擴(kuò)頻信號(hào)捕獲系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總地涉及擴(kuò)頻通信技術(shù)，具體地說(shuō)，涉及一種用于直接序列擴(kuò)頻通信的基 于衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)功能的擴(kuò)頻信號(hào)捕獲系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其將待傳送的數(shù)據(jù)信息用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制， 實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再進(jìn)行傳輸；接收端則用同樣的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢 復(fù)原始數(shù)據(jù)信息。擴(kuò)頻通信具有抗干擾性能好、保密性能好、頻譜密度低、對(duì)其他通信系統(tǒng) 干擾小、能精確定時(shí)和測(cè)距等優(yōu)點(diǎn)，早期主要應(yīng)用于軍用通信系統(tǒng)，后逐漸擴(kuò)展至民用移動(dòng) 通信系統(tǒng)（CDM)及無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN)等領(lǐng)域。
[0003] 直接序列擴(kuò)頻（DS-SS，direct sequence spread spectrum)是擴(kuò)頻通信技術(shù)的一 種，其是在發(fā)送端將待發(fā)送的信號(hào)與高速率偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼或PN碼，也可以稱(chēng)為擴(kuò)頻 碼）波形相乘后直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量來(lái)擴(kuò)展傳輸帶寬，在接收端直接使用相同的 偽碼對(duì)擴(kuò)展后的信號(hào)頻譜進(jìn)行解擴(kuò)，還原出原始信號(hào)。
[0004] 直接序列擴(kuò)頻通信的過(guò)程可以參見(jiàn)圖1所示的示意性流程圖。
[0005] 如圖1所示，首先，在發(fā)射端，信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)在編碼模塊處被編碼，然后與PN 碼生成模塊產(chǎn)生的PN碼相乘，獲得的信號(hào)輸入到正交相移（QPSK，Quadrature Phase Shift Keying)編碼調(diào)制模塊中，經(jīng)編碼調(diào)制的信號(hào)通過(guò)信道發(fā)射，在通過(guò)信道傳輸?shù)倪^(guò)程中，不 免會(huì)受到噪聲等因素的干擾。在接收端，從信道接收到的信號(hào)首先在解調(diào)/濾波模塊進(jìn)行 解調(diào)和濾波，去除干擾，進(jìn)行載波同步，然后，信號(hào)被輸入到乘法器，利用PN碼生成模塊產(chǎn) 生的PN碼進(jìn)行PN碼同步，進(jìn)而在譯碼模塊進(jìn)行符號(hào)同步，從而在信號(hào)接收端（信宿）處還 原出原始信號(hào)。
[0006] 對(duì)于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)而言，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確順暢的通信，需要保證收發(fā)兩端 的偽碼同步和載波同步，分別包括頻率的同步和相位的同步。為了完成同步，通常需要兩個(gè) 步驟：捕獲與跟蹤。捕獲的作用是完成粗同步，得到粗略的多普勒頻移的估計(jì)值和碼相位的 估計(jì)值，跟蹤的作用是利用捕獲得到的粗同步結(jié)果初始化跟蹤環(huán)路，完成精細(xì)同步，進(jìn)而還 原出信息。捕獲，作為擴(kuò)頻信號(hào)接收處理的首要環(huán)節(jié)擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色。在高動(dòng)態(tài)、低 信噪比的環(huán)境中，尤其是高速率、偽碼周期長(zhǎng)的情況下，要完成信號(hào)的捕獲是比較困難的。
[0007] 現(xiàn)有的捕獲方法有：滑動(dòng)相關(guān)法，其捕獲時(shí)間正比于偽碼周期的平方，在偽碼周期 較長(zhǎng)時(shí)，搜索時(shí)間極長(zhǎng)；匹配濾波法，在縮短偽碼捕獲時(shí)間的同時(shí)增加了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜 度。這兩種方法受多普勒頻移的影響較大，如圖2所示的擴(kuò)頻信號(hào)捕獲示意圖，捕獲時(shí)需要 在偽碼相位與多普勒頻移之間進(jìn)行二維的搜索。此外，還有基于載波頻率的快速傅里葉變 換（FFT)算法的捕獲方法，雖然可以克服多普勒頻移對(duì)偽碼捕獲的影響，達(dá)到快速捕獲的 目的，但是要求接收信號(hào)的功率變化要小，當(dāng)接收信號(hào)的功率變化較大時(shí)，必須進(jìn)行自適應(yīng) 門(mén)限調(diào)整以實(shí)現(xiàn)正確捕獲，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和捕獲時(shí)間，無(wú)法完成短時(shí)突發(fā)通信的 偽碼捕獲。
[0008] 綜上，由于碼相位和頻偏值是一個(gè)隨機(jī)量，缺乏相應(yīng)的先驗(yàn)信息，在現(xiàn)有的捕獲方 式中，捕獲算法運(yùn)算量較大，需要占用大量的硬件資源；并且對(duì)信號(hào)的檢測(cè)是一個(gè)概率事 件，需要進(jìn)行多次門(mén)限判斷和調(diào)整，因此，捕獲過(guò)程往往需要占用較長(zhǎng)的時(shí)間，降低了通信 效率，對(duì)于通信時(shí)間較短的突發(fā)性通信極為不利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明提出一種新的技術(shù)方案，借助于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)功能實(shí)現(xiàn) 對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種擴(kuò)頻信號(hào)捕獲系統(tǒng)，其包括：
[0011] 衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊，輸出載體位置、速度和時(shí)間信息，所述時(shí)間信息包括世界協(xié)調(diào) 時(shí)、秒脈沖；
[0012] 觸發(fā)邏輯模塊，接收衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊輸出的世界協(xié)調(diào)時(shí)、秒脈沖，并以世界協(xié)調(diào) 時(shí)作為時(shí)間基準(zhǔn)，以秒脈沖作為輸入信號(hào)，生成觸發(fā)信號(hào)，以觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼；
[0013] 鐘差測(cè)量模塊，接收衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊輸出的秒脈沖，計(jì)算鐘差；和
[0014] 多普勒計(jì)算模塊，接收衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊輸出的載體位置和速度以及時(shí)間信息， 計(jì)算載體相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒偏差。
[0015] 這里，載體相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒偏差，包括與碼鐘相關(guān)的多普勒碼偏和與載波 相關(guān)的多普勒頻偏。
[0016] 上述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括：碼相位差計(jì)算模塊，其根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊輸出的 載體位置、速度和時(shí)間信息，計(jì)算鏈路傳輸時(shí)延ΛΤ，并將計(jì)算所得的鏈路傳輸時(shí)延ΛΤ輸 出給所述觸發(fā)邏輯模塊。其中，當(dāng)所述移動(dòng)站作為發(fā)射端時(shí)，在世界協(xié)調(diào)時(shí)指示的時(shí)刻提前 ΛΤ的時(shí)間觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼；當(dāng)所述移動(dòng)站作為接收端時(shí)，在世界協(xié)調(diào)時(shí)指示的時(shí)刻延遲 Λ T的時(shí)間觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼并開(kāi)始與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)。
[0017] 其中，所述鐘差測(cè)量模塊包括：
[0018] 脈沖計(jì)數(shù)器，其接收系統(tǒng)時(shí)鐘和所述衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊輸出的秒脈沖，并對(duì)兩個(gè) 秒脈沖之間的系統(tǒng)時(shí)鐘的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；和
[0019] 加權(quán)平均濾波模塊，其對(duì)所述脈沖計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果進(jìn)行濾波平均，輸出鐘差。
[0020] 所述鐘差測(cè)量模塊輸出的鐘差和所述多普勒計(jì)算模塊輸出的偏差，分別輸入至碼 鐘數(shù)字控制振蕩器和載波數(shù)字控制振蕩器，用以在生成碼鐘和載波時(shí)進(jìn)行預(yù)偏糾正。
[0021] 另一方面，本發(fā)明還提供一種擴(kuò)頻信號(hào)捕獲方法，其包括如下步驟：
[0022] 接收來(lái)自衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊的位置、速度和時(shí)間信息，所述時(shí)間信息包括世界協(xié) 調(diào)時(shí)、秒脈沖；
[0023] 以所述世界協(xié)調(diào)時(shí)作為時(shí)間基準(zhǔn)，以所述秒脈沖作為輸入信號(hào)，生成觸發(fā)信號(hào)，以 觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼；
[0024] 利用所述秒脈沖，計(jì)算鐘差；
[0025] 利用所述位置、速度和時(shí)間信息，計(jì)算載體相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒偏差。
[0026] 上述方法進(jìn)一步包括：根據(jù)所述載體位置、速度和時(shí)間（世界協(xié)調(diào)時(shí)、秒脈沖）信 息，計(jì)算鏈路傳輸時(shí)延ΛΤ，所述鏈路傳輸時(shí)延ΛΤ用于與所述世界協(xié)調(diào)時(shí)結(jié)合使用，生成 觸發(fā)信號(hào)，以觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼。其中，在發(fā)射時(shí)，在世界協(xié)調(diào)時(shí)指示的時(shí)刻提前ΛΤ的時(shí)間 觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼；在接收時(shí)，在世界協(xié)調(diào)時(shí)指示的時(shí)刻延遲AT的時(shí)間觸發(fā)生成擴(kuò)頻碼并 開(kāi)始與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)。
[0027] 其中，所述計(jì)算鐘差包括：
[0028] 對(duì)兩個(gè)秒脈沖之間的系統(tǒng)時(shí)鐘的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；
[0029] 對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行濾波平均，以輸出鐘差。
[0030] 所述鐘差和所述載體相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒偏差用于在生成碼鐘和載波時(shí)進(jìn)行 預(yù)偏糾正。
[0031] 本發(fā)明基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲，不需要占用大 量的硬件資源，通信效率高，對(duì)于通信時(shí)間較短的突發(fā)性通信尤其有利。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是直接序列擴(kuò)頻通信的示意性流程圖；
[0033] 圖2是現(xiàn)有捕獲方法中擴(kuò)頻信號(hào)捕獲的示意圖；
[0034] 圖3是基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)功能的擴(kuò)頻信號(hào)捕獲系統(tǒng)的組成示意圖；
[0035] 圖4是固定站側(cè)/移動(dòng)站側(cè)的碼相位同步方案的組成示意圖；
[0036] 圖5是移動(dòng)站側(cè)的碼相位同步方案的另一組成示意圖；
[0037] 圖6是發(fā)送端載波多普勒頻偏的修正示意圖；
[0038] 圖7是接收端載波多普勒頻偏的修正示意圖；
[0039] 圖8是鐘差修正示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 以下，結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明所提出的基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)功能的擴(kuò)頻信號(hào) 捕獲方案。
[0041] 需要說(shuō)明的是，為了避免不必要的細(xì)節(jié)模糊了本發(fā)明的重點(diǎn)，在附圖及相關(guān)描述 中僅僅示出了與本發(fā)明的方案密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不 大的其他細(xì)節(jié)。
[0042] 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或衛(wèi)星定位系統(tǒng)，例如全球定位系統(tǒng)（GPS)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，主要 目的是提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航定位服務(wù)，可以用來(lái)引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車(chē)輛以及個(gè) 人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。除了能夠提供基于位置信息的導(dǎo)航定 位服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具備授時(shí)功能，可以輸出時(shí)間信息，例如，世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC)及秒 脈沖（IPPS)。本發(fā)明正是從這一點(diǎn)出發(fā)，在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端都設(shè) 置衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)模塊，該模塊從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（例如，GPS和/或北斗）接收信號(hào)，輸出IPPS 和UTC以及包括位置、速度等載體運(yùn)動(dòng)信息。這樣，在同一時(shí)間基準(zhǔn)UTC下以IPPS作為收 發(fā)兩端的觸發(fā)信號(hào)，使得收發(fā)操作同步進(jìn)行，并利用位置、速度和時(shí)間信息計(jì)算載波頻偏和 碼鐘偏差，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻碼的同步和載波的同步，達(dá)到快速捕獲擴(kuò)頻信號(hào)的目的，從而實(shí)現(xiàn)直接 序列擴(kuò)頻通信中收發(fā)兩端的高度同步，其同步精度甚至可以達(dá)到50納秒以?xún)?nèi)。
[0043] 下面，