大動(dòng)態(tài)下擴(kuò)頻碼捕獲的一種改進(jìn)方法?

張 波

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

大動(dòng)態(tài)下擴(kuò)頻碼捕獲的一種改進(jìn)方法?

張 波??

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)現(xiàn)有擴(kuò)頻碼捕獲方法在大動(dòng)態(tài)下捕獲時(shí)間長(zhǎng)、硬件資源消耗大、動(dòng)態(tài)適應(yīng)性差的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的擴(kuò)頻碼捕獲方法。新方法把碼鐘多普勒的補(bǔ)償放在本地?cái)U(kuò)頻碼上進(jìn)行，先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行降采樣和存儲(chǔ)再進(jìn)行頻率分槽和補(bǔ)償，一次采樣實(shí)現(xiàn)了所有頻率槽的搜索。計(jì)算結(jié)果表明，完成同樣的捕獲過(guò)程新方法所需時(shí)間和存儲(chǔ)器容量不到原方法的1/5，且具備更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。

測(cè)控系統(tǒng)；擴(kuò)頻碼捕獲；大動(dòng)態(tài)；多普勒補(bǔ)償

1 引 言

隨著現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，飛行器的作用距離越來(lái)越遠(yuǎn)，飛行速度越來(lái)越快，速度變化率越來(lái)越大，這給飛行器測(cè)控系統(tǒng)帶來(lái)了新的問(wèn)題。首先為了解決超遠(yuǎn)距離通信，保證到達(dá)地球的信號(hào)強(qiáng)度在一定的水平，需要把工作頻段提高到Ka頻段。在飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的情況下，工作頻段的提高會(huì)使傳輸信號(hào)包含更大的動(dòng)態(tài)；其次，飛行速度的提高使傳輸信號(hào)的動(dòng)態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DSSS）擴(kuò)頻碼的捕獲，需要搜索的多普勒范圍擴(kuò)大了很多，在相同的硬件條件下捕獲時(shí)間將成倍增加。另外，速率變化率的提高導(dǎo)致了更大的多普勒變化率，需要在更短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)捕獲過(guò)程。如果按照傳統(tǒng)的方式［1－3］進(jìn)行捕獲，一輪搜索完成時(shí)實(shí)際信號(hào)的頻偏和碼相位已經(jīng)發(fā)生很大改變，捕獲結(jié)果將失去意義。

目前，擴(kuò)頻碼捕獲大多采用兩級(jí)相關(guān)的捕獲方法［4－6］，在動(dòng)態(tài)較大時(shí)通過(guò)對(duì)頻率進(jìn)行分槽［4，7－8］實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻偏范圍內(nèi)的搜索過(guò)程。如果信號(hào)中多普勒范圍很大，且變化率很高，繼續(xù)采用現(xiàn)有的方法會(huì)導(dǎo)致硬件規(guī)模越來(lái)越大，捕獲時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，當(dāng)信號(hào)動(dòng)態(tài)大到一定程度后甚至導(dǎo)致捕獲失敗。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)的擴(kuò)頻碼快速捕獲方法，該方法可大幅減少捕獲時(shí)間和存儲(chǔ)器容量，并且能夠適應(yīng)更大的動(dòng)態(tài)范圍。

2 傳統(tǒng)捕獲結(jié)構(gòu)及其存在的問(wèn)題

目前的擴(kuò)頻碼捕獲普遍采用前后兩級(jí)相關(guān)算法，具體實(shí)現(xiàn)上有匹配相關(guān)法［6］、基于FFT的頻域處理方法［1］等。從擴(kuò)頻相關(guān)來(lái)說(shuō)，一級(jí)相關(guān)就可以了，但由于擴(kuò)頻系統(tǒng)一般輸入信號(hào)較弱，單純的一級(jí)相關(guān)通常難以達(dá)到足夠的增益，因此在第一級(jí)相關(guān)后還需要進(jìn)行第二級(jí)累加來(lái)提高檢測(cè)靈敏度［6］。由于此時(shí)并沒(méi)有進(jìn)行載波跟蹤，只能采用非相干累加，需要先把第一級(jí)的相關(guān)結(jié)果求絕對(duì)值后再進(jìn)行積分，常用的辦法是先對(duì)第一級(jí)的相關(guān)結(jié)果分段求FFT，對(duì)多個(gè)FFT結(jié)果取絕對(duì)值后進(jìn)行累加［6］，這樣在輸入信號(hào)存在多普勒頻偏時(shí)可以從累加結(jié)果中得到多普勒頻偏。從上述過(guò)程可以看出，捕獲過(guò)程是在偽碼相位和多普勒頻偏上同時(shí)進(jìn)行的，因此稱之為二維搜索方法。

實(shí)際應(yīng)用中，輸入信號(hào)的多普勒頻偏范圍通常較大，很難通過(guò)一次搜索完成信號(hào)的捕獲，此時(shí)可以根據(jù)輸入信號(hào)的多普勒范圍劃分若干個(gè)頻率槽，在各個(gè)頻率槽中分別進(jìn)行搜索，最后把各個(gè)頻率槽的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行比較，從中選擇最大相關(guān)值對(duì)應(yīng)的頻率和偽碼相位作為最終的捕獲結(jié)果。各頻率槽的搜索可以串行進(jìn)行，也可以并行進(jìn)行，但并行搜索時(shí)占用的硬件資源成倍增加。圖1是典型的捕獲流程圖。

圖1 典型捕獲流程圖

當(dāng)測(cè)控系統(tǒng)的工作頻段提高至Ka頻段，飛行器不僅絕對(duì)速度快，速度變化率也很高，會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)的多普勒范圍很寬，并且多普勒變化率也較大，此時(shí)如果繼續(xù)采用圖1中的捕獲結(jié)構(gòu)，完成一輪搜索的時(shí)間有可能跟不上多普勒的變化，這意味著當(dāng)一輪捕獲完成后實(shí)際信號(hào)的多普勒頻偏和碼相位已經(jīng)發(fā)生了很大改變，捕獲結(jié)果失去意義。

3 改進(jìn)的捕獲結(jié)構(gòu)

為了解決大動(dòng)態(tài)下的擴(kuò)頻碼快速捕獲問(wèn)題，本文在圖1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩方面的改動(dòng)。首先，把多普勒頻率補(bǔ)償模塊從下變頻后移到相關(guān)計(jì)算前。這會(huì)帶來(lái)以下好處：對(duì)于不同的頻率槽不需要重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和存儲(chǔ)，而是重復(fù)利用一次采樣的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣可以避免對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)采樣，從而節(jié)省采樣時(shí)間。其次，在圖1中，頻率補(bǔ)償之后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣處理，對(duì)于不同的頻率槽降采樣的速率是不同的。如果采用固定的降采樣速率會(huì)嚴(yán)重影響捕獲性能，由于改進(jìn)后的方法對(duì)于不同的頻率槽采用的都是同樣的數(shù)據(jù)，因此不同的頻率槽就不能選擇相應(yīng)的降采樣速率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以把在數(shù)據(jù)中進(jìn)行的采樣率補(bǔ)償轉(zhuǎn)移到接收端的PN碼上進(jìn)行。最終的改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的捕獲結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的捕獲過(guò)程如下：

（1）對(duì)下變頻后的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，利用存儲(chǔ)器對(duì)降采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，存儲(chǔ)時(shí)鐘為降采樣時(shí)鐘，讀取時(shí)鐘為高速時(shí)鐘；

（2）按照多普勒頻偏范圍劃分頻率槽，對(duì)讀取后的數(shù)據(jù)按照各頻率槽的中心頻率進(jìn)行多普勒頻率補(bǔ)償；

（3）在本地產(chǎn)生與各頻率槽相應(yīng)的擴(kuò)頻碼；

（4）用高速時(shí)鐘對(duì)本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼和進(jìn)行了頻率補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)相關(guān)計(jì)算，從相關(guān)結(jié)果中選出最大峰值，其所對(duì)應(yīng)的頻率和相位就是最終的捕獲結(jié)果。

在改進(jìn)的捕獲結(jié)構(gòu)中，載波多普勒的補(bǔ)償轉(zhuǎn)移到了降采樣后進(jìn)行，從采樣理論可知，在滿足采樣定理的前提下采樣率的變化不會(huì)造成傳輸信息的損失，因此載波多普勒補(bǔ)償位置的變化不會(huì)造成捕獲性能惡化。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)中的另一個(gè)改變是把原本在降采樣時(shí)進(jìn)行的碼多普勒補(bǔ)償轉(zhuǎn)移到本地?cái)U(kuò)頻碼上進(jìn)行。假設(shè)K為總的積分點(diǎn)數(shù)，Rb代表基準(zhǔn)擴(kuò)頻碼速率，Rbdop代表包含了碼多普勒的擴(kuò)頻碼速率，T代表原捕獲方案總的積分時(shí)間，Tnew代表改進(jìn)捕獲方案總的積分時(shí)間，ΔT為兩種方案的積分時(shí)間差。在圖2的擴(kuò)頻捕獲結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行存儲(chǔ)和相關(guān)計(jì)算時(shí)每個(gè)碼片采兩個(gè)點(diǎn)，公式（1）～（4）描述了兩種捕獲方案在總的積分時(shí)間上的等效性。

原捕獲方案的積分時(shí)間

改進(jìn)方案的積分時(shí)間

兩種方案之間的積分時(shí)間差

ΔT與T的比例關(guān)系為

實(shí)際系統(tǒng)中，即使動(dòng)態(tài)很大的情況下，式（4）中Rbdop與Rb也是非常接近的，因此ΔT與T相比可以忽略，即改進(jìn)方案的積分時(shí)間與原方案的積分時(shí)間幾乎相等，而積分時(shí)間直接決定了最終的捕獲靈敏度，所以改進(jìn)方案具有與原方案相同的捕獲靈敏度。

4 捕獲性能分析

本節(jié)以擴(kuò)頻碼速率R＝5 Mb/s、碼長(zhǎng)1 023、多普勒范圍±1 MHz、最大多普勒變化率fc＝50 kHz/s、射頻頻率fR＝25 GHz的擴(kuò)頻系統(tǒng)為例，采用文獻(xiàn)［7］中的方法和本文中的方法進(jìn)行捕獲，比較兩種方法的效果。兩種方案的硬件架構(gòu)比較如圖3所示。

圖3 兩種方案的硬件架構(gòu)比較

為了便于比較，除了頻率分槽和碼多普勒補(bǔ)償?shù)奶幚聿煌?，其余捕獲結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致。第一級(jí)相關(guān)點(diǎn)數(shù)取N＝256，第二級(jí)相關(guān)點(diǎn)數(shù)取M＝ 2 048（32點(diǎn)FFT進(jìn)行64次非相干累加），每個(gè)擴(kuò)頻碼采兩個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)第一級(jí)積分后的采樣率

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，每個(gè)載波頻率槽能夠覆蓋的最大頻率范圍約為±39.625 kHz/4＝±9.8 kHz。對(duì)于±1MHz的多普勒范圍，需要?jiǎng)澐旨s102個(gè)頻率槽。載波多普勒與碼鐘多普勒之間的比例關(guān)系為

即對(duì)于±9.8 kHz的載波多普勒反映在碼鐘上為±9.8 kHz/5 000＝±1.96 Hz。總的采樣時(shí)間

在采樣時(shí)間內(nèi)相鄰頻率槽之間的碼片偏差為52ms×1.96 Hz＝0.1個(gè)碼片，小于半個(gè)碼片，對(duì)積分增益的影響很小。在采樣時(shí)間內(nèi)由于運(yùn)動(dòng)速度的變化引起的最大多普勒改變值

在一個(gè)頻率槽之內(nèi)，不考慮采樣時(shí)間，100 MHz時(shí)鐘計(jì)算，每個(gè)頻率槽采用8路匹配濾波器進(jìn)行并行搜索，完成一個(gè)頻率槽所需捕獲時(shí)間

假設(shè)分為10個(gè)頻率槽同時(shí)捕獲，采用文獻(xiàn)［7］中的方法，每次捕獲需要對(duì)10個(gè)不同頻率槽的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，總共102個(gè)頻率槽需要串行搜索10次，即要重復(fù)存儲(chǔ)10次數(shù)據(jù)，因此總的捕獲時(shí)間

量化位數(shù)取8位，所需的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量

相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量

PN碼存儲(chǔ)容量

采用改進(jìn)后的方法，只進(jìn)行一次采樣，總的捕獲時(shí)間

所需的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量為

相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為

PN碼存儲(chǔ)容量為

表1是兩種方法的捕獲時(shí)間對(duì)比情況，可以看出改進(jìn)方案的捕獲時(shí)間只有原方案的1/5左右。表2是兩種方法所需存儲(chǔ)容量的對(duì)比情況，可以看出改進(jìn)方案對(duì)存儲(chǔ)器的要求少很多，在目前的器件水平下，按照新方案采用一片較大規(guī)模可編程器件即可完成整個(gè)捕獲處理，而原方案由于需要大量存儲(chǔ)器，必須采用可編程器件結(jié)合外部存儲(chǔ)器的架構(gòu)，如圖3所示，不僅成本和功耗會(huì)明顯增加，由于大量數(shù)據(jù)快速在可編程器件和外部存儲(chǔ)器之間進(jìn)行交換，可靠性也會(huì)大大下降。

表1 兩種方法的捕獲時(shí)間對(duì)比Talbe 1 Capture time of twomethods

表2 兩種方法所需存儲(chǔ)容量對(duì)比Talbe 2 Storage capacity of twomethods

原方案由于捕獲時(shí)間長(zhǎng)，在一輪捕獲完成后最惡劣情況下多普勒改變了

這超出了后續(xù)載波跟蹤環(huán)的捕獲范圍，還需要再進(jìn)行一次搜索才能得到比較準(zhǔn)確的頻偏值，而改進(jìn)方法多普勒最大變化值為

小于后續(xù)載波環(huán)的捕獲帶寬，不需要再進(jìn)行進(jìn)一步搜索。

5 結(jié)論

為了適應(yīng)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)越來(lái)越大的動(dòng)態(tài)范圍，提出了一種改進(jìn)的擴(kuò)頻碼捕獲方法。該改進(jìn)方法主要從兩方面對(duì)傳統(tǒng)的捕獲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：首先是把原本在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前進(jìn)行的多普勒頻率補(bǔ)償移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之后進(jìn)行，其次是把原本在采樣數(shù)據(jù)上進(jìn)行的碼多普勒補(bǔ)償放在本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼上完成。通過(guò)這兩點(diǎn)改變，只要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣和存儲(chǔ)就可以實(shí)現(xiàn)所有頻率槽的搜索，避免了每個(gè)頻率槽都進(jìn)行一次采樣和存儲(chǔ)過(guò)程，消除了傳統(tǒng)捕獲方法在大動(dòng)態(tài)下面臨的時(shí)間瓶頸，大大縮短了捕獲時(shí)間，捕獲時(shí)間的減少又可以提高對(duì)動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力。另外，由于改進(jìn)方案對(duì)存儲(chǔ)容量的要求大大降低，硬件成本、功耗、可靠性都有了明顯改善。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于某擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)，在靈敏度保持不變的情況下使該系統(tǒng)的捕獲時(shí)間縮短為原來(lái)的1/5，并且消耗了更少的硬件資源，顯著提高了系統(tǒng)的整體性能。

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張波（1982—），男，山西永濟(jì)人，2007年于電信科學(xué)技術(shù)研究院獲信號(hào)與信息處理專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事擴(kuò)頻測(cè)控、調(diào)制解調(diào)、糾錯(cuò)編譯碼方面的研究。

ZHANG Bo was born in Yongji，Shanxi Province，in 1982.He received M.S.degree from Telecommunication Science and Technology Research Institute in 2007.He is now an engineer.His research interests include TT＆C，modulation and demodulation，error correction coding/decoding.

Email：zhangbo－1982＠yahoo.com.cn

An Improved PN Code Acquisition Method in Dynam ic Environment

ZHANG BO
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A Pseudo Noise（PN）code acquisition method is proposed in order to improve the performance of widely used coherent-noncoherent cascade acquisition scheme.By performing code Doppler compensation on local code，and putting the frequency compensation after re-sampling and storage，repeated sampling is avoided.Computation results show that for same acquisition task the new acquisition scheme needs only 1/5 time and capacity，and has better dynamic adaptability.

TT＆C system；PN code acquisition；dynamic environment；frequency compensation

TN911；TN914.4

A

1001－893X（2013）03－0293－04

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.013

2012－08－31；

2012－11－28 Received date：2012－08－31；Revised date：2012－11－28

??通訊作者：zhangbo－1982＠yahoo.com.cn Corresponding author：zhangbo－1982＠yahoo.com.cn