一种扩频信号三级捕获方法、系统、设备及介质

本发明涉及无线通信，具体涉及一种扩频信号三级捕获方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、随着移动通信的不断发展，人们对即时通信的需求越来越高，而其中不得不提的一项关键技术就是扩频信号的捕获，扩频信号到达接收机端时会存在扩频码相位偏移和因发射机与接收机之间的相对运动而产生的多普勒频率偏移，因此想要对接收信号进行跟踪解调以获取所传输的比特信息，则首先需要对接收信号的频率和扩频码相位进行确定，这样才能保证本地接收机可以复制出与接收信号同步的载波信号和扩频码信号，以便于后续跟踪和信号解调。

2、常见的扩频信号的捕获方法有时域串行捕获算法、并行频率搜索捕获算法、并行码相位搜索捕获算法等；时域串行捕获算法以最朴素明了的方式展示了捕获过程中每一步流程中信号发生的变换，但其串行暴力搜索的方式带来了较长捕获时间的问题；并行频率搜索捕获算法通过傅里叶变换可以实现在确定一个码相位的同时在频率域对所有频带并行处理，将捕获的搜索维度降维至码相位维度，但该方法存在着在一次累积时间内需要做大量傅里叶变换的问题，对硬件资源要求较高，尤其是在使用长扩频码的情况下，会对硬件造成更多的负荷。

3、公开号为cn116094543a的发明专利申请公开了一种高精度扩频信号捕获方法，包括：对接收到的信号进行数据采样；对采样数据进行载波频率的补偿修正；对频率修正后的采样数据进行伪码相位的相关解扩得到相关积分数据；根据相关积分数据计算得到自适应检测门限、相关积分峰值及旁峰信息；对伪码相位和载波频率进行插值校正；采用校正后的相关积分峰值与自适应检测门限作比较检测接收信号是否捕获成功，并解算得到接收信噪比、扩频码相位、载波多普勒频移；但由于该方法仅通过单次信号采样并进行处理，信号捕获精度较低，且该方法的计算量大，对硬件资源要求较高。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种扩频信号三级捕获方法、系统、设备及介质，通过对接收的扩频信号进行建模，并采用三级捕获的方式，逐级缩小搜索范围对扩频信号逐级缩小搜索步长进行捕获，具有信号捕获精度高、捕获时间短、硬件资源需求低以及信号捕获完整度高的优点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种扩频信号三级捕获方法，包括以下步骤：

4、步骤1、对接收到的扩频信号进行建模；

5、步骤2、结合步骤1中建立的扩频信号模型，确定本地接收机频率的搜索范围以及第一级捕获频率搜索步长；

6、步骤3、设置本地接收机的码相位搜索步长，并根据步骤2确定的本地接收机频率的搜索范围以及第一级捕获频率搜索步长，对扩频信号进行第一级捕获，得到码相位维度的精确值以及第一级捕获得到的粗略频率估计值；

7、步骤4、在步骤3的第一级捕获的基础上，对扩频信号进行第二级捕获，得到第二级捕获的较精确频率估计值；

8、步骤5、在步骤4的第二级捕获的基础上，对扩频信号进行第三级捕获，得到第三级捕获的精确频率估计值。

9、所述步骤1中的扩频信号建模，具体为：

10、si(t)＝d(t)·c(t-τ)·sin[2π(fif+fd)t+θi]+n

11、其中，d(t)表示所传输的数据码，c(t)表示扩频码，τ表示扩频码的相位，fif表示信号中频，fd表示多普勒频移，θi表示接收信号的相位，n代表均值为0方差为的高斯白噪声。

12、所述步骤2，具体为：

13、步骤2.1、将本地载波信号的频率记为fif，码相位为0，则本地载波信号与接收信号之间的频差为fd，存在的码相位差为τ，记最大多普勒频移为fmax，则接收信号的频率范围为：[fif-fd,fif+fd]，即本地接收机频率的搜索范围；

14、步骤2.2、在第一级捕获时，选择长度最长的扩频码c1(t)的周期时长作为相干累积时间tcoh1，由此得出第一级捕获时的搜索步长为：δf1＝1/tcoh1；同时，将步骤2.1中确定的本地接收机频率的搜索范围，按照搜索步长划分为：fif-fd、fif-fd+λf1、fif-fd+λf2、......、fif+fd，分别记为频点1、频点2、频点3、......、频点n。

15、所述步骤3，具体为：

16、步骤3.1、设置本地接收机的码相位搜索步长为0.5个码片；

17、步骤3.2、根据步骤2.2中划分的频点设置本地载波频率值，将接收信号与本地载波进行混频，实现下变频；对混频后的信号进行快速傅里叶变换，将混频后的信号从时域变换到频域，记为fft[s(n)]；

18、步骤3.3、记本地扩频码为c1(t)，对c1(t)进行快速傅里叶变换，并对变换到频域后的信号做共轭处理，将共轭处理后的信号记为fft*[c(n)]；

19、步骤3.4、对步骤3.2得到的fft[s(n)]与步骤3.3得到的fft*[c(n)]相乘后，再进行快速傅里叶逆变换，得到时域结果r(n)：

20、

21、其中，d(n)表示数据位，fe、θe分别表示接收信号与本地载波之间的频差以及相差，n表示步骤3.3中的本地扩频码c1(t)的码长，rb表示本地扩频码c1(t)单个码片的时长；

22、步骤3.5、对步骤3.4得到的时域结果r(n)进行差分相干积分，具体为：

23、步骤3.5.1、由于步骤3.4中的时域结果r(n)通过一组扩频码c1(t)的基础上进行累积得到，则相邻的后一时域结果r(n+1)可表示为：

24、

25、其中，d(n+1)表示数据位；

26、步骤3.5.2、将本地扩频码c1(t)累计后的结果前后共轭相乘，将共轭相乘得到的结果记为e(n)：

27、

28、步骤3.5.3、截止本步骤，只对扩频码c1(t)进行了解扩，扩频码c2(t)依旧存在，e(n)中d(n)d(n+1)和扩频码c2(t)中两个数据位相乘d'(n)d'(n+1)一一对应，按照d'(n)d'(n+1)的差分规则对e(n)进行累加，差分累加后的结果可表示为edfc(n)：

29、

30、其中，ndfc表示进行差分累加的相干积分值个数；可以得出，通过调整扩频码长度n的大小，以实现对频率搜索步长的控制；

31、步骤3.6、对步骤2.2中划分的频点逐个遍历，使用不同频率值所对应的本地载波重复步骤3.2至步骤3.5，将所有结果组合，从而得到一个在码相位维度和频率维度的二维矩阵，寻找最大差分相干累积值edfcmax-1(n)所对应的码相位和粗略频点值其中码相位即为码相位维度的精确值，粗略频点值即为一级捕获得到的粗略估计值。

32、所述步骤4，具体为：

33、步骤4.1、以步骤3.6中得到的粗略频率值为中心，设置第二级捕获的频率搜索范围为：

34、步骤4.2、选择扩频码c2(t)的周期时长作为相干累积时间tcoh2，故第二级捕获的搜索步长为δf2＝1/tcoh2，频率维度搜索的频点划分为分别记为频点1、频点2、……，频点n；

35、步骤4.3、设置本地载波频率值为步骤4.2中频点1的值，将接收信号与本地载波进行混频，实现下变频，并对下变频后的信号做快速傅里叶变换，将信号变换到频域；

36、步骤4.4、通过步骤3.6得到的码相位对扩频码c2(t)进行调整，实现码对齐，同时对步骤4.3中下变频后的信号解扩累积，得时域信号r(n)；

37、步骤4.5、按照与步骤3.5相同的方式，对步骤4.4得到的时域信号r(n)进行差分相干积分；

38、步骤4.6、对步骤4.2中划分的频点逐个遍历，使用各个频率值所对应的本地载波重负步骤4.3至步骤4.5，扫描完成后得出各个频点所对应的累积值，寻找最大差分相干累积值edfcmax-2(n)所对应的频点值则频点值即为第二级捕获得到的较精确估计值。

39、所述步骤5，具体为：

40、第三级捕获的方式与第二级捕获相同，唯一区别在于第三级捕获使用扩频信号的帧同步头序列，而第二级捕获使用的是扩频码；根据扩频信号的帧同步头序列，使用与步骤4相同的方式对扩频信号进行第三级捕获，最终得到最大相干累计值对应的频点值，即最佳多普勒频移估计值最佳多普勒频移估计值即为第三级捕获得到的精确估计值。

41、一种扩频信号三级捕获系统，包括：

42、扩频信号建模模块，用于对接收的扩频信号进行建模；

43、频率搜索范围获取模块，用于确定本地接收机频率的搜索范围以及第一级捕获频率搜索步长；

44、扩频信号第一级捕获模块，用于对扩频信号进行第一级捕获，得到码相位维度的精确值，以及第一级捕获得到的粗略频率估计值；

45、扩频信号第二级捕获模块，用于对扩频信号进行第二级捕获，得到第二级捕获的较精确频率估计值；

46、扩频信号第三级捕获模块，用于对扩频信号进行第三级捕获，得到第三级捕获的精确频率估计值。

47、一种扩频信号三级捕获设备，包括：

48、存储器，存储所述的一种扩频信号三级捕获方法的计算机程序，为计算机可读取的设备；

49、处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的一种扩频信号三级捕获方法。

50、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述的一种扩频信号三级捕获方法。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

52、1.通过对接收的扩频信号进行建模，并采用三级捕获的方式对扩频信号逐级缩小搜索步长进行捕获，使得本发明具有信号捕获精度高的优点。

53、2.通过逐级缩小搜索范围进行信号捕获，在缩短捕获时间的同时，由于搜索点数的下降，需要进行傅里叶变换的次数也大幅度降低，进而降低了对硬件资源的需求。

54、3.通过使用扩频信号的帧同步头序列进行第三级捕获，实现涉及到了帧同步头的自相关性，因此也间接实现了信号帧同步，后续信号跟踪等阶段可以直接获取到完整帧的信息，因此本发明的信号捕获完整度高。

55、综上所述，本发明通过对接收的扩频信号进行建模，并采用三级捕获的方式，逐级缩小搜索范围对扩频信号逐级缩小搜索步长进行捕获，具有信号捕获精度高、捕获时间短、硬件资源需求低以及信号捕获完整度高的优点。