高動態(tài)低信噪比下信號接收機(jī)捕獲算法研究

摘要：為提升高動態(tài)低信噪比下信號接收機(jī)的信號捕獲精準(zhǔn)性，文章從經(jīng)典數(shù)字匹配濾波算法出發(fā)，研究了基于頻域劃分和基于FFT的捕獲算法。考慮到偽碼多普勒引起的偽碼頻偏隨時間積累的偽碼相偏效應(yīng)，文章提出了偽碼頻偏的估計與補(bǔ)償方法，其中包括基于不確定域劃分的并行捕獲方法和直接估計偽碼頻偏的方法，以減小偽碼相位偏移對信號捕獲的影響。研究減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的偽碼捕獲算法，進(jìn)一步提高信號接收機(jī)在高動態(tài)低信噪比環(huán)境下的性能，為提升擴(kuò)頻接收機(jī)在復(fù)雜場景中的應(yīng)用性能提供支持。

關(guān)鍵詞：高動態(tài)；低信噪比；信號接收機(jī)；信號捕獲

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.015

中圖分類號：TN 914.42" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-03

Research on Signal Receiver Acquisition Algorithm under High Dynamic

and Low Signal-to-Noise Ratio

ZHAO Xing

（10th Research Institute of China Electronics Technology Corporation， Chengdu 610036， China）

Abstract： In order to improve the signal capture accuracy of signal receivers under high dynamic and low signal-to-noise ratio， this article starts from the classic digital matching filtering algorithm and studies capture algorithms based on frequency domain partitioning and FFT. Considering the accumulation of pseudocode phase offset caused by pseudocode Doppler over time， this article proposes an estimation and compensation method for pseudocode frequency offset. This includes parallel capture methods based on uncertain domain partitioning and direct estimation of pseudocode frequency offset to reduce the impact of pseudocode phase shift on signal acquisition. Research on pseudocode capture algorithms to reduce residual pseudocode phase bias effects， further improving the performance of signal receivers in high dynamic and low signal-to-noise ratio environments， and providing support for improving the application performance of spread spectrum receivers in complex scenarios.

Keywords： high dynamics; low signal-to-noise ratio; signal receiver; signal capture

在高動態(tài)低信噪比的情況下，傳統(tǒng)的信號處理算法無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境需求[1]。對此，文章對大頻偏低信噪比下快速捕獲算法、偽碼頻偏估計與補(bǔ)償、減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的偽碼捕獲算法進(jìn)行了研究，旨在提高信號接收機(jī)在高動態(tài)低信噪比環(huán)境下的性能表現(xiàn)，以滿足復(fù)雜應(yīng)用場景中信號捕獲需求。

1" "大頻偏低信噪比下快速捕獲算法

在高動態(tài)條件下，信號接收機(jī)的信號引入頻率偏移包括載波、偽碼。而這兩方面均存在輸出損耗的情況。通常情況下，由偽碼頻偏造成的輸出損耗較低，可以忽略不計，主要探討載波偏移在輸出損耗中的影響[2]。但高動態(tài)條件會激化偽碼頻偏造成的輸出損耗，這種損耗與載波頻偏造成的損耗相互混雜，會增加整體理論分析難度。因此，本文以匹配載波捕獲為出發(fā)點，對大載波頻偏、低信噪比下快速捕獲算法進(jìn)行研究。為保證研究的充分性，下文對基于FFT的PMF（Probabilistic Matrix Factorization）等各類捕獲算法進(jìn)行分析。

經(jīng)典數(shù)字匹配濾波捕獲算法主要通過一個時刻下的二維搜索完成信號的捕獲。一旦接收機(jī)的信號引入頻率的載波、偽碼偏移導(dǎo)致輸出損耗發(fā)生時，檢測器的輸出將超過限制，從而捕捉到信號[3]。假設(shè)搜索域內(nèi)m（偽碼相偏次數(shù)）×n（載波頻偏次數(shù)）的捕獲信號，主動相關(guān)器搜索率公式表示為：

（1）

式中，表示傳輸時間延遲；表示碼片時間。

匹配濾波搜索率公式表示為：

（2）

若接收信號信噪比較低，則相關(guān)峰微弱，對門限值的設(shè)置產(chǎn)生不利影響[4]。因此，需要采用多段重復(fù)PN序列數(shù)據(jù)格式來獲取數(shù)據(jù)幀。假設(shè)PN序列長度為W，重復(fù)次數(shù)為，則捕獲序列總長度為。匹配濾波器捕獲方法對頻偏的敏感性，如圖1所示。

基于FFT的PMF捕獲算法是將匹配濾波器與FFT相結(jié)合的捕獲算法。該算法的捕獲系統(tǒng)包括：復(fù)數(shù)PMF相關(guān)器P個、PMF長度為X，標(biāo)準(zhǔn)復(fù)數(shù)MF大小為，總長度為。同時，該算法的應(yīng)用需要對其進(jìn)行歸一化增益處理，公式表示為：

（3）

式中，表示橫坐標(biāo)值；表示連續(xù)輸出個數(shù)；表示信號瞬時功率；表示偽碼周期采樣點數(shù)；。

由于PMF的長度越大，F(xiàn)FT的運算點數(shù)越少，且對頻偏變化越敏感，所以需要進(jìn)行合理賦值[5]。另外，虛警概率、檢測概率是捕獲性能的重要指標(biāo)，需要在信號捕獲過程中，充分考慮兩項指標(biāo)。虛警概率，公式表示為：

（4）

式中，表示門限值；表示補(bǔ)零后的點。

檢測概率，公式表示為：

（5）

式中，表示FFT在頻點k的輸出幅值超過門限t的概率。

假設(shè)，得出的虛警概率與門限值、FFT點數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

假設(shè)信噪比得出檢測概率與門限值、FFT點數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

2" "偽碼頻偏的估計與補(bǔ)償

針對偽碼頻偏進(jìn)行補(bǔ)償、估計分析，可在一定程度上延長積分時間，以此捕獲不存在數(shù)據(jù)調(diào)制下的弱信號[6]。在確定偽碼頻偏不確定域后，需要進(jìn)行不確定域劃分，或進(jìn)行偽碼頻偏直接估計。

不確定域劃分及捕獲方法多應(yīng)用于不確定域劃分過程中。該方法的應(yīng)用對硬件資源要求較高，只有在硬件資源足夠的情況下，才能夠?qū)π盘栠M(jìn)行快速捕獲[7]。

在偽碼頻偏直接估計過程中，需要通過當(dāng)前載波頻偏估計值對本地偽碼時鐘速率進(jìn)行更新，公式表示為：

（6）

式中，表示載波頻偏；表示本地偽碼時鐘速率更新量。

由此，可以得到偽碼頻偏估計值，公式表示為：

（7）

3" "減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的偽碼捕獲算法

減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的偽碼捕獲算法的關(guān)鍵，在于快速而有效地搜索偽碼相位，減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的影響[8]。通過迭代搜索，可以逐步縮小搜索范圍，最終捕獲到正確的偽碼相位。首先，需確定一個初始搜索范圍，并確保范圍能夠涵蓋偽碼相位偏移范圍。同時，采用接收機(jī)對信號進(jìn)行采樣，并計算其接收到的信號與本地偽碼序列相關(guān)。其次，還需在相關(guān)結(jié)果中尋找最強(qiáng)的峰值，表示可能的匹配偽碼相位，并根據(jù)初始搜索范圍和峰值的位置，縮小搜索范圍，以提高偽碼相位的精確性[9]。最后，重復(fù)進(jìn)行信號采樣、峰值檢測和搜索范圍精確這三個步驟，直至其達(dá)到所需的偽碼相位精度。

本文基于經(jīng)典的非相干匹配濾波器接收結(jié)構(gòu)，對減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的偽碼捕獲算法進(jìn)行分析。在接收信號下變頻至基帶的L、Q兩個分量碼后，匹配濾波器會在本地產(chǎn)生PN碼序列，并與兩個信號分量間進(jìn)行運算。隨后，對兩個匹配濾波相關(guān)器的輸出進(jìn)行平方計算、求和計算[10]，進(jìn)而產(chǎn)生一個匹配濾波接收機(jī)的檢驗樣本信號，并以秒為間隔，得到新的檢驗樣本。

4" "結(jié)束語

綜上所述，針對載波多普勒引入后高動態(tài)條件下形成的偏頻問題，需解決其中的信號捕獲難題。本文對頻率劃分下的補(bǔ)算法、FFT、PMF進(jìn)行結(jié)合探討。研究中獲取的兩種算法，能夠滿足大頻偏下檢測器的捕獲需求。基于此，文章對減少剩余偽碼相偏效應(yīng)的偽碼捕獲算法進(jìn)行研究，希望能夠提高偽碼多普勒情況下的信號接收機(jī)的信號捕獲性能，且降低剩余偽碼相偏效應(yīng)的影響。

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