基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法

任錦君，錢博

沈陽理工大學信息科學與工程學院

基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法

任錦君，錢博

沈陽理工大學信息科學與工程學院

衛星導航新體制下的TDDM調制方式的出現，提高了信號的跟蹤精度，同時給同步捕獲技術帶來了巨大的挑戰。針對TDDM信號的獨有特點，采用雙通道并行捕獲，并將循環相關法與數據折疊技術相結合，提出一種基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法。通過仿真測試，驗證了該算法能夠快速、有效地實現對TDDM-BPSK信號的同步捕獲。

衛星導航；TDDM；捕獲；數據折疊

隨著衛星導航系統[1]在軍用和民用領域的快速發展，新一代導航信號也隨之出現，成為了未來發展的熱點。一種新體制下的時分數據[2]（Time Division Data Modulation，TDDM）調制方法被提出，該調制方法采用由有數據信號和無數據信號構成的調制方式，提高了信號的保密性，因此，作為新一代導航信號已在GPS系統L1頻段中得到廣泛應用。GPS系統中的擴頻偽碼具有長周期性[3]，并且隨著TDDM調制體制的出現，其特有的擴頻方式，進一步加大了同步捕獲的難度，而采用現有的捕獲方法將無法達到相關度的要求。針對該問題，通過分析傳統直擴信號同步捕獲方法[4]，依據TDDN信號特性，對直擴信號同步捕獲方法進行改進[5]，重點對TDDM信號同步捕獲方法進行了深入研究，提出了基于數據折疊[7]的TDDM信號同步方法。

1 TDDM信號的調制機理及特性

1.1 TDDM信號調制機理

對于現有的衛星信號，均采用常規調制方式，不存在無數據分部分，而在此基礎上經TDDM調制后的衛星導航信號，具有數據分量和無數據分量并存的特點，并充分利用無數據分量的特點，提高信號的跟蹤精度。TDDM時分復用調制原理如圖1所示。

圖1 TDDM時分復用調制原理如圖

1.2 TDDM信號特性分析

由擴頻通信基本原理可知，導航系統常用的擴頻調制方式不影響TDDM調制的自相關特性，因此，以直擴信號BPSK信號為切入點，以PN碼為擴頻偽碼序列，對其進行TDDM調制，形成TD?DM-BPSK信號，通過TDDM擴頻的BPSK信號對TDDM信號特性進行深入分析。經PN碼擴頻調制的BPSK信號的自相關函數可表示為：

式中，Pi(t)為衛星在時刻t的PN碼序列；Tcp為碼周期，約等于97.85 ns；τ為自相關函數中偽碼相位的時間移動相位。

將TDDM-BPSK信號的功率譜與自相關函數分別和其BPSK的功率譜與自相關函數進行對比分析，自相關函數對比結果如圖2（a）、（b）所示。可知，基于TDDM擴頻的BPSK信號與BPSK信號具有相同的功率譜。

圖2 BPSK與TDDM-BPSK信號自相關函數對比圖

兩者的功率譜比較圖如圖3和圖4所示。可知，TDDM擴頻的BPSK信號與BPSK信號具有相同的功率譜特性。因此，運用TD?DM該種獨有特性，通過對現有的直擴信號同步捕獲方法的研究，結合TDDM的擴頻特性，提出適合TDDM調制信號的同步方法。

圖3 BPSK信號頻譜圖

圖4 TDDM-BPSK信號頻譜圖

2 基于數據折疊的直擴信號快速捕獲方法

目前，衛星導航系統中采用的直擴信號擴頻偽碼，通常具有長周期性，為解決該問題，常利用數據折疊的思想進行相關信號的處理，以減少捕獲時間，如擴展復制重疊（extended replica folding ac?quisition search technique,XFAST）法、均值法等。XFAST算法便是其中一種，其方法為：設接收信號長度為L，接收端本地偽碼生成器生成長度為N×L的本地偽碼序列，將其分為N段長度為L的本地偽碼序列并進行疊加處理，形成新的長度為L的偽碼折疊序列，進一步與接收信號進行循環相關，對相關結果的最大比例峰值進行門限判決，進而判斷出接收信號偽碼偏移所在的子偽碼序列及其具體偏移位置。

圖5 基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法實現過程圖

3 基于數據折疊的TDDM信號快速捕獲方法

依據TDDM信號特性，基于TDDM-BPSK信號的同步捕獲方法與基于PN碼的BPSK信號同步捕獲方法具有相似性。因此，本文將擴展復制重疊技術與快速傅里葉變換方法相結合，采用雙通道對信號進行捕獲，提出基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法。基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法實現過程如圖5所示。

4 仿真與分析

為驗證基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法的有效性，利用MATLAB搭建了針對GPS PN碼的TDDM信號仿真平臺，對該同步捕獲方法進行了仿真測試。因此，設擴頻偽碼速率為6Mbps，載波頻率為20.46MHz，采樣頻率為153.45MHz，相關積累時間為1ms，在不同的信噪比、偽碼偏移量、載波偏移量以及信息反轉位含量的條件下進行捕獲仿真。圖6為在信噪比為-7.8711dB、偽碼偏移量為5254個碼片、載波偏移量為1200Hz條件下雙支路捕獲結果。圖7為在信噪比為-10.9691dB、偽碼偏移量為1098個碼片、載波偏移量為1300Hz條件下雙支路捕獲結果。

圖7 在信噪比：-10.9691dB,偽碼偏移量：1098碼片,載波偏移量為1300Hz條件下雙支路捕獲結果圖

圖6 在信噪比：-7.4473dB,偽碼偏移量：5254碼片,載波偏移量：1200Hz條件下雙支路捕獲結果圖

仿真測試結果表明，本文方法能夠快速、準確地完成對TD?DM-BPSK信號的同步捕獲。

5 結論

為了快速有效地實現對TDDM信號的同步捕獲，針對TDDM信號的獨有特點，本文以TDDM信號機理及直擴信號同步捕獲方法為出發點，提出了一種基于數據折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法，并對該算法進行了運算量分析及有效性仿真測試。

[1]Luo H K,Wang Y Q,Ma Z H,et al.A segmentation motion com?pensation-based long-term integration method for DSSS signal [C].2012 IEEE 11th International Conference on Signal Processing, Beijing,China,Oct.1287-1290,2012.

[2]李少瑋,孫迅,張榮兵.TDDM信號的非對等廣義差分捕獲算法[J].遙測遙控,2014,35（5）：36-41.

[3]Feng W Q,Xing X D,Zhao Q,et al.Dual-channel method for fast long PN-code acquisition[C].China Communication,Shanghai, China,May 60-70,2014.

[4]李少瑋,孫迅,張榮兵.TDDM信號的非對等廣義差分捕獲算法[J].遙測遙控,2014,35（5）：36-41.

[5]王嘉寧,宋真東,廉保旺.GPS信號P碼直接捕獲方法[J].火力與指揮控制,2011,36（6）：74-76

國家自然科學基金（61501309），遼寧省教育廳科學研究項目（L2015462）。

任錦君（1993-），女，碩士研究生，研究方向：擴頻通信技術及應用。