专利名称：减少大动态下扩频码捕获时间的方法
技术领域：
本发明涉及一种直接序列扩频系统的扩频序列捕获方法。主要用于直接序列扩频系统的数字基带设备，多谱勒范围达到± IMHz以上，多谱勒变化率达到lOOKHz/S以上的大动态下直接序列扩频系统扩频码的快速捕获。
背景技术：
扩频通信是二十一世纪通信领域研究最广泛深入的通信体制之一。特别在今天日益复杂的信道环境以及个人通信倍受关注的社会需求环境中，扩频通信优秀的保密性和抗噪声性能显得十分重要。在整个扩频系统中，接收端对发送端扩频码的捕获是一项决定整个系统成败的关键技术。所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。随着现代空间技术的发展，飞行器的作用距离越来越远，飞行速度越来越快，速度变化率越来越大，这给扩频测控系统带来了新的问题:首先为了解决超远距离通信，保证到达地球的信号强度在一定的水平，需要把工作频段提高到Ka频段。在飞行器运动状态不变的情况下工作频段的提高会使传输信号包含更大的动态。其次飞行器速度的提高使传输信号的动态进一步扩大，另外速度变化率的提高导致多谱勒变化率相应增大。对于直接序列扩频系统扩频码的捕获来说需要搜索的多谱勒范围和多谱勒变化率扩大了很多。扩频码捕获有几个重要的指标，捕获灵敏度、捕获时间、可适应的动态范围。捕获灵敏度主要由积分时间决定，捕获时间与可适应的动态密切相关，捕获时间越短可适应的动态范围就越大。对于一次完整的捕获过程来说，捕获时间包括数据采样时间和处理时间。处理时间可以通过增加资源和优化算法来实现，当处理时间明显小于采样时间时，采样时间对整个捕获时间有着决定性的影响，要缩短整个捕获时间只能通过减少采样时间来完成。通常直接序列扩频系统在发射端采用伪随机码(简称伪码)对信息码进行扩频；在接收端，只有当本地伪码和接收信号中的伪码在相位上达到同步，才能实现对信息码的解扩。伪码捕获的作用是实现伪码相位的粗同步和载波多谱勒的初步估计，为后续的伪码跟踪和载波跟踪环节提供相位和频率初值，所以伪码捕获是一个时频二维搜索过程。传统的伪码捕获通常采用的是直接对接收到的基带数据进行频率分槽的捕获算法，在信号中多谱勒范围较大时,首先多谱勒范围进行频率分槽,然后依次在各个频率槽内进行数据采样、存储和相关计算，最后从各个频率槽的相关结果中选择最大的相关值，以该相关值所对应的伪码相位和多谱勒值作为最终的捕获结果。现有技术扩频码捕获方法的不足之处在于，在大动态条件下，整个多谱勒频率范围被划分成很多个频率槽，在捕获过程中每个频率槽都要进行一次降采样和数据存储过程，这是因为每个频率槽都要进行各自的载波多谱勒补偿和码多谱勒补偿。一轮完整的捕获过程需要对所有频率槽进行重复采样，大量频率槽的采样时间叠加起来构成了整个捕获时间的瓶颈，不论如何减小处理时间，整个捕获时间都不会小于全部频率槽的采样时间之和。大动态扩频信号多谱勒范围宽，变化速度快，采用传统捕获方式进行捕获，不仅整个捕获时间较长，更重要的是由于多谱勒变化率很大，一轮搜索完成时信号中的载波多谱勒和扩频码相位已经发生很大改变，捕获结果变得毫无意义。如何在大动态下完成扩频码的快速捕获成为影响大动态直接序列扩频接收机性能的重要因素。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术在大动态直接序列扩频系统中捕获时间长、对多普勒的快速变化适应性差的问题，提供一种适应动态范围大，能够显著缩短捕获时间的扩频码捕获方法。本发明解决现有技术问题所采用的方案是:一种减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于包括如下步骤:首先在直接序列扩频测控接收机的AD采样及下变频模块与载波和码跟踪模块之间相连一个扩频码捕获模块，其次在载波和码跟踪模块与解调模块之间并联一个测速测距模块；扩频码捕获模块以降采样率为扩频码速率的2倍，对接收机接收到的基带数字信号进行降采样，降采样后的基带信号存入数据存储器中，然后用读数据子模块以高速时钟从存储器中读出基带数据，并送入频率补偿子模块进行载波多谱勒频率补偿；再根据频率槽控制子模块当前的频率槽参数，产生相应码钟推动扩频码产生器产生带有多谱勒频偏的扩频码，利用扩频码存储子模块以两倍基准码钟对不同频率槽产生的扩频码进行重采样，重采样后的扩频码存入扩频码存储器中后，相关计算子模块用高速时钟从存储器中读出各个频率槽对应的扩频码，与进行了频率补偿后的信号进行一个频率槽的相关计算后，切换到下一个频率槽，然后把所有频率槽的计算结果送入比较模块，比较模块从各个频率槽的相关结果中选择最大峰值，以该相关值所对应的伪码相位和多谱勒作为最终的捕获结果。本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
本发明通过在本地产生的扩频码上进行多谱勒频偏的修正来适应采样信号中存在的码钟偏差，通过先对采样数据进行降采样和存储，然后再进行载波多谱勒频率补偿，一次采样就可以完成整个捕获过程，避免了对接收信号的多次重复采样，从而减少了捕获时间，改善了可适应的动态范围。本发明特别适用于大动态下短周期扩频码的快速捕获。
下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。图1是直接序列扩频测控接收机原理框图。图2是图1中扩频码捕获模块内部子模块划分原理框图。
具体实施例方式参阅图1、图2。在以下描述的本发明最佳实施例中，用于直接序列扩频测控系统的接收机依次由串联在同一线路上的AD采样及下变频模块、扩频码捕获模块、载波和码跟踪模块、解调模块以及跨接在载波和码跟踪模块与解调模块之间的测速测距模块，共5部分组成。其中，AD采样及下变频模块完成对模拟信号的数字化处理，把模拟信号转化为基带数字信号，以便进行后续处理。根据本发明减少大动态下扩频码捕获时间的方法，首先是对接收到的基带信号进行降采样，降采样率为扩频码速率的2倍，再利用存储器对降采样后的数据进行存储和读取，存储时钟为降采样时钟，读取时钟为高速时钟。读数据子模块以高速时钟从存储器中读取数据送给多谱勒补偿子模块，频率槽控制子模块按照多谱勒频偏范围划分频率槽，频率槽的划分需要兼顾载波多谱勒和码钟多谱勒，在总的积分时间内，相邻频率槽之间的扩频码相位偏差不超过半个码片。频率补偿模块对读取后的数据按照各频率槽的中心频率进行多谱勒频率补偿，这里多谱勒频率补偿是对降采样后的存储数据进行的。其次是扩频码产生子模块按照各个频率槽所对应的码钟在本地产生相应的扩频码，读扩频码子模块用两倍基准码钟对不同频率槽产生的扩频码进行重采样和存储，此处的重采样在本地扩频码上完成了码钟多谱勒的补偿。相关计算子模块以高速时钟从存储器中读出各个频率槽对应的扩频码，与进行了频率补偿后的信号进行相关计算，完成一个频率槽的相关计算后切换到下一个频率槽，所有频率槽的计算结果送入相关结果比较子模块，相关结果比较子模块对各个频率槽中不同码相位的相关结果进行比较，并从所有频率槽的相关结果中选出最大峰值，该峰值所对应的频率和相位就是最终的捕获结果。在整个捕获过程中采用本地计数器以两倍码钟对捕获过程所用的时钟进行计数，捕获完成后把捕获结果和本地计数器计数值一起送给载波和码跟踪模块。扩频码捕获模块从扩频码相位和多谱勒频率两方面对基带信号进行捕获，捕获得到的扩频码相位和多谱勒频率与本地计数器计数值一起送给载波和码跟踪模块来引导载波跟踪环和码跟踪环进入锁定状态；载波跟踪环和码跟踪环输出结果送入解调模块进行数据的恢复；测速测距模块根据载波和码跟踪环以及解调模块的输出结果完成对测控目标的速度和距离测量。图2对图1中的扩频码捕获模块做了进一步的子模块划分，该扩频码捕获模块，包括采集基带信号的降采样子模块和以串联的形式，通过数据存储子模块、读数据子模块、频率补偿子模块、扩频码产生子模块、相关计算子模块依次串联，将捕获结果输出到载波和码跟踪模块的相关结果比较子模块，还包括交联频率补偿子模块的频率槽控制子模块和经扩频码重采样子模块、扩频码存储子模块、读扩频码子模块通过相关计算子模块环形连接频率槽控制子模块组成的闭环回路，以及与频率槽控制子模块相连的本地计数器。扩频码捕获模块扩频码的捕获是通过在本地产生的扩频码上进行码多谱勒频偏的修正来适应采样信号中存在的码钟偏差，是对降采样后的存储数据进行多谱勒频率补偿，一次采样完成整个捕获过程的。具体实现步骤分为本地扩频码产生、数据采样存储和相关计算三个部分。为了使本地的扩频码与信号中的扩频码的多谱勒相适应，在捕获开始之前需要根据预先划分好的频率槽，在本地产生与各个频率槽相匹配的扩频码，具体包含以下步骤:
(I)扩频码产生:在捕获过程开始之前，根据预先划分的频率槽产生与各个频率槽相应的带有多谱勒频偏的扩频码。(2)扩频码重采样:用基准两倍码钟对扩频码产生子模块产生出的扩频码进行重采样，采样结果送给扩频码存储子模块进行存储。(3)扩频码存储:扩频码存储子模块以两倍扩频码速率把重采样后的扩频码存入扩频码存储器中，存储长度等于总的相关点数。在捕获一开始，首先对接收到的基带信号进行采样，采样过程包含以下步骤: (I)基带数据降采样:在捕获过程开始后降采样子模块以两倍扩频码速率对输入的基带信号进行抽取，抽取后的信号送给数据存储子模块进行存储。(2)数据存储:数据存储子模块以两倍扩频码速率把降采样后的基带信号存入数据存储器中，存储数据长度等于总的相关点数。在完成本地扩频码和接收信号的存储后，对已经存储完成的本地扩频码和接收信号进行相关计算。相关计算过程包含以下步骤:
(I)采样数据读取:读数据子模块以高速时钟从数据存储器中把存储完毕的基带数据读出，送给频率补偿子模块进行载波多谱勒频率补偿。(2)载波多谱勒补偿:频率补偿子模块根据频率槽控制子模块送来的当前频率槽参数对从数据存储器中读出的数据进行多谱勒频率补偿。(3)扩频码读取:读扩频码子模块根据频率槽控制子模块送来的当前频率槽参数以高速时钟从扩频码存储器中读出与该频率槽相对应的扩频码。(4)相关计算:读扩频码子模块读取的扩频码，与进行了频率补偿后的采样数据送给相关计算子模块进行相关计算。(5)频率槽切换:当相关计算子模块完成一个频率槽中所有扩频码的相位计算后，频率槽控制子模块根据相关计算子模块送来的切换标志切换到下一个频率槽，直到完成所有频率槽的相关计算过程。(6)相关值选择:相关结果比较子模块从所有频率槽的相关结果中选择出最大值，该最大值对应的扩频码相位和频率值就是最终的捕获结果。(7)捕获过程计数:在整个捕获过程中采用本地计数器以两倍码钟对捕获过程所用的时钟进行计数，捕获完成后把捕获结果和本地计数器计数值一起送给载波和码跟踪模块。
权利要求
1.一种减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于包括如下步骤:首先在直接序列扩频测控接收机的AD采样及下变频模块与载波和码跟踪模块之间相连一个扩频码捕获模块，其次在载波和码跟踪模块与解调模块之间并联一个测速测距模块；扩频码捕获模块以2倍扩频码速率的降采样率，对接收机接收到的基带数字信号进行降采样，降采样后的基带信号存入数据存储器中，然后用读数据子模块以高速时钟从存储器中读出基带数据，并送入频率补偿子模块进行载波多谱勒频率补偿；根据频率槽控制子模块当前的频率槽参数，产生相应码钟推动扩频码产生器产生带有多谱勒频偏的扩频码，再用扩频码存储子模块以两倍基准码钟对不同频率槽产生的扩频码进行重采样，重采样后的扩频码存入扩频码存储器中，相关计算模块以高速时钟从存储器中读出各个频率槽对应的扩频码，与进行了频率补偿后的信号进行一个频率槽的相关计算后，切换到下一个频率槽，最后把所有频率槽的计算结果送入相关结果比较子模块，相关结果比较子模块对收到的相关结果进行比较，从所有频率槽的相关结果中选择出最大的相关值，以该相关值所对应的伪码相位和多谱勒作为最终的捕获结果。
2.按权利要求1所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，扩频码捕获模块从扩频码相位和多谱勒频率两方面对基带信号进行捕获，捕获得到的扩频码相位和多谱勒频率与本地计数器计数值一起送给载波和码跟踪模块，引导载波跟踪环和码跟踪环进入锁定状态；载波跟踪环和码跟踪环输出结果送入解调模块进行数据的恢复；测速测距模块根据载波跟踪环和码跟踪环以及解调模块的输出结果完成对测控目标的速度和距离测量。
3.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，扩频码捕获模块，包括采集基带信号的降采样子模块和以串联的形式，通过数据存储子模块、读数据子模块、频率补偿子模块、扩频码产生子模块、相关计算子模块依次串联，将捕获结果输出到载波和码跟踪模块的相关结果比较子模块，还包括交联频率补偿子模块的频率槽控制子模块和经扩频码重采样子模块、扩频码存储子模块、读扩频码子模块通过相关计算子模块环形连接频率槽控制子模块组成的闭环回路，以及与频率槽控制子模块相连的本地计数器。
4.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，频率槽控制模块按照多谱勒频偏范围划分频率槽，频率槽的划分兼顾载波多谱勒和码钟多谱勒，在总的积分时间内，相邻频率槽之间的扩频码相位偏差不超过半个码片。
5.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，码钟多谱勒的补偿在本地产生的扩频码上进行的，而且是先对下变频后的基带信号进行降采样，然后再分频率槽对降采样后的信号进行多谱勒频率补偿的。
6.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，扩频码捕获模块扩频码的捕获是通过在本地产生的扩频码上，进行码多谱勒频偏的修正来适应采样信号中存在的码钟偏差，是对降采样后的存储数据进行多谱勒频率补偿，一次采样完成整个捕获过程的。
7.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，基带数据降采样是降采样子模块以两倍扩频码速率对输入的基带信号进行抽取，抽取后的信号送给数据存储子模块进行存储。
8.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，数据存储是数据存储子模块以两倍扩频码速率把降采样后的基带信号存入数据存储器中，存储数据长度等于总的相关点数。
9.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，扩频码重采样是用基准两倍码钟对扩频码产生子模块产生出的扩频码进行采样，采样结果送给扩频码存储子模块进行存储。
10.按权利要求1或2所述的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，其特征在于，扩频码存储是扩频码存储子模块以两倍扩频码速率把重采样后的扩频码存入扩频码存储器中，存储长度等于总的相关点数。`
全文摘要
本发明提出的减少大动态下扩频码捕获时间的方法，旨在提供一种动态适应范围大，能够显著缩短捕获时间的扩频码捕获方法。本发明通过下述技术方案予以实现首先以2倍扩频码速率对下变频后的基带数据进行降采样和存储，再以高速时钟从存储器中读出存储数据，并按照多谱勒频偏范围划分频率槽，对读取的数据按照各频率槽的中心频率进行多谱勒频率补偿；其次，按照各个频率槽所对应的进行了多谱勒补偿的码钟在本地产生相应的扩频码，用两倍基准码钟对不同频率槽产生的扩频码进行采样和存储；最后，用高速时钟从存储器中读出各频率槽对应的扩频码，与进行了多谱勒频率补偿的信号进行相关计算，最大相关值所对应的伪码相位和多谱勒就是最终的捕获结果。
文档编号H04B1/7075GK103078660SQ20131000383
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月6日 优先权日2013年1月6日
发明者张波, 邓强, 方科 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所