郭道省,郭文韜,秦 勇,徐 力,楊茂強(qiáng)

(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 衛(wèi)星通信系,南京 210007;2.解放軍92497部隊(duì) 70分隊(duì),海南 陵水572425)

1 引 言

直接序列擴(kuò)頻(DSSS)信號(hào)被廣泛應(yīng)用于各種通信環(huán)境,因此直擴(kuò)信號(hào)接收機(jī)在各種條件下的同步技術(shù)成為近年來研究的熱點(diǎn)問題。同步技術(shù)包括PN碼同步與載波同步,而PN碼同步又分為PN碼捕獲與碼跟蹤技術(shù)。本文主要探討及研究PN碼捕獲技術(shù)。關(guān)于PN碼捕獲技術(shù),近年來主要從兩方面考慮進(jìn)行研究。

一方面是研究適應(yīng)高動(dòng)態(tài)DSSS信號(hào)的PN碼捕獲技術(shù)。其典型的應(yīng)用環(huán)境為機(jī)載、彈載或LEO星載衛(wèi)星導(dǎo)航定位。相應(yīng)的碼捕獲技術(shù)為文獻(xiàn)[1-2]提出的基于FFT的串并搜索的部分相關(guān)的碼捕獲技術(shù)。文獻(xiàn)[3]在此算法的基礎(chǔ)上,提出了基于FFT相位差修正的部分相關(guān)值作FFT的PN碼捕獲技術(shù),使得載波頻偏的估計(jì)精度大大提高。文獻(xiàn)[4]也對(duì)此PN碼捕獲技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]提出了另一種適應(yīng)高動(dòng)態(tài)DSSS信號(hào)的PN碼捕獲技術(shù),即分段相關(guān)的PN碼捕獲技術(shù),然而其是以犧牲相關(guān)器輸出的信噪比為代價(jià)的。文獻(xiàn)[6]提出了基于FFT的頻域相關(guān)的PN碼捕獲技術(shù),此算法也是近年來研究最多的算法之一。文獻(xiàn)[7]也對(duì)此算法進(jìn)行了研究,并利用真實(shí)GPS信號(hào)驗(yàn)證了算法的有效性。文獻(xiàn)[8]考慮能用于LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信手持機(jī)中的PN碼捕獲技術(shù),提出了基于滑動(dòng)相關(guān)的利用碼頻頻偏的“循環(huán)環(huán)”的PN碼捕獲技術(shù),此算法的效率與碼頻頻偏的大小有關(guān),當(dāng)碼頻頻偏較大時(shí),其能快速捕獲信號(hào),而當(dāng)碼頻頻偏較小時(shí),由于滑動(dòng)相關(guān)器輸出相關(guān)峰的周期變大,從而使得PN碼捕獲的速度下降。

另一方面,低信噪比的弱DSSS信號(hào)的PN碼捕獲技術(shù)也是近年來研究的熱點(diǎn)。此時(shí)信號(hào)強(qiáng)度一般只有-180 dBW左右,遠(yuǎn)小于正常接收時(shí)的-160 dBW。文獻(xiàn)[9]研究了基于分段相關(guān)-視頻累積的多駐留PN碼捕獲技術(shù),當(dāng)多普勒頻偏較大且信噪比很低時(shí),此捕獲技術(shù)的性能將大大下降。文獻(xiàn)[10]對(duì)現(xiàn)有的弱衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的捕獲技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于輔助數(shù)據(jù)的載波頻偏及其不確定度估計(jì)算法。

然而,上述諸多種PN碼捕獲技術(shù),要么只能適應(yīng)信噪比較高的高動(dòng)態(tài)環(huán)境,要么只能適應(yīng)于靜態(tài)或低動(dòng)態(tài)的弱信號(hào)環(huán)境。本文將重點(diǎn)研究適應(yīng)低信噪比高動(dòng)態(tài)環(huán)境的弱DSSS信號(hào)的PN碼捕獲技術(shù),并使得此種捕獲技術(shù)能適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境,其典型的應(yīng)用為GEO、HEO衛(wèi)星的定軌。文獻(xiàn)[12]研究了載波頻偏及碼頻頻偏同時(shí)存在時(shí)的PN碼捕獲技術(shù),其采用了最大似然法對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲,因此算法的運(yùn)算量極大。文獻(xiàn)[13]同時(shí)考慮載波頻偏及碼頻頻偏對(duì)相關(guān)器的影響,提出了將時(shí)移短時(shí)相關(guān)法用于PN碼捕獲的思想,與文獻(xiàn)[12]中的算法相比,其運(yùn)算量大大減小了。然而,文獻(xiàn)[13]中僅考慮了載波頻偏及碼頻頻偏為常數(shù)的情況,而高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,載體加速度的存在,使得接收信號(hào)存在載波頻偏變化率及碼頻頻偏變化率,因此有必要研究此種條件下的PN碼捕獲技術(shù)。

2 載波頻偏及碼頻頻偏對(duì)PN碼捕獲的影響

以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。造成載波頻偏及碼頻頻偏的原因包括3個(gè)方面,分別為衛(wèi)星與接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻偏、接收機(jī)時(shí)鐘抖動(dòng)與衛(wèi)星星鐘抖動(dòng),后兩者較前者相比較小,在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,將主要考慮多普勒頻偏對(duì)PN碼捕獲的影響。以下分別分析由于多普勒頻移造成的載波頻偏及碼頻頻偏對(duì)碼捕獲的影響。

2.1 載波頻偏對(duì)捕獲的影響

在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,載波頻偏隨時(shí)間變化,表示為fd(t),將其進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,則表示為

式中,fd為常數(shù)項(xiàng)載波頻偏,fd-rate為fd(t)的一階導(dǎo)數(shù),表示載波頻偏的變化率,通常情況下 fd(t)的二階以上導(dǎo)數(shù)很小,這里不予考慮。重點(diǎn)研究 fd與fd-rate對(duì)PN碼捕獲的影響。

文獻(xiàn)[1-4]都對(duì)常數(shù)項(xiàng)載波頻偏 fd對(duì)捕獲的影響進(jìn)行了分析,表明在相干累加長度一定時(shí),相關(guān)峰會(huì)隨著fd的增大而減小,當(dāng) fd增大為相干累加時(shí)間的倒數(shù)時(shí),相關(guān)峰值將下降為零。

fd-rate為載波頻偏變化率,若捕獲采用具有頻域掃頻技術(shù)的頻域相關(guān)法時(shí),則由于fd-rate的存在,會(huì)使得相關(guān)峰向相鄰的掃頻間隔移動(dòng)。在低信噪比高動(dòng)態(tài)的弱信號(hào)環(huán)境下,為了提高檢測概率,必須對(duì)相關(guān)值進(jìn)行長相干累加與非相干累加,然而,由于相關(guān)峰隨時(shí)間在掃頻間隔的移動(dòng),因此相關(guān)峰出現(xiàn)在同一掃頻間隔的數(shù)量有限,這將大大降低非相干累加的次數(shù)。

2.2 碼頻頻偏對(duì)捕獲系統(tǒng)的影響

在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,將時(shí)變的碼頻頻偏表示為

式中,Dc為常數(shù)項(xiàng)碼頻頻偏,Dc-rate表示碼頻頻偏的變化率,對(duì)于Dc(t)的二階以上的導(dǎo)數(shù)不予考慮。

文獻(xiàn)[8]與文獻(xiàn)[13]研究了碼頻頻偏對(duì)相關(guān)值的影響,表明碼頻頻偏會(huì)使得接收信號(hào)與本地偽碼的相位差發(fā)生固定的相對(duì)變化,從而導(dǎo)致相關(guān)峰向相鄰搜索的碼相位進(jìn)行移動(dòng),使得相關(guān)峰在同一碼相位出現(xiàn)的個(gè)數(shù)大大減小,因此使得非相干累加的數(shù)目下降。

當(dāng)考慮碼頻頻偏變化率Dc-rate時(shí),將會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)與本地偽碼的相位差發(fā)生時(shí)變的相對(duì)變化,導(dǎo)致在同一碼相位相關(guān)峰出現(xiàn)的個(gè)數(shù)隨時(shí)間變化,因此使得非相干累加的次數(shù)發(fā)生變化。如圖1所示,Δt1時(shí)間段,在碼相位 τ2上出現(xiàn)4次相關(guān)峰,由于Dc-rate的存在,碼頻頻偏發(fā)生變化,使得在Δt2時(shí)間段,相關(guān)峰向碼相位 τ3移動(dòng),且在 τ3上相關(guān)峰出現(xiàn)的次數(shù)變?yōu)?次。

圖1 時(shí)變的碼頻頻偏造成的相關(guān)峰“漂移”現(xiàn)象Fig.1 Phenomenon of correlation peaks drift created by changing code frequency offset

當(dāng)同時(shí)考慮載波頻偏變化率與碼頻頻偏時(shí),將會(huì)導(dǎo)致相關(guān)峰同時(shí)在載波頻偏不確定區(qū)與碼相位不確定區(qū)移動(dòng)。如圖2所示,在t1時(shí)刻,相關(guān)峰出現(xiàn)在1號(hào)搜索單元,隨著時(shí)間的變化,由于載波頻偏變化率及碼頻頻偏的影響,在 t2時(shí)刻,相關(guān)峰將出現(xiàn)在2號(hào)搜索單元。

圖2 相關(guān)峰在二維不確定區(qū)的移動(dòng)Fig.2Movemen of correlation peaks in two-dimensional uncertainty region

為了解決載波頻偏變化率與碼頻頻偏對(duì)PN碼捕獲的影響,本文提出了基于FFT的二維平移累加算法。

3 基于FFT的二維平移累加算法

算法的基本思想是對(duì)相關(guān)器輸出的相關(guān)值在載波頻偏不確定度與碼相位不確定度同時(shí)進(jìn)行平移,從而消除相關(guān)峰“漂移”現(xiàn)象,增大非相干累加的有效性。下面對(duì)算法進(jìn)行詳細(xì)描述。

為消除載波頻偏變化率的影響,將載波頻偏變化率的不確定區(qū)Δfd-rate分為若干個(gè)搜索間隔,間隔大小為 δ fd-rate,而載波頻偏的搜索間隔為 δ fd。若當(dāng)前載波頻偏搜索間隔的相關(guān)峰為Cpeak1,當(dāng)載波頻偏變化率的搜索值為fd-rate-1,經(jīng)過時(shí)間ΔT,載波頻偏改變fd-rate-1ΔT,相關(guān)峰將“漂移”到相鄰的載波頻偏搜索間隔即為Cpeak2,那么,進(jìn)行非相干累加時(shí),應(yīng)將相鄰載波頻偏搜索間隔的相關(guān)峰值Cpeak2平移到當(dāng)前載波頻偏搜索間隔,平方后與當(dāng)前載波頻偏搜索間隔的相關(guān)值Cpeak1相累加,得到經(jīng)過時(shí)間 2ΔT,載波頻偏改變2fd-rate-1ΔT,相關(guān)峰將“漂移”到下面第二個(gè)載波頻偏搜索間隔即為Cpeak3,則將下面第二個(gè)載波頻偏搜索間隔的相關(guān)峰值Cpeak3平移到當(dāng)前載波頻偏搜索間隔,平方后與相累加,得到以此類推,若經(jīng)過時(shí)間N·ΔT,則將下面第N個(gè)載波頻偏搜索間隔的相關(guān)峰值CpeakN平移到當(dāng)前搜索間隔,平方后與相累加,從而實(shí)現(xiàn)了N次非相干累加。在實(shí)際的PN碼捕獲系統(tǒng)中,要搜索的載波頻偏變化率的值為因此要對(duì)Nfd-rate個(gè)所搜索的載波頻偏變化率的估計(jì)值都要進(jìn)行以上處理,最大的信噪比值將出現(xiàn)在與 fd-rate最接近的載波頻偏變化率估計(jì)值上。

為了消除碼頻頻偏及其變化率的影響,算法采用了載波頻偏輔助碼頻頻偏的估計(jì)方法,即若當(dāng)前搜索的載波頻偏及其變化率為fd-1與fd-rate-1,則相應(yīng)搜索的碼頻頻偏及其變化率為Dc-1=fd-1·Rc/fRF與Dc-rate-1=fd-rate-1·Rc/fRF,其中 Rc表示碼片速率,fRF表示射頻信號(hào)的頻率。假定PN碼捕獲采用頻域相關(guān)法,則要搜索的碼頻頻偏及其變化率的值為Dc-1與Dc-rate-1,經(jīng)過 ΔT1時(shí)間段,接收信號(hào)與本地偽碼的相位差改變此時(shí),相關(guān)峰將“漂移”到下一個(gè)碼相位搜索間隔,則進(jìn)行非相干累加時(shí),將下一個(gè)碼相位搜索間隔的相關(guān)峰平移到當(dāng)前碼相位搜索間隔,平方后與當(dāng)前碼相位搜索間隔的相關(guān)峰進(jìn)行累加。以此類推,當(dāng)經(jīng)過ΔTN時(shí)間段,接收信號(hào)與本地偽碼相位差改變此時(shí),相關(guān)峰“漂移”到下面第N個(gè)碼相位搜索間隔,則將此碼相位的相關(guān)峰平移到當(dāng)前搜索碼相位,平方后與當(dāng)前累加值進(jìn)行累加。在實(shí)際碼捕獲時(shí),則要對(duì)所有{Dc-i,的組合利用上述算法。

為了同時(shí)消除載波頻偏變化率與碼頻頻偏的影響,基于FFT的二維平移累加算法將同時(shí)利用上述策略對(duì)相關(guān)值在載波頻偏不確定區(qū)與碼相位不確定區(qū)進(jìn)行平移到當(dāng)前載波頻偏搜索間隔與碼相位搜索間隔,平方后與當(dāng)前搜索單元的值進(jìn)行累加,從而完成非相干累加。圖3是采用基于FFT的二維平移累加算法提高非相干累加有效性示意圖。

圖3 基于FFT的二維平移累加示意Fig.3 Two-dimensional shift accumulation algorithm based on FFT

由圖3可見,若 t1時(shí)刻在1號(hào)搜索單元出現(xiàn)相關(guān)峰,由于受載波頻偏變化率及碼頻頻偏的影響,t2時(shí)刻相關(guān)峰將“漂移”到2號(hào)搜索單元,基于FFT的二維平移累加算法則將2號(hào)搜索單元的相關(guān)峰平移到1號(hào)搜索單元,并與1號(hào)搜索單元的相關(guān)峰累加。

4 高動(dòng)態(tài)弱信號(hào)條件下PN碼捕獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖4是高動(dòng)態(tài)弱信號(hào)條件下碼捕獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 高動(dòng)態(tài)弱信號(hào)條件下PN碼捕獲的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of PN code acquisition system for high dynamic weak signal

捕獲系統(tǒng)工作過程:取若干秒來自碼片匹配濾波器的復(fù)基帶采樣信號(hào),并將其存儲(chǔ)在接收信號(hào)存儲(chǔ)單元RAM1中,經(jīng)NT個(gè)復(fù)乘器進(jìn)行時(shí)域掃頻,將NT路經(jīng)時(shí)域校頻的數(shù)據(jù)與本地PN碼在NT個(gè)并行的基于FFT的頻域相干相關(guān)累加器中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得到相關(guān)值矩陣,并存儲(chǔ)在RAM2中,接著,利用基于FFT的二維平移累加算法對(duì)RAM2中的相關(guān)值矩陣進(jìn)行處理及重新組合,并將結(jié)果存儲(chǔ)在RAM3中,最后進(jìn)行最大值檢測,從而估計(jì)出同步碼相位與載波頻偏。

在此碼捕獲結(jié)構(gòu)圖中,基于FFT的頻域相干相關(guān)累加模塊十分重要,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于FFT的頻域相干相關(guān)累加模塊結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of frequency domain coherent accumulation module

為了消除調(diào)制數(shù)據(jù)跳變對(duì)PN碼捕獲的影響,采用文獻(xiàn)[14]中提出的交替的半個(gè)數(shù)據(jù)位選取技術(shù),圖5中經(jīng)時(shí)域校頻后的數(shù)據(jù)分為兩路,一路直接進(jìn)行相關(guān)處理,另一路則延遲半個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)位再進(jìn)行相關(guān)處理。在相關(guān)處理時(shí),首先選取1個(gè)PN碼周期的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理,并對(duì)FFT結(jié)果進(jìn)行循環(huán)移位,從而實(shí)現(xiàn)頻域掃頻,將其與本地PN碼FFT的結(jié)果相乘,再作IFFT,得到相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果。通過控制電路,選取新的1個(gè)PN碼周期的數(shù)據(jù),重復(fù)以上操作,并與上次同掃頻間隔同碼相位搜索間隔所得相關(guān)值相累加,實(shí)現(xiàn)相干累加,并將相關(guān)值矩陣存儲(chǔ)在RAM2中。

由于頻域掃頻只能消除整數(shù)倍fs/NFFT的載波頻偏,NFFT為FFT點(diǎn)數(shù),fs為采樣頻率,因此要消除小于fs/NFFT的載波頻偏,必須利用時(shí)域掃頻,此為圖4中存在NT個(gè)并行的時(shí)域掃頻因子的原因。

5 關(guān)鍵參數(shù)分析

以下以GPS民用導(dǎo)航信號(hào)為例,對(duì)捕獲系統(tǒng)的重要參數(shù)進(jìn)行分析,包括相干累加長度、非相干累加次數(shù)、載波頻偏搜索間隔、載波頻偏變化率搜索間隔、碼頻頻偏的搜索及對(duì)捕獲處理速度的要求。

5.1 相干累加長度的優(yōu)化

相干累加長度越大,相關(guān)器輸出的信噪比越高,然而,受導(dǎo)航電文跳變的影響,對(duì)于GPS C/A碼信號(hào)而言,相干累加長度最大為20 ms。在實(shí)際信號(hào)捕獲時(shí),20 ms內(nèi)可能存在比特跳變,因此為了保證相干累加長度內(nèi)沒有比特跳變,將20 ms的數(shù)據(jù)分為兩個(gè)10 ms,分別進(jìn)行相干相關(guān)處理,從而保證其中一個(gè)相關(guān)值不存在比特跳變。若10 ms相干長度不能滿足對(duì)信噪比的要求,可以通過對(duì)導(dǎo)航電文的預(yù)測消除導(dǎo)航電文的影響,進(jìn)而增大相干累加長度。

5.2 非相干累加次數(shù)的優(yōu)化

高動(dòng)態(tài)弱信號(hào)條件下,采用非相干累加,在對(duì)抗載波頻偏與導(dǎo)航電文跳變的同時(shí)可以增大相關(guān)器輸出的信噪比,從而提高檢測概率。分析同步單元與非同步單元相關(guān)值的概率分布情況,檢測概率即為同步單元相關(guān)值大于所有非同步單元相關(guān)值的最大值的概率。當(dāng)檢測概率給定時(shí),通過概率計(jì)算可以得到所要求的非相干累加次數(shù)。

5.3 載波頻偏搜索間隔的選取

當(dāng)載波頻偏位于兩個(gè)搜索單元中間時(shí),由于估計(jì)誤差的原因,相關(guān)峰會(huì)下降。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)載波頻偏估計(jì)誤差為相干累加時(shí)間倒數(shù)的1/4時(shí),相關(guān)峰能量損失0.9 dB,估計(jì)誤差為相干累加時(shí)間倒數(shù)的1/2時(shí),相關(guān)峰能量損失4 dB,因此將載波頻偏搜索間隔選為相干累加時(shí)間倒數(shù)的1/2。對(duì)于GPS信號(hào)而言,若相干累加時(shí)間為10 ms,則載波頻偏搜索間隔取為50 Hz。

5.4 載波頻偏變化率搜索間隔的選取

若真實(shí)的載波頻偏變化率位于兩個(gè)搜索單元中間時(shí),應(yīng)用基于FFT的二維平移累加算法,對(duì)相關(guān)值在載波頻偏不確定區(qū)進(jìn)行平移時(shí),將出現(xiàn)最大載波頻偏補(bǔ)償誤差,因此要求在整個(gè)非相干累加時(shí)間內(nèi),由于載波頻偏變化率估計(jì)誤差導(dǎo)致的相關(guān)峰“漂移”不大于半個(gè)載波頻偏搜索間隔,對(duì)于GPS民用導(dǎo)航信號(hào)而言,若進(jìn)行100次非相干累加,即非相干時(shí)間為2 s,則要求載波頻偏變化率搜索間隔小于25 Hz,此處取為10 Hz。

由于采用了載波頻偏輔助的碼頻頻偏搜索策略,因此對(duì)于碼頻頻偏及其變化率的搜索由載波頻偏及其變化率搜索而定。

5.5 對(duì)捕獲速度的要求

由于載波頻偏與碼頻頻偏補(bǔ)償誤差的存在,導(dǎo)致捕獲完成后所估計(jì)的載波頻偏及同步碼相位與真實(shí)值有差異,為了保證捕獲成功,要求差異分別小于半個(gè)載波頻偏搜索間隔和半個(gè)碼片寬度。若載波頻偏變化率的搜索間隔為10 Hz,則最大估計(jì)誤差為5 Hz,要滿足上述要求即在整個(gè)捕獲期間由于載波頻偏變化率估計(jì)誤差導(dǎo)致的載波頻偏改變小于25Hz,捕獲必須在5 s內(nèi)完成。目前FPGA或DSP器件的速度很難達(dá)到此要求,因此有必要進(jìn)行二次搜索。

6 算法性能仿真

以下將通過MATLAB仿真對(duì)基于FFT的二維平移累加算法的檢測概率進(jìn)行分析。仿真條件:GPS在L1載頻(1 575.42MHz)的民用導(dǎo)航信號(hào),PN碼周期為1 023,碼片速率為1.023 Mchip/s,相干相關(guān)時(shí)間為10 ms,載波頻偏范圍是-10～10 kHz,碼頻頻偏范圍是-10～10 Hz,載波頻偏變化率范圍是-1～1 kHz,載波頻偏搜索間隔為50 Hz,碼頻頻偏搜索間隔為0.5 Hz,載波頻偏變化率搜索間隔為50 Hz。

圖6和圖7分別是捕獲系統(tǒng)采用最大值檢測法,一般非相干累加碼技術(shù)與采用基于FFT的二維平移累加算法的檢測概率。由圖6可見,隨著非相干累加次數(shù)Q的增大,檢測概率反而出現(xiàn)急劇下降的情況。其原因是由于碼頻頻偏造成的,當(dāng)碼頻頻偏為10 Hz時(shí),非相干累加的有效次數(shù)最多為10次,當(dāng)非相干累加為20次,相關(guān)峰將漂移到相鄰碼相位,使得在兩個(gè)搜索碼相位出現(xiàn)相關(guān)峰,導(dǎo)致同步碼相位的檢測概率下降;當(dāng)非相干累加次數(shù)更大時(shí),相關(guān)峰將出現(xiàn)在多個(gè)搜索碼相位,檢測概率將進(jìn)一步下降,圖6中Q為30的檢測概率比Q為20時(shí)更低。由圖7可知,采用基于FFT的二維平移累加算法,檢測概率會(huì)隨 Q的增大顯著提高。圖7中,Q為30、載噪比 C/No為24 dB時(shí),檢測概率已達(dá)到0.996,而圖6中 Q為30時(shí),檢測概率已降到0.2以下,與圖6中 Q為10時(shí)的檢測概率相比有2 dB增益;圖7中 Q為 100、載噪比 C/No為21 dB時(shí),檢測概率已達(dá)到0.998,與圖6中Q為10時(shí)的檢測概率相比有6 dB增益。因此在低信噪比高動(dòng)態(tài)條件下,采用基于FFT的二維平移累加算法可以大大提高捕獲系統(tǒng)的檢測概率。

圖6 采用一般非相干累加技術(shù)的檢測概率曲線Fig.6 Detective probability using common noncoherent accumulation technology

圖7 采用基于FFT的二維平移累加算法的檢測概率曲線Fig.7 Detective probability using two-dimensional shift accumulation algorithm based on FFT

7 結(jié)束語

本文對(duì)現(xiàn)有PN碼捕獲技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),分析了低信噪比高動(dòng)態(tài)弱DSSS信號(hào)條件下時(shí)變的載波頻偏與碼頻頻偏對(duì)PN碼捕獲的影響,在此基礎(chǔ)上,提出了基于FFT的二維平移累加算法,從而提高了非相干累加的有效性,給出了捕獲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析,通過MATLAB仿真證實(shí)了算法的有效性。對(duì)算法的運(yùn)算量進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化,論證利用FPGA或DSP實(shí)現(xiàn)的可行性將是下一步的研究內(nèi)容。最后,建議將一些輔助信息與此算法相結(jié)合,可大大壓縮搜索空間,增強(qiáng)低信噪比高動(dòng)態(tài)弱DSSS信號(hào)的捕獲能力。

[1]Sascha M S,Gordon J R P.Code acquisition for LEO satellite mobile communication using a serial-parallel correlator with FFT for Doppler estimation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2001,50(6):1549-1567.

[2]Candida L S,Sascha M S,Gordon J R P.Aserial-parallel FFT correlator for PN code acquisition from LEO satellites[C]//Proceedings of 1998 IEEE International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications.Sun City,South Africa:IEEE,1998:446-448.

[3]郭飛,朱文明,李志強(qiáng),等.基于FFT相位差修正的偽碼快捕方法[J].無線電通信技術(shù),2006,32(2):15-17.GUO Fei,ZHU Wen-ming,LI Zhi-qiang,et al.Fast code acquisition based on phase difference correction of FFT[J].Radio Communications Technology,2006,32(2):15-17.(in Chinese)

[4]秦勇,張邦寧,郭道省.大頻偏下直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的碼捕獲技術(shù)[J].無線通信技術(shù),2005,14(4):18-21.QIN Yong,ZHANG Bang-ning,GUO Dao-xing.Code acquisition technique of DS/SS with large frequency offset[J].Wireless CommunicationTechnology,2005,14(4):18-21.(in Chinese)

[5]Persson B,DoddsD E,Bolton R J.A segmented matched filter for CD MA code synchronizationin systemswithDoppler frequency offset[C]//Proceedings of IEEE Global Telecommunication Conference.San Antonio,Texas:IEEE,2001:648-653.

[6]Vannee D J R,Coenen A J R M.New fast GPS code acquisition technique using FFT[J].Electornics Letters,1991,27(17):158-160.

[7]劉曉莉,李云榮.一種基于FFT的高動(dòng)態(tài)GPS信號(hào)快速捕獲方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(10):2151-2155.LIU Xiao-li,LI Yun-rong.Fast Acquisition Based on FFT for High Dynamic GPS Signals[J].Journal of System Simulation,2007,19(10):2151-2155.(in Chinese)

[8]Glisic S G,Poutanen T J,Wu W W,et al.New PN code acquisition scheme for CDMA networks with low signal-tonoise ratios[J].IEEETransactions onCommnications,1999,47(2):300-310.

[9]朱祥維,王飛雪.基于分段相關(guān)-視頻積累方法的多駐留偽碼捕獲系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].通信學(xué)報(bào),2006,27(9):124-128.ZHU Xiang-wei,WANG Fei-xue.Optimum design of multiple dwell PN code acquisition system using segment correlation-video integration method[J].Journal on Communications,2006,27(9):124-128.(in Chinese)

[10]戴衛(wèi)恒,朱文明,常江,等.弱信號(hào)條件下的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)展[J].全球定位系統(tǒng),2009(1):29-32.D AI Wei-heng,ZHU Wen-ming,CHANG Jiang,et al.Development of satellite navigation system inweak signal condition[J].GNSS World of China,2009(1):29-32.(in Chinese)

[11]宋成,王飛雪,莊釗文.輔助型GPS接收機(jī)中載波頻偏及其不確定度估計(jì)算法的研究[J].信號(hào)處理,2009,25(11):1694-1700.SONG Cheng,WANG Fei-xue,ZHANG Zhao-wen.An estimate algorithm for carrier frequency shift and Its uncertainty in the assisted GPS receiver[J].Signal Processing,2009,25(11):1694-1700.(in Chinese)

[12]Cheng Unjeng,HurdW J.Spread spectrum code acquisitionin the presence of Doppler shift and data modulation[J].IEEE Transactions onCommnications,1990,38(2):241-250.

[13]秦勇,張邦寧,郭道省.時(shí)移短時(shí)相關(guān)法在DSSS碼捕獲系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(8):1942-1945.QIN Yong,ZHANG Bang-ning,GUO Dao-xing.Application of DSTC to Code Acquisition System of DSSS[J].Journal of Electronics&Information Technology,2007,29(8):1942-1945.(in Chinese)

[14]Mark L,Psiaki.Block acquisition of weak GPS signal in a software receiver[C]//Proceedings of Institute of Navigation GPS.Salt Lake City,Utah:ION,2001:2838-2850.