高動態低信噪比下擴頻信號捕獲算法研究

方 科

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036）

高動態低信噪比下擴頻信號捕獲算法研究

方 科

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036）

分析了高動態對擴頻信號捕獲的影響因素，針對低信噪比、高動態的雙重條件對捕獲時間的嚴格要求，提出了一種基于二次捕獲的高動態低信噪比下擴頻信號快速捕獲方法，能夠縮短捕獲時間，快速進行擴頻偽碼相位、載波多普勒頻率以及載波多普勒頻率變化率的捕獲。

擴頻;高動態;二次捕獲

【本文獻信息】方科.高動態低信噪比下擴頻信號捕獲算法研究［J］.電視技術，2013，37（13）.

高動態環境下，載體的飛行速度、加速度等高機動特性將導致接收信號發生較大的載波多普勒頻偏、載波多普勒頻偏變化率甚至偽碼頻偏［1］。目前高動態下擴頻信號捕獲一般通過對載波頻率進行分槽來實現整個多普勒頻偏范圍內的搜索過程，當信噪比低、動態范圍大時，捕獲時間就會被極大地增加，如果信號的多普勒變化率大到一定程度后，一輪搜索完成后實際信號的頻偏和碼相位已經發生很大改變，捕獲結果失去意義而導致捕獲失敗。針對這個問題，本文提出了一種基于二次捕獲的高動態低信噪比下擴頻信號快速捕獲方法，該方法在低信噪比、高動態范圍的雙重條件下，能夠提高捕獲時間，快速進行擴頻偽碼相位、載波多普勒頻率以及載波多普勒頻率變化率的捕獲。

1 高動態對擴頻捕獲的影響

擴頻信號捕獲一般通過相關運算實現，忽略信息數據的跳變和噪聲信號影響，在相關積分的一小段時間內，假定ωd為常數，并忽略對相關結果貢獻很小的偽碼未對準部分，I路和Q路信號的相關輸出［2－3］可表示為

圖1 碼頻頻偏對相關峰值的影響

圖2 載波頻偏對相關峰值的影響

1）載波頻偏造成接收偽碼和本地偽碼產生相干積累損耗，引起捕獲性能降低。

2）偽碼頻偏除了因相關函數產生如相關峰展開、峰值移位等形變［4］而造成相關處理損耗外，還會使偽碼時鐘發生抖動，影響偽碼相位的捕獲。

3）載波和偽碼頻偏損耗使得偽碼相關峰無法一直隨相關積分時間增加而變大，即高動態條件下偽碼捕獲相關積分時間并非越長越好，需要折中考慮。

4）多普勒變化率的存在使得一次捕獲后偽碼相位和載波多普勒頻偏估計精度不足，必須改變捕獲策略，采取二次捕獲。

5）高動態條件下的捕獲輸出結果，除了傳統的偽碼相位和載波多普勒頻偏之外，載波多普勒頻率變化率也是十分重要的參數結果。

2 頻域（載波）并行的高動態捕獲算法

2.1 典型的頻域（載波）并行多通道捕獲算法

頻域（載波）并行多通道捕獲基本思路如下:首先根據多普勒頻偏的最大范圍，把捕獲的頻域搜索范圍平均分為若干頻率區間，各中心頻率點設為fn（n=1，2，…，G），如圖3所示。將各個通道頻率點fn上的最大相關值進行采集、比較，選擇其中最大值，對應的通道即為當前捕獲通道。

圖3 頻率區間劃分示意圖

目前擴頻信號捕獲一般采用前級分段部分相關、后級FFT的方法，通過采用頻域（載波）并行多通道捕獲，可以在高動態環境下快速獲取多普勒頻移信息，以達到縮短捕獲時間的目的，實質是利用硬件資源的并行能力來提高捕獲時間。典型的頻域（載波）并行多通道捕獲流程如圖4所示。

圖4 典型頻域（載波）并行多通道捕獲流程圖

2.2 算法改進

高動態條件下載波多普勒頻偏范圍和多普勒頻率變化率都很大，因此捕獲時間是關鍵。圖4所示的典型捕獲結構受限于硬件資源，不可能無限拓展和增加并行通道數目來提高捕獲時間。如果信號的多普勒變化率大到一定程度后，一輪搜索完成時實際信號的頻偏和碼相位已經發生很大改變，捕獲結果失去意義而必須構造新一輪的搜索進程。本文通過對典型頻域（載波）并行多通道捕獲流程做改動，在不增加硬件資源消耗的前提下，提高了捕獲時間，同時增加二次捕獲的過程，依據一次捕獲得到的多普勒頻偏預估計值，構造該頻點附近小范圍的二次捕獲，避免大多普勒變化率帶來的捕獲失效影響，如圖5所示。

圖5 改進后的頻域（載波）并行多通道捕獲流程圖

改進后的捕獲算法做了以下4方面的改動:

1）典型的捕獲流程在下變頻的同時完成載波多普勒補償，并對數據進行2倍碼時鐘的降采樣處理，不同的頻率槽降采樣的速率是不同的，因此對于不同的頻率槽需要進行不同的數據采樣和存儲。改進后將輸入信號下變頻到零中頻，并對數據進行標準2倍碼時鐘的降采樣處理和存儲，把多普勒頻率補償模塊移到部分相關前，后續的頻率槽搜索全部利用該采樣存儲數據，這樣可以避免對數據進行反復采樣，一次捕獲只做一次數據采樣，從而節省采樣時間。

2）降采樣率補償轉移到接收端的PN碼上進行，本地PN碼按照不同的頻率槽降采樣的速率預先生成不同的PN序列并存儲，不同的頻率槽做相關時選取對應的PN序列。

3）利用第一次捕獲得到的多普勒頻偏結果，加上左右相鄰幾個頻率槽構成新一輪的捕獲頻偏搜索范圍，重新啟動并行多通道捕獲流程。

4）利用前后兩次捕獲得到的多普勒頻偏估計結果差值和二次捕獲耗費的捕獲時間，計算得到多普勒變化率估計值，同時該變化率估計值也能修正最終輸出的多普勒頻偏。

3 算法仿真、實現及驗證

系統環境參數為:以擴頻碼速率B=10.23 Mbit/s、碼長L=1 023、多普勒范圍±1 MHz、最大多普勒變化率±200 kHz/s、硬件資源最大支持10路并行為例，評估算法的效果。算法的MATLAB仿真結果如圖6所示。

圖6 改進后的頻域（載波）并行多通道捕獲流程圖

算法實現時選取前級分段部分相關點數N=256，后級FFT點數M=2 048，第一級相關積分時間為T=N/（2B）≈12.5 μs，根據相關積分時間與載波多普勒分辨范圍的關系T≤1/4（Δfd），可得多普勒分辨范圍Δfd≤±20 kHz。對于±1 MHz的載波多普勒頻偏范圍，如果按±17 kHz為一個頻率槽寬帶，共需要劃分60個頻率槽。

算法完成一次捕獲的時間可分為兩個部分:數據采樣時間Ts和捕獲算法處理時間Tp［5］。

數據采樣時間為

捕獲處理時間為

硬件資源最大支持10路并行，完成60個頻率槽搜索需要順序6次，因此算法總的捕獲時間為

表1是改進前后兩種方法的捕獲時間對比情況，可以看出改進后的方法能夠有效縮短捕獲時間。

表1 兩種方法的捕獲時間對比

在一輪捕獲完成后，最惡劣情況下多普勒變化率導致的頻偏改變值為

這明顯超出了后續載波跟蹤環的捕獲范圍，還需要再進行二次捕獲才能得到比較準確的載波多普勒頻偏值，同時利用前后兩次捕獲得到的多普勒頻偏估計結果差值和二次捕獲耗費的捕獲時間，計算得到多普勒變化率估計值。二次捕獲時間由式（3）和式（4）可得，僅需68 ms。

本算法已在高動態擴頻接收機硬件電路上進行了實際應用和測試，其可靠性和正確性得到驗證。表2給出了算法的實測結果，可以看出二次捕獲對于獲得多普勒頻率變化率和提高多普勒頻偏估計精度產生了重要作用。

表2 算法的實測結果

4 結論

對于高動態低信噪比下的擴頻信號捕獲，提高捕獲時間是關鍵。本文提出的方法只做一次數據采樣存儲完成后續全部頻率分槽的搜索，能夠有效提高捕獲時間。二次捕獲過程的加入能夠在大多普勒變化率條件下快速完成捕獲，并同時得到多普勒頻率變化率的估算，有效提高多普勒頻偏估計精度。該算法經工程驗證完全滿足高動態低信噪比下的擴頻信號捕獲要求，特別適用于大動態下擴頻信號的捕獲。

:

［1］黃烈超，張天騏，譚方青，等.高動態多進制擴頻信號的載波跟蹤技術研究［J］.電視技術，2012，36（3）:114－117.

［2］王立冬，胡衛東，郁文賢.時延—多普勒頻移對偽碼捕獲影響的性能分析［J］.系統工程與電子技術，2001（6）:79－86.

［3］徐曉艷，李署堅，邵定蓉，等.高動態環境下擴頻通信系統信號快速捕獲的研究［J］.遙測遙控，2005，26（2）:22－27.

［4］李春霞.高動態條件下偽碼相關特性及其應用研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2007.

［5］張波.大動態下擴頻碼捕獲的一種改進方法［J］.電訊技術，2013，53（3）:293－296.

Research on Acquisition Algorithm of Spread Spectrum Signal in Low－SNR and High Dynamic Circumstances

FANG Ke

（China Electronics Technology Group Corporation No.10 Research Institute，Chengdu 610036，China）

The impact factor about acquisition of spread spectrum signal in high dynamic is analyzed.A fast acquisition method based on double acquisition is presented especially for the strict demand on acquisition time in low－SNR and high dynamic.It can shorten the capture time and get PN－code phase，carrier Doppler frequency and carrier Doppler frequency change rate.

spread spectrum;high dynamic;double acquisition

TN914.4

A

方 科（1979— ），碩士，工程師，主研擴頻信號捕獲。

責任編輯:薛 京

2013－04－12