基于多伪码支路接收机的扩频信号解扩跟踪方法与流程

本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种基于多伪码支路接收机的扩频信号解扩跟踪方法，适用于复杂环境中的卫星信号的接收检测与跟踪。

背景技术：

随着科技的发展，扩频通信技术以其保密性高、抗干扰性好被广泛应用到军用和民用领域中。在卫星通信领域中，数字跟踪接收机是一个很重要的分支，主要用于卫星天线的跟踪，解调出方位角和俯仰角信息，实现天线对卫星的精确跟踪。

但是传统数字跟踪接收机的保密性低，抗干扰性差，使得传统的调制信号不能很好的传递信息。为了解决传统数字跟踪接收机的上述弊端，基于扩频信号的跟踪接收机应运而生，其主要思路是在信号发射端，对角度信号进行扩频处理，实现信号的频谱展宽，降低信号的信噪比，实现信号的安全传输。当卫星天线接收到带有角度信息的扩频信号，接收机首先需要对信号进行解扩，之后再进行解调，才能获得准确的方位角和俯仰角信息，实现天线对卫星的精确跟踪。

扩频信号是通过伪随机码对传统信号进行调制，频域上展宽频谱，达到抗干扰，保密的目的。现有的扩频跟踪接收机是先对接收到的信号进行解扩，获得原始信号，再对信号进行解调处理，最终得到方位角和俯仰角信息。而现有的解扩方法有串行捕获，并行捕获，其核心思想都是将本地伪码与扩频信号进行相关累加。这种方法的缺点是无法保证相关累加的能量最大，当相关累加时还可能出现累加为0的情况，导致无法准确获取伪码相位调整信息，进而无法进行扩频信号的快速解扩和精确跟踪。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种基于多伪码支路接收机的扩频信号解扩跟踪方法。本发明通过多支路设置和基于快速傅里叶变换(fastfouriertransformation，fft)处理的伪码捕获跟踪，能够实现伪码相位差最小的支路的快速检测，并根据fft处理结果移动伪码，实现对伪码的快速捕获和跟踪；同时，载波捕获模块的fft处理，能够对大频偏载波实现快速的检测，提高了载波捕获的能力，加快了捕获速度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

基于多伪码支路接收机的扩频信号解扩跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1，接收机接收扩频信号，并对所述扩频信号进行数字下变频处理，得到去载波的扩频信号；

进一步地，所述扩频信号为经过伪随机码和高频载波调制后的扩频信号。

进一步地，所述数字下变频处理为：

本地数控振荡器产生原始载波信号，所述扩频信号分别与原始载波信号中的i路、q路信号依次进行相乘、有限长单位冲激响应(finiteimpulseresponse，fir)低通滤波，得到去载波的扩频信号。

步骤2，通过本地伪码产生器产生本地伪码，通过对本地伪码进行延时处理，得到滞后伪码支路、即时伪码支路和超前伪码支路，将滞后伪码支路、即时伪码支路和超前伪码支路分别与去载波的扩频信号依次进行相乘、积分累加，对应得到滞后伪码捕获信号、即时伪码捕获信号和超前伪码捕获信号。

进一步地，所述延时处理为：将本地伪码作为滞后伪码支路；将滞后伪码支路延迟半个码元作为即时伪码支路；将即时伪码支路延迟半个码元得到超前伪码支路。

进一步地，所述本地伪码产生器通过移位寄存器产生，所述移位寄存器的级数为n，产生的伪码周期是2ⁿ-1；一个伪码的采样点数为m，则一个伪码周期的伪码采样点数为(2ⁿ-1)×m。

进一步地，所述积分累加的点数等于一个伪码的采样点数m，半个码元等于m/2个采样点。

步骤3，对滞后伪码捕获信号、即时伪码捕获信号和超前伪码捕获信号分别进行复数fft处理，判断伪码是否捕获成功：若伪码捕获不成功，则将本地伪码移动半个码元，并重复步骤2；若伪码捕获成功，则进行步骤4。

进一步地，所述判断伪码是否捕获成功具体为：

计算出所述复数fft处理后的即时伪码捕获信号的最大值和平均值，将l倍的平均值作为伪码捕获的门限值，若最大值大于门限值，则伪码捕获成功，否则，伪码捕获不成功，其中，4≤l≤16。

进一步地，所述复数fft处理的点数是2ⁿ。

步骤4，伪码捕获成功后，采用复数fft处理后的滞后伪码捕获信号和复数fft处理后的超前伪码捕获信号进行伪码跟踪；同时，采用即时伪码捕获信号进行载波捕。

进一步地，所述采用复数fft处理后的滞后伪码捕获信号和复数fft处理后的超前伪码捕获信号进行伪码跟踪，其具体步骤为：

比较复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值与复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值：若复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值小于复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值，则本地伪码向超前方向移动1个采样点；若复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值大于复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值，则本地伪码向滞后方向移动1个采样点；若复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值等于复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值，则伪码跟踪成功，即扩频信号解扩完成。

进一步地，所述采用即时伪码捕获信号进行载波捕获，其具体步骤为：

首先，采用即时伪码捕获信号中的i路和q路信号进行相乘后再进行实数fft牵引，得到载波捕获fft信号。

其次，获取载波捕获fft信号的最大值位置对应的频率，即为fft牵引频率，进而得到fft牵引频率对应的频率控制字，即为牵引频率控制字。

最后，将接收机的固定频率控制字与所述牵引频率控制字相加，采用相加后的频率控制字控制本地数控振荡器产生对应的牵引载波；计算牵引载波与扩频信号之间的频差，若频差大于等于k倍的实数fft牵引的分辨率，则重复进行载波捕获；若频差小于k倍的实数fft牵引的分辨率，则载波捕获成功，得到捕获频率；其中，1≤k≤2。

进一步地，所述实数fft牵引具体为：对即时伪码捕获信号中的i路和q路信号进行相乘后得到的信号进行j点实数fft牵引；再通过复数fft处理判断频率正负，最后，对j点实数fft牵引后的信号的实部和虚部求平方和，得到载波捕获fft信号。

更进一步地，所述实数fft牵引的分辨率为：其中，clk为采样时钟，m是积分累加点数，j是实数fft牵引点数。

步骤5，伪码捕获成功后，采用即时伪码捕获信号进行载波跟踪。

所述采用即时伪码捕获信号进行载波跟踪，其具体步骤为：

首先，采用即时伪码捕获信号中的i路和q路信号分别进行积分累加，并将积分累加后的i路和q路信号依次进行相位鉴别、环路滤波处理，得到环路滤波后的信号，进而得到环路滤波后的信号对应的频率控制字。

其次，将接收机的固定频率控制字、捕获频率和环路滤波后的信号对应的频率控制字进行加和；采用加和后的频率控制字控制本地数控振荡器产生对应频率的载波，该对应频率的载波与所述扩频信号进行数字下变频处理后，与即时伪码支路依次进行相乘、积分累加，得到载波跟踪的i、q两路信号，通过锁定判决条件，判断载波跟踪是否成功。

更进一步地，所述锁定判决条件为：

对载波跟踪的i、q两路信号中的i路和q路信号分别进行平方运算，对应得到i路的平方，记为i²，q路信号的平方，记为q²；设定锁定判决条件为i²＞2·q²；循环进行30次锁定判决，当满足锁定判决条件的判决数大于20次时，则判定载波跟踪成功，否则，继续进行载波跟踪，直至载波跟踪成功为止。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过多个伪码支路和基于fft处理的伪码捕获跟踪，能够实现伪码相位差最小的支路的快速检测，并根据fft处理结果移动伪码，实现对伪码的快速捕获和跟踪；同时，载波捕获模块的fft处理，能够对大频偏载波实现快速的检测，提高了载波捕获的能力，加快了捕获速度。本发明方法解决了不稳定、强干扰等复杂环境中信号解扩跟踪问题，提高了扩频信号的解扩速度和准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的基于多伪码支路接收机的扩频信号解扩跟踪方法的流程示意图。

图2是本发明中的伪码捕获流程示意图。

图3是本发明中的伪码跟踪流程示意图。

图4是本发明中的载波的捕获和跟踪流程示意图。

图5是本发明中实施例中伪码跟踪成功时的信号图；其中，图5(a)是扩频信号中的伪码，图5(b)是本地伪码产生器产生的本地伪码。

图6是本发明实施例中载波跟踪成功后的i、q两路信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1，基于多支路接收机的扩频信号解扩跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1，接收机接收扩频信号，并对所述扩频信号进行数字下变频处理，得到去载波的扩频信号。

其中，所述扩频信号为经过伪随机码和高频载波调制后的扩频信号。所述数字下变频处理为：本地数控振荡器产生原始载波信号，所述扩频信号分别与原始载波信号中的i路、q路信号依次进行相乘、有限长单位冲激响应fir低通滤波，得到去载波的扩频信号。

步骤2，通过本地伪码产生器产生本地伪码，通过对本地伪码进行延时处理，得到滞后伪码支路、即时伪码支路和超前伪码支路，将滞后伪码支路、即时伪码支路和超前伪码支路分别与去载波的扩频信号依次进行相乘、积分累加，对应得到滞后伪码捕获信号、即时伪码捕获信号和超前伪码捕获信号。

具体地，参考图2，通过移位寄存器产生本地伪码产生器，进而产生本地伪码。所述移位寄存器的级数为n，产生的伪码周期是2ⁿ-1；一个伪码的采样点数为m，则一个伪码周期的伪码采样点数为(2ⁿ-1)×m。将本地伪码作为滞后伪码支路；将滞后伪码支路延迟半个码元作为即时伪码支路；将即时伪码支路延迟半个码元得到超前伪码支路，所述积分累加的点数等于一个伪码的采样点数m，半个码元等于m/2个采样点。

将即时伪码支路与去载波的扩频信号依次进行相乘、积分累加，得到即时伪码捕获信号；将滞后伪码支路与去载波的扩频信号依次进行相乘、积分累加，得到滞后伪码捕获信号；将超前伪码支路与去载波的扩频信号依次进行相乘、积分累加，得到超前伪码捕获信号。

步骤3，对滞后伪码捕获信号、即时伪码捕获信号和超前伪码捕获信号分别进行复数fft处理，对应得到复数fft处理后的滞后伪码捕获信号、复数fft处理后的即时伪码捕获信号和复数fft处理后的超前伪码捕获信号。

计算出所述复数fft处理后的即时伪码捕获信号的最大值和平均值，并将l倍的平均值作为伪码捕获的门限值，若最大值大于门限值，则伪码捕获成功，否则，伪码捕获不成功，其中，4≤l≤16。若伪码捕获不成功，则将本地伪码移动半个码元，并重复步骤2；若伪码捕获成功，则进行伪码跟踪和载波捕获。其中，复数fft处理的点数是2ⁿ，滞后伪码捕获信号、即时伪码捕获信号和超前伪码捕获信号这三路信号中的i路作为实部，q路作为虚部进行复数fft处理。

步骤4，伪码捕获成功后，采用复数fft处理后的滞后伪码捕获信号和复数fft处理后的超前伪码捕获信号进行伪码跟踪；同时，采用即时伪码捕获信号进行载波捕获。

参考图3，伪码跟踪即对本地伪码相位逐点调整，直到本地伪码和扩频信号的伪码完全对齐。具体步骤为：

比较复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值与复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值：

若复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值小于复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值，则本地伪码向超前方向移动1个采样点，然后，继续进行伪码跟踪，直到伪码跟踪成功。

若复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值大于复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值，则本地伪码向滞后方向移动1个采样点；然后，继续进行伪码跟踪，直到伪码跟踪成功。

若复数fft处理后的滞后伪码捕获信号的最大值等于复数fft处理后的超前伪码捕获信号的最大值，则伪码跟踪成功，即扩频信号解扩完成。

本地伪码相位的调整是通过本地伪码相位调整模块中的地址控制器来控制的。上述伪码跟踪成功时，本地伪码和扩频信号中的伪码是对齐的，两者相乘为1，即实现了扩频信号的解扩。

参考图4，载波捕获的具体步骤为：

首先，采用即时伪码捕获信号中的i路和q路信号进行相乘，相乘处理是为了消除伪码-1，+1变化对即时支路信号的影响，相乘处理后进行实数fft牵引：即将相乘处理后的信号输出至实数fft牵引模块，对大频偏扩频信号进行频率捕获。实数fft牵引的点数一般比较大，考虑耗用资源和实数fft牵引分辨率的因素，本实施例设定牵引点数为j点，j根据处理器件的资源量来确定，一般为8132点或者16384点。实数fft牵引的分辨率为其中，clk为采样时钟，m是积分累加点数，j是实数fft牵引点数。此外，因为实数fft处理不能判断出信号频率的正负，所以还要根据伪码捕获模块中2ⁿ点复数fft处理来判断频率的正负。最后，对实数fft牵引后的信号的实部和虚部求平方和，得到载波捕获fft信号，这样，便于对频率点位置的寻找。

对载波捕获fft信号寻找频率点位置：由于载波捕获fft信号由j点数据构成，根据fft的原理，频率点位置会出现最大值，寻找最大值位置，即检测的频率点位置，将频率点位置转换成频率控制字即为牵引频率控制字；将接收机的固定频率控制字与所述牵引频率控制字相加，采用相加后的频率控制字控制本地数控振荡器(nco)产生对应的牵引载波；计算牵引载波与扩频信号之间的频差，若频差大于等于k(1≤k≤2)倍的实数fft牵引分辨率，则重复进行载波捕获，直到载波捕获成功。若频差小于k(1≤k≤2)倍的实数fft牵引分辨率，则载波捕获成功，得到捕获频率，此时载波跟踪开始启动。

步骤5，载波捕获成功后，采用即时伪码捕获信号进行载波跟踪。

参考图4，具体步骤为：

首先，采用即时伪码捕获信号中的i路和q路信号分别进行积分累加，即进行m点积分累加，积分累加后的i、q即时伪码捕获信号进行2ⁿ-1的累加处理，并将积分累加后的i路和q路信号依次进行相位鉴别、环路滤波处理，得到环路滤波后的信号，进而得到环路滤波后的信号对应的频率控制字。

具体地，上述相位鉴别通过载波鉴相器实现，本实施例采用反正切鉴相器，经过鉴相器得到积分累加后的i、q即时伪码捕获信号对应的正切角度值，并将该角度值发送至环路滤波器。

数字锁相环设计中关键一点就是如何设计环路滤波器，它关系到整个锁相环的性能优劣。环路滤波器用于衰减由于输入信号噪声引起快速变化的相位误差和平滑鉴相器泄漏的高频分量，以便在其输出段对原始信号进行精确的估计。

其次，将接收机的固定频率控制字、捕获频率和环路滤波后的信号对应的频率控制字进行加和；采用加和后的频率控制字控制本地数控振荡器产生对应频率的载波，该对应频率的载波与所述扩频信号进行数字下变频处理后，与即时伪码支路依次进行相乘、积分累加，得到载波跟踪的i、q两路信号，通过锁定判决条件，判断载波跟踪是否成功。

上述步骤中，本地数控振荡器是由频率控制字控制输出频率的信号发生器，在频率控制字的控制下，对应输出该控制字对应频率的相位差为90°的正弦信号和余弦信号。

在载波跟踪过程中，锁定判决开始启动，上述步骤中的具体锁定判决条件为：

对载波跟踪的i、q两路信号中的i路和q路信号分别进行平方运算，对应得到i路的平方，记为i²，q路信号的平方，记为q²；设定锁定判决条件为i²＞2·q²；循环进行30次锁定判决，当满足锁定判决条件的判决数大于20次时，则判定载波跟踪成功，否则，继续进行载波跟踪，直至载波跟踪成功为止。

当载波捕获成功后，认为本地数控振荡器产生的载波和输入的扩频信号之间没有频差，也就是经过数字下变频处理的i、q两路均为直流，其中，i路信号为非0直流，q路信号近似为0。

仿真实验

下面结合simulink/matlab仿真实验对本发明效果做进一步的说明。

(1)仿真条件

设定采样率为75mhz，伪码移位寄存器的级数为10，伪码周期是1023，伪码捕获时，复数fft处理的点数为1024，载波捕获时，实数fft牵引的点数为16384，伪码速率为5mhz，每个码元采样点数为15。

(2)仿真内容

设定接收机接收的扩频信号的伪码偏移8个码元，载波频偏设置为100khz，使用simulink搭建该仿真系统，实现扩频信号接收机的解扩跟踪。

(3)仿真结果分析

图5为本仿真实验的伪码跟踪成功时的波形图，从图5(a)和图5(b)可以看出，实验结束后，输入的扩频信号的伪码和本地伪码对齐，此时，两者相乘等于1即可实现对扩频信号的快速解扩；图6为本仿真实验的大频偏载波耿总成功的波形图，从图6可以看出，本发明方法实现了大频偏载波的精确跟踪锁定。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。