郭婧　張長革　楊剛　劉志哲　吳智杰

摘 要： 介紹了一種適于高動態(tài)、低信噪比環(huán)境下的偽碼快速捕獲算法。分析了相同累加點數(shù)下，相干累加和非相干累加各自的優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上對擴頻增益和掃頻點數(shù)量方面進行優(yōu)化，進而提出一種基于時域PN碼相關(guān)的分級捕獲并行處理的方法。仿真結(jié)果和分析表明，該方案能在高動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)信號的快速捕獲。

關(guān)鍵詞： 擴頻通信； 高動態(tài)； 信號捕獲； 時域相關(guān)

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0009?03

Abstract： A pseudo?code fast?acquisition algorithm suitable for high dynamic and low SNR conditions is proposed in this paper. Based on the performance analysis of coherent and non?coherent accumulation with same cumulative length， the spread?spectrum gain and sweep points are optimized， and then a grading acquisition parallel processing method based on time?domain PN code is proposed. Simulation and analysis results indicate that the proposed method can significantly improve the performance of fast signal capture in high dynamic environment.

Keywords： spread spectrum communication； high dynamic； signal acquisition； time?domain correlation

0 引 言

偽碼捕獲是直接序列擴頻（DS?SS）通信中的一個關(guān)鍵性問題。在擴頻通信中，傳統(tǒng)的偽碼捕獲是通過相關(guān)運算和能量檢測來完成的，當相關(guān)器輸出一個能量峰值且超過門限時，說明輸入信號偽碼相位和本地偽碼相位一致。但載波多普勒頻移的存在造成了輸入信號載波的不確定性[1]，從而輸入信號載波不能完全被剝離；帶有殘留載波的輸入信號進入相關(guān)器，會導致相關(guān)峰急劇下降。因此，成功實現(xiàn)偽碼捕獲過程的一個必要前提是獲得輸入擴頻信號載波的近似值，而搜索擴頻信號中載波近似值的過程使得偽碼捕獲的難度大大增加。

本方案不同于GPS或者一般擴頻測距接收機。GPS/擴頻測距接收機的擴頻體質(zhì)通常選取長碼，如10 230位，并且捕獲時間通常在秒級。本方案中擴頻碼較短，但是多普勒動態(tài)范圍大，并且要求捕獲精度高。為了達到多普勒頻率捕獲精度，需要較長的積分時間，這與捕獲時間短之間是一對矛盾體。為了處理這兩者之間的矛盾，并且考慮到硬件實現(xiàn)的復雜度，本文提出了一種基于時域PN碼相關(guān)的分級捕獲并行處理的方法，將重點放在對擴頻增益和掃頻點數(shù)量方面的優(yōu)化，進而在考慮資源時需要進行對結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計，并且保證系統(tǒng)能在較短時間內(nèi)完成捕獲過程。

1 原理分析

1.1 偽碼相關(guān)的基本原理

擴頻信號的捕獲原理是對偽碼的相關(guān)運算，即在一定的載波頻率下，對偽碼進行相關(guān)累積，根據(jù)相關(guān)峰值獲得捕獲結(jié)果。因為對兩個具有周期移位關(guān)系的序列進行相關(guān)運算，可以成功找到兩個序列之間的相位差。

在無動態(tài)條件下接收的偽碼和本地偽碼相關(guān)函數(shù)為三角形函數(shù)，其主瓣寬為2碼元。動態(tài)條件下接收的偽碼和本地偽碼之間存在碼率偏移，相關(guān)函數(shù)不再呈三角形，而且發(fā)生了主瓣展寬、峰值移位和降低等動態(tài)效應。

1.2 低信噪比條件下的相干檢測

由圖1可以看出，在累加周期相同的情況下，相干累加比起非相干累加具有更好的信噪比增益，即可以用更少的周期來捕獲相位。但是在非相干積分的過程中取了絕對值，使得數(shù)據(jù)跳變的存在不會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

2 本系統(tǒng)所采用的方案

2.1 系統(tǒng)要求分析

本方案要實現(xiàn)在低信噪比、大捕獲帶寬的條件下對信號的快速捕獲，由于不存在數(shù)據(jù)跳變，因此，采用對偽碼相干累加的方式可以獲得更好的增益效果。

由1.2節(jié)的分析可知，在低信噪比的條件下，需要累加多個周期的偽碼來改善信噪比，但在采用相干累加方式的情況下，累加長度的增加又會造成分析帶寬的變窄，而這又與大捕獲帶寬這一系統(tǒng)要求相矛盾。若考慮直接增加掃頻點，假設(shè)多普勒頻偏為±150 kHz，[Tc=0.1]μs，碼長為127，要求捕獲達到的頻率分辨率為2 kHz。如果直接按2 kHz的頻率間隔對輸入信號進行掃頻，每個掃頻點作8個PN碼周期的相關(guān)累積，那么需要掃描150個頻點，共計時長[T=150×]12.7 μs×8=15.24 ms，這樣在捕獲階段就占據(jù)了大量的時間，無法實現(xiàn)快速捕獲。因此，應考慮進行多個通道的并行捕獲，并且可以將信號的捕獲分為粗捕和精捕兩部分來進行[6?7] 。

2.2 總體方案結(jié)構(gòu)

設(shè)計捕獲方案基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

首先，在粗捕和精捕階段，分別設(shè)計3個通道并行捕獲，這樣做可以減小每一部分的捕獲范圍，從而達到縮短捕獲時間的效果。其次，粗捕階段的目的主要是將多普勒頻偏縮小到一定的范圍內(nèi)，因此可以采用較大的掃頻間隔以及較少的累加周期。最后，在精捕階段就要實現(xiàn)對捕獲精度的要求，此時可以增加累加周期，從而達到所需的捕獲精度。

根據(jù)前面的原理分析，分析帶寬[Δf=1NTc，]即[Δf=RcNL，]其中[Rc]為碼速，[L]為擴頻碼碼長，[N]為累加的周期數(shù)。因此，確定每一部分的[Δf，]就可以確定信號捕獲每一部分需要的時間，即掃頻的間隔與每一個掃頻點做相關(guān)的PN碼周期數(shù)。

在粗捕階段，采用較大的掃頻間隔來縮短捕獲時間。每一路的掃頻范圍為[f3，]其中[f]為多普勒頻偏范圍。確定頻率分辨率為[Δf1，]就可以算出掃頻點和累加周期數(shù)?？紤]到在每一路的掃頻邊界點可能會存在比較誤差，可以進行重疊覆蓋兩個頻點的設(shè)計。同時，考慮A/D對每一幀信號的采樣誤差，在粗捕階段，若累積的相關(guān)峰值沒有通過預設(shè)門限，再對當前信號進行一次粗捕獲。

當粗捕階段累加的相關(guān)峰值超過預設(shè)門限，就進入精捕階段，此時的頻偏范圍已縮小到[Δf1，]因此可以以較小的掃頻間隔來獲得較高的捕獲精度。同樣，根據(jù)系統(tǒng)要求捕獲階段所要達到的頻率分辨率[Δf2，]就可以算出掃頻點和累加周期數(shù)。當精捕獲相關(guān)累加值超過門限時進入跟蹤狀態(tài)，小于門限時，則跳回粗捕階段重新進行信號捕獲。

3 性能仿真

仿真基于[Tc=0.1]μs，碼長為127，多普勒頻偏為 ±150 kHz。在粗捕階段選取[Δf1=8]kHz，累計時間為4個偽碼周期；在精捕階段選取[Δf2=2]kHz，累積時間為16個偽碼周期，噪聲添加方式為加性高斯白噪聲，每一個信噪比值重復仿真1 000次，統(tǒng)計精捕結(jié)果為誤差范圍內(nèi)的次數(shù)。捕獲概率與信噪比的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，本系統(tǒng)所采用的方案可以完成在低信噪比條件下的信號捕獲，且在信噪比為-13 dB時，捕獲概率已達到99%。

4 結(jié) 語

本文討論了偽碼相關(guān)的基本原理，并分析了相干累加和非相干累加對捕獲精度的影響。在沒有數(shù)據(jù)跳變的情況下，相干累加比非相干累加擁有更好的擴頻增益。針對高動態(tài)且相干累加導致分析帶寬變窄這一點進行優(yōu)化設(shè)計，將捕獲過程分為粗捕和精捕兩個部分，各部分以不同的頻率間隔進行頻率搜索。仿真結(jié)果證明，這種方法可以實現(xiàn)高動態(tài)、低信噪比條件下偽碼的快速捕獲。

參考文獻

[1] 田日才.擴頻通信[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2] 何世彪.擴頻技術(shù)及其實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] CORBELL Philip Martin. USAF design and validation of an accurate GPS signal and receiver truth model for comparing advanced receiver processing techniques [D]. USA： AFIT， 2000.

[4] ZIEDAN N I. Unaided acquisition of weak GPS signals using circular correlation or double?block zero padding [C]// Procee?dings of Position Location and Navigation Symposium. [S.l.]： IEEE， 2004： 461?470.

[5] 曹珂.低信噪比環(huán)境下擴頻碼捕獲的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安交通大學，2009.

[6] 薛斌.一種直接序列擴頻系統(tǒng)的大頻偏二次捕獲算法[J].北京理工大學學報，2011（31）：1351?1354.

[7] 方科.高動態(tài)低信噪比下擴頻信號捕獲算法研究[J].電視技術(shù)，2013，37（13）：144?152.

[8] 項家偉.適用于短碼捕獲的匹配濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)[J].無線電工程，2011，41（12）：62?64.

[9] 陳忠輝.短周期偽碼捕獲算法的改進與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（5）：23?27.

[10] 王浩然.非相干擴頻捕獲的匹配濾波其參數(shù)分析[J].無線電工程，2011，41（4）：29?33.