北斗国产化中低功耗分时信号采集方法、装置及存储介质与流程

1.本文件涉及通信技术领域，尤其涉及一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.授时设备功能主要包括：提供标准时间、提供同步及频率信息信息、抗干扰定位、输出时间、位置、速度、航向等信息。
3.授时设备组成具体包括：七振源抗干扰天线、抗干扰板卡、铷原子钟、主控模块、产生器模块、频标输出模块。
4.元器件国产化面临的主要问题为：国产化硬件品牌商少、长期形成的使用习惯，需要过渡期、国产化配套软件或驱动少，开发周期长、国产芯片普遍功耗高，发热量大，并存在潜在的缺陷。
5.目前，国内民用授时设备仍然以国外芯片为主；军工厂家的产品开始注重国产自主可控，但主要的处理芯片仍然以外购为主，未全部实现国产化；使用国内自主的芯片完成授时产品的设计，元器件选型、使用习惯、配套软件都已解决，现在主要面临的是处理芯片功耗高，发热量大，并存在潜在缺陷的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法、装置及存储介质，旨在解决现有技术中的上述问题。
7.本发明提供一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法，包括：通过北斗定位系统的射频前端接收卫星信号，将所述卫星信号离散成包含北斗信号成分的、频率低于预定频率阈值的数字中频信号，并在此过程中对所述卫星信号进行滤波和增益控制，将处理后的所述数字中频信号发送到硬件信息处理通道；多个硬件信息处理通道通过分时信号采集对所述数字中频信号进行处理。
8.本发明提供一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置，用于北斗定位系统，所述装置具体包括：射频前端，用于接收卫星信号，将所述卫星信号离散成包含北斗信号成分的、频率低于预定频率阈值的数字中频信号，并在此过程中对所述卫星信号进行滤波和增益控制，将处理后的所述数字中频信号发送到硬件信息处理通道；多个硬件信息处理通道，与所述射频前端连接，用于通过分时信号采集对所述数字中频信号进行处理。
9.本发明实施例还提供一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法的步骤。
10.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储
有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法的步骤。
11.采用本发明实施例，能够降低处理芯片的功耗和发热量。
附图说明
12.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本发明实施例的北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法的流程图；图2是本发明实施例的北斗定位系统的原理示意图；图3是本发明实施例的北斗射频前端处理的示意图；图4是本发明实施例的接收机基带信号处理过程方框图；图5是本发明实施例的北斗跟踪环路总体结构图；图6是本发明装置实施例一的北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置的示意图；图7是本发明装置实施例二的北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置的示意图。
具体实施方式
14.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
15.方法实施例根据本发明实施例，提供了一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法，图1是本发明实施例的北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的北斗国产化中的低功耗分时信号采集方法具体包括：步骤101，通过北斗定位系统的射频前端接收卫星信号，将所述卫星信号离散成包含北斗信号成分的、频率低于预定频率阈值的数字中频信号，并在此过程中对所述卫星信号进行滤波和增益控制，将处理后的所述数字中频信号发送到硬件信息处理通道；步骤102，多个硬件信息处理通道通过分时信号采集对所述数字中频信号进行处理。其中，所述硬件信息处理通道的个数为2个。
16.步骤102具体包括：通过所述多个硬件信息处理通道同时处理不同卫星的数字中频信号；基于预先设置的信号采集切换周期，所述多个硬件信息处理通道从当前卫星切换到待处理卫星，并处理所述待处理卫星的数字中频信号，直到处理完所有卫星的数字中频信号为止。
17.其中，通过所述多个硬件信息处理通道对所述数字中频信号的处理过程具体包
括：捕获、跟踪，伪距、伪距率的计算以及导航电文解码。
18.以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。
19.如图2所示，北斗定位系统主要是通过北斗接收天线接收轨道卫星发射的卫星信号，进行下变频、射频信号处理、数字信号处理、位置解算算法实现最终的定位功能。
20.北斗定位系统射频前端的主要目的是接收卫星信号，并将其离散成包含北斗信号成分的、频率较低的数字中频信号，并在此过程中进行必要的滤波和增益控制。射频前端包括接收天线和射频信号处理两部分射频天线接收卫星信号，并将电磁波信号转化为电压或电流信号；射频信号处理单元进而对信号进行放大、下变频、滤波等处理。我们希望接收机射频前端具有低噪声指数、低功耗、高增益和高线性等优点，使其输出的数字中频信号具有较高的载噪比，以利于随后的基带数字信号处理模块对信号的跟踪变得更为鲁棒，对信号的检测变得更为精确。
21.北斗定位系统的射频前端采用超外差接收机技术，其主要机理是通过混频将输入的高频信号下变频成较低频率的信号。图3是一种比较典型的北斗定位系统射频前端处理流程，它依次分为天线接收、射频信号调整、下变频混频、中频信号滤波放大以及模数转换这几个主要阶段，其中我们把接收天线之后的信号处理称为射频信号处理，下面的各节将从接收天线和射频信号处理两方面分别阐述北斗定位系统射频前端。
22.射频信号处理1、射频信号调整从接收天线接收到的北斗卫星信号功率很弱，并且信号中不但掺杂着噪声，而且在信号波段内外还可能存在着各种故意或无意的干扰信号。因此，射频前端对接收到的卫星信号的第一步处理时进行信号调整，即利用带通滤波器(bpf)尽可能地滤除b1波段之外的各种噪声和干扰，并通过功率放大器对信号进行功率放大。
23.对于b1单频民用接收机来说，因为北斗的b2载波信号成分将被各级滤波器滤除，并且b1载波上的p码信号与接收机内部幅值的c/a相关之后也将消逝成噪声。
24.因为位于射频前端处理首段的前置滤波器对于整个接收系统的噪声系数有着很大的影响，所以前置滤波器通常必须具有低噪声的特点。接收机前端通常有好几级滤波器，且为了降低噪声影响，滤波器的带宽会变得越来越小，射频前端最后一级滤波器的有效带宽成为射频前端的带宽。为了防止c/a码信号发生畸变，北斗信号中心频率附近至少2mhz的c/a码信号频谱，必须完全位于射频前端各个滤波器的通带之内，并且2mhz宽的滤波带宽响应必须平稳。
25.2、射频信号的下变频处理天线接收到的北斗卫星射频信号中心频率在1575.42mhz左右，而频率如此高的射频信号一般不适于被直接采样离散。下变频混频是通过混频器将低噪声放大器的射频信号与本机振荡器产生的本振信号进行相乘，在滤除乘积中的高频成分后，载波信号就从射频下降到中频。作为混频结果，中频信号不仅原封不动地保留着原先北斗射频信号上所调制的全部数据与信息，而且它适合于被采样离散。由于下变频混频器位于接收系统的较前端，因而它的性能对整个接收系统的性能影响很大。
26.下变频过程可由单级或者多级混频完成：单级混频只采用一级混频将射频信号直
接转换成最后所希望的中频信号，这可以大幅度地减少元器件数目，简化生产过程，降低产品成本。然而，单级混频也面临着直流偏差威胁、自动控制增益等困难；多级混频采用多个混频器将射频信号逐级的下变频到中频，它需要较多数目的元器件，构造复杂，但是它能够充分抑制镜像频率信号，抗干扰能力强。
27.此外，除了采用下变频处理的方式，射频前端还可以采用另一种频率规划方法，即直接对射频信号进行离散采样。直接数字化频率规划方式的一个最大优点在于，其不需要混频器和本机振荡器，并且电子技术的进步也使得现在的a/d转换器有能力直接对射频信号进行高频采样，但是工作在高频的滤波器，放大器和a/d转换器会相当昂贵，并且随后对高数据率的数字信号处理也需要相当繁重的运算量。
28.3、中频信号的滤波放大由于紧接在天线之后的首级器件的噪声性能相当重要，它关系到整个接收系统的噪声指数。因此选取一个具有低噪声性能的首级器件就成了设计射频前端部分的一个关键，并且高增益的低噪声放大器（lna）应该尽量被安置在射频前端信号处理的初级阶段。位于混频之前的射频前端首级器件通常具有两种选项：一种是具有窄通带的带通滤波器；另一种是增益值为25~40db左右的高增益低噪声放大器。若首级器件是一个前置带通滤波器，则北斗信号波段之外的射频干扰和噪声在得到放大前先被清除；若前置低噪声放大器被选作首级器件，则结合搜集的噪声指数可以比前一种方式地2~3db，但接收信号中可能存在的强干扰被放大后可使电路达到饱和，而这又会让电路产生新的一些频率的干扰。
29.射频前端处理可能好几个放大器，它们的放大倍数的选取需要考虑射频前端各个器件的噪声指数、功耗和期间饱和等多方面的因素。
30.4、模数转换经过前面几级的混频、滤波和放大等处理，接收到的北斗卫星信号的功率至此已经得到了足够的放大，其中心频率也已经变为较低的中频，而这些均有利于模数转换器（adc）对信号的模数转换。adc的性能指标主要包括分辨率、宽带和功耗。对于一个n位的adc而言，它的分辨率等于2n，即位数越多的adc具有越高的分辨率。
31.为了防止adc在信号采样过程中发生混叠，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须大于信号最高频率的两倍。在对带通信号进行采样时，采样频率可以小于信号的最高频率的两倍，但是仍必须大于两倍的信号带宽，例如，一般c/a码接收机采用5mhz左右的采样频率（c/a码信号的带宽大约为2m）。另外，除了满足奈奎斯特采样定理外，采样频率的选取还需要考虑避免与c/a码码率同步。
32.在对输入的模拟信号进行采样的同时，adc还对采样点的信号大小进行量化。北斗接收机射频前端的adc一般采用一位、两位或者三位输出，只有在用于抗干扰等方面的高端北斗接收机才应用高位的adc。低端商用接收机一般采用一位的adc，这样可以不用自动增益控制(agc)环节，而采用两位以上adc的接收机，则需要自动增益控制。自动增益控制根据adc的输出情况随时、相应地调节adc之前的滤波增益，使最后一击混频器输出的中频信号幅值大致维持在一个常数。这样，当接收信号变弱时，自动增益控制可以提高滤波增益，以避免adc输出全为零；当接收信号变强时，自动增益控制又可相应地降低滤波增益，以避免adc的输出全为正负最大值。
33.基带数字信号处理
1、北斗基带数字信号处理的流程北斗接收机必须首先复制那颗将由接收机捕获的卫星所发射的prn码。然后，移动这个复现码的相位，直到与卫星prn码发生相关为止。当接收机复现码的相位与输入的卫星码相位相匹配时，有最大的相关。当复现码的相位与输入的卫星码相位在任何一边的偏移超过一个码片时，有最小的相关。这就是北斗接收机捕获跟踪卫星信号时在码相位内检测卫星信号的方式。同时，由于多普勒效应的影响，北斗也必须在载波相位域内检测卫星。其方法是复现载波频率加多普勒频移量。这样，北斗信号的捕获跟踪过程是二维（码和载波）信号的复现过程。
34.北斗接收机对数字中频的处理过程主要包括捕获、跟踪，伪距、伪距率的计算以及导航电文解码，如图4所示。其中导航电文解码内容不是本文研究的内容。
35.捕获模块捕获卫星信号，确定天空中的可视卫星，并将捕获到的北斗信号的必要参数传递给跟踪过程。由于北斗卫星的运动，以及高动态用户的运动，信号频率将会产生多普勒频移。为覆盖卫星预期中的所有多普勒频率范围，捕获方法覆盖的频率范围之内。一旦捕获到北斗信号，立刻去测量两个重要的参数：c/a码的起始点和载波频率。接收机接收到的数据一般包含多个卫星信号，每个信号具有不用的c/a码的不同起始点和不同的多普勒频率。针对某个特定的卫星信号，捕获过程就是要找到c/a码的起始点，并利用找到的起始点展开c/a码频谱，一旦复现了c/a码的频谱，输出信号将变成连续波，于是便得到其载波频率。
36.捕获过程获得的码相位和载波频率信息是个粗略的值，北斗跟踪环路利用这些参数值对卫星信号进行跟踪，以获得精确的接收机自然观测量（精确的码相位和载波频率），并同时提取导航电文。图5是北斗接收机跟踪环路的总体结构。
37.首先，数字中频信号被复现的载波信号（加上多普勒频移）剥离载波，产生同相（i）分量和正交项（q）分量采样数据。复现的载波信号是由载波数控振荡器（nco）以及离散的正弦和余弦映射函数合成而来。i和q信号然后与超前、即时和滞后的复现码（加多普勒频移）发生相关，这些复现码是由码发生器、2比特的一位寄存器以及码nco组合产生的。这样i、q分量分别得到超前(e)、即时(p)和滞后(l)的3路信号，一共是6路信号。载波鉴相器对ip和qp信号进行鉴相，检测出复现载波和接收信号载波的相位差，并将这个相位差提供给载波nco，用以精确产生与接收信号同步的复现载波信号，这样就构成了一个载波环路。同样，6路i、q信号经过码环鉴相器检测出码相位的变化，并提供给码环nco，这样就构成了码环。图5中，环滤波器（载波环和码环）的用途是降低噪声一边在其输出端对原始信号进行精确的估计，它的阶数和噪声带宽也决定了环路滤波器对信号的动态响应；积分环节在处理器基带速率上提供滤波和重新采样，对i、q信号在一定的预检测时间内进行积分和清零处理，其中预检测时间是一个折中的产物，它必须尽量长以便在微弱的或有射频干扰的信号条件下工作，同时它必须尽量短以在高动态应力的信号条件下工作。
38.当完成对信号的捕获和跟踪后，即可得到导航电文，和接收机的自然测量值。根据导航电文可以解算出卫星的位置。接收机的自然测量值为复现码的相位和复现的载波多普勒相位或载波多普勒频移。复现的码相位可以变换为卫星发射时刻，而这个时间可以用于计算伪距。复现的载波多普勒频率可以变换为伪距率。最后，根据卫星位置和伪距信息即可完成北斗的定位等功能。
39.本发明实施例为了解决纯国产化后芯片发热量大的问题，主要是通过减少部分硬件电路；为了能够减少硬件电路，公司采用低功耗分时信号采集方案，正常采集处理十颗星的信息至少需要十条硬件信息处理通道，公司采用分时信号采集，硬件通道只有两条，同时只能采集两颗星的信息，通过不断的切换通道两条通道可以采集十颗以上的卫星信号。
40.装置实施例一根据本发明实施例，提供了一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置，用于北斗定位系统，图6是本发明实施例的北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置的示意图，如图6所示，根据本发明实施例的北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置具体包括：射频前端60，用于接收卫星信号，将所述卫星信号离散成包含北斗信号成分的、频率低于预定频率阈值的数字中频信号，并在此过程中对所述卫星信号进行滤波和增益控制，将处理后的所述数字中频信号发送到硬件信息处理通道；多个硬件信息处理通道62，与所述射频前端连接，用于通过分时信号采集对所述数字中频信号进行处理。所述硬件信息处理通道的个数为2个。
41.所述多个硬件信息处理通道62具体用于：通过所述多个硬件信息处理通道同时处理不同卫星的数字中频信号；基于预先设置的信号采集切换周期，所述多个硬件信息处理通道从当前卫星切换到待处理卫星，并处理所述待处理卫星的数字中频信号，直到处理完所有卫星的数字中频信号为止。
42.其中，需要多个硬件信息处理通道通过所述多个硬件信息处理通道对所述数字中频信号进行捕获、跟踪，伪距、伪距率的计算以及导航电文解码。
43.本发明实施例是与上述方法实施例对应的装置实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。
44.装置实施例二本发明实施例提供一种北斗国产化中的低功耗分时信号采集装置，如图7所示，包括：存储器70、处理器72及存储在所述存储器70上并可在所述处理72上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器72执行时实现如方法实施例中所述的步骤。
45.装置实施例三本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器72执行时实现如方法实施例中所述的步骤。
46.本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：rom、ram、磁盘或光盘等。
47.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。