一種基于互聯網的相關檢測算法研究
2012-04-12 00:00:00黃海生李鑫惠楠
現代電子技術 2012年5期
摘 要：提出一種利用互聯網提高北斗二號接收機捕獲靈敏度的方法。由于接收機所在的大概位置、星歷、時間和多普勒頻率等信息必須通過網絡得到，相對自主北斗二號接收機，基于互聯網的北斗二號接收機性能得到顯著提高。從消除北斗二號衛星強信號對弱信號干擾的角度分析了影響接收機捕獲靈敏度的因素，根據強信號干擾的特點，提出了消除強信號干擾的具體方法。經過實驗測試，系統的捕獲靈敏度得到顯著提高，從28 dBHz提高到21 dBHz。
關鍵詞：互聯網; 北斗二號; 互相關檢測; FPGA; 捕獲靈敏度
中圖分類號：
TN927+.234
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)05
0036
03
Research on cross correlation detection algorithm for Compass II by using Internet
HUANG Haisheng， LI Xin， HUI Nan
(Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China)
Abstract：
A method of improving the acquisition sensitivity for Compass Ⅱ receiver by using the Internet is introduced. As the data of the approximate location where the receiver， ephemeris， time and Doppler frequency to be received by network，Internetbased Compass Ⅱ receiver performance has been significantly improved. The goal of this paper is to describe a crosscorrelation detection algorithm that can be used to eliminate 1 acquisitions. It is proved by hardware and software. After experimental tests， the acquisition sensitivity of the system is improved significantly from 28 dBHz to 21 dBHz.
Keywords： Internet; Compass Ⅱ; crosscorrelation detection; FPGA; acquisition sensitivity
收稿日期：20111018
基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目(2010JK818)
0 引 言
互相關就是指北斗二號接收機對接收到的不同衛星信號進行相關運算時，兩個不同衛星信號之間的相關值。雖然在北斗二號衛星導航系統設計時就充分考慮了不同衛星的PN碼之間的互相關問題，不同衛星信號之間的互相關值很小。互相關值為-65/2 046(概率為12.5％)，-1/2 046(概率為75％)，63/2 046(概率為125％)［12］；在強信號(-130 dBm)情況下，信號之間的互相關值相對于自相關值很小，低30 dB的概率是12．5％，低66.2 dB的概率是75％，低30.2 dB的概率是12.5％［34］，可以忽略不計。但是，在室內或城市峽谷區域，有些衛星的信號在傳輸過程中衰減很大，其自相關值與該信號和強信號之間的互相關值比較，達到了相同的數量級。在這種情況下，捕獲該弱信號就要考慮其他強信號對這個弱信號的干擾問題。因為這種干擾可能引起誤捕獲。理論計算得出，在沒有多普勒效應的情況下，強弱信號相差30 dB時，出現強信號對弱信號的干擾；在有多普勒效應存在，多普勒頻率為幾千赫茲時，強弱信號相差27 dB時，出現強信號對弱信號的干擾［57］。
1 理論分析
兩個信號之間的互相關定義為［8］：
RC(τ)=∫x(t)y(t+τ)dt
式中:x和y是兩個互相關聯的信號;RC(τ)為互相關函數。對北斗二號信號，x和y就是Gold碼，RC(τ)的波形顯示在特定的點τ1，τ2，…，τn有多個峰。
北斗二號信號可以簡單地表示為多個衛星信號的線性組合，每個信號有適當的延遲和衰減。下面以兩顆衛星信號為例進行說明，對于多顆衛星的情況，與兩顆衛星的情況類似，這里就不進一步說明。兩顆北斗二號衛星的復合信號表示為：
S(t)=A1D1PN1(t)cos(ω1t+Φ1)+
A2D2PN2(t+dt)cos\\[ω2(t+dt)+Φ2\\]
式中:A1和A2是對應的兩個衛星信號的振幅;D1和D2是為SV1及SV2的數據比特;PN1及PN2是兩個衛星Gold碼;ω1和ω2是為兩顆北斗二號衛星的多普勒頻率;Φ1和Φ2是兩個信號的載波相位;dt是兩個信號到達的相對時間之差。
該復合北斗二號信號與PN2的互相關為：
R2(τ)=∫S(t)PN2(t+τ)
exp{j［ω2l(t+τ)+Φ2l］}dt
式中：
ω2l是本地產生的信號多普勒;Φ2l是本地產生的載波相位;j是復指數。這種關聯性可以為兩個部分。一是PN2的自相關，另一是PN2與PN1互相關。確定R2(τ)的自相關部分，就要從中減去互相關部分。由于相關運算是線性操作，互相關可以直接去掉。互相關的表達式如下：
C(τ)=∫A1D1PN1(t)exp{j(ω1t+Φ1)}
PN2(t+τ)exp{j［ω2l(t+τ)+Φ2l］}dt
自相關項表示為：
R2e(τ)=R2(τ)－C(τ)
在接收機中去掉互相關的步驟為：
計算R2(τ)；
計算C(τ)；
計算R2e(τ)=R2(τ)-C(τ)；
重復計算。
這里的互相關是指除了要計算的衛星信號之外的所有其他衛星信號的干擾，弱信號與強信號之間的互相關值達到弱信號的自相關值可比的數量級，因此必須消除；弱信號與弱信號的互相關的值很小，可以忽略不計。消除互相關以后，對弱信號進行自相關處理。
2 分 析
2.1 影響衛星信號的互相關因素分析
自主北斗二號與基于網絡的北斗二號之間，影響互相關的因素有明顯的差異。主要區別是搜索空間不同，基于網絡的北斗二號的搜索空間很小［910］，主要由于：
(1) 基于網絡的北斗二號相對自主北斗二號降低了約10倍的搜索空間；
(2) 在衛星信號很強的情況下，多普勒不確定性主要是由用戶的移動造成的，基于網絡的北斗二號將把快速移動用戶的多普勒頻率從自主模式下的10 kHz降到幾百赫茲，對于一般用戶降到幾個赫茲。
由于搜索空間小，互相關發生的幾率大大降低。
相關法影響互相關的有兩種方式：
(1) 預檢測積分時間增長時，互相關值隨著多普勒的變化而變化，互相關信號出現的概率將隨著多普勒頻率的下降而下降。
(2) 不同衛星之間導航信息不同，導航數據位會消除互相關效應。對于長時間的預檢測積分，不同衛星之間的導航位是相同的可能性非常小。
在基于網絡的北斗二號中，通過網絡得到可靠的導航數據，使預檢測積分的時間加長，互相關進一步變小。
2.2 互相關和自相關的圖形表示
圖1表示的是100碼片的自相關峰值，圖2表示的是沒有多普勒效應的互相關峰值，可以很容易從這兩個圖中看出二者的差異。
然而，在有多普勒存在的情況下，互相關的峰值有明顯的變化。圖3中選擇了特定比較差的互相關(一個表示PN3和PN15之間的互相關，且有11 kHz的多普勒頻率)，在圖中，一個峰值明顯高于其他峰值。
2.3 如何區分自相關和互相關
對于各種自相關和互相關，主峰值非常相似，主峰值之外的旁瓣變化很大。自相關的旁瓣的能量值相對于其主峰值很小，但是互相關的旁瓣的能量值相對于其主峰值很大。這將是形成互相關檢測算法的基礎。
從本質上講，要形成一個旁瓣能量統計測試，以確定是自相關還是互相關的主峰。由于白噪聲的存在，測試應該區分自相關與噪聲對互相關與噪聲。
3 互相關檢測算法設計
開始進行捕獲時，就要找到超過設定閾值的峰值。找出M個峰值及非相干和陣列。檢測流程分兩個步驟：
第一步僅著眼于M峰值，處理如下：
(1) 尋找所有接近于檢測峰值的峰值；
(2) 除了主峰值外，如果沒有大于設定的A值，認為是自相關；
(3) 如果多于N個峰值大于設定的B值，檢測到的峰值是互相關；
(4) 如果兩種情況都沒有，上面檢測沒有結果，進入下一步檢測。
第二步考慮非相干和(NonCoherent Sum，NCS)陣列。
(1) 尋找所有接近于檢測峰值的峰值；
(2) 對峰值超過C的峰值進行計數；
(3) 如果計數的結果小于D，為自相關，否則為互相關。
M，N，A，B，C和D的值通過寄存器進行設定。
4 結 論
系統分為軟件和硬件兩部分，軟件采用ARM公司的ARM926EJS開發系統實現；硬件采用Xilinx的FPGA XC5VLX330實現；RF芯片采用SDT6112芯片；網絡功能調用客戶端軟件SDTCompassII 1.0系統，該軟件具有標準的supl接口。物理連接采用PC機實現與標準的supl服務器相連接，通過ARM926EJS的串口，把導航數據輸入到北斗二號接收機測試系統。對算法進行了實際測試，在弱信號下，系統的冷啟動靈敏度從28 dBHz提高到21 dBHz，系統的捕獲性能得到明顯提高。
參 考 文 獻
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作者簡介：
黃海生 男，1964年出生，陜西靖邊人，教授。主要研究方向為專業集成電路設計。
李 鑫 男，1986年出生，研究生。主要研究方向為電路與系統。
惠 楠 女，1988年出生，研究生。主要研究方向為電路與系統。
(上接第35頁)
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作者簡介：
郭媛媛 女，1987年出生，湖北當陽人，碩士研究生。主要研究方向為通信與信息系統。
