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    雙線性極化天線的CAPS信號(hào)合成捕獲算法*

    2013-12-16 06:40:01馬冠一
    天文研究與技術(shù) 2013年1期
    關(guān)鍵詞:信號(hào)

    甘 彤,馬冠一

    (1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái),北京 100012;2. 中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

    1 概 述

    中國區(qū)域定位系統(tǒng)(China Area Positioning System, CAPS)是具有定位、測(cè)速和授時(shí)等功能的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。它采用在軌的地球靜止軌道(Geosynchronous Eearth Orbit, GEO)衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit, IGSO)衛(wèi)星作為導(dǎo)航星,在地面導(dǎo)航站放置高精度原子鐘,產(chǎn)生測(cè)距碼、導(dǎo)航電文和時(shí)間信息,通過地面衛(wèi)星站發(fā)射上行,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后廣播下行。CAPS系統(tǒng)采用的是二相相移鍵控(Binary Phase-Shift Keying, BPSK)調(diào)制直序擴(kuò)頻信號(hào)(Direct-Sequence Spread Spectrum, DSSS)[3],利用C波段的載波完成信號(hào)調(diào)制。CAPS接收機(jī)通過對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)的捕獲、解碼,以實(shí)現(xiàn)精密定位、授時(shí)和測(cè)速。

    在CAPS系統(tǒng)中,下行信號(hào)的極化方式由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器天線的極化方式?jīng)Q定。由于不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的極化方式不同(垂直線極化或水平線極化),CAPS接收機(jī)采用圓極化天線以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同極化方式導(dǎo)航信號(hào)的接收。但是利用圓極化天線接收線極化信號(hào),會(huì)引入3 dB的極化損耗[4]。本文主要研究采用雙線性極化天線接收CAPS導(dǎo)航信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同極化方式導(dǎo)航信號(hào)的接收,并且當(dāng)兩路天線對(duì)同一信號(hào)均實(shí)現(xiàn)捕獲時(shí),利用最大比合并合成信號(hào),改善合成信號(hào)的信噪比。

    喜姑接過毛衣,將香娭毑織錯(cuò)了的地方撤掉,又重新織起來,一邊織一邊似在想心事。香娭毑裝作沒看見,到廚房里灌開水去了。過了好一陣,喜姑說,姐,你這么靈泛,哪么不去學(xué)戲,學(xué)戲可好玩哩!

    2 擴(kuò)頻信號(hào)捕獲算法

    對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲,主要有線性搜索捕獲、并行頻率搜索捕獲和并行碼相位搜索捕獲[5-6]。線性搜索捕獲的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低,但需要做大量相關(guān)運(yùn)算。并行頻率搜索捕獲[7]和并行碼相位搜索捕獲[8]是基于快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)的一種捕獲算法,相對(duì)于線性搜索捕獲,其所需的相關(guān)次數(shù)大幅減少。本文利用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)捕獲算法,結(jié)合考慮MATLAB語言特點(diǎn)、計(jì)算復(fù)雜度和捕獲時(shí)間,采用基于并行碼相位搜索的捕獲方法。圖1為經(jīng)典的并行碼相位搜索捕獲。

    從本地載波發(fā)生器(Numerical Controlled Oscillator, NCO)發(fā)出的兩路正交離散信號(hào)sinwn和coswn分別與輸入的數(shù)字中頻信號(hào)SIF(n)相乘以實(shí)現(xiàn)載波剝離,得到兩路基帶信號(hào)——I、Q支路信號(hào)。再將I支路信號(hào)的值作為實(shí)部,Q支路信號(hào)的值作為虛部構(gòu)成一個(gè)新序列,對(duì)這個(gè)新序列做快速傅里葉變換,同時(shí)對(duì)本地產(chǎn)生的短精碼做快速傅里葉變換。將上述兩個(gè)快速傅里葉變換的值進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘,對(duì)乘積進(jìn)行逆快速傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT),對(duì)逆快速傅里葉變換的結(jié)果逐個(gè)求模。如果模值大于預(yù)先設(shè)定的門限,則認(rèn)為信號(hào)被捕獲,轉(zhuǎn)跟蹤環(huán)路。如果模值未大于預(yù)先設(shè)定的門限,則搜索另外的頻率。

    第一,建設(shè)社會(huì)主義核心價(jià)值體系,更有利于增強(qiáng)社會(huì)主義意識(shí)形態(tài)的吸引力和凝聚力。胡錦濤指出:社會(huì)主義核心價(jià)值體系是根源于民族優(yōu)秀文化和社會(huì)主義先進(jìn)文化并吸收人類文明成果發(fā)展起來的,是我國社會(huì)主義文化的引領(lǐng)和主導(dǎo),決定著中國特色社會(huì)主義的發(fā)展方向,是興國之魂。它以馬克思主義指導(dǎo)思想,中國特色社會(huì)主義共同理想,以愛國主義為核心的民族精神和以改革創(chuàng)新為核心的時(shí)代精神,社會(huì)主義榮辱觀四項(xiàng),構(gòu)成其基本內(nèi)容。它以倡導(dǎo)富強(qiáng)、民主、文明、和諧,倡導(dǎo)自由、平等、公正、法治,倡導(dǎo)愛國、敬業(yè)、誠信、友善的社會(huì)主義核心價(jià)值觀的培育和踐行為其建設(shè)的主要任務(wù)。它要求牢牢掌握意識(shí)形態(tài)工作的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)和主導(dǎo)權(quán),壯大主流思想輿論。

    在信號(hào)的搜索、捕獲過程中,需要采用積分低通濾波器消除信號(hào)中的高頻成分和噪聲,以提高信噪比。當(dāng)積分運(yùn)算是對(duì)I支路和Q支路上的信號(hào)分別進(jìn)行時(shí),這種積分稱為相干積分。通過相干積分,信號(hào)信噪比有Gci(Tcoh)=10lgTcoh的改善[7],其中Tcoh為相干積分時(shí)間。但是相干積分結(jié)果會(huì)受到碼翻轉(zhuǎn)的影響,即相干積分時(shí)間最長不能超過單個(gè)碼元持續(xù)的時(shí)間。

    在我國科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下,CT三維成像技術(shù)顯著提升,在氣管異物和食管異物診斷過程中,胸部CT三維重建技術(shù)發(fā)揮著重要作用。通過本次研究結(jié)果可知,對(duì)照組與研究組患者診斷準(zhǔn)確率分別是90.32%和93.54%,組間未見顯著差異,統(tǒng)計(jì)學(xué)無意義(P>0.05),由此可見,胸部CT三維重建技術(shù)與食管吞鋇均具有較高的診斷率。在檢查過程中,所選患者均進(jìn)行全身麻醉,有些患者在實(shí)施全身麻醉之后,由于身體處于放松狀態(tài),食管自動(dòng)蠕動(dòng),使得異物自動(dòng)脫落至胃部。

    圖1 并行碼相位搜索捕獲

    Fig.1 Parallel-code phase search

    最近幾年,隨著我國黨和政府對(duì)于加強(qiáng)信息整合建設(shè)的重視度越來越高,在我國黨校圖書館建設(shè)“三大文庫”以及“四大專題數(shù)據(jù)庫”的引領(lǐng)下,當(dāng)前我國許多黨校圖書館都在加強(qiáng)特色信息數(shù)據(jù)庫建設(shè),有代表性的像安徽黨校圖書館的“區(qū)域經(jīng)濟(jì)與文化信息數(shù)據(jù)庫”、上海黨校圖書館的“重要發(fā)展戰(zhàn)略信息數(shù)據(jù)庫”,這些都取得良好的反響,我國許多黨校圖書館在硬件條件上、系統(tǒng)以及信息服務(wù)平臺(tái)建設(shè)上都取得了很大的進(jìn)步。不過,在實(shí)際建設(shè)進(jìn)程中,一些圖書館在圖書以及信息資源上出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)、相似度高的問題,而且一些圖書館由于缺乏信息整合平臺(tái)、信息數(shù)據(jù)集中性不高,存在難以實(shí)現(xiàn)深度挖掘與研究分析信息的問題。

    (1)

    式中,Dc(1)=[erfc-1(2Pfa)-erfc-1(2Pd)]2為理想檢測(cè)能力因子,是檢測(cè)概率Pd和虛檢概率Pfa的函數(shù),Nnc為非相干積分?jǐn)?shù)目??芍?,通過非相干積分,信號(hào)信噪比有Gii(Nnc)=10lg(Nnc)-L(Nnc)的改善。

    在CAPS系統(tǒng)中,由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下行的信號(hào)信噪比較低,故需要采用相干積分和非相干積分提高捕獲信號(hào)的信噪比。由以上分析可知,在不考慮碼翻轉(zhuǎn)的情況下,處理相同長度的數(shù)據(jù),相干積分能夠獲得較大的增益。但是,長時(shí)間的相干積分對(duì)信號(hào)的同步要求較高,如果采樣信號(hào)不同步,則可能造成信號(hào)間互相干擾,進(jìn)而降低相干增益。結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采集卡的時(shí)鐘穩(wěn)定度及下行信號(hào)的信噪比,本文采用1 ms的相干積分和9次非相干積分提高捕獲信號(hào)的信噪比。

    相干積分后,可以把相干積分結(jié)果的模值累加,以進(jìn)一步改善信號(hào)信噪比,即非相干積分。由于非相干積分是對(duì)相干積分結(jié)果模值的累加,所以非相干積分不受碼翻轉(zhuǎn)的影響。但是非相干積分會(huì)引入積分損耗[9]。根據(jù)Barton的理論[10]分析非相干積分損耗為:

    3 CAPS雙線性極化天線系統(tǒng)信號(hào)合成捕獲算法

    3.1 CAPS雙線性極化天線系統(tǒng)

    詞塊是一種語言現(xiàn)象,從現(xiàn)象的角度來說大于單詞,其標(biāo)志特征是相對(duì)固定,而且在實(shí)際的語言活動(dòng)中有很高的出現(xiàn)頻率,同時(shí)融合有語境、語義、語法三方面的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的詞塊包括了詞匯化句干、模式化語塊、詞匯短語、預(yù)制短語等幾種具體類型,但時(shí)至今日,這種分類已不常見,只要是因頻繁使用而存在于人們?cè)~匯記憶庫里的多詞組合,都可以稱為詞塊。

    CAPS雙線性極化天線系統(tǒng)由水平極化天線和垂直極化天線及兩套下變頻設(shè)備組成。在衛(wèi)星通信中,地面接收天線的極化基準(zhǔn)面與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的極化基準(zhǔn)面的定義不同[11],并且由于電離層的干擾,會(huì)使電磁波的極化面發(fā)生旋轉(zhuǎn)[12],使得接收天線的極化面與信號(hào)來波的極化面之間存在一個(gè)夾角——極化角。由于極化角的影響,單一線極化信號(hào)(水平或垂直極化)會(huì)耦合到接收端水平極化天線饋源和垂直極化天線饋源上。

    2.2 超聲微泡造影劑攜RPM對(duì)T24細(xì)胞周期分布與凋亡的影響 流式細(xì)胞儀檢測(cè)結(jié)果表明經(jīng)RPM和超聲微泡造影劑攜RPM處理過后的處于G1期的T24細(xì)胞數(shù)量明顯高于對(duì)照組(P<0.05),并且T24細(xì)胞出現(xiàn)大量凋亡(表3,圖1)。

    (2)

    信號(hào)耦合到垂直極化天線S2上的分量為:

    (3)

    由(2)、 (3)式可知,在存在極化角α的情況下,單一極化信號(hào)會(huì)耦合到水平極化天線和垂直極化天線上,并且兩天線接收的能量總和等于原始信號(hào)。

    3.2 信號(hào)的最大比合并

    由于極化角的影響,單一極化方式的CAPS導(dǎo)航信號(hào)能量會(huì)耦合到兩副天線上,考慮利用最大比合并算法[13]來合成兩路信號(hào)以改善合成信號(hào)的信噪比。設(shè)CAPS雙線性極化天線系統(tǒng)k時(shí)刻接收的信號(hào)為:

    xi(k)=aisi(k)+ni(k),i=1,2

    (4)

    由于各路噪聲不相關(guān),(6)式可以表示為:

    將上步產(chǎn)物與EDC·HCl及NHS發(fā)生縮合反應(yīng)。按物質(zhì)的量比1∶1.2∶1.2分別稱取TPGS丁二酸單酯、EDC·HCl、NHS置于真空干燥箱中干燥4 h,TPGS丁二酸單酯(TPGS-COC2H4COOH)與EDC溶于pH值為5.0的嗎啉乙磺酸緩沖液中,冰浴下磁力攪拌反應(yīng)10 min后加入NHS,繼續(xù)常溫反應(yīng)6 h,即得活化好的TPGS-NHS。

    z(k)=WTx=w1a1s1(k)+w2a2s2(k)+w1n1(k)+w2n2(k)=sc(k)+nc(k)

    (5)

    式中,sc(k)=w1a1s1(k)+w2a2s2(k)表示加權(quán)后的信號(hào);nc(k)=w1n1(k)+w2n2(k)表示加權(quán)后的噪聲。

    合成信號(hào)的信噪比為:

    (6)

    設(shè)信號(hào)場強(qiáng)為E,當(dāng)極化角為α?xí)r,信號(hào)耦合到水平極化天線S1上的分量為:

    (7)

    根據(jù)柯西-施瓦茨不等式:

    (8)

    式中,當(dāng)wiσi=ai/σi時(shí),等式成立。

    設(shè)信號(hào)的相關(guān)峰值為Peaki,i=1, 2,則最大比合并的最佳權(quán)值為:

    (9)

    當(dāng)按照最佳權(quán)值合并信號(hào)時(shí),合成信號(hào)有最大信噪比:

    (10)

    CAPS雙線性極化天線信號(hào)合成捕獲算法如圖2。其中,并行碼相位捕獲單元采用圖1介紹的算法。碼相位遲延單元通過判斷兩路信號(hào)相關(guān)峰值延遲兩路信號(hào)以實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步。合并系數(shù)w1、w2由(9)式計(jì)算。選擇器判斷輸出單路信號(hào)捕獲結(jié)果或者合成信號(hào)捕獲結(jié)果。

    (11)

    包括星巴克、宜家、希爾頓在內(nèi)的一些公司,宣布加入停用塑料吸管的行列;包括加州、新澤西州、佛羅里達(dá)州以及西雅圖市在內(nèi)的一些美國地方政府,也相繼推出了限制生產(chǎn)和銷售塑料吸管的政策。

    3.3 CAPS雙線性極化天線信號(hào)合成捕獲算法

    (10)式表示成對(duì)數(shù)形式為:

    算法的具體步驟如下:

    (1)對(duì)兩路信號(hào)分別利用并行碼相位搜索捕獲算法進(jìn)行捕獲;

    圖2 CAPS雙線性極化天線捕獲算法

    Fig.2 Algorithm for signal synthesis and acquisition of CAPS

    (2)當(dāng)只有一路信號(hào)實(shí)現(xiàn)捕獲時(shí),選擇器直接輸出那一路的捕獲結(jié)果;當(dāng)兩路信號(hào)均實(shí)現(xiàn)捕獲時(shí),計(jì)算用于最大比合并的最佳權(quán)值,與經(jīng)過同步的信號(hào)(碼相位遲延輸出信號(hào))相乘,送入加法器完成信號(hào)的最大比合并;

    鑒于此,多稿寫作應(yīng)貫穿于寫作課堂教學(xué),并配備以及時(shí)且積極的反饋方式(即寫作自動(dòng)批改系統(tǒng))以及能體現(xiàn)具體性、權(quán)威性和針對(duì)性的教師反饋。

    (3)利用并行碼相位搜索捕獲算法對(duì)合成信號(hào)進(jìn)行捕獲,選擇器輸出合成信號(hào)的捕獲結(jié)果。

    通過算法處理,相對(duì)于單路信號(hào),合成信號(hào)的信噪比能夠有明顯改善。但是此算法會(huì)增加系統(tǒng)的硬件開銷及增加捕獲時(shí)間。相比圓極化天線,采用雙線性極化天線接收衛(wèi)星下行信號(hào)需要兩路下變頻設(shè)備,并且在完成初次信號(hào)捕獲后,還需要進(jìn)行二次信號(hào)捕獲,這樣使得信號(hào)的捕獲時(shí)間增加了一倍。

    4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

    實(shí)驗(yàn)利用垂直極化天線、水平極化天線、兩套CAPS接收機(jī)下變頻設(shè)備以及凌華PCI-9820采集卡組成雙線性極化天線接收系統(tǒng),接收由中衛(wèi)1號(hào)衛(wèi)星(CHINASTAR-1)轉(zhuǎn)發(fā)下行的CAPS導(dǎo)航信號(hào)。CAPS導(dǎo)航信號(hào)的信息速率為50 bps,擴(kuò)頻碼速率為10.23 MHz,碼長10 230位,碼周期1 ms,下行信號(hào)載波頻率為3 826.15 MHz。中衛(wèi)1號(hào)衛(wèi)星為地球靜止軌道衛(wèi)星,位于東經(jīng)87.5°。接收系統(tǒng)位于北緯39.9°,東經(jīng)116.4°,對(duì)應(yīng)仰角為35.1°。兩路下變頻設(shè)備的時(shí)鐘基準(zhǔn)由同一個(gè)晶振提供,以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步,其輸出20.46 MHz的中頻信號(hào)。利用凌華PCI-9820采集卡,以60 MHz的采樣率對(duì)兩路信號(hào)持續(xù)采樣20 ms,即一個(gè)CAPS導(dǎo)航信號(hào)碼周期內(nèi)(1 ms)有60 000個(gè)采樣點(diǎn)。利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)雙線性極化天線系統(tǒng)信號(hào)合成捕獲算法,算法中利用9 ms的數(shù)據(jù)完成1 ms的相干積分和9次非相干積分,以500 Hz的頻率步進(jìn)值,搜索±7 KHz的頻率范圍,分析單路信號(hào)和合成信號(hào)的捕獲情況。

    圖3顯示的是單路信號(hào)的捕獲結(jié)果。其中圖3(a)對(duì)應(yīng)水平極化天線接收信號(hào)(信號(hào)1),圖3(b)對(duì)應(yīng)垂直極化天線接收信號(hào)(信號(hào)2)。圖3(a)中,相關(guān)峰位于頻偏等于0 Hz、采樣點(diǎn)等于28 636(對(duì)應(yīng)碼相位4 882)處,信號(hào)信噪比為18.425 2 dB。圖3(b)中,相關(guān)峰位于頻率等于0 Hz、采樣點(diǎn)等于28 637(對(duì)應(yīng)碼相位4 883)處,信號(hào)信噪比為18.993 2 dB。

    Notch調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞分化、成熟、增殖、存活只通過經(jīng)典途徑,并且激活Notch可通過RBPj依賴的方式抑制間充質(zhì)前體細(xì)胞(mesenchymal progenitor cells,MPCs)向軟骨細(xì)胞分化,促進(jìn)增殖[9]。Dong等[10]通過敲除 Prx1-Cre、RosaNotch1ICD 小鼠的RBPj,逆轉(zhuǎn)了發(fā)育異常的小鼠四肢軟骨表型,并且逆轉(zhuǎn)后的軟骨與Prx1-Cre、RBPjflox/flox小鼠的軟骨無法區(qū)別,證明了四肢軟骨的分化中,RBPj是Notch信號(hào)通路唯一的調(diào)節(jié)物。

    圖3 單路信號(hào)捕獲結(jié)果

    Fig.3 Certain acquisition result of one-channel signal

    圖4顯示的是水平極化天線接收信號(hào)和垂直極化天線接收信號(hào)合成后的捕獲結(jié)果。圖4中,相關(guān)峰位于頻偏等于0 Hz、采樣點(diǎn)等于28 636(對(duì)應(yīng)碼相位4 882)處,信號(hào)信噪比為20.525 3 dB。

    比較圖3和圖4可以看出,圖4中信號(hào)的相關(guān)峰值更明顯、噪聲的相關(guān)峰值更小,即經(jīng)過最大比合并,能夠提高合成信號(hào)的信噪比、抑制噪聲。

    圖5顯示的是在同一極化角下采集的11組不同數(shù)據(jù)的信噪比。其中,垂直極化天線接收信號(hào)(信號(hào)2)的信噪比始終大于水平極化天線接收信號(hào)(信號(hào)1)的信噪比,并且合成信號(hào)的信噪比比單路信號(hào)的信噪比有明顯改善,SNR合成-SNRmax(SNR1, SNR2)在1.458 8 dB到1.630 0 dB之間。由于信號(hào)2的信噪比大于信號(hào)1的信噪比,根據(jù)(9)式計(jì)算出最大比合并系數(shù)w2比w1大,即信號(hào)2在合成信號(hào)中的貢獻(xiàn)大,所以圖5中,合成信號(hào)信噪比的變化趨勢(shì)主要受信號(hào)2的影響。

    圖4 合成信號(hào)捕獲結(jié)果

    Fig.4 Certain acquisition result of synthesized signal

    圖5 合成信號(hào)與單路信號(hào)信噪比

    Fig.5 The SNR of one-channel signals and their synthesized signal

    5 結(jié)束語

    針對(duì)接收中國區(qū)域定位系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)提出了一種基于垂直線極化天線和水平線極化天線的信號(hào)合成捕獲算法。算法對(duì)于現(xiàn)行CAPS系統(tǒng)采用圓極化天線接收線極化信號(hào)引入3 dB極化損耗的問題,進(jìn)行了改進(jìn)。通過采用雙線性極化天線接收衛(wèi)星下行信號(hào),并在基帶部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的合成,以減小極化損耗。算法基于并行碼相位搜索實(shí)現(xiàn)CAPS導(dǎo)航信號(hào)的捕獲,并且在兩路信號(hào)均實(shí)現(xiàn)捕獲的情況下,完成信號(hào)同步,并根據(jù)信號(hào)的相關(guān)峰值和噪聲功率計(jì)算出用于最大比合并的最佳權(quán)值wi完成信號(hào)合并,最后對(duì)合成信號(hào)進(jìn)行捕獲。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示,合成信號(hào)信噪比相對(duì)于單路信號(hào)信噪比有明顯改善。

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