劉益芬，金　天

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京　100191)

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兼容型高靈敏捕獲算法的硬件實(shí)現(xiàn)方案

劉益芬，金天

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191)

摘要：針對(duì)多模接收機(jī)在弱信號(hào)環(huán)境下的可用性問(wèn)題，本文提出了一種可兼容多個(gè)體制信號(hào)的硬件高靈敏度捕獲算法。本文采用基于傅里葉變換的部分匹配濾波器的捕獲算法，同時(shí)通過(guò)相干-非相干積分的方式延長(zhǎng)積分時(shí)間。本文還實(shí)現(xiàn)了兼容型捕獲算法的要求，可以高靈敏捕獲多個(gè)類型的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，只需將捕獲的信號(hào)類型、中心頻率及捕獲方式(普通/高靈敏)通過(guò)接口輸入，便可將算法的關(guān)鍵參數(shù)預(yù)置，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的捕獲。最后，本文還將該算法在FPGA硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并測(cè)試了實(shí)際信號(hào)的捕獲靈敏度。測(cè)試結(jié)果表明，其捕獲靈敏度可達(dá)到26 dBHz。

關(guān)鍵詞：捕獲；高靈敏；兼容；GNSS；BDS

0引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)，2012年已正式開(kāi)始提供亞太地區(qū)的服務(wù)[1]，并將在2020年形成全球覆蓋能力。目前，BDS在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用，但是在一些特殊的環(huán)境中，例如室內(nèi)、密林、城市等，信號(hào)功率收到了嚴(yán)重的遮擋和衰減，接收機(jī)的可用性面臨挑戰(zhàn)。

高靈敏捕獲算法是高靈敏接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。但由于體制不同，不同系統(tǒng)信號(hào)的捕獲方法和參數(shù)差別很大，采用單一方法進(jìn)行捕獲非常困難。為了拓展接收機(jī)在弱信號(hào)環(huán)境下的應(yīng)用，本文提出了一種兼容型高靈敏捕獲算法。該算法通過(guò)相干-非相干積分延長(zhǎng)積分時(shí)間以提高捕獲信號(hào)的信噪比，并且可通過(guò)接口配置不同系統(tǒng)、不同頻點(diǎn)、不同體制的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)的捕獲算法。相對(duì)于傳統(tǒng)的只能捕獲一種信號(hào)的算法而言增加了天空中可見(jiàn)星的數(shù)量，特別適用于多模接收機(jī)在弱信號(hào)環(huán)境下的使用。

1捕獲算法原理

1.1PMF-FFT捕獲算法

目前，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)大多采用碼分多址(code division multiple access，CDMA)的信號(hào)復(fù)用方式[2]，接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的捕獲主要包括載波頻率捕獲和偽碼相位捕獲[3]兩方面內(nèi)容。本文主要采用基于快速傅里葉變換的部分匹配濾波器(partial matched filter based on fast Fourier transform，PMF-FFT)[4]捕獲算法，該算法捕獲原理如圖1所示。

圖1　PMF-FFT捕獲原理圖

如圖1所示，射頻信號(hào)經(jīng)下變頻后即得到中頻數(shù)字信號(hào)RIF， 分別與同相、正交兩路載波混頻后即得到復(fù)數(shù)形式的中頻信號(hào)，再與本地產(chǎn)生的偽碼一起依次進(jìn)入P個(gè)X級(jí)部分匹配濾波器組。P組匹配濾波器的輸出即為P個(gè)復(fù)數(shù)，將這P個(gè)復(fù)數(shù)作為L(zhǎng)點(diǎn)快速傅里葉變換快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)的輸入。進(jìn)行FFT補(bǔ)償運(yùn)算，比較L個(gè)FFT輸出的最大值，與預(yù)設(shè)的門限比較判決是否同步成功。

設(shè)下變頻后得到的中頻信號(hào)[5]為

RIF(n)=Ac(n)d(n)cos[(ω0+ωd)n+φ]+N

(1)

式(1)中，A為信號(hào)幅度，c(t)為擴(kuò)頻序列，d(t)為導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，ω0為多普勒頻率，ωd為載波頻率，N為高斯白噪聲。

本地參考信號(hào)為

I(n)=c(n)cos(ωdn)

(2)

Q(n)=c(n)sin(ωdn)

(3)

在不存在噪聲且本地偽碼與接收信號(hào)偽碼同步的條件下，文獻(xiàn)[6]給出了系統(tǒng)歸一化的幅頻響應(yīng)為

(4)

式(4)中，ωd=πfdTc,k=0,1，…,L-1，L為FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)，M為部分匹配濾波器長(zhǎng)度，Tc為碼元寬度。

(5)

將參數(shù)稍作調(diào)整即可適用于多種類型信號(hào)的捕獲，尤其滿足高動(dòng)態(tài)接收機(jī)捕獲的性能要求。從運(yùn)算量的角度看，該算法的FFT運(yùn)算量?jī)H為L(zhǎng)點(diǎn)，節(jié)約了大量硬件資源和運(yùn)算時(shí)間。

1.2高靈敏捕獲算法

顯然，采用相干積分與非相干積分[7]的方式延長(zhǎng)積分時(shí)間可有效提高接收信號(hào)的信噪比以實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)環(huán)境下的捕獲。但受到導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)跳變的影響，相干積分時(shí)間長(zhǎng)度是有限的。以全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS) L1 C/A信號(hào)為例，由于導(dǎo)航電文速率為50 bps，相干積分的時(shí)間一般被限制在20 ms以內(nèi)。對(duì)于BDS B1I信號(hào)，也可以得到相同的結(jié)論。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，當(dāng)相干積分時(shí)間為Kms時(shí)，其增益可以表示為

Gc=10log(K)

(6)

非相干積分是另一種延長(zhǎng)積分時(shí)間的方式，其中心思想為去除相位信息，僅保留幅度信息，將判決量取平方后再相加。這種積分方式可以使得積分結(jié)果不受數(shù)據(jù)跳變的影響，但是相對(duì)于相干積分而言積分增益較低。文獻(xiàn)[7]給出非相干積分的增益為

Gi=10log(m)-L(m)

(7)

式(7)中，m表示非相干積分次數(shù)，L(m)表示由非相干引起的損耗，當(dāng)m很小的時(shí)候，L(m)發(fā)揮的作用不明顯，非相干積分可以有效的提高增益，但是當(dāng)m是一個(gè)較大的數(shù)值的時(shí)候，非相干的損耗接近于L(m)=5log(m)， 因此G=5log(m)[7]，因此，采用長(zhǎng)時(shí)間的非相干積分不能有效得提高信號(hào)的增益。

1.3參數(shù)設(shè)置

由式(4)可知，PMF-FFT捕獲算法的捕獲頻率分辨率為

(8)

因此，捕獲的頻率范圍為

(9)

文獻(xiàn)[8]描述了GPS L1 C/A信號(hào)和BDS B1I信號(hào)的相似性，這也是兼容型捕獲算法的基礎(chǔ)。對(duì)于BDS B1I信號(hào)而言，低動(dòng)態(tài)普通接收機(jī)的頻率搜索范圍一般為±5 kHz[9]，碼相位搜索間隔一般要求小于0.5個(gè)碼片，頻率搜索間隔小于500 Hz。而高靈敏捕獲后一般需要采用高靈敏跟蹤算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤，因此高靈敏捕獲的頻率分辨率一般要求小于50 Hz[10]，同時(shí)需要滿足

(10)

實(shí)際使用中取P=10，則有fmax=5 000Hz。

BDS B1I信號(hào)上調(diào)制了碼速率2.046 Mbps，碼長(zhǎng)為2 046的信號(hào)測(cè)距碼。導(dǎo)航電文分為D1導(dǎo)航電文和D2導(dǎo)航電文，D2導(dǎo)航電文速率為500 bps，主要用于快速定位。D1導(dǎo)航電文速率為50 bps，并調(diào)制有1 bps的二次編碼，即紐曼-霍夫曼(Neumann-Hoffman，NH)碼。該NH碼周期為1個(gè)導(dǎo)航信息位的寬度，NH碼1 bit寬度則與擴(kuò)頻碼周期相同。

捕獲中積分時(shí)間的參數(shù)是可配置的。普通捕獲僅用2 ms信號(hào)。而高靈敏捕獲使用20 ms的相干積分，再輔以5次非相干積分。在具體參數(shù)配置上，普通捕獲和高靈敏捕獲均取P=10，L=512，則有fmax=5 kHz，頻率分辨率Δf=19.531 25 Hz。

GPS L1 C/A信號(hào)上調(diào)制了碼速率1.023 MHz，碼長(zhǎng)為1 023的C/A碼，導(dǎo)航電文速率為50 bps。仍采用20 ms的相干積分時(shí)間及5次非相干積分的高靈敏捕獲算法。其余參數(shù)皆與BDS B1I信號(hào)相同。

2硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1基本框架設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證算法的實(shí)際性能，本文將核心算法在集成了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor，DSP)及通信接口的開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，具體型號(hào)為Xilinx K7 FPGA及C6678 DSP，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　FPGA總體框架設(shè)計(jì)

接收到外部接口傳遞的參數(shù)后，捕獲控制模塊首先根據(jù)衛(wèi)星編號(hào)及信號(hào)模式控制信號(hào)存儲(chǔ)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。再由內(nèi)部參數(shù)控制產(chǎn)生相應(yīng)的本地偽碼序列并進(jìn)行存儲(chǔ)。初始化設(shè)置結(jié)束后即進(jìn)入捕獲階段，此時(shí)由捕獲控制模塊對(duì)捕獲流程進(jìn)行控制，包括碼片滑動(dòng)、相干積分時(shí)間、非相干積分次數(shù)等。捕獲完成后，同樣由捕獲控制模塊將捕獲結(jié)果及捕獲成功的握手信號(hào)發(fā)送回外部接口。這樣就完成了一次完整的捕獲運(yùn)算。

2.2接口配置

捕獲模塊的核心功能即為接收到外部的捕獲指令，根據(jù)指令對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行捕獲，最后將捕獲結(jié)果輸出。因此接口配置見(jiàn)表1。

表1　捕獲模塊頂層接口配置

2.3模塊劃分

捕獲功能的實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)模塊有機(jī)構(gòu)成并協(xié)同工作，本文在明確捕獲系統(tǒng)的輸入輸出接口后，將該系統(tǒng)劃分為幾個(gè)子模塊并獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，以利于后期系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。子模塊的劃分及功能描述見(jiàn)表2。

表2　捕獲子模塊劃分

表2中前三個(gè)模塊是捕獲的核心模塊，后三個(gè)模塊主要起到對(duì)前三個(gè)捕獲進(jìn)行輔助的作用，因此接下來(lái)本文將對(duì)前三個(gè)模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)的描述。

2.3.1Signal_Save

Signal_Save模塊即為信號(hào)存儲(chǔ)模塊，在捕獲起始階段由PMF_main模塊控制完成捕獲系統(tǒng)的初始化工作，Signal_Save模塊的主要功能如表2所述。

2.3.2PMF_main

PMF_main模塊主要完成了狀態(tài)機(jī)的模塊控制工作，包括銜接各子模塊的功能、控制數(shù)據(jù)的運(yùn)算、控制偽碼相位的相對(duì)滑動(dòng)、判決捕獲結(jié)果的輸出等。狀態(tài)機(jī)包含INIT、COLLERATE、FFT、INCOHERENT、SLIDE、RESULT 6個(gè)狀態(tài)，控制流程如圖3所示。

圖3　狀態(tài)機(jī)控制流程圖

當(dāng)FPGA接收到DSP傳來(lái)的捕獲開(kāi)始信號(hào)后，工作流程見(jiàn)表3。

表3　狀態(tài)機(jī)工作流程

2.3.3Pmf_parallel模塊

該模塊為捕獲算法的實(shí)際運(yùn)算模塊，主要由相關(guān)器及FFT的IP核兩部分組成。為了降低捕獲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速捕獲，本文采用了200個(gè)的并行相關(guān)器完成相干積分功能。相干積分完成后，將相干積分結(jié)果轉(zhuǎn)存至存儲(chǔ)器中。在高靈敏捕獲模式中，還需要將存取器中相干積分的結(jié)果進(jìn)行多周期的相干處理后再送入FFT模塊，再進(jìn)行非相干積分運(yùn)算。遍歷所有碼相位后，捕獲峰值與門限值進(jìn)行比較以判定信號(hào)是否捕獲成功。

2.4相干-非相干積分

根據(jù)1.2節(jié)所述高靈敏算法的基本原理，同時(shí)考慮到長(zhǎng)時(shí)間相干積分算法可以有效地提高捕獲信號(hào)的信噪比，而過(guò)多次數(shù)的非相干積分會(huì)引起損耗，本文采用最大限度地增加非相干積分的時(shí)間，再輔助以少量次數(shù)的非相干積分的捕獲算法。

為了突破導(dǎo)航電文比特寬度對(duì)相干積分時(shí)間的限制，兼顧硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，本文采用了一種多周期的相干處理方法[10]。為了遍歷所有的碼相位，捕獲模塊至少需要存一個(gè)碼周期的數(shù)據(jù)，而多周期的相干處理方法首先需要存儲(chǔ)多個(gè)碼周期的數(shù)據(jù)，在完成單個(gè)碼周期相干積分后，根據(jù)已知信息量或預(yù)測(cè)值將輸出值進(jìn)行加權(quán)疊加運(yùn)算，完成多個(gè)碼周期的相干積分。多周期相干積分的結(jié)果經(jīng)FFT運(yùn)算后取模比較，將最大的輸出值輸出作為非相干積分的輸入。硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4　相干及非相干算法框圖

2.5兼容型功能的實(shí)現(xiàn)

相比較于傳統(tǒng)的捕獲算法而言，PMF-FFT捕獲算法的結(jié)構(gòu)不受偽碼長(zhǎng)度及偽碼速率的影響。只需要將本地偽碼與接收信號(hào)的偽碼對(duì)齊后送入級(jí)聯(lián)的匹配濾波器即可完成捕獲的運(yùn)算，因而特別適用于兼容型捕獲算法的設(shè)計(jì)。本課題中兼容型捕獲算法的關(guān)鍵在于將運(yùn)算模塊和控制模塊徹底分離，如圖5所示，在捕獲的初始化設(shè)置中對(duì)相關(guān)寄存器的值進(jìn)行設(shè)置。實(shí)際捕獲流程中依靠這些寄存器的值進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、握手應(yīng)答功能。

2.6硬件設(shè)計(jì)方案總結(jié)

結(jié)合第1節(jié)所述捕獲基本原理及高靈敏算法兼容型算法的實(shí)現(xiàn)方案，最終完成FPGA捕獲模塊設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

接收到外部接口參數(shù)后，捕獲模塊首先根據(jù)當(dāng)前的捕獲模式、衛(wèi)星編號(hào)和中心頻率對(duì)捕獲控制模塊的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。隨后根據(jù)內(nèi)部參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的本地碼序列和同相、正交兩路載波信號(hào)，并完成信號(hào)、偽碼、載波的分段存儲(chǔ)。初始化設(shè)置完成后，由捕獲控制模塊控制捕獲的流程，包括PMF-FFT運(yùn)算、碼片滑動(dòng)及相干-非相干積分運(yùn)算。最后將捕獲結(jié)果輸出。

圖5　寄存器控制方式

圖6　FPGA捕獲模塊實(shí)現(xiàn)框圖

3性能分析

本文測(cè)試真實(shí)的衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，將其進(jìn)行衰減后利用跟蹤環(huán)測(cè)出當(dāng)前的載噪比以估測(cè)信號(hào)此時(shí)的功率大小。跟蹤環(huán)也采用了高靈敏跟蹤技術(shù)以保證跟蹤靈敏度高于捕獲靈敏度。這種測(cè)試方法不僅可以得到真實(shí)環(huán)境下該算法的捕獲性能，也可以驗(yàn)證高靈敏算法在實(shí)際使用時(shí)的可用性。

3.1BDS B1I信號(hào)測(cè)試結(jié)果

為了保證該算法對(duì)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容型，本文設(shè)置FPGA及其模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)芯片輸入時(shí)鐘為62 MHz，經(jīng)下變頻后的中頻數(shù)據(jù)的中心頻率為40.42 MHz。設(shè)置碼片滑動(dòng)的分辨率，即捕獲偽碼分別率為0.165個(gè)碼片，普通及高靈敏捕獲性能圖7所示。

圖7　BDS B1I信號(hào)捕獲靈敏度

3.2GPS L1 C/A 信號(hào)測(cè)試結(jié)果

GPS L1 C/A捕獲算法的參數(shù)配置與BDS B1I信號(hào)一致，普通及高靈敏捕獲性能如圖8所示。

圖8　GPS L1 C/A信號(hào)捕獲靈敏度

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種兼容型高靈敏捕獲算法。該算法可通過(guò)接口配置捕獲多個(gè)頻點(diǎn)、多個(gè)類型的導(dǎo)航信號(hào)。 該算法通過(guò)多周期相干積分和非相干積分延長(zhǎng)積分時(shí)間以實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的捕獲，特別適用于多模高靈敏接收機(jī)。此外，筆者還將該算法在FPGA硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并用BDS B1I信號(hào)及GPS L1 C/A信號(hào)實(shí)際測(cè)試了其性能。測(cè)試結(jié)果表明，該算法具備兼容型功能，只需改變捕獲模式設(shè)置、高靈敏捕獲設(shè)置及中心頻率三個(gè)接口的配置便可以捕獲多個(gè)類型普通信號(hào)及高靈敏信號(hào)，捕獲靈敏度可以達(dá)到26 dB·Hz。

參考文獻(xiàn)

[1]王彥玢.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)[EB/OL].(2012-12-27)[2015-10-29].http：//www.beidou.gov.cn/.

[2]趙靜，曹沖.GNSS系統(tǒng)及其技術(shù)的發(fā)展研究[J].全球定位系統(tǒng)，2008，33(5)：27-31.

[3]KAPLAN E D，HEGARTY C.Understanding GPS：principles and applications[M].2nd ed.Boston：Artech House，2006：219-223.

[4]SPANGENBERG S M，SCOTT I，MCLAUGHLIN S，et al.An FFT-based approach for fast acquisition in spread spectrum communication systems[J].Wireless Personal Communications，2000，13(1/2)：27-55.

[5]何露，魯振鵬，李健，等.基于部分匹配濾波器和FFT的信號(hào)捕獲方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(9)：2048-2052.

[6]劉艷華，趙剛.基于PMF-FFT的PN碼捕獲方法及性能[J].通信技術(shù)，2009(1)：24-26.

[7]LIN D M，TSUI J.An efficient weak signal acquisition algorithm for a software GPS receiver[C]//The Institute of Navigation,Inc.Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation(ION GPS 2001).Salt Lake City, Utah:The Institute of Navigation,Inc.,2001:115-136.

[8]費(fèi)威，應(yīng)忍冬，劉佩林.GPS/北斗雙模導(dǎo)航接收機(jī)捕獲器硬件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].信息技術(shù)，2013(6)：4-7.

[9]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：354-355.

[10]李文剛，黃鑫磊，劉龍偉.低信噪比環(huán)境下的長(zhǎng)碼捕獲新算法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào).2013，40(4)：29-36.

Research and Implementation of Compatible High-sensitivity Acquisition Algorithm

LIUYifen，JINTian

(Electronic Information Engineering Institute，Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract：In order to solve the usability problem of multimode receiver in weak signal environments，this article presents a high-sensitivity acquisition algorithm in the main of BDS B1 signals and compatible with multiple system signals.In this paper，partial matched filter algorithm based on fast Fourier transform is chosen as the acquisition method，coherent-non-coherent integration is also used to extend the integration time.The article also achieves the requirement of compatibility，which could acquire multiple signals with High-sensitivity method.In practical applications，the algorithm can start acquisition after getting preset of inputting signal type，center frequency，acquisition mode (Normal/High-sensitivity) via interface.Finally，the algorithm will also be realized on the FPGA hardware platform，and actually tested of the acquisition sensitivity of real signals.The result shows that acquisition sensitivity can reach 26dBHz.

Key words：acquisition；high-sensitivity；compatibility；GNSS；BDS

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4999(2016)-01-0103-06

作者簡(jiǎn)介：第一劉益芬(1991—)，女，湖南益陽(yáng)人，碩士生，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)算法研發(fā)工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61471017、41374137、61101076)；國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)科研計(jì)劃支持(J1320130001)。

收稿日期：2015-06-24

引文格式：劉益芬，金天.兼容型高靈敏捕獲算法的硬件實(shí)現(xiàn)方案[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(1)：103-108.(LIU Yifen，JIN Tian.Research and Implementation of Compatible High-sensitivity Acquisition Algorithm[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：103-108.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160120.