一种多波束码捕获方法及其装置 【技术领域】
本发明涉及的卫星定位系统中的终端用户机，具体涉及北斗导航定位系统终端用户机中基带信号部分内的多波束码捕获方法及其装置。
背景技术
卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供位置、速度及时间等信息来完成对各种目标的定位、导航、监测和管理。除了满足国防建设的需要，主要还将用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务，应用前景十分广阔。随着卫星导航定位系统不断应用到各个不同的领域，通信终端用户机的种类也越来越丰富，比如：手持型用户机、车载型用户机、船载型用户机、指挥型用户机、定时型用户机、测高型用户机、加固型用户机、兼容型用户机等等。
通信终端用户机对接收信号的处理主要包含两大部分，即射频处理部分和基带处理部分。其中射频处理部分完成上行信号的调制、变频、功率放大及下行信号的放大、提取、频率变换；基带处理部分完成接收信号的A/D转换、数字滤波、码捕获、码跟踪、解扩、解调、信息解码、及发射信息的卷积编码、信息拼接、扩频调制等。
无线移动通信中，通信系统中的收发之间存在传输延迟，受终端移动的影响，这种传输延迟是随机的。在扩频通信体制下，传输的信号是一串连续不断的码元，受传输延迟影响，码元的起止时刻也是随时间变化的，而对于基带处理只有在知道码元地起止时刻，才能生成和发信端具有频率和相位一致的扩频码，然后才能实现解扩处理恢复扩频前信息，这称为扩频通信系统中的码同步过程。通过通信协议可以简单地实现收发之间的码元频率同步，因此事实上码同步过程就是码元相位同步过程，一般分为两步，第一步搜索和捕获扩频妈的初始相位，使与发端的码相位误差小于1个码片(Chip)，这一步称为码捕获或初始同步；第二步是在初始同步的基础上，使码相位误差进一步减小，使所建立的同步保持下去，这一步称为码跟踪。因此码捕获装置是扩频通信系统中基带处理的关键环节之一，而且码捕获装置性能的好坏将影响对整个基带处理单元的性能。
接收机刚刚开机时收发之间扩频码的相位误差是完全不可知的，因此需要进行搜索才能捕获到正确的扩频码相位，搜索的过程结合图1来详细描述。码元相位与能量的关系，如图1，是其中横坐标为搜索窗内的相位偏置，单位为1/Nchip，根据捕获精度的不同，N可以取1，2，4等等，搜索窗的大小根据最大可能的相位偏置来设定记为M/Nchips；纵坐标为不同的相位偏置处的相关能量值；T为门限阈值。其中偏置为j处的相关能量值的计算如下：
E(j)=Σi=0L-1Data[i+j]×PN(i)]]>
其中
E(j)为偏置等于j处的相关能量值；
L为积分长度；
PN为本地生成的扩频码。
Data接收到的信号进行AD采样之后的数据。
用上式计算出搜索窗内每个相位偏置对应的能量后，找出能量值最高且超过门限阈值的相位偏置值(图1中的相位偏置值K)就是需要捕获的扩频码的初始相位，以此作为基础进行码跟踪就可以产生出和发信端具有相同相位的扩频码完成码同步过程。
全球定位系统中，每颗定位卫星都以一个或多个波束覆盖地面终端用户机，由于不同卫星所处位置不同，不同波束信号经历的空中传播途径有差异，因此对于终端用户机的接收而言，不同波束信号到达终端接收机时扩频码的相位是不相同的，对应不同的波束都必须进行码捕获，才能保持和多个波束的正常通信，这称为多波束的码捕获。
码捕获可以采用多种方法实现，常见的有串行相关法、并行匹配法和串并行结合的方法。串行相关法的优点是消耗的硬件资源极少，但搜索周期长，捕获时间慢；并行匹配法的优点是搜索周期短，捕获快，但消耗的硬件资源多；串并行结合的方法在搜索周期和搜索消耗的硬件资源之间折中。针对不同的扩频通信系统，采用不同的捕获方法。
对于多波束码捕获的实现装置，传统的实现方法采用完全并行处理方式。完全并行处理的方式在于对于每一个波束都有自己独立的一套电路实现码捕获，其优点在于结构简单易于实现，但是，由于搜索器中需要大量的累加器占据大量的硬件资源，如果再给每个波束都分配一个码捕获装置，在需要处理波束数目不多时还勉强可以实现，当需要处理的波束数目增加时，将由于硬件资源耗费庞大而难以实现，而对于终端用户机而言能处理的波束数目越多，导航定位等功能越可靠。采用并行处理方式，还将由于硬件资源开销大而难以开发出终端机专用基带处理的芯片集成。因此，目前的并行处理方法，对于卫星数目较少时，是比较简单直观的方法，但当定位卫星数目增加时，资源耗费巨大，成本急剧增加。
另外，由于不同的终端用户机在不同的信道环境下会采用不同的码捕获办法，对累加积分长度、捕获周期、要捕获的波束都会有所不同，因此采用单一码捕获的方法是不够的。目前，在终端机基带信号处理部分码捕获实现方面，还没有一种能够灵活配置、融合多种算法的码捕获装置。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是，如何针对目前的完全并行处理方式，克服现有技术中的定位卫星数目增加时硬件装置资源耗费庞大的缺点以及码捕获办法固定不可配置问题，提出一种共享硬件资源的方法，该方法还可以根据不同的信道环境下选择不同的码捕获办法；进一步，提供实现该方法的装置。
本发明上述第一个技术问题这样解决，构造一种多波束码捕获方法，使用专用码捕获电路装置，其特征在于，采用时分复用方式和集中控制电路结构，利用公用的一套专用码捕获电路装置分时逐一对所有波束按各自指定的算法进行码捕获。
按照本发明提供的码捕获方法，其特征在于，所述算法可以是串行相关法、并行匹配法或串并行结合法中的任一种。
按照本发明提供的码捕获方法，其特征在于，所述时分复用方式是周期性进行，每一周期完成一次对所有波束的码捕获，所述周期为码捕获的更新周期。
按照本发明提供的码捕获方法，其特征在于，所述各自指定的算法和更新周期可以预先设置和选择。
按照本发明提供的码捕获方法，其特征在于，所述时分复用方式，包括在所述一个周期内，利用存储器缓存并行到来的多波束信号，然后分时在每一波束对应的处理时间串行读出其数据、快速进行码捕获并实时输出结果。
按照本发明提供的码捕获方法，其特征在于，在所述周期内，所述每一波束对应的处理时间长短可以不同。
本发明的另一问题这样解决，构造一种多波束码捕获装置，包括周期分时选择控制的集中控制模块、进行码捕获的主处理模块以及用于缓冲接收和选择输出的数据缓冲模块。
按照本发明提供的装置，其特征在于，所述主处理模块包括依次连接的扩频码发生单元、匹配运算单元、相干或非相干累加单元以及峰值查找和捕获判定单元；所述扩频码发生单元包括码发生块、扩频码缓存块和扩频码复用块，所述相干或非相干累加单元包括依次连接的相干累加块和非相干累加块，所述匹配运算单元包括相关解扩块和加法块。
按照本发明提供的装置，其特征在于，所述数据缓冲模块包括从输入到输出的截位运算单元、数据缓存单元和数据复用单元。
本发明提供的码捕获方法和装置是只使用一套码捕获主处理模块，无需增加任何额外资源，就能完成所有波束的码捕获任务，与传统并行处理和单一码捕获方法相比，更加有效地利用了硬件资源，大大降低了开发成本，不因定位卫星数目的增加而增加硬件资源，便于硬件开发中资源的充分利用。同时该装置和方法，具备参数可配置功能，码捕获的方法和捕获波束、捕获周期都是可以配置的，有利于实现软件对硬件的控制，灵活性高且有利于专用基带集成芯片的开发。对于北斗通信终端用户机而言，能处理的波束越多，定位精度越准确，系统越可靠，简而言之，本发明解决了波束数目增加时的码捕获硬件资源耗费庞大的问题，有利于降低系统成本，同时增加了码捕获可以灵活配置的功能，其适应不同环境的能力大大提高。
【附图说明】
图1是径的能量时延扩展图；
图2是本发明的流水时序图图；
图3是本发明的码捕获结构图；
图4是本发明的数据缓存、选择结构图；
图5是本发明的扩频码缓存、选择结构图；
图6是本发明的匹配运算结构图；
图7是本发明的累加结构图；
【具体实施方式】
首先，说明本发明的基础点。
(一)本发明的主要思想是：利用一个集中控制单元，针对不同的参数配置产生出不同的控制信号，控制码捕获的完成；对于多波束码捕获，在时间上进行周期性地分段，每一段时间段内完成一次所有波束的码捕获，该时间段称为码捕获的更新周期，在每个更新周期内，首先利用存储器缓存天线数据，天线数据包含了多个波束的信息，然后在每个周期内，按照波束再次在时间上分段，分别快速地进行不同波束的码捕获并实时输出捕获结果，实现对单个波束码捕获装置的分时复用；同时为了增加灵活性，每个波束的积分长度都可以灵活配置，因此每一个波束的捕获周期都可以配置；同时为了节约资源，所有的子单元全部采用流水线处理方式。
(二)时分复用原理：本发明所述装置基于扩频原理，在发射端每个符号(Symbol)按扩频因子(SF-Spreading Factor)扩展为码片级数据，因此接收端的解扩将码片级数据又回复为符号级数据，因此解扩之后的数据输率降为解扩之前的1/SF，也就是说在SF个码片(Chip)时间段里，输出得到搜索窗内所有偏置的一个符号的积分结果，逻辑上需要M个相关器，其中M为搜索窗大小。当采用高速系统时钟复用时，比如C倍的码片时钟，物理上只需个相关器。
进一步，根据附图和实施例具体说明本发明：
(一)硬件结构：如图3所示，本装置以chip级的数据为输入，以捕获到的多波束的扩频码相位和对应的能量为输出。该装置包括：集中控制模块10、数据缓冲模块11以及由扩频码发生单元12、匹配运算单元13、累加单元14以及峰值查找和捕获判定单元15的主处理模块6。进一步地，如图4，数据缓冲模块11包括截位运算单元16、数据缓存单元17和数据复用单元18，完成数据的缓冲存储和选择读出；如图5，扩频码发生单元12包括码发生块19、扩频码缓存块20、扩频码复用块21；如图6，匹配运算单元13包括相关解扩块22、加法块23；如图7，累加单元14包含相干累加块24、非相干累加块25。
(二)工作原理。下面就装置的主要部件对其工作步骤和原理进行具体说明：
①集中控制控制模块10：该单元主要目的在于响应六个参数设置，控制所有单元协调的完成整个处理过程。参数1为码初相，参数2为码多项式，根据不同时刻送来的码初相、多项式产生不同波束的本地扩频码。参数3为chip级别数据截位指示，允许多种截位方式。保证在不同的信道环境下获取最佳数据源。参数4为相干、非相干累加指示，相干累加长度和系统固定频偏成反比，为降低虚警概率，在搜索周期允许的情况下，可以增加非相干累加长度。参数5为一次相干累加或非相干累加期间，累加的符号数，和参数4成对使用。参数6为相对或绝对搜索门限阈值指示，参数7为相对或绝对门限阈值，由仿真调试得到。
②数据缓冲模块11：为响应不同A/D不同的量化方式，数据在进入该单元之前，需要适当的截位，可以截去一至四位，然后数据进入缓存，设定搜索精度为1/Nchip，主频时钟为C倍码片速率，缓存长度为L，缓存里面的数据每1/Nchip更新一次，在更新期间内，每个系统时钟取数据：个，每个系统时钟取完缓存里面的数据，然后再次循环读取缓存里面的数据，将I、Q两路共个数据输出，作为匹配运算单元13的输入。
③扩频码单元12：在该单元中，不同的扩频码初始相位和不同的码多项式产生不同波束的扩频码，然后将产生的扩频码送到扩频码缓存20中，缓存长度为缓存里面的扩频码每个chip更新一次，每个系统时钟取扩频码：个，每个系统时钟取完缓存里面的扩频码，然后再次循环读取缓存里面的扩频码，将扩频码的输出作为匹配运算单元13的输入。
④匹配运算单元13：该单元执行相关解扩积分运算，解扩块22执行并行I、Q双通道相关解扩运算，加法块23逐级累加相关解扩结果，设计中充分利用高倍时钟，逻辑解扩积分单元可以扩充物理解扩积分单元的倍，大大减少了相关器的个数，硬件资源也大为降低。每个系统时钟完成每个偏置一个符号I、Q双通道的积分，输出积分结果作为相干或非相干累加单元14的输入。
⑤累加单元14：该单元可实现1至8个符号的相干累加，也可以实现1至128段非相干累加，相干和非相干累加数目完全由参数4和参数5决定，每次相干累加完后，相干累加块24的RAM0里面数据送出去做非相干累加，同时RAM0清零以准备下一段的相干累加。非相干累加块25的RAM1里面的数据一直累加，直到下一波束捕获开始时，RAM1里面的不同偏置的能量值送到峰值查找和捕获判定单元15，同时RAM1清零，准备下一波束的非相干累加。
⑥峰值查找和捕获判定输出单元15：该单元顺序从能量时延扩展谱中按照一定的策略选出认为是正确的径，得到该径的能量和在搜索窗中的位置。在挑选峰值的同时计算功率时延扩展的均值，控制信号D决定是采用相对门限还是绝对门限，只有当该径的相对或绝对能量大于门限阈值时，才更新该波束正在解扩的径，该波束径的更新快慢取决于何时重新配置的该波束的码多项式、码初始相位。如果被选出的径相对或绝对能量不大于门限阈值，则不更新该波束正在解扩的径。