高多普勒擴頻通信快速捕獲技術(shù)研究

馬若飛，丁世譜

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

高速運動目標(biāo)與地面測量站之間通常存在較高的徑向速度和加速度。這使得雙方接收機接收信號的載波具有很高的多普勒頻率和多普勒頻率變化率，即存在很高的動態(tài)。

傳統(tǒng)的捕獲方法一般采用滑動相關(guān)法。這一方法的工作效率較低：一方面，該捕獲過程是一個二維的搜索過程，用時相對較長，約為相關(guān)器單次積分時長的N倍(N為偽碼點數(shù))；另一方面，隨著多普勒頻移的增大，該方法性能會迅速變差，直至無法完成捕獲。[1]為改善擴頻信號在大動態(tài)下的捕獲跟蹤效率，本文提出了一套捕獲跟蹤實現(xiàn)方案，最終實現(xiàn)信號同步。這一方案包括時域部分匹配捕獲法、FLL環(huán)輔助PLL環(huán)的載波同步法兩部分。

1 方案設(shè)計

擴頻信號的擴頻碼捕獲是接收機要解決的首要問題。為了縮短捕獲時間，將傳統(tǒng)的捕獲方法中的滑動相關(guān)結(jié)構(gòu)加以改進，引入FFT譜分析。

1.1 時域部分匹配捕獲法

當(dāng)本地偽碼與輸入信號偽碼相位一致，本地偽碼與輸入信號相乘后，結(jié)果只剩下殘留的載波ej2πfdt，對其作FFT譜分析，就能得到多普勒頻移值fd。利用這種方法，在搜索到偽碼相位的同時就能得到它的多普勒頻移值，從而將原來的頻相二維搜索過程變?yōu)橐粋€一維搜索過程，大大減少了搜索時間。[2]基于FFT捕獲的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

這一方案中的本地偽碼與輸入信號偽碼之間仍然保持相對滑動。對于輸入信號，每X個碼片(chip)做一次累加，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的降速，將原長M的偽碼變?yōu)楝F(xiàn)在的P點數(shù)據(jù)(P=M/X)。使用第n個部分相關(guān)器計算偽碼的第n個X碼片，以此類推，第P個部分相關(guān)器用最后X個碼片[3]。而后利用這P點數(shù)據(jù)作N(N≥P)點FFT，并分析頻譜，選擇FFT的N個輸出端中輸出值最大的峰值作為相關(guān)器的輸出。如果頻譜峰值超過門限值，則說明本地碼相位與輸入信號碼相位達到一致，即實現(xiàn)了用FFT對接收信號的Doppler頻移估計。

對這一方案進行實現(xiàn)時，將中頻信號經(jīng)A/D采樣后所得的采樣點和過零點分別寫入兩個緩沖區(qū)，在捕獲時再從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)，進行部分匹配相關(guān)。所得相關(guān)結(jié)果累加后，每L個點作一次FFT(采樣點和過零點并行進行)。在捕獲中，每作一次FFT，將最大值位置和是否滿足單音和總量的比例關(guān)系存入一個存貯器，同時從存貯器中讀出前Q個的最大值進行比較。如果當(dāng)前最大值和總能量達到一定的比例，且最大值位置與Q個之前的位置相同，同時Q之前的單音也滿足比例關(guān)系，則認為捕獲到擴頻碼相位，完成粗捕，可以進行后續(xù)校驗。

計算FFT的過程中，其頻率分辨率取決于FFT點數(shù)，粗捕中仍會殘余不大于頻率分辨率的頻偏。這一殘余頻偏可以采用M&M算法進行估計，將其消除。在接下來的若干個碼周期內(nèi)，每個碼周期作同樣的FFT，結(jié)果存入存貯器中，再作非相干累加，對累加的結(jié)果作單音判斷，如果滿足條件即通過和驗證，如果驗證通過則啟動跟蹤。

1.2 FLL環(huán)輔助PLL環(huán)的載波同步法

由于多普勒和時鐘偏差的存在，載波會產(chǎn)生一定的頻偏，其同步過程也包含捕獲和跟蹤兩個步驟。載波捕獲過程是對多普勒頻移的粗略估計，而載波跟蹤則是精確跟蹤多普勒頻移和相位變化以恢復(fù)出相干載波。

在大頻偏和大多普勒變化率的條件下，本方案的載波同步主要包括以下3個步驟：

(a) 大多普勒頻差搜索：通過載波頻率與碼相位的聯(lián)合搜索，使得剩余載波頻差較小；

(b) 剩余載波頻差估計：采用基于反余弦函數(shù)的頻差估計算法進一步減小載波頻差；

(c) 雙環(huán)載波跟蹤：通過一個鎖頻環(huán)FLL和一個鎖相環(huán)PLL，完成在高動態(tài)條件下的載波頻率和相位的精確跟蹤。

載波跟蹤環(huán)包括鎖頻環(huán)(FLL)和鎖相環(huán)(PLL)。初始時，F(xiàn)FT模塊捕獲后載波頻差還比較大，頻率尚未鎖定，鑒相算法的輸出經(jīng)濾波器積分后輸出為零，此時FLL起主導(dǎo)作用。頻率鎖定后，鑒頻器輸出為零，鎖相環(huán)占主導(dǎo)地位[5]。

雙環(huán)載波跟蹤環(huán)路的原理框圖如圖2所示。

從圖2可以看出，雙環(huán)載波同步環(huán)路主要由1個鎖頻環(huán)FLL、1個鎖相環(huán)PLL及載波NCO組成。DLL環(huán)中輸出正確的P-N碼相位及最佳采樣點信號，經(jīng)匹配相乘后進行積分清除濾波，進行平方去調(diào)制運算，然后進行32點的滑動平均濾波，并用ATAN反正切函數(shù)鑒相得到相位誤差，相位誤差經(jīng)1個采樣周期延時后進行差分鑒頻得到頻率誤差。相位誤差和頻率誤差送至FLL/PLL環(huán)路濾波器(積分支路要進行飽和控制)進行濾波，根據(jù)濾波輸出調(diào)整載波NCO，并經(jīng)比例因子相乘后輔助DLL環(huán)。

當(dāng)環(huán)路鎖定時，滑動平均輸出信號的I支路應(yīng)為1，Q支路應(yīng)為0，此時可用該信號進行積分，比較I、Q支路積分輸出比值進行環(huán)路檢測鎖定判決。

2 計算機仿真

仿真所用直擴系統(tǒng)參數(shù)如下：

基帶信息速率：Ra=4.88 kbps；

偽碼速率：Rc=5 MHz；

偽碼形式：1 024位m序列；

調(diào)制方式：DBPSK；

采樣頻率：fs=100 MHz；

載波頻率：fc=30 MHz。

直擴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在頻偏為5 kHz時，傳統(tǒng)偽碼捕獲方法相關(guān)結(jié)果的仿真結(jié)果如圖4所示，可以看到并沒有明顯的相關(guān)峰，捕獲失敗。

圖5為同多普勒下時域部分匹配捕獲法的仿真結(jié)果。圖中同時展示了捕獲校驗時的單次結(jié)果、16次相干累加和16次非相干累加的結(jié)果，可以看到明顯峰值，捕獲成功。

接著對高多普勒下本文所提方案的載波同步進行仿真。圖6給出了門限信噪比條件下載波環(huán)路的校頻濾波輸出，仿真時載噪比為55 dB/Hz，多普勒頻移初始誤差為1 kHz，多普勒頻移變化率為24 kHz/s。仿真結(jié)果表明，雙環(huán)路載波跟蹤環(huán)可以實現(xiàn)載波的精確跟蹤。另外，通過仿真發(fā)現(xiàn)環(huán)路的鎖定時間基本在0.15 s左右，遠優(yōu)于當(dāng)前工程實踐中通常為1 s的指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文著重介紹了高動態(tài)擴頻信號的快速捕獲和載波同步的算法，分別采用了時域部分匹配FFT方法、FLL環(huán)輔助PLL環(huán)等算法。時域部分匹配FFT法在幾乎不增加硬件復(fù)雜度的情況下彌補了時域滑動相關(guān)法花費時間過長的不足，載波跟蹤方法則可以在實際頻偏較大的情況下在0.2 s內(nèi)完成跟蹤，具有一定的工程應(yīng)用價值。