張 波

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

大動態(tài)下擴頻碼捕獲的一種改進方法?

張 波??

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

針對現有擴頻碼捕獲方法在大動態(tài)下捕獲時間長、硬件資源消耗大、動態(tài)適應性差的問題，提出了一種改進的擴頻碼捕獲方法。新方法把碼鐘多普勒的補償放在本地擴頻碼上進行，先對接收信號進行降采樣和存儲再進行頻率分槽和補償，一次采樣實現了所有頻率槽的搜索。計算結果表明，完成同樣的捕獲過程新方法所需時間和存儲器容量不到原方法的1/5，且具備更強的動態(tài)適應能力。

測控系統(tǒng)；擴頻碼捕獲；大動態(tài)；多普勒補償

1 引 言

隨著現代空間技術的發(fā)展，飛行器的作用距離越來越遠，飛行速度越來越快，速度變化率越來越大，這給飛行器測控系統(tǒng)帶來了新的問題。首先為了解決超遠距離通信，保證到達地球的信號強度在一定的水平，需要把工作頻段提高到Ka頻段。在飛行器運動狀態(tài)不變的情況下，工作頻段的提高會使傳輸信號包含更大的動態(tài)；其次，飛行速度的提高使傳輸信號的動態(tài)進一步擴大。對于直接序列擴頻系統(tǒng)（DSSS）擴頻碼的捕獲，需要搜索的多普勒范圍擴大了很多，在相同的硬件條件下捕獲時間將成倍增加。另外，速率變化率的提高導致了更大的多普勒變化率，需要在更短的時間內完成整個捕獲過程。如果按照傳統(tǒng)的方式［1－3］進行捕獲，一輪搜索完成時實際信號的頻偏和碼相位已經發(fā)生很大改變，捕獲結果將失去意義。

目前，擴頻碼捕獲大多采用兩級相關的捕獲方法［4－6］，在動態(tài)較大時通過對頻率進行分槽［4，7－8］實現整個頻偏范圍內的搜索過程。如果信號中多普勒范圍很大，且變化率很高，繼續(xù)采用現有的方法會導致硬件規(guī)模越來越大，捕獲時間越來越長，當信號動態(tài)大到一定程度后甚至導致捕獲失敗。針對這個問題，本文提出了一種改進的擴頻碼快速捕獲方法，該方法可大幅減少捕獲時間和存儲器容量，并且能夠適應更大的動態(tài)范圍。

2 傳統(tǒng)捕獲結構及其存在的問題

目前的擴頻碼捕獲普遍采用前后兩級相關算法，具體實現上有匹配相關法［6］、基于FFT的頻域處理方法［1］等。從擴頻相關來說，一級相關就可以了，但由于擴頻系統(tǒng)一般輸入信號較弱，單純的一級相關通常難以達到足夠的增益，因此在第一級相關后還需要進行第二級累加來提高檢測靈敏度［6］。由于此時并沒有進行載波跟蹤，只能采用非相干累加，需要先把第一級的相關結果求絕對值后再進行積分，常用的辦法是先對第一級的相關結果分段求FFT，對多個FFT結果取絕對值后進行累加［6］，這樣在輸入信號存在多普勒頻偏時可以從累加結果中得到多普勒頻偏。從上述過程可以看出，捕獲過程是在偽碼相位和多普勒頻偏上同時進行的，因此稱之為二維搜索方法。

實際應用中，輸入信號的多普勒頻偏范圍通常較大，很難通過一次搜索完成信號的捕獲，此時可以根據輸入信號的多普勒范圍劃分若干個頻率槽，在各個頻率槽中分別進行搜索，最后把各個頻率槽的相關結果進行比較，從中選擇最大相關值對應的頻率和偽碼相位作為最終的捕獲結果。各頻率槽的搜索可以串行進行，也可以并行進行，但并行搜索時占用的硬件資源成倍增加。圖1是典型的捕獲流程圖。

圖1 典型捕獲流程圖

當測控系統(tǒng)的工作頻段提高至Ka頻段，飛行器不僅絕對速度快，速度變化率也很高，會導致輸入信號的多普勒范圍很寬，并且多普勒變化率也較大，此時如果繼續(xù)采用圖1中的捕獲結構，完成一輪搜索的時間有可能跟不上多普勒的變化，這意味著當一輪捕獲完成后實際信號的多普勒頻偏和碼相位已經發(fā)生了很大改變，捕獲結果失去意義。

3 改進的捕獲結構

為了解決大動態(tài)下的擴頻碼快速捕獲問題，本文在圖1的基礎上進行了兩方面的改動。首先，把多普勒頻率補償模塊從下變頻后移到相關計算前。這會帶來以下好處：對于不同的頻率槽不需要重復進行數據采樣和存儲，而是重復利用一次采樣的存儲數據，這樣可以避免對數據進行反復采樣，從而節(jié)省采樣時間。其次，在圖1中，頻率補償之后需要對數據進行降采樣處理，對于不同的頻率槽降采樣的速率是不同的。如果采用固定的降采樣速率會嚴重影響捕獲性能，由于改進后的方法對于不同的頻率槽采用的都是同樣的數據，因此不同的頻率槽就不能選擇相應的降采樣速率。為了解決這個問題，可以把在數據中進行的采樣率補償轉移到接收端的PN碼上進行。最終的改進結構如圖2所示。

圖2 改進后的捕獲結構

改進后的捕獲過程如下：

（1）對下變頻后的基帶數據進行降采樣，利用存儲器對降采樣后的數據進行存儲和讀取，存儲時鐘為降采樣時鐘，讀取時鐘為高速時鐘；

（2）按照多普勒頻偏范圍劃分頻率槽，對讀取后的數據按照各頻率槽的中心頻率進行多普勒頻率補償；

（3）在本地產生與各頻率槽相應的擴頻碼；

（4）用高速時鐘對本地產生的擴頻碼和進行了頻率補償后的信號進行兩級相關計算，從相關結果中選出最大峰值，其所對應的頻率和相位就是最終的捕獲結果。

在改進的捕獲結構中，載波多普勒的補償轉移到了降采樣后進行，從采樣理論可知，在滿足采樣定理的前提下采樣率的變化不會造成傳輸信息的損失，因此載波多普勒補償位置的變化不會造成捕獲性能惡化。

改進結構中的另一個改變是把原本在降采樣時進行的碼多普勒補償轉移到本地擴頻碼上進行。假設K為總的積分點數，Rb代表基準擴頻碼速率，Rbdop代表包含了碼多普勒的擴頻碼速率，T代表原捕獲方案總的積分時間，Tnew代表改進捕獲方案總的積分時間，ΔT為兩種方案的積分時間差。在圖2的擴頻捕獲結構中，在進行存儲和相關計算時每個碼片采兩個點，公式（1）～（4）描述了兩種捕獲方案在總的積分時間上的等效性。

原捕獲方案的積分時間

改進方案的積分時間

兩種方案之間的積分時間差

ΔT與T的比例關系為

實際系統(tǒng)中，即使動態(tài)很大的情況下，式（4）中Rbdop與Rb也是非常接近的，因此ΔT與T相比可以忽略，即改進方案的積分時間與原方案的積分時間幾乎相等，而積分時間直接決定了最終的捕獲靈敏度，所以改進方案具有與原方案相同的捕獲靈敏度。

4 捕獲性能分析

本節(jié)以擴頻碼速率R＝5 Mb/s、碼長1 023、多普勒范圍±1 MHz、最大多普勒變化率fc＝50 kHz/s、射頻頻率fR＝25 GHz的擴頻系統(tǒng)為例，采用文獻［7］中的方法和本文中的方法進行捕獲，比較兩種方法的效果。兩種方案的硬件架構比較如圖3所示。

圖3 兩種方案的硬件架構比較

為了便于比較，除了頻率分槽和碼多普勒補償的處理不同，其余捕獲結構和參數完全一致。第一級相關點數取N＝256，第二級相關點數取M＝ 2 048（32點FFT進行64次非相干累加），每個擴頻碼采兩個點。經過第一級積分后的采樣率

根據文獻［7］，每個載波頻率槽能夠覆蓋的最大頻率范圍約為±39.625 kHz/4＝±9.8 kHz。對于±1MHz的多普勒范圍，需要劃分約102個頻率槽。載波多普勒與碼鐘多普勒之間的比例關系為

即對于±9.8 kHz的載波多普勒反映在碼鐘上為±9.8 kHz/5 000＝±1.96 Hz。總的采樣時間

在采樣時間內相鄰頻率槽之間的碼片偏差為52ms×1.96 Hz＝0.1個碼片，小于半個碼片，對積分增益的影響很小。在采樣時間內由于運動速度的變化引起的最大多普勒改變值

在一個頻率槽之內，不考慮采樣時間，100 MHz時鐘計算，每個頻率槽采用8路匹配濾波器進行并行搜索，完成一個頻率槽所需捕獲時間

假設分為10個頻率槽同時捕獲，采用文獻［7］中的方法，每次捕獲需要對10個不同頻率槽的數據進行存儲，總共102個頻率槽需要串行搜索10次，即要重復存儲10次數據，因此總的捕獲時間

量化位數取8位，所需的采樣數據存儲器容量

相關數據存儲容量

PN碼存儲容量

采用改進后的方法，只進行一次采樣，總的捕獲時間

所需的采樣數據存儲器容量為

相關數據存儲容量為

PN碼存儲容量為

表1是兩種方法的捕獲時間對比情況，可以看出改進方案的捕獲時間只有原方案的1/5左右。表2是兩種方法所需存儲容量的對比情況，可以看出改進方案對存儲器的要求少很多，在目前的器件水平下，按照新方案采用一片較大規(guī)?？删幊唐骷纯赏瓿烧麄€捕獲處理，而原方案由于需要大量存儲器，必須采用可編程器件結合外部存儲器的架構，如圖3所示，不僅成本和功耗會明顯增加，由于大量數據快速在可編程器件和外部存儲器之間進行交換，可靠性也會大大下降。

表1 兩種方法的捕獲時間對比Talbe 1 Capture time of twomethods

表2 兩種方法所需存儲容量對比Talbe 2 Storage capacity of twomethods

原方案由于捕獲時間長，在一輪捕獲完成后最惡劣情況下多普勒改變了

這超出了后續(xù)載波跟蹤環(huán)的捕獲范圍，還需要再進行一次搜索才能得到比較準確的頻偏值，而改進方法多普勒最大變化值為

小于后續(xù)載波環(huán)的捕獲帶寬，不需要再進行進一步搜索。

5 結論

為了適應直接序列擴頻系統(tǒng)越來越大的動態(tài)范圍，提出了一種改進的擴頻碼捕獲方法。該改進方法主要從兩方面對傳統(tǒng)的捕獲結構進行了改進：首先是把原本在數據存儲之前進行的多普勒頻率補償移到數據存儲之后進行，其次是把原本在采樣數據上進行的碼多普勒補償放在本地產生的擴頻碼上完成。通過這兩點改變，只要進行一次數據采樣和存儲就可以實現所有頻率槽的搜索，避免了每個頻率槽都進行一次采樣和存儲過程，消除了傳統(tǒng)捕獲方法在大動態(tài)下面臨的時間瓶頸，大大縮短了捕獲時間，捕獲時間的減少又可以提高對動態(tài)的適應能力。另外，由于改進方案對存儲容量的要求大大降低，硬件成本、功耗、可靠性都有了明顯改善。此項技術已經成功應用于某擴頻測控系統(tǒng)，在靈敏度保持不變的情況下使該系統(tǒng)的捕獲時間縮短為原來的1/5，并且消耗了更少的硬件資源，顯著提高了系統(tǒng)的整體性能。

［1］Ziedan N I.GNSSReceivers for weak signals［M］.Boston：Artech House Inc，2006.

［2］Lin DM，Tsui JB Y，Howell D.Direct P（Y）－Code Acquisition Algorithm for Software GPSReceivers［C］//Proceedings of the12th International TechnicalMeeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation.Nashville，TN：ION，1999：363－367.

［3］薛巍，向敬成，周治中.一種PN碼捕獲的門限自適應估計方法［J］.電子學報，2003，31（12）：1870－1873.XUEWei，XIANG Jing-cheng，ZHOU Zhi-zhong.An Adaptive Threshold Estimation Method for PN Code Acquisition［J］.Acta Electronica Sinica，2003，31（12）：1870－1873.（in Chinese）

［4］Proakis J G.Digital Communications［M］.4th ed.New York：McGraw-Hill Companies Inc.，2001.

［5］Made M，Marciano J，Cruz R，et al.Code Acquisition at Low SINR in Spread Spectrum Communications［C］//Proceedings of 2006 IEEE Ninth International Symposium on Spread Spectrum Techniquesand Applications.Manaus-Amazon：IEEE，2006：470－475.

［6］鄧強.一種改進的兩極相干累加碼捕獲方法［J］.電訊技術，2012，52（5）：704－708.DENGQiang.An Improved Two-stage Coherent Accumulation PN Code Acquisition Method［J］.Telecommunication Engineering，2012，52（5）：704－708.（in Chinese）

［7］余氵韋.一種改進的PMF-FFT短碼捕獲方法［J］.電訊技術，2009，49（2）：60－63.YU Wei.An Improved PMF-FFT C/A Code Acquisition Method［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（2）：60－63.（in Chinese）

［8］秦勇，陳昊.一種改進的DSSS系統(tǒng)的碼捕獲技術［J］.電訊技術，2008，48（12）：25－28.QINYong，CHENHao.An Advanced Code Acquisition Technology of DSSSSystem［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（12）：25－28.（in Chinese）

張波（1982—），男，山西永濟人，2007年于電信科學技術研究院獲信號與信息處理專業(yè)碩士學位，現為工程師，主要從事擴頻測控、調制解調、糾錯編譯碼方面的研究。

ZHANG Bo was born in Yongji，Shanxi Province，in 1982.He received M.S.degree from Telecommunication Science and Technology Research Institute in 2007.He is now an engineer.His research interests include TT＆C，modulation and demodulation，error correction coding/decoding.

Email：zhangbo－1982＠yahoo.com.cn

An Improved PN Code Acquisition Method in Dynam ic Environment

ZHANG BO
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A Pseudo Noise（PN）code acquisition method is proposed in order to improve the performance of widely used coherent-noncoherent cascade acquisition scheme.By performing code Doppler compensation on local code，and putting the frequency compensation after re-sampling and storage，repeated sampling is avoided.Computation results show that for same acquisition task the new acquisition scheme needs only 1/5 time and capacity，and has better dynamic adaptability.

TT＆C system；PN code acquisition；dynamic environment；frequency compensation

TN911；TN914.4

A

1001－893X（2013）03－0293－04

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.013

2012－08－31；

2012－11－28 Received date：2012－08－31；Revised date：2012－11－28

??通訊作者：zhangbo－1982＠yahoo.com.cn Corresponding author：zhangbo－1982＠yahoo.com.cn