張情怡 余考

【摘要】：文章分析了低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)全并行捕獲算法存在的問題，并在此算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)對(duì)大頻偏，采用多通道預(yù)補(bǔ)償?shù)姆桨?；?yīng)對(duì)低信噪比，采用累加碼元的方案，通過(guò)兩種方案的綜合提出全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】：低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng) 捕獲算法 多通道預(yù)補(bǔ)償

1.引言

在低軌衛(wèi)星通信體制中，常采用直接序列系統(tǒng)（DSSS）， 以達(dá)到抗干擾能力強(qiáng)、截獲概率低、多址能力強(qiáng)、抗多徑和保密性好等目的。低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)的捕獲包含兩方面內(nèi)容，一是捕獲擴(kuò)頻信號(hào)的載頻，完成頻率的粗同步，將幾十kHz的多普勒偏移鎖定于幾十Hz的范圍內(nèi)；二是捕獲擴(kuò)頻信號(hào)的碼起點(diǎn)，完成符號(hào)的粗同步，即將發(fā)送端PN碼與本地產(chǎn)生的PN碼對(duì)齊。

在低軌衛(wèi)星通信中，收發(fā)雙方相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很大，接收信號(hào)中存在不斷變化的多普勒頻率偏移，這是影響捕獲碼的檢測(cè)概率的一個(gè)重要因素。載波的頻偏會(huì)使接收到的直擴(kuò)信號(hào)極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在碼捕獲時(shí)，大大降低信號(hào)的相關(guān)峰，影響接收效果。噪聲及干擾是每個(gè)通信系統(tǒng)普遍存在的，它們會(huì)降低碼捕獲系統(tǒng)的檢測(cè)概率，甚至導(dǎo)致通信中斷，而且直擴(kuò)系統(tǒng)往往工作在信噪比很低的環(huán)境下，當(dāng)直擴(kuò)信號(hào)通過(guò)衰落信道時(shí)，接收信號(hào)會(huì)引入衰落因子，這會(huì)造成信號(hào)幅度及相位的失真，并影響捕獲性能。

所以，需要研究一種新的捕獲方法，使得利用直擴(kuò)系統(tǒng)傳輸衛(wèi)星電臺(tái)與地面電臺(tái)之間的數(shù)據(jù)和圖像等信息時(shí)，能夠克服大多普勒頻偏以及低信噪比對(duì)擴(kuò)頻碼捕獲性能的影響。

2.全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

時(shí)頻域全并行捕獲算法實(shí)際上包含時(shí)頻域相關(guān)、非相關(guān)累積判決兩個(gè)主要部分。其中，時(shí)頻域相關(guān)是整個(gè)算法中計(jì)算量最大的部分，本文給出一種適合在低信噪比、大多普勒頻偏環(huán)境下的低速率直擴(kuò)系統(tǒng)捕獲的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.1應(yīng)對(duì)大頻偏的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)低符號(hào)速率及FPGA“速度換資源”的處理特點(diǎn)，可將并行的N路預(yù)補(bǔ)償載波信號(hào)通過(guò)并串轉(zhuǎn)換模塊合成一路載波，同時(shí)將N路DMF（DMF（1）、DMF（2）、…DMF（N））合成一路。合成一路后的新DMF中S×L級(jí)延遲則擴(kuò)展為S×L×N級(jí)延遲，同時(shí)新DMF處理時(shí)鐘速率變?yōu)樵瓉?lái)的N倍。

頻域相關(guān)捕獲通常是在頻域搜索到頻偏，將時(shí)域的相先進(jìn)乘轉(zhuǎn)換為頻域的相關(guān)，以此來(lái)補(bǔ)償多普勒頻偏。但是，根據(jù)離散傅里葉變換（DFT）的頻率移位定理，可以先補(bǔ)償多普勒頻偏，再與本地偽碼共軛序列乘，也可以得到相關(guān)序列。

上述改進(jìn)的處理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頻率預(yù)補(bǔ)償和時(shí)域匹配相關(guān)進(jìn)行擴(kuò)頻信號(hào)捕獲時(shí)，實(shí)際上是在一個(gè)chip內(nèi)的每個(gè)采樣點(diǎn)上進(jìn)行了相位預(yù)校正，這樣做可以做到“頻偏無(wú)關(guān)”。即（）范圍內(nèi)的頻偏對(duì)解擴(kuò)的影響等同于（）內(nèi)頻偏的影響，該方法本質(zhì)是時(shí)域匹配相關(guān)法。

2.2應(yīng)對(duì)低信噪比的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在低軌衛(wèi)星應(yīng)用背景下，解擴(kuò)后符號(hào)信噪比很小，即使在無(wú)頻偏損失的情況下，DMF輸出也很難確定相關(guān)峰所在位置。而且低軌衛(wèi)星一般工作在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，相干峰位置更加模糊，只利用一個(gè)符號(hào)很難準(zhǔn)確在時(shí)域和頻域進(jìn)行捕獲。

在一次捕獲運(yùn)算中，本地偽碼相位與接收碼之間的相位差是固定的，即相關(guān)峰位置固定不變。同時(shí)，由于白噪聲的隨機(jī)性，基底噪聲可近似為相互獨(dú)立，所以可以把連續(xù)多個(gè)偽碼周期時(shí)間段的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行累加，只要累加的碼元數(shù)目足夠，相關(guān)峰的累積高度就將遠(yuǎn)高于基底噪聲的累積高度，降低基底噪聲對(duì)相關(guān)峰的影響，獲得信噪比的提升。

如果對(duì)I、Q兩路匹配濾波器的結(jié)果進(jìn)行平方和運(yùn)算，這樣一個(gè)碼元共有SSR個(gè)計(jì)算結(jié)果，對(duì)多個(gè)碼元（設(shè)為M個(gè)碼元）對(duì)應(yīng)相位的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行累加，即第1個(gè)、第2個(gè)……第M個(gè)碼元的第1個(gè)采樣點(diǎn)的平方和累加后得到第1個(gè)累加結(jié)果，第1個(gè)、第2個(gè)……第M個(gè)碼元第2個(gè)采樣點(diǎn)的平方和累加后得到第2個(gè)累加結(jié)果，依此類推。

由于在m=k·SSR時(shí)刻，匹配濾波器輸出為解擴(kuò)后的基帶信號(hào)與噪聲的疊加，而在其它時(shí)刻匹配濾波器輸出僅為噪聲，經(jīng)過(guò)多個(gè)平方和累加后，相關(guān)峰越迭越高，而多個(gè)噪聲信號(hào)平方和疊加后趨近于一個(gè)均值。這樣累加值A(chǔ)（mTC）在m=k·SSR時(shí)刻大于在m=k·SSR+1，k·SSR+2∧k·SSR（SSR-1）時(shí)刻的值，即相關(guān)峰與噪聲之和的平方累加值大于一個(gè)碼元中所有其它噪聲采樣的平方累加值，疊加后的結(jié)果中極大值所對(duì)應(yīng)時(shí)刻就可以找出相關(guān)峰所在的位置，即捕獲到輸入信號(hào)的PN碼相位。

由于白噪聲的隨機(jī)性，信道中的噪聲可以看成相互獨(dú)立的，因此如果把多個(gè)偽隨機(jī)序列碼周期時(shí)間段的相關(guān)的結(jié)果疊加，就可以在噪聲中找到相關(guān)峰，并且累加的碼元越多，相關(guān)峰越明顯。

2.3全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

綜合上述兩種應(yīng)對(duì)大頻偏和低信噪比的設(shè)計(jì)方案，可以得出高動(dòng)態(tài)環(huán)境下低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)化捕獲方案：

（1）串并轉(zhuǎn)換。即把匹配濾波器輸出后過(guò)平方和運(yùn)算后包含多通道信號(hào)的樣點(diǎn)值串并轉(zhuǎn)換。

（2）符號(hào)累積。對(duì)每路信號(hào)在對(duì)應(yīng)的位置上分別進(jìn)行M個(gè)碼元的累積。

（3）比較排序。當(dāng)累積夠M個(gè)符號(hào)時(shí)，將N個(gè)通道的峰值進(jìn)行比較，記住最大值及其所在的通道編號(hào)。

（4）捕獲判決。將上步得到的最大值與門限系數(shù)進(jìn)行比對(duì)，如果最大值小于門限系數(shù)，捕獲失??；如果最大值大于門限系數(shù)，則捕獲成功，縮小搜索范圍。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了直接擴(kuò)頻系統(tǒng)全并行搜索捕獲算法，并在此算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)對(duì)大頻偏，采用多通道預(yù)補(bǔ)償?shù)姆桨?；?yīng)對(duì)低信噪比，采用累加的方案，兩種方案的綜合就是本文所提出的對(duì)全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。最后結(jié)合虛警概率和漏檢概率對(duì)改進(jìn)的二維全并行搜索捕獲算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得出該算法能夠快速捕獲偽碼，滿足接收信號(hào)的要求。

【參考文獻(xiàn)】：

【1】帥濤，任前義，劉會(huì)杰，梁旭文，楊根慶.低軌衛(wèi)星擴(kuò)頻系統(tǒng)中的PN碼混合并行捕獲技術(shù)研究[J]. 通信學(xué)報(bào).2007年10期.

作者簡(jiǎn)介：

張情怡，女，陜西陸軍預(yù)備役步兵第141師；

余考，男，陜西陸軍預(yù)備役步兵第141師。