基于改進Rake模型的多徑BOC信號精確捕獲方法

張?zhí)祢U,張亞娟,吳旺軍,劉 瑜

(重慶郵電大學信號與信息處理重慶市重點實驗室,重慶400065)

基于改進Rake模型的多徑BOC信號精確捕獲方法

張?zhí)祢U,張亞娟,吳旺軍,劉 瑜

(重慶郵電大學信號與信息處理重慶市重點實驗室,重慶400065)

針對多徑二進制偏移載波(binary offset carrier,BOC)信號自相關函數(shù)的多峰性導致的捕獲模糊性問題,提出了一種基于改進Rake模型的精確捕獲方法。該方法依據(jù)Rake接收機可以有效利用多徑分量的優(yōu)點,首先將接收的多徑BOC信號分離后經(jīng)過帶有載波相位估計功能的Rake模型,得到了采用最大比合并方法后的近似單徑信號,然后采用帶有頻偏校正的相關重構方法對BOC信號進行捕獲,并詳細闡述了相關重構原理。理論和計算機仿真分析表明,在同一條件下,該方法較其他方法具有精度高、易實現(xiàn)的優(yōu)點,且BOC信號階數(shù)越高效果越好。

導航定位;Rake模型;多徑二進制偏移載波;精確捕獲

0 引 言

在衛(wèi)星導航定位接收系統(tǒng)中,不可避免地會存在多徑衰落效應,而對抗多徑效應[13]的措施之一就是信號的多徑分集接收方法,其中Rake接收機是一種在直擴系統(tǒng)中性能比較好的方法。對于二進制偏移載波(binary offset carrier, BOC)信號,由于其特有的裂譜特性會造成信號捕獲的不確定性(即模糊性),再加上受多徑的干擾,將會大大降低信號捕獲的準確性和有效性。因此,可以考慮將Rake模型應用到多徑BOC的捕獲問題上。

Rake接收機在直接擴頻系統(tǒng)上的應用[4]比較普遍,如超寬帶(ultra wide band,UWB)[5]、時分同步碼分多址(time division-synchronous code division multiple access, TD-SCDMA)、寬帶碼分多址(wideband code division multiple access,WCDMA)和碼分多址(code division multiple access,CDMA)[6]等。文獻[6]提出了Pre/Post Rake接收機實現(xiàn)對多徑信號的分集合并。文獻[7]提出了Rake接收機的基帶實現(xiàn)方案和多徑分量相位差估計方法。而對于BOC信號的捕獲,人們也研究了很多種方法,其中包括自相關副峰消除技術(autocorrelation side peak cancellationtechnique,ASPeCT)[8]、filtered相關法、基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)的方法[911]等,但是幾乎都不適用于多徑BOC信號。文獻[12]提出一種相關重構法,但是沒有考慮多普勒頻偏的影響。文獻[13]雖然在文獻[12]的基礎上加了頻偏但是敘述的很模糊也沒有比較加頻偏后的捕獲效果。文獻[14]提出了單邊帶捕獲算法但是對硬件參數(shù)要求高。文獻[15]提出了一種馬氏鏈的捕獲算法,但是該方法的計算復雜度很高。文獻[16]提出了一種基于Rake結構的多徑直擴信號捕獲方法,但是它只分析了兩徑信號。文獻[17]在文獻[16]的基礎上提出了一種抗多徑新技術,但是沒有具體論述捕獲過程。因此有必要找到一種在多徑環(huán)境下也能精確捕獲任意階BOC信號的方法。

鑒于以上描述的多徑BOC信號在捕獲的過程中所存在的問題,本文詳細介紹了帶有載波相位估計功能的Rake模型和帶有頻偏校正的相關重構原理及其數(shù)學理論過程。改進Rake模型的應用,抑制了多徑干擾;頻偏校正的應用提高了捕獲精度,因此在捕獲的過程中幾乎完全消除了副峰(即模糊性)的影響。最后,通過對不同調制階數(shù)的正弦型BOC調制信號的仿真分析,也驗證了該方法的精確性和有效性。

1 Rake模型的應用

1.1 Rake模型原理

在Rake模型中,每一個支路可看作是單個波束擴頻信號的解擴解調,相鄰支路相隔一個偽碼碼元寬度,將多個波束的接收能量進行同步合并來實現(xiàn)抗多徑效應的效果。當直擴序列碼片寬度為Tc時,系統(tǒng)所能分離的最小路徑時延差為Tc。Rake模型利用直擴序列的相關特性,采用多個相關器來分離直擴多徑信號,然后按一定規(guī)則將分離后的多徑信號合并起來以獲得最大的有用信號能量。這樣將有害的多徑信號變?yōu)橛杏眯盘?。一般的Rake接收機只能實現(xiàn)與最強信號保持同步,對于其他多徑分量而言,實際上是非完全相干的,會影響接收機合并輸出的性能,嚴重的甚至會導致Rake接收機的失效[7]。

綜合以上分析,本文將采用帶有載波相位估計的Rake模型,并假設偽碼碼片寬度小于波束中的最小延遲(距離最近,能量最大的波束)時間,且采用最大比合并的方法,其原理結構框圖如圖1所示。

1.2 Rake模型的應用

多徑環(huán)境下接收到的BOC信號為直射信號和多路反射信號之和,其數(shù)學模型可以表示為

式中,d(t)表示信息波形;c(t)表示偽碼波形;m-1表示多徑數(shù)量;SC(t)表示副載波,SC(t)=sgn(sin(2πfst));fs表示副載波頻率;fc表示載波頻率;αi表示第i條路徑的幅度衰減;τi表示第i條路徑的時延;φi表示t時刻第i條路徑的載波相位,φi=2πfcτi。

在實際情況下,接收機會產(chǎn)生式(2)所示的信號。

式中,^αi、^τi、^φi分別是信號幅度、時延和相位的估計值。

圖1 相位估計原理框圖

由此,可以得到各個路徑的信號為si(t)=r(t)-^s(t)=

式中,^s(t)表示所有的其他路徑信號。

得到分離后的各路信號后,通過本地載波的相干解擴和解調后得到各個支路信號的I路和Q路信號分別為

式中,I1=d(t)Z(t),d(t)為導航電文;Z(t)為偽碼與副載波相結合后得到的新偽碼,在文中稱為組合碼;Q1=I1。

本文假設第一路徑信號載波相位沒有發(fā)生改變,因此以第二路信號為例進行分析,按照圖1得到第二路徑的I路和Q路信號經(jīng)過相關器后的輸出分別為

然后將得到的兩路信號經(jīng)低通濾波器,因此式(5)變?yōu)?/p>

于是在該相位估計結構圖中可以得到

同理可以得到其他路徑的載波相位估計值為

得到各個路徑的載波相位估計結果后得到I路有效信號的估計值可以表示為

對于Q路的多徑分量有效信號的估計值也可以用類似的方法得到,在此本文不再贅述。最后采用最大比合并方式得到I路和Q路合并器輸出的信號為

2 多徑BOC捕獲

由第1節(jié)得到了經(jīng)過Rake模型分集合并后的BOC信號,此時的BOC信號不再受多徑的干擾。為了易于分析,本文假設信號經(jīng)過Rake模型時的時延同步是準確的,因此可以近似認為接收到的是單徑BOC信號,只是此時的單徑BOC信號的能量增強。

2.1 重構捕獲原理

本文主要采用一種基于分形理論的相關函數(shù)重構方法。首先根據(jù)時域復指數(shù)相乘等效于頻域偏移的原理實現(xiàn)對多普勒頻率的搜索,故對合并后的BOC信號進行FFT處理,然后將本地偽碼(pseudo noise,PN)序列與經(jīng)過頻偏補償過的BOC信號做滑動相關處理。以下將詳細介紹重構原理。

將調制階數(shù)為N的BOC信號自相關函數(shù)xBOC和它與PN序列的互相關函數(shù)xBOC/PN各自取模相加后得到本文所采用的相關函數(shù)|x|。

式中,triα(x/y)表示以x為變量,α為中心,y為寬度,峰值為1的三角形函數(shù)。其中xBOC選取了主峰和兩個第一副峰,xBOC/PN選取了靠近中心的兩個峰值。

新的相關函數(shù)|x|等價于圖2中ABCDE部分,對|x|進行分形重構實際上就是進行折疊處理,經(jīng)過兩次折疊處理后得到了與折疊前相似的一個三角圖形,既體現(xiàn)了分形思想的應用。圖2給出了BOC(1,1)信號的重構原理圖,具體過程如下:

圖2 重構原理圖

首先,確定C、D、E位置,理論上來講三者是近似相等的,由此得到折線一。將C和E之間的采樣點按照折線一折疊后得到AFDGB之間的圖形。

假設點C坐標為(xC,yC),折疊前C和E之間任意一點W的坐標為(xW,yW),經(jīng)過折疊后W'的坐標為(x'W,y'W)可根據(jù)式(12)確定,這樣得到兩個新的峰值點F和G的坐標。

同理得到折線二即FG之間的虛線,然后將FDG之間的區(qū)域按照折線FG進行折疊,得到最終三角圖形AB H,即圖2。FG之間采樣點坐標的確定方式同上,最后得到一個確定的峰值H。由圖2可知,經(jīng)過兩次折疊后,可以重構出一個沒有副峰的相關函數(shù)圖形。

2.2 算法總結

圖3給出了本文所采用的算法結構原理框圖。

圖3 多徑BOC信號捕獲算法框圖

該精確捕獲算法的具體步驟如下:

步驟1 將多徑BOC信號分離得到各支路信號,然后經(jīng)過帶有相位估計功能的Rake模型并進行合并處理,以此來抑制多徑,從而得到近似的單徑BOC信號。

步驟2 將接收的BOC調制信號經(jīng)過下變頻和采樣后得到兩個周期的信號,表示為r,長度為2L;生成本地PN序列l(wèi)ocal-PN和local-BOC信號,兩者長度都為L。

步驟3 將r進行FFT處理得到r',然后根據(jù)設置的多普勒頻偏范圍,將r'分別進行k次循環(huán)左移和右移,即得到了2k+1個頻偏補償序列;將local-BOC信號也進行FFT處理,取共軛得到FFT{local_BOC}*。

步驟4 將步驟3得到的頻偏補償序列與FFT{local_ BOC}*相乘并進行逆快速傅里葉變換(inverse fast fourier transform,IFFT)運算,得到相關結果,取每一個相關結果中的最大值,記為ck,2k+1個ck構成c,然后通過比較這2k+1個最大值,找到c中最大峰值所對應的頻偏補償序列r'k,對r'k進行IFFT運算得到rk。

步驟5 將local-PN和local-BOC分別與rk進行L次滑動相關、取模運算,得到長度為L的|xBOC|和|xBOC/PN|序列,將兩者相加得到新的相關函數(shù)序列|x|;將|x|按照前面所描述的過程進行重構處理,通過尋找峰值、折疊運算得到序列K。

步驟6 根據(jù)K中的最大值與設定的門限比較來判斷信號是否捕獲成功,若小于門限,則重復步驟2～步驟5直至信號捕獲成功;若大于門限則直接進入跟蹤階段。

3 仿真分析

試驗1 Rake模型誤碼性能仿真

為了驗證本文采用的帶有載波相位估計的Rake模型的性能,用10條路徑來模擬多徑環(huán)境,BOC(1,1)信號偽碼速率為fc=1.023 MHz,副載波速率fs=1.023 MHz。根據(jù)圖1所給的Rake模型原理框圖,仿真比較在最大比合并的方法下,本文的Rake模型和傳統(tǒng)Rake模型的誤碼性能曲線。仿真結果如圖4所示。

圖4 誤碼性能比較

從圖4的仿真結果可以看出,在同一信噪比下,本文的Rake模型比傳統(tǒng)Rake模型的誤碼率要低。另外,不論是哪種Rake模型其系統(tǒng)誤比特率都是隨著信噪比的增加而減小。

試驗2 重構原理仿真

為了充分說明折疊重構對新的相關函數(shù)的適用性,選用兩種不同調制階數(shù)的BOC信號,分別是階數(shù)為2和5的BOC(1,1)信號和BOC(5,2)信號,它們的仿真結果如圖5所示,圖中只選取了主峰附近的包絡。

圖5 BOC(1,1)和BOC(5,2)信號重構圖

由圖5的仿真結果可以看出,兩類BOC信號經(jīng)過折疊重構后得到的歸一化相關函數(shù)幾乎都不在受副峰的影響,故將會提高信號的捕獲精度。由文獻[12]知,重構之后相關函數(shù)的主峰寬度≤6TC/(2N-1),其中Tc=1/fc表示偽碼碼元寬度,N表示調制階數(shù),而不經(jīng)副載波調制PN碼的自相關函數(shù)主峰寬度為2Tc,采用BPSK-like算法的相關函數(shù)的主峰寬度同樣也為2Tc,由此可以看到,該方法有著比BPSK-like算法更好的捕獲精度,這樣就為后續(xù)的快速跟蹤提供了便利,并且調制階數(shù)越高,主峰寬度越小。

試驗3 算法捕獲過程仿真

使用Matlab對偽碼捕獲過程進行仿真。仿真中信號的多普勒頻偏fd=1.28 k Hz,偽碼長度為LPN=1 023,假設偽碼偏移量為?=250,采樣頻率為10.23 MHz。根據(jù)BOC(2,1)調制信號的特點可知,頻偏補償精度為fprec= fs/2L=10.23 M/(2×20 460)=250 Hz,偽碼偏移在采樣點上體現(xiàn)的偏移量?'=?×L/LPN=5 000。

在信噪比為-10 d B的條件下,將本地PN序列與經(jīng)過頻偏補償?shù)腂OC信號滑動相關得到長度為L的相關值,并對相關結果折疊重構,得到的重構序列如圖6所示。

圖6 滑動相關結果

由圖6可以看出,在信噪比為-10 dB的情況下,第5 000個采樣點處有個峰值,這與設定在偽碼偏移位置處出現(xiàn)一個主峰是一致的。

試驗4 算法性能比較仿真

為了更加具體地說明本文方法的精確性和適用性,現(xiàn)將該方法與無偏相關法、文獻[12]和文獻[13]的方法在同一條件下進行比較。

(1)相關結果的比較仿真。仿真信號為BOC(10,5)調制信號(階數(shù)是4),得到這4種方法的歸一化相關結果,仿真結果如圖7所示。

圖7 相關結果比較

由仿真結果可以看出,當信號的調制階數(shù)比2大時,采用本文方法得到的相關結果也明顯優(yōu)于其他方法,從而為任意階BOC信號無模糊捕獲和跟蹤提供了有利條件。

(2)主峰比例均值比較仿真。仿真信號為BOC(2,1)調制信號(階數(shù)是4),分別求4種方法相關值中的主峰值和平均相關值的比值,得到相應方法在不同信噪比下的主峰比例均值,其仿真結果如圖8所示。

由圖8可以看出,在同一信噪比下,本文方法明顯比其他方法的主峰比例均值高,這將會顯著地提高信號的捕獲概率和精度。文獻[13]的方法雖然與本文類似但是由于引入的Rake模型增強了信號的能量,故其捕獲概率被提高,這也進一步說明本文的捕獲算法能夠精確地捕獲多徑BOC信號。

圖8 主副峰值比比較

(3)跟蹤性能比較仿真。仿真中使用BOC(1,1)調制信號,仿真比較相應算法的鑒相曲線,其中低通濾波器帶寬1 Hz,超前滯后間隔為0.2Tc,仿真結果如圖9所示。

圖9 跟蹤結果比較

從仿真結果可以看出,在同一信噪比下,本文方法的鑒相曲線鎖定點幾乎位于零點,而另外3種算法已明顯失鎖,從而進一步驗證了本文方法對捕獲的精確性。

4 結 論

對于多徑效應和其自身的裂譜性造成BOC調制信號的捕獲存在模糊性的問題,本文詳細的論述了一種基于改進Rake模型和相關重構相結合的精確捕獲方法。該方法不僅通過Rake模型實現(xiàn)對多徑分量的利用,提高了信號的捕獲概率,還消除了捕獲的模糊性。計算機仿真結果說明,在同一條件下,本文提出的方法與其他方法相比主峰比例均值有2.1～4.3 dB的改善,也為后續(xù)的跟蹤提供了有利條件。

[1]Kim B,Kong S.Two-dimensional compressed correlator for fast acquisition of BOC(m,n)signals[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,2013,63(6):2662-2672.

[2]Teng F,Zhu C H,Yi Y H,et al.Performance evaluation of acquisition algorithm for BOC-modulated signal against interference [C]∥Proc.of the IEEE TENCON,2013:1-4.

[3]Chen H H,Jia W M,Yao M L.Cross-correlation function based multipath mitigation technique for cosine-BOC signals[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,2013,24(5):742-748.

[4]Jiang B,Xu J L.Performance simulation research on RAKE receiver in spread spectrum communication system[J].Electronic Design Engineering,2013,21(7):160-162.(江斌,徐建良.擴頻通信系統(tǒng)中RAKE接收機性能仿真研究[J].電子設計工程,2013,21 (7):160-162.)

[5]Cheng X T,Yong L G.Pre/Post-Rake diversity combining for UWB communications in the presence of pulse overlap[J].IEEE Trans.on Wireless communications,2012,11(2):481-487.

[6]Choudhury S H,Bhuiyan T A,Al-Rasheed A,et al.A new approach in the modeling of MC-CDMA Rake receiver and its performance evaluation under the effect of multipath fading channel[C]∥Proc.of the International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks,2010:529-533.

[7]Jia X D,Fu H Y,Yang L X.An implementation scheme for rake receiver in base band and phase difference estimation of multipath signals[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2011,34(4):97-100.(賈向東,傅海陽,楊龍祥. Rake接收機基帶實現(xiàn)方案和多徑分量相位差估計方法[J].北京郵電大學學報,2011,34(4):97-100.)

[8]Julien O,Macabian C,Cannon M E,et al.ASPeCT:unambiguous sine-BOC(n,n)acquisition/tracking technique for navigation applicationssignal[J].IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems,2007,43(1):150-162.

[9]Thakar P V,Mewada H.Receiver acquisition algorithms and their comparisions for BOC modulated satellite navigation signal[C]∥Proc.of the International Conference on Communication Systems and Network Technologies,2012:586-589.

[10]Zhou Y L,Hu X L,Ke T,et al.Ambiguity mitigation technique for cosine-phased binary offset carrier signal[J].IEEE Trans.on Wireless Communications,2012,11(6):1981-1984. [11]Benedetto F,Giunta G,Lohan E S,et al.A fast unambiguous acquisition algorithm for BOC-modulated signals[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,2013,62(3):1350 1355.

[12]Yang L,Pan CS,Bo Y M,et al.A new method for acquisition of BOC modulation signal based on refactoring theory to crosscorrelation[J].Journal of Astronautics,2009,30(4):1675-1679.(楊力,潘成勝,薄煜明,等.基于相關重構的BOC調制信號捕獲方法[J].宇航學報,2009,30(4):1675-167)

[13]Hu G Y,Zhao T L,Chen S,et al.An unambiguous and direct acquisition algorithm of BOC signal[J].Application of Electronic Technique,2013,39(12):122-125.(胡剛毅,趙同林,陳適,等. BOC信號中一種新型的無模糊直接捕獲算法[J].電子技術應用,2013,39(12):122-125.)

[14]Feng Y X,Ding C.The research on synchronization acquisition technology for BOCsin and BOCcos phase modulation signals[C]∥Proc.of the Intelligent Networks and Intelligent Systems, 2010:622-625.

[15]Fadoua B,Thierry C,Olivier R.An MCMC algorithm for BOC and AltBOC signaling acquisition in multipath environments[C]∥Proc.of the IEEE/ION Conference on Position,Location and Navigation Symposium,2008:424-432.

[16]Sun X W,Zhang S F,Jiang Y,et al.GNSS multipath signal acquisition method based on Rake architecture[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(12):2854 2860. (孫曉文,張淑芳,姜毅,等.一種基于Rake結構的GNSS多徑信號捕獲方法[J].儀器儀表學報,2010,31(12):2854 -2860.)

[17]Sun X W,Zhang S F,Hu Q,et al.Modified Rake architecture for GNSS receiver in a multipath environment[J].Acta Astronautica, 2012,79(10):1- 11.

Accurate acquisition method of multipath BOC signals based on improved Rake model

ZHANG Tian-qi,ZHANG Ya-juan,WU Wang-jun,LIU Yu
(Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

For the problem of ambiguous acquisition of multipath binary offset carrier(BOC)signals,a method which is based on the Rake model is proposed.Firstly,the received signals are separated and pass through the Rake model with carrier phase estimation.Then the approximate single-path signal is gotten by using the method of the maximum ratio combining.Finally,BOC signals are captured by the method of relevant reconstruction with the compensation of frequency offset and its detail theory is given.Theoretical analysis and computer simulations show that,under the same conditions,this method has the advantage of high accuracy and is easy to be implemented compared with other methods,and the higher the modulation order,the better the performance.

navigation;Rake model;multipath binary offset carrier(BOC);accurate acquisition

TN 911.7;TP 391.9

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2015.03.03

張?zhí)祢U(1971-),男,教授,博士后,主要研究方向為擴頻信號的盲處理、神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)以及信號的同步處理。

E-mail:zhangtq@cqupt.edu.cn

張亞娟(1989-),女,碩士研究生,主要研究方向為復雜環(huán)境下BOC信號的捕獲與跟蹤。

E-mail:zyjasm@163.com

吳旺軍(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為擴頻信號及其他信號的盲源分離應用。

E-mail:answer_wu1209@126.com

劉 瑜(1988-),男,碩士研究生,主要研究方向為OFDM信號的盲處理。

E-mail:liuyu_176@126.com

網(wǎng)址:www.sys-ele.com

1001-506X(2015)03-0492-06

2014-05-09;

2014-07-04;網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期:2014-09-22。

網(wǎng)絡優(yōu)先出版地址:http://w ww.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20140922.1654.002.html

國家自然科學基金(61071196,61102131,61371164);信號與信息處理重慶市市級重點實驗室建設(CSTC,2009CA2003);重慶市杰出青年基金(CSTC,2011jjjq40002);重慶市自然科學基金(CSTC,2012JJA40008)和重慶市教育委員會科研(KJ120525, KJ130524)資助課題