一种北斗导航定位系统终端用户机中基带处理部分内的多波束频偏提取装置，包括内置对应频偏提取算法的FFT频偏估计单元(14)和共扼相乘频偏估计单元(15)，其特征在于，还包括分别与所述FFT频偏估计单元(14)和共扼相乘频偏估计单元(15)的控制选择端和数据输入端连接的集中控制模块(10)和数据缓冲模块(8)。这种装置与传统多套装置并行处理及其固定的频偏提取办法方式相比，有效地利用了硬件资源，大大降低了开发成本，同时通用性强、可灵活配置频偏提取方法，有利于专用基带集成芯片的开发。
文档编号G01S5/14GK2800649SQ20032012963
公开日2006年7月26日 申请日期2003年12月25日 优先权日2003年12月25日
发明者江金波, 李勇 申请人:李剑