一種衛(wèi)星信號快速捕獲方法的設(shè)計

摘要:本文介紹了常用的衛(wèi)星信號捕獲方法以及優(yōu)缺點，包括串行、并行和FFT捕獲。提出一種碼并行FFT快速捕獲方法。通過這種方法可以提高捕獲的速度，縮短捕獲時間。

關(guān)鍵詞:快速捕獲 碼并行 FFT

1 引言

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)里，所有的信息通過擴頻碼進行調(diào)制，擴頻碼具有自相關(guān)性好、互相關(guān)性差的特點，用戶可以通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星所發(fā)射的擴頻碼進行信號的捕獲。

在實際應(yīng)用中，由于衛(wèi)星與用戶的相對運動會造成多普勒頻偏，如果用戶沒有同時調(diào)整復(fù)現(xiàn)的載波頻率，那么對擴頻碼的相關(guān)過程將因用戶接收機的頻率響應(yīng)的滾降特性而受到嚴(yán)重的衰減，導(dǎo)致無法捕獲到信號，所以在捕獲衛(wèi)星信號的時候也必須補償載波頻率加多普勒頻偏。

2 串行捕獲

串行捕獲采用單通道相關(guān)器，在不同的頻率間隔以離散的方式進行順序掃描搜索，這種方法硬件簡單、易于實現(xiàn)，但捕獲時間長，特別是在高動態(tài)、低信噪比情況下，還可能丟失數(shù)據(jù)。

為了提高捕獲速度，可以采用適當(dāng)安排多普勒頻移搜索單元的搜索順序，采用載波多普勒頻移逐次逼近掃描法，從起始單元的兩側(cè)依次進行搜索，起始單元的設(shè)置考慮衛(wèi)星相對地面靜止物體的相對速度而造成的多普勒頻移值。

3 并行捕獲

并行捕獲是在串行捕獲的基礎(chǔ)上采用多通道相關(guān)支路，在各通道內(nèi)并行地搜捕信號。有擴頻碼并行、載波并行和擴頻碼載波并行捕獲三種并行捕獲方式。

碼并行載波串行:采用N個獨立的碼相關(guān)器，相關(guān)器之間相差半個碼片，它們共用一個載波NCO，載波多普勒采用串行掃描方式進行搜索。在一個區(qū)間掃描結(jié)束后取N個相關(guān)能量值中最大的與門限比較，超過則根據(jù)載波區(qū)間和能量最大相關(guān)器的位置得到載波和相位的估計值，優(yōu)點是在每個載波單元搜索一個碼周期就可以得到N個碼片相位的相關(guān)值。其捕獲時間是串行捕獲所需要的時間除以碼相關(guān)器的個數(shù)。

碼串行載波并行:單個碼發(fā)生器，對碼進行串行搜索，N個載波相關(guān)器，載波相關(guān)器的個數(shù)與捕獲范圍有關(guān)， N 的取值至少是Fb/ fb ， 其中Fb 為捕獲范圍， fb 為相關(guān)器帶寬。對載波頻率進行并行捕獲。N個載波NCO分別產(chǎn)生不同頻率的載波，在各個碼相位上同時檢查N個頻點的能量，超過門限就以當(dāng)前碼相位及最大值所對應(yīng)的載波為輸入啟動跟蹤環(huán)，否則移動半個碼片。該電路的規(guī)模與碼長無關(guān)，可以在相同硬件條件下兼容多種碼長，捕獲時間等于Tb·N·2，也就是捕獲時間與碼長成正比，相當(dāng)于串行捕獲所用的時間除以載波相關(guān)器的個數(shù)N。

碼并行載波并行:采用N個獨立的碼相關(guān)器，碼相關(guān)器之間差半個碼片。采用M個載波相關(guān)器，每個載波相關(guān)器的載波NCO分別產(chǎn)生不同頻率的載波。每一個碼相關(guān)器對應(yīng)M個可能的載波頻率，每一個載波頻率對應(yīng)N個碼相位。對于偽碼和載波的二維并行捕獲，取N 個碼相關(guān)器、M 個載波相關(guān)器中二維對應(yīng)的能量最大值與捕獲門限進行比較，若超過門限，則判為捕獲，碼并行載波并行捕獲方法能夠在很短的時間內(nèi)就可捕獲偽碼相位和載波頻率，所用時間是串行捕獲所用時間除以碼相關(guān)器個數(shù)N和載波相關(guān)器個數(shù)M。該捕獲方法的缺點是計算量大，占用資源。

4 FFT捕獲

FFT捕獲主要是利用FFT運算的特點，對碼序列進行相關(guān)運算。常用的捕獲方法有兩種:一種是在搜索1個多普勒頻移時，同時搜索所有的碼相位。另外一種是搜索1個碼相位步進量時，同時對整個多普勒頻移單元同時進行估計，分析信號的載波頻率。

碼相位頻域分析捕獲:由于傳統(tǒng)的串行捕獲方式的檢測時間長，正比于所有的碼相位數(shù)。引入了快速傅利葉變換將時域中進行的相關(guān)運算變換到頻率域處理，基本思路是利用時域相關(guān)等價于頻域相乘的關(guān)系，在頻域計算偽碼的相關(guān)函數(shù)，將本地碼序列和接收到的一個周期的信號做FFT變換到頻域，相乘后再反變換到時域，將各碼相位的最大相關(guān)值與門限比較判斷。若沒有超過門限則改變載波的搜索單元，重新進行碼相位的檢測。由于這種方法運算復(fù)雜，所以較少采用這種捕獲方式。

載波頻偏頻域分析進行捕獲:其原理是將本地偽碼與輸入信號之間保持相對滑動。輸入信號與本地偽碼相乘后， 每P碼片的數(shù)據(jù)做累加，將輸入數(shù)據(jù)降速，原來N碼片的數(shù)據(jù)變?yōu)楝F(xiàn)在的D點數(shù)據(jù)， ，這個過程稱為部分匹配濾波(PMF ，Partial Matched Filtering)。然后利用這D點數(shù)據(jù)做D點FFT，并分析頻譜。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，該譜峰對應(yīng)的值就是多普勒頻移值。調(diào)整本地載波NCO 和碼NCO，就可以完成捕獲。

5 碼并行FFT快速捕獲

該方法采用并行搜索碼相位的同時利用FFT進行頻譜分析將傳統(tǒng)的二維搜索變成一維搜索，節(jié)省了捕獲時間，是比較合適的方法。

6 結(jié)束語

并行搜索擴頻碼碼相位的基礎(chǔ)上進行FFT頻譜分析捕獲多普勒頻率的捕獲方法能夠提高捕獲的速度和精度，在實際應(yīng)用中要結(jié)合具體的要求。

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