基于某衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號捕獲研究

劉文華

（北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094）

1 引言

當(dāng)前，戰(zhàn)爭形態(tài)正加速向信息化戰(zhàn)爭演進(jìn)，裝備的發(fā)展進(jìn)入一個適度創(chuàng)新、催生新質(zhì)能量的嶄新階段。衛(wèi)星通信在現(xiàn)代軍事行動中之所以作用越來越大，地位越來越重要，關(guān)鍵原因在于衛(wèi)星通信可完成眾多的軍事任務(wù)，諸如轉(zhuǎn)發(fā)語音和數(shù)據(jù)、搜集圖片和信號情報等，特別是在遠(yuǎn)程軍事通信中更見其獨(dú)特威力，它為軍事指揮官提供的靈活性、實(shí)時性以及戰(zhàn)術(shù)機(jī)動性均是其他通信方式難以實(shí)現(xiàn)的[1]。

由于通信衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的相對運(yùn)動引起的多普勒效應(yīng)、接收機(jī)晶體振蕩頻率漂移和衛(wèi)星時鐘頻漂等因素，接收機(jī)實(shí)際接收到的衛(wèi)星信號頻率不再等于信號發(fā)射時的標(biāo)稱頻率，同時，衛(wèi)星與接收機(jī)的距離時刻在發(fā)生變化，因而接收信號的碼相位也在時刻變化[2]。

接收機(jī)跟蹤環(huán)路精密而脆弱。為了讓接收機(jī)在啟動后成功地跟蹤、鎖定衛(wèi)星信號，接收機(jī)必須事先能估算出衛(wèi)星信號的載波頻率和碼相位，并且載波頻率和碼相位的誤差必須分別小于載波環(huán)和碼環(huán)的遷入范圍，然后接收機(jī)根據(jù)事先估算出的載波頻率和碼相位初始化載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路，這樣跟蹤環(huán)路才能對衛(wèi)星信號進(jìn)行遷入與鎮(zhèn)定，直至最后成功地進(jìn)入正常的跟蹤狀態(tài)[3]。而信號捕獲的目的正是為了獲取衛(wèi)星信號的載波頻率和碼相位的粗略估計值。

2 傳統(tǒng)的信號捕獲算法

當(dāng)接收機(jī)與衛(wèi)星之間發(fā)生相對運(yùn)動時，會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[4]，即接收機(jī)接收到的信號頻率不再是衛(wèi)星發(fā)射的頻率，接收機(jī)接收到的信號頻率與衛(wèi)星發(fā)射頻率之間存在如下關(guān)系：

式中，fr是接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號頻率；f是衛(wèi)星發(fā)射的信號頻率；fd為多普勒頻移。從電磁波傳播理論出發(fā)，可以推導(dǎo)出fd的計算公式：

式中，c為光速；v是衛(wèi)星與接收機(jī)之間的相對運(yùn)動速度的徑向分量。當(dāng)武器平臺與衛(wèi)星之間的相對運(yùn)動速度較大時的徑向分量，相應(yīng)的多普勒偏移也會很大，同時武器平臺與衛(wèi)星之間的距離時刻在變化，導(dǎo)致接收信號的碼相位也在時刻變化，這就需要接收機(jī)在載波頻率和碼相位二維內(nèi)對衛(wèi)星信號進(jìn)行捕獲。

衛(wèi)星信號的捕獲是一個二維搜索過程[5]，如圖1 所示。圖中，fbin為載波頻率的搜索步長，tbin為碼相位的搜索步長，通常碼相位的搜索步長為半個碼片。

圖1 衛(wèi)星信號捕獲的二維搜索

根據(jù)偽碼的自相關(guān)特性和頻偏對偽碼相關(guān)峰值的影響可知，只有當(dāng)本地載波頻率與接收到的衛(wèi)星信號頻率接近，且接收機(jī)本地偽碼與接收到的衛(wèi)星信號偽碼相位對齊時，本地偽碼與經(jīng)過下變頻后的衛(wèi)星信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算才會產(chǎn)生最大的相關(guān)峰[6]。因此可以通過判斷每個搜索單元的相關(guān)峰值是否超過設(shè)定的門限值，來判斷信號捕獲是否成功，若在搜索過程中，某個搜索單元的相關(guān)峰值超過門限，則相應(yīng)單元的載波頻率和碼相位值即為衛(wèi)星信號的載波頻率和碼相位。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星信號捕獲原理如圖2所示[7][8]，首先對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行混頻處理，并將混頻結(jié)果與接收機(jī)的本地偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得到i和q，隨后將相關(guān)后的結(jié)果進(jìn)行時間為Tcoh的相干積分后得到相干積分結(jié)果I和Q，最后對Nnc個相干積分結(jié)果進(jìn)行非相干積分，得到非相干積分幅值V。對非相干積分幅值V進(jìn)行判斷，若V小于門限Vt，則認(rèn)為還沒有捕獲到衛(wèi)星信號，捕獲控制器按照預(yù)先設(shè)計的頻率搜索步長和碼搜索步長調(diào)節(jié)載波NCO和C/A碼發(fā)生器，繼續(xù)在下一個搜索單元搜索。若非相干積分結(jié)果V大于門限Vt，則判定已捕獲到衛(wèi)星信號，隨后將該搜索單元對應(yīng)的載波頻率和碼相位置給后面的環(huán)路濾波器進(jìn)行環(huán)路跟蹤。

圖2 傳統(tǒng)衛(wèi)星信號捕獲原理框圖

若多普勒頻移的搜索范圍為fdHz，則信號捕獲頻率搜索范圍為-fdHz～fdHz，那么頻率糟個數(shù)為

對應(yīng)每個頻率槽的頻率為0Hz，fbinHz，-fbinHz，fdHz，-fdHz，當(dāng)偽碼長度為tunc，偽碼搜索步長為半個碼片時，傳統(tǒng)衛(wèi)星捕獲搜索的單元數(shù)為

從而可以計算出，傳統(tǒng)衛(wèi)星信號捕獲算法最長捕獲時間為

3 改進(jìn)的信號捕獲算法

傳統(tǒng)的信號捕獲方法每次只搜索一個單元，所以它的捕獲速度很慢。本文提出一種并行捕獲算法，通過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)對頻率的并行搜索，同時配備多個相關(guān)器，對多個碼相位同時進(jìn)行搜索，從而加快了信號捕獲速度。

并行搜索算法原理框圖如圖3所示，輸入信號與接收機(jī)內(nèi)部載波相乘進(jìn)行混頻，將混頻后的信號與多路接收機(jī)本地偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)并行碼相位搜索。每路碼相位下捕獲流程為：對相關(guān)運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行相干積分得到I和Q，對N個（一般為2的冪次）I+jQ數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，最后對傅里葉變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若最大值超過門限，則認(rèn)為已捕獲到衛(wèi)星信號，且該路接收機(jī)本地偽碼與接收信號中的偽碼對齊，最大值對應(yīng)的頻率為多普勒頻移。

根據(jù)FFT理論，若并行捕獲算法相干積分后的頻率為fs，N點(diǎn)FFT變換后的前一半結(jié)果對應(yīng)頻率為0～fs/2，后一半結(jié)果對應(yīng)的頻率為-fs/2～0，其中并行捕獲算法的頻率分辨率為fs/N。根據(jù)前面分析可知，高動態(tài)環(huán)境下，接收機(jī)的最大多普勒頻移為35kHz，所以并行捕獲算法的相關(guān)積分時間不能超過1/70ms，否則并行捕獲算法不能對衛(wèi)星信號進(jìn)行捕獲。

圖3 并行捕獲算法原理框圖

4 結(jié)束語

衛(wèi)星通信在通信中的地位越來越重要，在高動態(tài)環(huán)境下，由于接收機(jī)多普勒頻移和碼相位不確定性，需要進(jìn)行信號捕獲才能正常通信。傳統(tǒng)的信號捕獲方法捕獲時間長，無法滿足需求。本文對并行捕獲算法進(jìn)行了研究，通過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)對頻率的并行捕獲，同時配備多個相關(guān)器，在碼相位上進(jìn)行并行捕獲，理論分析和仿真結(jié)果表明，該并行捕獲算法在高動態(tài)環(huán)境下能有效地捕獲到衛(wèi)星信號，并提高了捕獲時間。

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