一種基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及數(shù)字濾波技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在衛(wèi)星導(dǎo)航、通信系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中，采用數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)自相關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù) 字接收信號(hào)的匹配濾波。匹配濾波在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)諸如擴(kuò)頻碼相關(guān)檢測(cè)、最佳接收 機(jī)處理等功能。
[0003] 目前中頻數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)匹配濾波基本采用數(shù)字下變頻后對(duì)基帶信號(hào)處理的方法 實(shí)現(xiàn)，主要包括數(shù)字混頻、低通濾波、數(shù)據(jù)抽取、傅立葉變換、匹配系數(shù)頻域相乘與逆傅立葉 變換步驟。
[0004] 北京航空航天大學(xué)CN102288941A號(hào)專利公開(kāi)了一種基于FPGA和DSP的中頻數(shù)字接 收機(jī)信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)及處理方法，該發(fā)明由中頻采樣模塊、數(shù)字下變頻模塊、擴(kuò)頻信號(hào)自 相關(guān)模塊、相參積累模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊和恒虛警檢測(cè)模塊組成，被處理的中頻寬帶信號(hào)首 先進(jìn)入中頻采樣模塊，離散化后的信號(hào)送入數(shù)字下變頻模塊進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，接著進(jìn) 入擴(kuò)頻信號(hào)自相關(guān)模塊進(jìn)行自相關(guān)處理。深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院CN201733292U號(hào)專利公開(kāi) 了一種信號(hào)處理系統(tǒng)及數(shù)字接收機(jī)，該發(fā)明采用DSP忍片的協(xié)處理器的FPGA忍片來(lái)完成數(shù) 字下變頻和匹配濾波、自相關(guān)運(yùn)類算法。
[0005] 但現(xiàn)有的匹配濾波系統(tǒng)存在W下問(wèn)題：
[0006] (1)、數(shù)字混頻過(guò)程中引入量化誤差:數(shù)字混頻是將采樣信息和數(shù)控振蕩器本振信 號(hào)相乘計(jì)算得到，如果將該乘法計(jì)算結(jié)果完全保留，則在后續(xù)處理時(shí)會(huì)占用大量存儲(chǔ)空間， 如果對(duì)該乘法結(jié)果進(jìn)行截?cái)嗖僮?，則會(huì)引入量化誤差。
[0007] (2)、低通濾波過(guò)程會(huì)引入量化誤差，且計(jì)算過(guò)程需要占用大量乘法器。數(shù)字濾波 的階數(shù)較高時(shí)，必須對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行截尾操作，會(huì)引入量化誤差降低信號(hào)的信噪比；同時(shí)， 為保證計(jì)算速度需占用大量乘法器進(jìn)行并行操作。
[000引（3)、濾波器階數(shù)會(huì)隨著通帶紋波、阻帶抑制要求的提高而大量增加。運(yùn)就導(dǎo)致在 硬件資源有限的情況下無(wú)法滿足系統(tǒng)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹 配濾波方法，W及實(shí)現(xiàn)該方法的匹配濾波系統(tǒng)，該方法在頻域?qū)崿F(xiàn)混頻和低通濾波，可W避 免混頻和低通濾波在時(shí)域乘法運(yùn)算時(shí)引入的量化誤差，而且降低了高階濾波器處理占用的 硬件資源。
[0010] 本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0011] -種基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波系統(tǒng)，包括奇偶序列選通模塊、數(shù)據(jù)緩存 模塊、FFT模塊、奇偶序列頻譜分離模塊、頻譜合成模塊、系數(shù)匹配模塊和IFFT模塊，其中：
[0012] 奇偶序列選通模塊:接收外部輸入的擴(kuò)頻信號(hào)x(n)，n = 0、l、…、N-l;然后將x(n) 分為奇序列X奇(r/ )和偶序列X偶(r/ )，并發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存模塊;其中，X偶(η/ ) =x(化/ )，x奇 (n')=x(2n'+l)，，'=0 1......、^-1;N為正整數(shù)；
[0013] 數(shù)據(jù)緩存模塊:包括偶寄存器和奇寄存器;偶寄存器接收偶序列X偶(η/)并進(jìn)行緩 存，奇寄存器接收偶序列X偶(r/ )并進(jìn)行緩存；
[0014] FFT模塊:從偶寄存器和奇寄存器中讀取數(shù)據(jù)形成復(fù)數(shù)序列X復(fù)(η/ )=x偶(η/ )+jx奇 (〇/);并對(duì)堪(11/)進(jìn)行^點(diǎn)尸尸1'計(jì)算，得到堪(]1/)的頻譜)(復(fù)化/)，4'=0、1、、..、^.-1; 然后輸出頻譜X復(fù)化/)到奇偶序列頻譜分離模塊；
[001引奇偶序列頻譜分離模塊:根據(jù)接收到頻譜接沁）計(jì)算得到奇序列巧(rO的頻譜X奇 化/)和偶序列X偶(r/ )的頻譜X偶化/);然后輸出蹤化/)和X偶化0至順譜合成模塊；
[0016] 頻譜合成模塊:根據(jù)接收到的X奇化/ )和X偶化/ )計(jì)算得到擴(kuò)頻信號(hào)x(n)的頻譜X 化），k = 0、l、…、N-l;并輸出X化)的前f點(diǎn)X化'）和后^點(diǎn)X化'+N/2)到系數(shù)匹配模塊；
[0017] 系數(shù)匹配模塊:從存儲(chǔ)器中讀取已保存匹配濾波響應(yīng)H'bp化)的前^點(diǎn)與X化'）相 乘，同時(shí)從存儲(chǔ)器中讀取H'bp化)的后^點(diǎn)與X化'+N/2)相乘，然后將所述兩個(gè)相乘的結(jié)果 相加，并對(duì)相加結(jié)果移位實(shí)現(xiàn)除2運(yùn)算，得到頻譜Y化/);
[001引IFFT模塊:對(duì)系數(shù)匹配模塊輸出的頻譜Y化/)進(jìn)行^點(diǎn)IFFT計(jì)算，得到擴(kuò)頻信號(hào)X (n)2倍抽取后的自相關(guān)結(jié)果y(n')，舟'=0、1.....、與-I。
[0019] 上述的基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波系統(tǒng)，在奇偶序列頻譜分離模塊中，根 據(jù)頻譜X復(fù)化/ )計(jì)算得到奇序列X奇(η/ )的頻譜X奇化/ )和偶序列X偶(η/ )的頻譜X偶化/ )，具體計(jì) 算公式如下：
[0020] X偶化'）=[Χ錫化'）+Χ錫(N/2-k'）]/化j[X短i化'）-Χ短i(N/2-k'）]/2;
[0021] X奇化'）= [X短i 化'）+X短i(N/2-k'）]/2-j[X錫化'）-X錫(N/2-k'）]/2;;
[0022] 其中，X錫化/ )和蹈#化/ )分別為頻譜接化/ )的實(shí)部和虛部。
[0023] 上述的基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波系統(tǒng)，在頻譜合成模塊中，根據(jù)接收到 蹤化/ )和X偶化/ )計(jì)算得到擴(kuò)頻信號(hào)x(n)的頻譜X化）Λ = 0、1、···、Ν-1;具體計(jì)算公式如下：
[0027]上述的基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波系統(tǒng)，在系數(shù)匹配模塊中，保存在存儲(chǔ) 器中匹配濾波響應(yīng)Η'βρ化)根據(jù)設(shè)定的匹配系數(shù)Cbp化)和設(shè)定的帶通濾波器頻域響應(yīng)曲Kk) 相乘得到，即：
[002引 H'bp 化）=Cbp化)Hbp化）。
[0029] -種基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波方法，包括W下步驟：
[0030] (1)、采集數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)x(n)的奇序列X奇(n^ )和偶序列X偶(n^ )，其中：x偶(n^ ) = x (2n')，:x奇(n')=x(2n'+l)，H'=0、1、.…、^。l，N為x(n)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，即n = 0、l、...、N- 1;
[0031] (2)、利用奇序列X奇(r/ )和偶序列X偶(r/ )形成復(fù)數(shù)序列X復(fù)(r/ )，即：
[0032] 壊(V ；) =x偶(V ；)+j巧(V ；);
[003；3] (3)、對(duì)復(fù)數(shù)序列墳(η')進(jìn)行^點(diǎn)FFT計(jì)算，得到X復(fù)化'），F(xiàn) =0、1-、一- 然后利用X復(fù)化/ )計(jì)算奇序列埼(r/ )的頻譜蹤化/ )和偶序列X偶(r/ )的頻譜)(偶化/ ):
[0034]
[00對(duì)其中，X錫化/)和蹈t(k^ )分別為X復(fù)化/)的實(shí)部和虛部；
[0036] (4)、根據(jù)X偶化/ )和X奇化/ )計(jì)算得到擴(kuò)頻信號(hào)x(n)的頻譜X化）；其中，X化)的前 點(diǎn)為
WN=e-J2"/N.
[0037] (5)、根據(jù)如下公式計(jì)算得到擴(kuò)頻信號(hào)自相關(guān)結(jié)果y(r/ )的頻譜Y化/ ):
[0040] 其中，H'bp化/)和H'bp化/+N/2)分別為設(shè)定的匹配濾波響應(yīng)H'bp化)的前^點(diǎn)和后 N ^ 子點(diǎn)，k = 0、l、...、N-l;
[0041] (6)、對(duì)頻譜Y化/)進(jìn)行^點(diǎn)IFFT計(jì)算，得到擴(kuò)頻信號(hào)x(n)2倍抽取后的自相關(guān)結(jié)果 y (η'),燈.-0、1、'...、-1。
[0042] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果包括：
[0043] (1)、本發(fā)明在頻域?qū)崿F(xiàn)中頻信號(hào)匹配濾波，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)可W避免了數(shù)字混頻 引入的量化誤差，而且避免了濾波過(guò)程占用大量乘法器的問(wèn)題；
[0044] (2)、本發(fā)明通過(guò)中頻信號(hào)頻譜與設(shè)定的濾波器頻域響應(yīng)，W及匹配系數(shù)相乘實(shí)現(xiàn) 濾波處理，因此可W在頻域設(shè)計(jì)濾波器，從而避免了時(shí)域?yàn)V波器階數(shù)會(huì)隨著通帶紋波、阻帶 抑制要求的提高而大量增加的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1為本發(fā)明的基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波的組成框圖；
[0046] 圖2為本發(fā)明利用奇偶序列頻譜計(jì)算擴(kuò)頻信號(hào)頻譜的硬件實(shí)現(xiàn)原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
[004引本發(fā)明的基于頻域處理的擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波處理方法，用于對(duì)中頻數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)x(n)進(jìn) 行匹配濾波，得到該擴(kuò)頻信號(hào)自相關(guān)結(jié)果y(r0,其中n = 0、l、…、N-l，《'=0、1、…、f-l, N為數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。
[0049] (一)理論推導(dǎo)過(guò)程
[0050] 如果采用傳統(tǒng)的中頻數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)匹配濾波方法，則需要對(duì)數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)x(n)進(jìn) 行數(shù)字混頻、低通濾波、數(shù)據(jù)抽取、傅立葉變換、匹配系數(shù)頻域相乘和逆傅立葉變換處理，具 體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
[0051] 首先利用NC0輸出的本振信號(hào)eWn>對(duì)數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)χ(η)進(jìn)行混頻處理，得到混頻 輸出結(jié)果XI(η):
[0052] xi(n)=x(n)eWn) (1)
[0053] 然后再對(duì)混頻輸出結(jié)果xi(n)進(jìn)行低通濾波，得到基帶信號(hào)X2(n):
[0054] χ2(η) =xi(n)*hLP(n) (2)
[005引其中，hLP(n)為數(shù)字低通濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)，*表示卷積運(yùn)算。
[0056] 基帶信號(hào)X2(n)經(jīng)過(guò)抽取得到降采樣信號(hào)X3(n〇,其中，如果進(jìn)行2倍抽取，則X3 (n')=X2(化），《=〇、1、對(duì)降采樣信號(hào)X3(r〇進(jìn)行^點(diǎn)FFT計(jì)算，得到基帶 信號(hào)的頻譜X3化/):
[0057] 馬株')=巧τ(馬的)，=0、1、...、誓-1 (3)
[005引將基帶信號(hào)的頻譜X3(k/)與設(shè)定的匹配系數(shù)c(k/)相乘，得到頻域匹配結(jié)果Χ4 化'）：
[0059] X4化'）=X3化'）(Xk') (4)
[0060] X4化/ )進(jìn)行^點(diǎn)IFFT之后得到擴(kuò)頻信號(hào)自相關(guān)結(jié)果y(n/ ):
[0061] y(n') = ΠΨΤ(Χ4化'）） (5)
[0062] 把式（1)~(4)代入式(5)中，則在2倍抽取情況下，數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)χ(η)的自相關(guān)結(jié) 果y(n')為：
[0063]
[0064] 其中，WN/2 = e^W"/W2)，對(duì)公式(6)進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到公式(7):
[0068] 由公式(7)可W看出，數(shù)字?jǐn)U頻信號(hào)x(n)的自相關(guān)結(jié)果y(n/)的頻譜等效于:x(n) 頻譜搬移并抽取后的頻譜與系數(shù)項(xiàng)Η '化/)相乘，再進(jìn)行逆傅立葉變換。
[0069] 在W上處理過(guò)程中去除頻譜搬移，并且不進(jìn)行抽取的情況下，擴(kuò)頻信號(hào)χ(η)的自 相關(guān)結(jié)果y'（η)為：
[0070]
[0071] 其中，X化)為擴(kuò)頻信號(hào)χ(η)的頻譜，= H'Bp(k)為帶通濾波器和設(shè)定的匹 配系數(shù)的乘積結(jié)果，k = 0、1、· · ·、N-1，即：
[0074] 對(duì)式(10)計(jì)算得到的自相關(guān)結(jié)果y'（η)進(jìn)行2倍抽取，得到降采樣信號(hào)y(n〇:
[0075] y(n')=y'(2n) (13)
[0076] 如果令：
[0077] X'BP(k)=X(k)H'BP 化） （14)
[0078] 降采樣信號(hào)y