可变长度数字扩频信号快速相关处理方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102035567 A (43)申请公布日 2011.04.27 CN 102035567 A *CN102035567A* (21)申请号 201010598443.7 (22)申请日 2010.12.10 H04B 1/709(2011.01) (71)申请人 中国空间技术研究院 地址 100094 北京市海淀区友谊路 104 号 (72)发明人 王君 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 安丽 (54)发明名称 可变长度数字扩频信号快速相关处理方法 (57)摘要 可 变 长 度 数 字 扩 频 信 号 快 速 相 关 处 理 方 法， 。

2、改 变 通 常 数 字 扩 频 信 号 相 关 处 理 方 法， 即 大 规 模 循 环 处 理 逐 采 样 点 的 复 数 乘 加 运 算 模 式， 采 用 逐 伪 码 码 元 的 相 关， 每 个 码 元 内 只 取 一 个 采 样 点， 并 将 长 周 期 相 关 进 行 适 当 的 分 组 处 理， 将 大 循 环 拆 成 小 循 环， 利 用 扩 频 信 号 相 关 特 点， 在 小 循 环 内 进 一 步 做 分 组 处 理， 并 且 采 用 载 波 旋 转 运 算 外 置、 乘 法 改 加 法 等 措 施 优 化 相 关 运 算 过 程， 从 而 整 体 上 实现整个相关的快速处。

3、理。 另外， 为了满足在动态 情 况 下， 具 有 载 波 多 普 勒 效 应 时 相 关 结 果 的 有 效 性， 每 次 相 关 处 理 前 采 取 了 根 据 载 波 多 普 勒 预 估 相 关 长 度 的 做 法， 从 而 真 实 复 现 实 际 的 码 周 期 时 间， 再做相关处理达到理想峰值。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页CN 102035570 A 1/1 页 2 1. 可变长度数字扩频信号快速相关处理方法， 其特征在于步骤如下 ： (1) 从天线接收射频信号， 将射频信号下。

4、变频为中频信号， 然后对中频信号进行带通采 样， 并对中频采样信号进行零中频变换， 以中断的形式产生等时信号 ； (2) 采用压缩方式存储本地伪码序列 ； (3) 存储本地载波相位查找表， 相位分正交和同向两种分开存储， 各占用16 位表示， 形 成复相位 ； (4) 根 据 载 波 多 普 勒 大 小， 将 相 关 次 数 L 进 行 两 级 分 组， 第 一 级 分 组 称 为 小 组， 第 二 级 分组称为大组， L/32 个连续小组组成一个大组 ； (5) 对于每一个大组， 大组内的小组各自进行相关处理， 小组相关处理的步骤如下 ： (51) 计 算 本 次 相 关 的 相 关 结 束。

5、 位 置， 本 次 相 关 结 束 位 置 上 次 相 关 结 束 位 置 +T*f samp ， 其中， L 为码周期 内伪码长度， f code 为原伪码速率， dopp 为载波多普勒， f carr 为载波频率， f samp 为数据采样率， T为载波多普勒存在下的相关时间， 为无载波多普勒存在下的伪码周期 ； (52) 计算 计算时分实部和虚部分别进行累加， 依c(m) 为1 或-1 分别 进 行 r(n) 实 部 和 虚 部 的 加 或 减 运 算，c(m) 在 选 取 时 依 照 步 骤 (2) 中 的 数 据 存 储 格 式 移 位 存取 ； (53) 将 步 骤 (52) 的 。

6、结 果 乘 以 exp(-2ft s )， 计 算 时 分 实 部 和 虚 部 分 别 进 行， 载 波 相 位-2ft s 依照采样时间递增， 小组内载波频率f 不变 ； (6) 将 大 组 内 各 小 组 的 相 关 处 理 结 果 累 加 得 到 大 组 的 相 关 结 果， 所 有 大 组 的 相 关 结 果 再累加， 得到完整周期的相关运算结果。 权 利 要 求 书 CN 102035567 ACN 102035570 A 1/5 页 3 可变长度数字扩频信号快速相关处理方法 技术领域 0001 本发明涉及一种动态环境下数字扩频信号的相关处理方法。 背景技术 0002 扩 频 信 号。

7、 相 关 是 扩 频 传 输 体 制 下 信 号 接 收 的 关 键 环 节， 用 于 实 现 有 效 信 息 的 恢 复。 扩 频 信 号 相 关 利 用 伪 随 机 序 列 的 自 相 关 特 性， 将 接 收 的 湮 没 在 噪 声 中 的 扩 频 信 号 通 过 伪 随 机 序 列 相 关 方 法 恢 复 信 号。 由 于 接 收 的 信 号 通 常 带 有 载 波 信 息， 因 此 在 相 关 处 理 的 同 时需要剥离剩余载波相位， 使得相关结果达到最大峰值， 有效信号恢复后无相位模糊。 0003 扩 频 信 号 相 关 的 原 理 比 较 成 熟， 但 是 处 理 复 杂， 主 。

8、要 原 因 是 扩 频 信 号 相 关 处 理 的 计 算 量 很 大， 无 论 采 用 硬 件 电 路 还 是 软 件 实 现， 为 了 保 证 实 时 性 的 要 求， 开 销 都 会 很 大。 尤 其 对 于 软 件 实 现， 若 不 采 用 优 化 算 法， 采 用 常 规 逐 点 处 理 方 式， 在 处 理 器 能 力 有 限 的 情 况 下， 实现长周期扩频信号( 1023chips) 的相关处理是不可能的。 0004 目 前 实 现 扩 频 信 号 相 关 器 的 方 法 可 以 分 为 两 大 类， 时 域 相 关 和 频 域 相 关。 时 域 相 关目前较先进的处理技术是采。

9、用FPGA 来实现， 能够解决实时性问题。 如中国科学院空间科 学 与 应 用 研 究 中 心 提 出 的 专 利 号 为 CN200410073955.6 的 专 利 所 公 开 的 一 种 可 重 新 配 置 的 数 字 相 关 器， 该 数 字 相 关 器 是 典 型 的 基 于 FPGA 的 相 关 器， 在 将 模 拟 扩 频 信 号 数 字 化 后， 通 过 FPGA 实 现 时 域 顺 序 的 相 关 操 作， 采 用 这 种 方 法 能 够 实 现 实 时 相 关， 但 是 有 以 下 的 不 足 之 处 ： 一是对于长相关器， FPGA 单元开销很大， 单位时间内内FPGA 。

10、乘加运算密集， 直接带来的 不 良 后 果 是 设 备 相 对 功 耗 大、 体 积 大， 不 利 于 集 成 ； 二 是 基 于 FPGA 的 相 关 器， 仍 需 要 外 部 的 处 理 器 配 合， 才 能 实 现 可 灵 活 配 置 的 完 整 的 相 关 处 理 流 程， 需 要 复 杂 的 外 部 接 口 设 计 ； 三 是 FPGA 开发周期长， 相对基于处理器的软件开发不易验证。 0005 频 域 实 现 方 法 是 利 用 FFT 技 术 的 相 关 处 理 方 法， 一 次 过 程 可 以 计 算 出 所 有 码 相 位 点 的 相 关 结 果， 利 于 在 扩 频 系 统。

11、 中 扩 频 信 号 的 快 速 搜 索， 但 是 一 次 过 程 的 运 算 复 杂 度 很 大， 在 伪 码 捕 获 后， 不 利 于 进 行 长 时 间 实 时 相 关 处 理。 如 联 芯 科 技 有 限 公 司 等 单 位 提 出 的 专 利 号 为 CN200810103000.9 的 专 利 所 公 开 的 一 种 CDMA 系 统 中 快 速 相 关 计 算 的 方 法 及 装 置， 按 照 FFT 相 关 方 法 逐 步 实 现 了 相 关 过 程， 但 是 该 方 法 没 有 在 复 杂 度 方 面 进 行 优 化， 因 此 不 能 满足实时软件相关处理的要求。 发明内容 。

12、0006 本 发 明 的 技 术 解 决 问 题 是 ： 克 服 现 有 技 术 的 不 足， 提 供 了 一 种 操 作 简 单、 运 算 速 度 快的可变长度数字扩频信号相关处理方法。 0007 本 发 明 的 技 术 解 决 方 案 是 ： 可 变 长 度 数 字 扩 频 信 号 快 速 相 关 处 理 方 法， 步 骤 如 下 ： 0008 (1) 从天线接收射频信号， 将射频信号下变频为中频信号， 然后对中频信号进行带 通采样， 并对中频采样信号进行零中频变换， 以中断的形式产生等时信号 ； 0009 (2) 采用压缩方式存储本地伪码序列 ； 说 明 书 CN 102035567 A。

13、CN 102035570 A 2/5 页 4 0010 (3) 存 储 本 地 载 波 相 位 查 找 表， 相 位 分 正 交 和 同 向 两 种 分 开 存 储， 各 占 用 16 位 表 示， 形成复相位 ； 0011 (4) 根 据 载 波 多 普 勒 大 小， 将 相 关 次 数 L 进 行 两 级 分 组， 第 一 级 分 组 称 为 小 组， 第 二级分组称为大组， L/32 个连续小组组成一个大组 ； 0012 (5) 对 于 每 一 个 大 组， 大 组 内 的 小 组 各 自 进 行 相 关 处 理， 小 组 相 关 处 理 的 步 骤 如 下 ： 0013 (51) 计 。

14、算 本 次 相 关 的 相 关 结 束 位 置， 本 次 相 关 结 束 位 置 上 次 相 关 结 束 位 置 +T*f samp ， 其中， L 为码周期 内伪码长度， f code 为原伪码速率， dopp 为载波多普勒， f carr 为载波频率， f samp 为数据采样率， T为载波多普勒存在下的相关时间， 为无载波多普勒存在下的伪码周期 ； 0014 (52) 计算 计算时分实部和虚部分别进行累加， 依c(m) 为1 或-1 分 别 进 行 r(n) 实 部 和 虚 部 的 加 或 减 运 算，c(m) 在 选 取 时 依 照 步 骤 (2) 中 的 数 据 存 储 格 式 移位。

15、存取 ； 0015 (53) 将步骤(52) 的结果乘以exp(-2ft s )， 计算时分实部和虚部分别进行， 载波 相位-2ft s 依照采样时间递增， 小组内载波频率f 不变 ； 0016 (6) 将 大 组 内 各 小 组 的 相 关 处 理 结 果 累 加 得 到 大 组 的 相 关 结 果， 所 有 大 组 的 相 关 结果再累加， 得到完整周期的相关运算结果。 0017 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0018 (1) 本 发 明 采 用 优 化 的 顺 序 / 循 环 / 分 支 方 法 实 现 扩 频 信 号 相 关 运 算， 与 目 前 基 于 FPGA 实 现 逐 采。

16、 样 点 传 统 相 关 器 的 方 法 相 比 运 算 简 单、 更 易 于 系 统 集 成 和 调 试， 可 基 于 一 个处理器或计算机实现集成的接收机， 功耗将远小于FPGA 实现方式 ； 0019 (2) 本发明方法采用时域相关流程， 与基于FFT 的频域相关方法相比运算量小， 更 适用于信号捕获后的长期实时相关和信号长期跟踪处理的需求。 基于FFT 的频域相关过于 复杂， 不能实现实时相关处理， 在实时系统中只适用于捕获阶段应用 ； 0020 (3) 本 发 明 方 法 通 过 实 时 估 计 多 普 勒 影 响 下 的 相 关 长 度 变 化， 实 时 估 计 伪 码 长 度 和。

17、 相 关 位 置， 使 得 相 关 结 果 能 达 到 最 大 峰 值， 从 而 实 现 最 优 的 相 关 结 果。 这 种 方 法 与 FPGA 中实现这一功能的机理不同， 更适用于处理器或计算机软件实现。 附图说明 0021 图 1 为本发明方法的流程框图。 具体实施方式 0022 如图1 所示， 为本发明方法的流程图。 图1 分三大块表示相关组件， 左上表示接收 到 的 扩 频 信 号， 按 照 码 元 顺 序 分 为 若 干 大 组， 一 个 大 组 包 含 几 个 小 组 ； 左 下 表 示 16 位 数 据 存 储 16 个 码 元， 整 个 码 周 期 L 由 L/16 个 数。

18、 据 完 整 存 储， 使 用 时 移 位 提 取 ； 右 下 表 示 载 波 同 向 和 正 交 的 存 储 方 法， 使 用 时 同 样 采 用 移 位 提 取。 图 中 乘 加 运 算 表 示 逐 码 元 相 关 的 基 本 运 说 明 书 CN 102035567 ACN 102035570 A 3/5 页 5 算。 0023 下面分步骤进行说明 0024 1、 从天线接收射频信号， 先进行变频处理， 将射频信号下变频为中频信号 ； 0025 2、 利 用 A/D 转 换 器 对 中 频 信 号 进 行 带 通 采 样， 通 常 采 样 信 号 速 率 在 4 8 倍 码 速 率之间效。

19、果为佳 ； 0026 3、 对 中 频 采 样 信 号 进 行 零 中 频 变 换 处 理， 以 中 断 的 形 式 产 生 等 时 信 号 ( 如 1ms)。 零 中 频 变 换 处 理 的 实 现 可 参 考 桂 林 电 子 科 技 大 学 的 一 种 双 正 交 零 中 频 接 收 机 的 设 计 和 电 路实现一文( 发表于2010 年4 月， 西南师范大学学报( 自然科学版)， 第35 卷第二期， 作者 田克纯， 周武中， 陈宏滨， 覃远年)。 0027 4、 相关过程如下 ： 0028 通常的相关处理方法如公式1 所示。 表示接收到数字扩频信号第n 个采样点数据 r(n) 与对应本。

20、地码c(m) 以及剩余载波相位( 公式中指数项) 剥离的实现原理， Result 是 一个完整周期的相关结果。r(n) 为复数信号。 0029 0030 r(n) re(n)+j*im(n) 0031 其 中，r(n) 为 数 字 扩 频 信 号 第 n 个 采 样 点 数 据，re(n) 信 号 实 部，im(n) 信 号 虚 部， -j2ft s 为剩余载波相位， f 零中频下剩余载波频率， t s 采样时间， c(m) 为本地码。 0032 本发明的优化实时处理过程是 ： 0033 (1) 采用压缩方式存储本地伪码序列， 多位数据存储多个码元( 图例中设为16 位 数据存储16 个伪码码。

21、元)， 整个码周期L 由几个多位数据完整存储， 这样做便于存储器的移 位存取。 0034 (2) 存储本地载波相位查找表， 需要配置正交(sin) 和同向(cos) 两种数据， 存储 时采用正弦(sin) 和余弦(cos) 各占用16 位表示， 共同组成32 位数据组， 数组长度由相关 长度决定， 这样做便于程序后续提取相位正交和同向结果采用移位方式完成。 0035 (3) 根 据 多 普 勒 大 小， 将 相 关 次 数 L 进 行 两 级 分 组。 第 一 级 分 组 较 小， 称 为 小 组， 通 常 为 4 8 个 连 续 码 元 效 果 为 佳， 多 普 勒 较 大 时 ( 大 于 。

22、10KHz)， 可 取 4， 多 普 勒 较 小 ( 小 于10KHz) 时可以取8。分组第二级分组是在第一级分组的基础上进行， 称为大组， L/32 个 连 续 小 组 组 成 一 个 大 组。 依 据 多 普 勒 大 小 选 取 小 组 长 度 有 利 于 载 波 相 位 剥 离 的 成 组 处 理， 但 是 载 波 相 位 对 相 关 结 果 有 较 大 影 响， 因 此 小 组 不 宜 过 大， 几 个 码 元 即 可， 否 则 会 影 响 接 收 机对相关结果的正确判断。 0036 (4) 以 大 组 顺 序 为 自 变 量， 拆 环 构 建 循 环 处 理 架 构， 循 环 内 为。

23、 各 个 小 组 的 相 关 运 算， 循环次数少可更好利用处理器的流水结构， 加快运算速度。实现方式如下 ： 0037 For(i 0 ； i 大组个数 ； i+) 0038 小组1 相关处理 ； 0039 小组2 相关处理 ； 0040 小组L/32 相关处理 ； 0041 将各小组相关结果累加。 0042 End 说 明 书 CN 102035567 ACN 102035570 A 4/5 页 6 0043 上述循环中小组相关处理步骤如下 ： 0044 a. 计 算 本 次 相 关 的 相 关 结 束 位 置 ： 需 要 估 计 多 普 勒 效 应 存 在 时 一 个 伪 码 周 期 的。

24、 相关运算时间长度以及由此带来的接收信号相关位置的变化。 相关时间长度和结束位置估 计方法为 0045 0046 0047 本次相关结束位置上次相关结束位置+T*f samp 0048 其中， L- 码周期内伪码长度， f code - 原伪码速率， dopp- 载波多普勒， f carr - 载波频 率， f samp - 数据采样率， T- 载波多普勒存在下的相关时间， 无载波多普勒存在 下的伪码周期。 0049 扩 频 信 号 伪 码 周 期 内 伪 码 长 度 L 是 不 变 的， 伪 码 被 调 制 在 载 波 上， 在 动 态 环 境 下， 接 收 信 号 载 波 频 率 随 着 。

25、载 波 多 普 勒 变 化 的 同 时， 接 收 信 号 伪 码 速 率 也 在 变 化， 接 收 伪 码 速 率等于原伪码速率加上伪码速率偏移量。 由此导致一个伪码周期持续时间由T 转换成上面 所述T， 相关结束位置也随之变化。 0050 载 波 多 普 勒 导 致 相 关 运 算 中 接 收 信 号 r(n) 的 选 取 长 度 随 着 相 关 结 束 位 置 不 同 而 长短不一， 从而体现出可变长度数字扩频信号相关的功能。 0051 b. 计 算 从 公 式 1 可 见， 原 理 上 讲 exp(-j2ft s ) 要 实 时 地 与 r(n) 和c(m) 相乘， 对于数字信号来讲， 。

26、需要每个采样点产生一个载波偏移量与之相乘。 但 是 仔 细 分 析 后 可 发 现， 一 个 小 组 完 全 可 以 只 用 一 个 载 波 相 位， 对 相 关 结 果 影 响 很 小， 但 是 运 算 上 可 以 将 该 项 放 到 小 组 循 环 外 最 后 进 行 计 算， 先 计 算 累 加 和。 计 算 方法是 ： 0052 首 先 对 于 小 组 内 累 加 和， 每 个 码 元 只 取 一 个 采 样 点 参 与 运 算， 这 样 做 对 于 逐 采 样 点( 通常每个码元4-8 个采样点) 计算运算量减少几倍。 0053 接着r(n)*c(m) 运算不再进行真正的乘法运算， 。

27、由于c(m) 皆为1 或-1， 因此采用 分支判断的方式实现即可 ： 0054 此处运算要移位存取本地伪码序列， 在L/16 个16 位数据中依存储顺序依次提取， 每次移动一个数据中的一个比特位， 即得到一个c(m)， 直到全部取完。 0055 初始令sum.re 0， sum.im 0 0056 For(m 0 ； m 小组长度 ； m+) 0057 If 移位取c(m) 1 0058 sum.re sum.re+re(n) /c(m) 为1， 表示实部应相加 0059 sum.im sum.im+im(n) /c(m) 为1， 表示虚部应相加 0060 else 说 明 书 CN 1020。

28、35567 ACN 102035570 A 5/5 页 7 0061 sum.re sum.re-re(n) /c(m) 为-1， 表示实部应相减 0062 sum.im sum.im-im(n) /c(m) 为-1， 表示虚部应相减 0063 end 0064 sum.re sum.re 0065 sum.im sum.im 0066 end 0067 只 采 用 加 减 运 算， 而 没 有 乘 法 运 算 可 进 一 步 降 低 运 算 量。 由 于 接 收 信 号 是 复 数 信 号， 累加和的实部和虚部是分别进行累加， 分别表示为sum.re 和sum.im。 0068 c. 实 现。

29、 每 个 小 组 的 进 行 剩 余 载 波 剥 离， 实现方法是 ： 0069 将载波项表示成exp(-j2ft s ) phase.re+phase.im 0070 在本地载波查找表数组中， 移位取phase.re(cos) 和phase.im(sin)， 并采用公式 3 进行计算 ： 0071 sum.re sum.re phase.re+sum.im phase.im 0072 sum.im -sum.re phase.im+sum.im phase.re (3) 0073 以 上 从 小 组 1 至 小 组 L/32 相 关 处 理 完 成 后， 将 各 小 组 相 关 结 果 累 。

30、加， 完 成 一 个 大 组相关运算。将大组循环进行下去， 即可实现完整周期的相关运算。 0074 以上算法和留成若采用汇编语言进行， 会进一步提高运算效率。 0075 本 发 明 采 用 的 扩 频 信 号 相 关 方 法 在 一 开 始 先 估 计 相 关 长 度， 使 得 相 关 处 理 是 可 变 长 度 的， 后 面 的 相 关 结 果 能 适 应 动 态 环 境 需 求。 之 后 采 用 以 扩 频 信 号 伪 码 码 元 为 步 进 的 相 关 方 式， 采 取 分 组 运 算、 载 波 剥 离 旋 转 运 算 外 置 以 及 乘 法 改 加 法 等 方 法 削 减 运 算 量， 达 到 处 理器或计算机软件能够快速有效地完成长周期数字扩频信号相关运算的目的。 0076 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。 说 明 书 CN 102035567 ACN 102035570 A 1/1 页 8 图1 说 明 书 附 图 CN 102035567 A。