基于信标的多业务快速捕获接收装置及方法与流程

本发明属于通信领域，具体涉及一种可应用于卫星通信等领域的基于信标的多业务快速捕获接收装置及方法。

背景技术

随着卫星技术的飞速发展，卫星通信的需求越来越大，同时用户不仅有语音通话，还有视频通话、上网等应用需求，所以卫星通信的业务速率和信号带宽也需要提高。捕获模块是卫星接收机的重要组成部分，捕获部分实现信号的多普勒频偏和码相位的粗略估计，是接收机能够准确跟踪卫星信号的基础。卫星发射端发送一组接收机已知的序列，已知序列一般在信息起始时发送，接收机对已知序列进行搜索的过程称为信号捕获。

现有的捕获方法有基于快速傅里叶变换的并行搜索方法、基于相关器的串行搜索方法等，例如CN107942354A公开了用于站间卫星通信的快速捕获方法。基于快速傅里叶变换的并行搜索方法虽然捕获时间较短，但是硬件复杂度较高。采用现有的串行搜索方法时，接收信号经过接收滤波器后，与本地已知序列进行滑动相关，若输出的相关累加结果大于预设门限，则捕获成功，在不确定信号时间范围时，需要每个时刻都对接收序列进行捕获，如果已知序列的长度较长或信号的信息速率较高，捕获的计算复杂度和硬件开销会大大增加。串行搜索方法的采集时间相对较长，对于已知序列较长的大动态卫星系统不适用，对多个业务信号进行捕获时，需要分开捕获。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于信标的业务信号捕获方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于信标的多业务快速捕获接收装置，包括：AD采样模块、数字下变频模块、信标信号接收滤波器模块、信标信号捕获接收模块、多业务信号初始位置和频偏计算模块、多业务信号频偏校正模块、多业务信号接收滤波器模块和多业务信号捕获接收模块；其中，

AD采样模块对接收的数据信号进行采样输出数字信号，送入数字下变频模块，经过数字下变频得到I/Q两路零中频信号，送入信标信号接收滤波器和多业务信号频偏校正模块；所述接收的数据信号包括信标信号和业务信号，两种信号之间的时间间隔已知，信标信号的信息速率要保证接收端在捕获时间小于捕获时间阈值且误码率小于误码率阈值条件下快速精准捕获，所述的业务信号为多用户业务或者单用户业务；

信标信号接收滤波器接收所述I/Q两路零中频信号，输出I/Q两路基带信标信号给信标信号捕获接收模块；信标信号的捕获接收模块完成信标信号的捕获，捕获完成得到信标信号的起始位置信息tb和信标信号的频偏信息fb，将信标信号的起始位置信息tb发送给多业务信号捕获模块；，将信标信号的频偏信息fb发送给多业务信号初始位置和频偏计算模块；

多业务信号初始位置和频偏计算模块，根据输入的信标信号频偏信息fb计算得到业务信号的频偏fd，fd＝k*fb+f0，其中，k为频偏系数，f0为接收装置的固定频偏；根据信标信号与业务信号之间的发送时间间隔、钟差以及滤波器误差，估算得到业务信号距离信标信号初始位置的时间范围trange，trange用上下限的方式记为trs～tre，trs是范围下限，tre是范围上限，根据输入的信标信号的起始位置信息tb，计算得到业务信号的初始位置范围td为(tb+trs)～(tb+tre)；每个业务信号有对应的一组频偏系数k和初始位置的时间范围trange，根据m个业务信号各自的频偏系数k和初始位置的时间范围trange，m≥1，得到m个业务信号各自的频偏fd和初始位置范围td；将m个业务信号的频偏fd分别输出到对应的多业务频偏校正模块，将m个业务信号的初始位置范围td分别输出到对应的多业务信号捕获接收模块；

多业务频偏校正模块有m个，每个业务频偏校正模块使用对应地业务信号的频偏fd对输入的I/Q两路零中频信号进行混频处理，校正I/Q两路零中频信号的频偏，输出频偏校正之后的中频信号到对应的业务信号接收滤波器模块，共输出m个频偏校正之后的中频信号，分别给到对应的多业务信号接收滤波器；

多业务信号接收滤波器模块有m个，每个业务信号接收滤波器接收对应地多业务频偏校正模块输出的频偏校正后的I/Q两路中频信号，输出I/Q两路基带业务信号，送到多业务信号捕获接收模块，共输出m个I/Q两路基带业务信号，分别给到对应的多业务信号捕获接收模块；

多业务信号捕获接收模块有m个，每个多业务信号捕获接收模块接收相应地业务信号接收滤波器模块输出的I/Q两路基带业务信号，每个多业务信号捕获包括Td个捕获单元，用于对I/Q两路基带业务信号在一定捕获范围内进行快速捕获，m个多业务信号捕获接收模块共对m组I/Q两路基带业务信号进行捕获，每个多业务信号捕获接收模块的捕获范围为该模块对应的业务信号的初始位置范围td，业务信号捕获的时钟周期为tclk，那么从(tb+trs)时刻开始对业务信号进行捕获，需要捕获的时钟周期范围为Td＝(tre-trs)/tclk，共需要Td个捕获单元来完成多业务信号的捕获。

进一步的，所述信标信号捕获接收模块使用常规捕获方法，包括串行捕获方法，并行捕获方法和FFT捕获方法；其中，采用串行捕获方法时，本地生成一组已知序列，在全捕获范围内与I/Q两路基带信标信号滑动相关，若相关结果大于门限值，证明捕获成功。

进一步的，多业务信号捕获接收模块的捕获单元采用串行捕获方法，每个捕获单元输出一个捕获判决结果，如果某一个捕获单元判决成功则证明捕获成功，如有多个捕获单元都判决成功，则使用相关值最大那个时刻作为业务信号的起始时刻。

进一步的，多用户业务联接方式包括频分多址、时分多址、码分多址及它们的组合方式。

进一步的，所述的业务信号接收滤波器包括FIR滤波器、IIR滤波器、CIC滤波器、升余弦滤波器、根升余弦滤波器的一种或者多种。

进一步的，所述发送的业务信号包括文字、音频、图片、视频的一种或多种。

本发明还提供了一种基于信标的多业务快速捕获方法，利用所述的基于信标的多业务快速捕获接收装置，其特征在于包括步骤：

发送端发送数据信号的步骤，所述数据信号包括信标信号和业务信号，两种信号之间的时间间隔是已知的，信标信号的信息速率要保证接收端在捕获时间小于捕获时间阈值且误码率小于误码率阈值条件下快速精准捕获；

接收端接收数据信号的步骤，具体包括:

步骤S1：信息接收端对接收的数据信号先进行AD采样，将其由模拟信号转换为数字信号，然后经过数字下变频处理，得到I/Q两路零中频信号；

步骤S2：信标信号接收滤波和捕获的步骤，

该步骤中，将步骤1中得到的I/Q两路零中频信号输入到信标信号接收滤波器中，输出I/Q两路基带信标信号，对I/Q两路基带信标信号进行捕获，捕获完成得到信标信号的起始位置信息tb和信标信号的频偏信息fb，将信标信号的起始位置信息tb发送给多业务信号捕获模块；，将信标信号的频偏信息fb发送给多业务信号初始位置和频偏计算模块；

步骤S3：多业务信号位置信息和频偏信息计算的步骤，

该步骤中，根据步骤S2得到的信标信号频偏信息fb计算得到业务信号的频偏fd，fd＝k*fb+f0，其中，k为频偏系数，f0为接收装置的固定频偏；根据信标信号与业务信号之间的发送时间间隔、钟差以及滤波器误差，估算得到业务信号距离信标信号初始位置的时间范围trange，trange用上下限的方式记为trs～tre，trs是范围下限，tre是范围上限，根据输入的信标信号的起始位置信息tb，计算得到业务信号的初始位置范围td为(tb+trs)～(tb+tre)；每个业务信号有对应的一组频偏系数k和初始位置的时间范围trange，根据m个业务信号各自的频偏系数k和初始位置的时间范围trange，m≥1，得到m个业务信号各自的频偏fd和初始位置范围td；将m个业务信号的频偏fd分别输出到对应的多业务频偏校正模块，将m个业务信号的初始位置范围td分别输出到对应的多业务信号捕获接收模块；

步骤S4：校正多业务信号频偏的步骤，

该步骤中，将步骤S3得到的m个频偏fd给到对应地m个多业务频偏校正模块，每个业务频偏校正模块使用对应地业务信号的频偏fd对输入的I/Q两路零中频信号进行混频处理，校正I/Q两路零中频信号的频偏，输出频偏校正之后的中频信号到对应的业务信号接收滤波器模块，共输出m组频偏校正之后的中频信号，分别给到对应的多业务信号接收滤波器；

步骤S5：多业务信号接收滤波和快速捕获的步骤；

该步骤中，每个业务信号接收滤波器输入频偏校正后的I/Q两路中频信号，输出I/Q两路基带业务信号到对应的多业务信号捕获接收模块，m个多业务信号接收滤波器共输出m组I/Q基带业务信号；每个业务信号捕获接收模块对应地对一组I/Q两路基带业务信号在一定捕获范围内进行快速捕获，多业务信号捕获接收模块首先根据步骤S3得到的初始位置范围td作为相应的业务信号的捕获范围，业务信号捕获系统时钟周期为tclk，那么从(tb+trs)时刻开始对业务信号进行捕获，需要捕获的时钟周期范围为Td＝(tre-trs)/tclk，共需要Td个捕获单元完成多业务信号的捕获，m个多业务信号捕获接收模块共对m组I/Q两路基带业务信号进行捕获。

进一步的，步骤S2中，基带信标信号的捕获采用常规捕获方法，包括串行捕获方法，并行捕获方法和FFT捕获方法；其中，采用串行捕获方法时，本地生成一组已知序列，在全捕获范围内与I/Q两路基带信标信号滑动相关，若相关结果大于门限值，证明捕获成功。

进一步的，步骤S5中，多业务信号捕获接收模块的捕获单元采用串行捕获方法，每个捕获单元都会输出一个捕获判决结果，如果某一个捕获单元判决成功则证明捕获成功，如有多个捕获单元都判决成功，则使用相关值最大那个时刻作为业务信号的起始时刻。

进一步的，信标信号不仅用于辅助业务信号捕获，还用来携带信息或者作为定时同步。

有益效果

本发明在信息发送端同时发送信标信号和业务信号，两种信号的时间间隔已知，信标信号的信息速率较低，完成捕获的硬件开销较小；信标信号捕获完成之后，就能大大缩小业务信号的捕获范围，信标信号捕获输出的频偏信息，也可以用来初步校正业务信号的频偏，从而提高业务业务信号的捕获性能。并且信标的捕获结果，可以用于多个业务信号的捕获，进一步减少硬件开销。

附图说明

图1为现有技术中的一种用于站间卫星通信的快速捕获方法的原理框图。

图2为本发明基于信标的多业务快速捕获接收装置的系统原理图；

图3为本发明业务信号捕获模块框图。

图4为本发明业务信号捕获单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

如图2所示，本发明的基于信标的多业务快速捕获接收装置，包括：AD采样模块、数字下变频模块、信标信号接收滤波器模块、信标信号捕获接收模块、多业务信号初始位置和频偏计算模块、多业务信号频偏校正模块、多业务信号接收器滤波器模块和多业务信号捕获接收模块。

本发明利用上述的基于信标的多业务快速捕获接收装置，还提供了一种基于信标的多业务快速捕获方法，包括：

发送端发送数据信号的步骤，所述数据信号包括信标信号和业务信号，两种信号之间的时间间隔是已知的，信标信号的信息速率要保证接收端在捕获时间小于捕获时间阈值且误码率小于误码率阈值条件下快速精准捕获；

接收端接收数据信号的步骤，具体包括:

步骤S1：信息接收端对接收的数据信号先进行AD采样，将其由模拟信号转换为数字信号，然后经过数字下变频得到I/Q两路零中频信号；

步骤S2：信标信号接收滤波和捕获的步骤，

该步骤中，将步骤1中输出的I/Q两路零中频信号输入到信标信号接收滤波器中，输出I/Q两路基带信标信号，对I/Q两路基带信标信号进行捕获，捕获完成得到信标信号的起始位置信息tb，将信标信号的起始位置信息tb发送给多业务信号捕获模块；另外根据信标信号捕获的相关结果可以计算得到信标信号的频偏信息fb，将fb发送给多业务信号初始位置和频偏计算模块；

信标捕获采用常规方法，包括串行捕获方法，并行捕获方法和FFT捕获方法。

步骤S3：多业务信号位置信息和频偏信息计算的步骤，

该步骤中，根据步骤S2得到的信标信号频偏信息fb计算得到业务信号的频偏fd，fd＝k*fb+f0，其中，k为频偏系数，f0为接收装置的固定频偏；根据信标信号与业务信号之间的发送时间间隔、钟差以及滤波器误差等，估算得到业务信号距离信标信号初始位置的时间范围trange，trange用上下限的方式记为trs～tre，trs是范围下限，tre是范围上限，根据输入的信标信号的起始位置信息tb，计算得到业务信号的初始位置范围td为(tb+trs)～(tb+tre)；将fd输出到频偏校正模块，将td输出到多业务信号捕获接收模块；m个业务信号有相应的m组所述频偏系数k和所述时间范围trange，m≥1，从而输出m组所述频偏fd和所述初始位置范围td；

步骤S4：校正多业务信号频偏的步骤，

该步骤中，将步骤S3得到的业务信号初始频偏fd给到频偏校正模块，每个业务频偏校正模块使用输入的初始频偏fd对输入的I/Q两路零中频信号进行混频处理，校正I/Q两路零中频信号的频偏，输出校正频偏之后的中频信号到对应的业务信号接收滤波器模块，共输出m组校正频偏之后的中频信号给到对应的m个多业务信号接收滤波器；

步骤S5：多业务信号接收滤波和快速捕获的步骤；

该步骤中，每个多业务信号接收滤波器输入频偏校正后的I/Q两路中频信号，输出I/Q两路基带业务信号给对应的多业务信号捕获接收模块，m个多业务信号接收滤波器输出m组I/Q两路基带业务信号，然后每个多业务信号捕获接收模块对一组业务信号的I/Q两路基带信号在一定捕获范围内进行快速捕获，多业务信号捕获接收模块根据步骤S3得到的初始位置范围td作为业务信号的捕获范围，业务信号捕获系统时钟周期为tclk，那么从(tb+trs)时刻开始对业务信号进行捕获，需要捕获的时钟周期范围为Td＝(tre-trs)/tclk，共需要Td个捕获单元完成多业务信号的捕获，m个多业务信号捕获接收模块共对m组业务信号的I/Q两路基带信号进行捕获。

本发明提出的基于信标的多业务快速捕获方法，同样也适用于单业务快速捕获，其有益效果在于，基于信标的捕获结果，能够得到业务信号的频偏信息和位置信息，业务信号经过频偏校正之后，后续捕获和跟踪性能会更好，利用位置信息，可以在确定的时间范围内，而无需在整个到达时间范围内对捕获业务信号，这就大大降低了业务信号捕获的计算复杂度，降低了硬件开销。

本发明的多用户业务联接方式可以是FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址)、TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)和CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)，以及它们的组合方式。由于多业务信号的捕获完全依赖信标信号的捕获结果，所以需要尽可能提高信标信号的捕获速度和精度，可以选择使用增大信标信号的已知序列长度，选择高性能的相关码序列作为已知序列，以及设置合适的信标捕获判决门限等方法。

本发明的业务信号接收滤波器，不同的业务信号可以根据需求，使用不同类别的接收滤波器或者滤波器组，包括FIR滤波器、IIR滤波器、CIC滤波器、升余弦滤波器、根升余弦滤波器等的一种或者多种。本发明的业务包括文字、音频、图片、视频的一种或多种。进一步的利用本发明，信标信号不仅可以用于辅助业务信号捕获，还可以实现其它用途，例如用来携带信息或者作为定时同步等。

实施例1

业务信号为单业务信号，在信息发送端，信标信号的已知序列为Cb，长度为Lb，业务信号的已知序列分别为CD，长度分别为LD。在信息接收端，通过以下步骤完成基于信标的快速捕获：

步骤1：信息接收端首先对接收信号进行AD采样输出数字信号，然后经过数字下变频得到I/Q两路零中频信号。

步骤2：信标信号接收滤波和捕获；步骤1输出的I/Q两路零中频信号送到信标信号接收滤波器中，输出信标基带信号。信标捕获使用常规捕获方法，包括串行捕获方法，并行捕获方法和FFT捕获方法。当采用串行捕获方法对信标基带信号进行捕获，本地生成一组已知序列Cb，在全捕获范围内与信标基带信号滑动相关，若相关结果大于门限值，证明捕获成功，记录信标信号的起始位置tb，根据相关结果和Lb，计算信标信号的频偏fb。

步骤3：多业务信号位置信息和频偏信息计算；根据步骤2得到的信标信号的频偏信息可以计算得到多业务信号的初始频偏fd＝k*fb+f0，其中fb为信标信号的频偏信息；k为频偏系数，与信标信号与多业务信号之间的发送时间间隔、钟差等因素有关；f0为系统固定频偏，与接收系统有关。根据信标信号与多业务信号之间的发送时间间隔、钟差、滤波器误差等因素，可以估算得到多业务信号距离信标信号初始位置的时间范围trange，假设trange为trs～tre，根据步骤2得到的信标信号的起始位置信息tb，可以计算得到多业务信号的初始位置td为(tb+trs)～(tb+tre)。

步骤4：校正业务信号频偏；将步骤3计算得到的业务信号频偏信息fd给到频偏校正模块，根据所述频偏信息对步骤1输出的I/Q两路零中频信号分别进行混频，输出频偏校正之后的中频信号送到业务信号接收滤波器。

步骤5：业务信号接收滤波和快速捕获；业务信号接收滤波器输出业务基带信号，根据步骤3得到的业务信号的位置信息，计算业务信号的捕获范围，假设信息接收端业务信号捕获系统时钟周期为tclk，那么从(tb+trs)时刻开始对业务信号进行捕获，需要捕获的时钟周期范围为Td＝(tre-trs)/tclk，共需要Td个捕获单元完成对业务信号的捕获。图2是捕获模块框图，由Td个捕获单元组成，每个捕获单元都会输出一个捕获判决结果，如果某一个捕获单元判决成功证明捕获成功，如有多个捕获单元判决成功，使用相关值最大那个时刻作为业务信号的起始时刻。图3是捕获单元示意图，C1～Cn为本地已知序列，业务信号已知序列为CD，其长度为LD，那么图3中的n＝LD，在(tb+trs)时刻，截取长度为LD的业务数据，I路数据DI1～DIn分别与C1～Cn相乘并累加，Q路数据DQ1～DQn分别与C1～Cn相乘并累加，对I路和Q路的累加结果求平方和，与预设的门限进行比较，若平方和大于门限，证明判决成功，否则不成功。

实施例2

业务信号采用CDMA的多址联接方式，在信息发送端，信标信号的已知序列为Cb，长度为Lb，m个业务用户使用同一载波，使用不同的地址码来区分业务用户，业务信号的已知序列分别为CD1～CDm，长度分别为LD1～LDm。

在信息接收端，通过以下步骤完成基于信标的快速捕获：

步骤1：信息接收端首先对接收信号进行AD采样输出数字信号，然后经过数字下变频得到I/Q两路零中频信号。

步骤2：信标信号接收滤波和捕获；步骤1输出的零中频信号送到信标信号接收滤波器中，输出信标基带信号。信标捕获使用常规捕获方法，包括串行捕获方法，并行捕获方法和FFT捕获方法。当串行捕获方法对信标基带信号进行捕获，本地生成一组已知序列Cb，在全捕获范围内与信标基带信号滑动相关，若相关结果大于门限值，证明捕获成功，记录信标信号的起始位置tb，根据相关结果和Lb，计算信标信号的频偏fb。

步骤3：多业务信号位置信息和频偏信息计算；根据步骤2得到的信标信号的频偏信息可以计算得到多业务信号的初始频偏fd＝k*fb+f0，其中fb为信标信号的频偏信息；k为频偏系数，与信标信号与多业务信号之间的发送时间间隔、钟差等因素有关；f0为系统固定频偏，与接收系统有关。根据信标信号与多业务信号之间的发送时间间隔、钟差、滤波器误差等因素，可以计算得到多业务信号距离信标信号初始位置的时间范围trange，假设trange为trs～tre，根据步骤2得到的信标信号的起始位置信息tb，可以计算得到多业务信号的初始位置td为(tb+trs)～(tb+tre)。m个业务信号使用的m组k、trange参数，输出m个fd和td值。

步骤4：校正多业务信号频偏；将步骤3计算得到的m个业务信号的频偏信息分别输出给对应的m个频偏校正模块，同时将步骤1输出的I/Q两路零中频信号给m个频偏校正模块；每个频偏校正模块使用该路的频偏信息，对该路的I/Q两路零中频信号进行混频操作，输出频偏校正之后的I/Q两路中频信号，共输出m组频偏校正之后的I/Q两路中频信号，分别送给对应的m个业务信号接收滤波器。

步骤5：多业务信号接收滤波和快速捕获；m个业务信号接收滤波器接收m组频偏校正之后的I/Q两路中频信号，输出m组业务基带信号，需要m个业务信号捕获模块对m路业务基带信号进行捕获。拿1号业务信号的捕获模块为例，首先根据步骤3得到的1号业务信号的位置信息，计算1号业务信号的捕获范围，假设信息接收端业务信号捕获系统时钟周期为tclk，那么从(tb+trs)时刻开始对1号业务信号进行捕获，需要捕获的时钟周期范围为Td＝(tre-trs)/tclk，共需要Td个捕获单元完成对1号业务信号的捕获。图2是捕获模块框图，由Td个捕获单元组成，每个捕获单元都会输出一个捕获判决结果，如果某一个捕获单元判决成功证明捕获成功，如有多个捕获单元判决成功，使用相关值最大那个时刻作为1号业务信号的起始时刻。图3是捕获单元示意图，C1～Cn为本地已知序列，1号业务信号已知序列为CD1，其长度为LD1，那么图3钟的n＝LD1，在(tb+trs)时刻，截取长度为LD1的业务数据，I路数据DI1～DIn分别与C1～Cn相乘并累加，Q路数据DQ1～DQn分别与C1～Cn相乘并累加，对I路和Q路的累加结果求平方和，与预设的门限进行比较，若平方和大于门限，证明判决成功，否则不成功。

以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。