一種長周期偽碼信號的跳躍式擴(kuò)展重疊捕獲方法

劉芳，馮永新

（沈陽理工大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)工程中心，沈陽110159）

一種長周期偽碼信號的跳躍式擴(kuò)展重疊捕獲方法

劉芳，馮永新

（沈陽理工大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)工程中心，沈陽110159）

隨著直擴(kuò)技術(shù)的發(fā)展，為提高應(yīng)用系統(tǒng)的信號質(zhì)量，出現(xiàn)了長周期偽碼信號。然而，正是由于長周期偽碼的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，引發(fā)了系統(tǒng)接收的同步搜索誤差大、速度慢等關(guān)鍵問題。為此，針對長周期偽碼特性，考慮現(xiàn)有方法的局限和不足，提出了一種跳躍式擴(kuò)展重疊捕獲方法，通過擴(kuò)展分段的跳躍式重疊技術(shù)來擴(kuò)大搜索范圍及提高處理速度。仿真結(jié)果表明，新方法在捕獲性能及處理速度、檢測概率等方面都明顯優(yōu)于現(xiàn)有的方法。此研究可以為擴(kuò)頻信號的高效同步及系統(tǒng)應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

擴(kuò)頻通信，長周期偽碼，捕獲，仿真

0 引言

直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Direct Sequence Spreading Spectrum）［1］，即:直擴(kuò)，憑借其在保密、抗噪、抗干擾、高精測量等方面的優(yōu)勢，逐漸成為移動通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的重要支撐。為更好地提高直擴(kuò)應(yīng)用系統(tǒng)的通信質(zhì)量，提高抗欺騙能力，傳統(tǒng)短周期擴(kuò)頻偽碼已不能滿足日益增長的抗干擾通信、高精測距等需求。為此，擴(kuò)頻偽碼從較短周期，向長周期演進(jìn)，如GPS（Global Position System）［2-3］系統(tǒng)中應(yīng)用了周期為266.41天的P碼、移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用了周期大于一年的PIN碼等。然而，正是由于長周期偽碼的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，也引發(fā)了系統(tǒng)接收的同步關(guān)鍵問題?？紤]長周期偽碼信號的近似無周期特性，當(dāng)信號發(fā)射及接收終端時鐘存在鐘差時，在一次積累時間內(nèi)本地偽碼與接收信號可能無時間重疊，也即無相關(guān)性，從而出現(xiàn)時間不確定現(xiàn)象。隨著鐘差的進(jìn)一步增大將引發(fā)搜索范圍巨大的問題，為此相關(guān)處理速度也將驟然降低。從而必然引發(fā)接收端的同步搜索誤差大、速度慢等關(guān)鍵問題。

近年來，相繼呈現(xiàn)了一些以降低偽碼搜索不確定度為主體的同步方法［4-8］，如XFAST法、均值法，以及在此基礎(chǔ)上提出的壓縮相關(guān)法、相位相干法、改進(jìn)的FFT（Fast Fourier Transform）同步方法、時頻域結(jié)合［9］、頻域并行［10］等同步方法。其中，壓縮相關(guān)法主要是對接收信號進(jìn)行前端數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而通過建立特定的相關(guān)通道來提高適應(yīng)性和同步速度；相位相干法主要是通過引入復(fù)雜的向量以及多層相位相干運算來減小噪聲影響，并可以降低處理復(fù)雜度，但是上述方法在高采樣率條件下考慮還不全面，不能滿足高時效性需求。改進(jìn)的FFT同步方法是對接收信號進(jìn)行均值等數(shù)據(jù)處理、提高搜索范圍，但是當(dāng)高采樣率處理時，不能滿足時效需求；時頻域結(jié)合方法是進(jìn)行多通道并行Doppler補償、均值及擴(kuò)展處理，提高搜索速度，但在高動態(tài)情況下同步效率較低。

綜合考慮搜索誤差及處理速度的問題，較為有效的方法為分段相關(guān)捕獲（SCA，Subsection Correlation Acquisition）及擴(kuò)展重疊捕獲（SSA，Spread Superposition Acquisition）方法。其中，分段相關(guān)類方法的主要思想是通過本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻偽碼進(jìn)行分段處理，或是依賴接收信號中短碼的周期進(jìn)行分段，進(jìn)一步對分段后的本地序列與接收序列進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運算，通過計算最大相關(guān)峰位置來估計偽碼相位。擴(kuò)展重疊類方法的主要思想是利用擴(kuò)頻偽碼的良好自相關(guān)及互相關(guān)特性，對多段本地擴(kuò)頻偽碼進(jìn)行重疊處理來擴(kuò)大搜索范圍，重疊后的本地序列與接收序列進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運算，并通過峰值判決來估計偽碼相位。分段相關(guān)類方法和擴(kuò)展重疊類方法雖然都能夠提高捕獲速度，且可以有效估計偽碼相位，但是在收發(fā)鐘差偏差較大的條件下其搜索速度還有待提高。

1 跳躍式擴(kuò)展重疊方法原理

考慮目前長周期偽碼信號捕獲技術(shù)的局限和捕獲高效能需求，借鑒擴(kuò)展重疊技術(shù)，利用積累時間和相關(guān)運算關(guān)系來選擇分段，并控制分段的跳躍式重疊，從而提出一種跳躍式擴(kuò)展重疊捕獲（JSSA，Jumping Spread Superposition Acquisition）方法。

首先，對經(jīng)過接收天線及降頻、濾波等前端處理的接收序列進(jìn)行積累，其積累長度為L，其積累的接收序列可表示為:

產(chǎn)生較長時間的本地擴(kuò)頻偽碼序列CL（n），考慮擴(kuò)頻偽碼的良好相關(guān)特性，對本地序列進(jìn)行分段，分為N段，每段長度為L，但是各個分段間的序列并非連續(xù)的，而是跳躍性的，即各個段間舍棄L/2長度的序列，其原理如圖1所示。分段后的本地序列分別記為

圖1 跳躍式擴(kuò)展重疊原理

對分段后的各段序列進(jìn)行重疊處理，過程如式（2）所示。

然后，接收序列與重疊后的本地序列進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運算:

相關(guān)運算后，對長度為L的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行峰值計算如式（4），并利用其與判決門限比較，如果小于門限則重新產(chǎn)生本地序列以及進(jìn)行上述處理，如果大于門限則表明當(dāng)前的本地序列與接收信號有相位的重回位置，因此，繼續(xù)執(zhí)行。

進(jìn)一步，接收序列分別與本地序列CL1（n）、CL2（n）、…、CLN（n）進(jìn)行循環(huán)相關(guān)運算如式（5），分別記為，其中，i的取值范圍為1~N，從而得到R1（n）、

2 仿真分析

為了驗證JSSA法的有效性及優(yōu)越性，從對比角度出發(fā)，與較為有效的SCA法和SSA法進(jìn)行比較分析，其仿真參數(shù)為:偽碼速率1.023 MHz，中頻頻率為2.046 MHz，接收信號積累10 ms，一次搜索范圍為750 ms。

首先，考慮相關(guān)峰值結(jié)果作為捕獲成功的重要指標(biāo)，其相關(guān)峰值越大則捕獲成功概率越大，而相關(guān)峰值越低則捕獲結(jié)果越模糊；此外考慮絕對峰值的高低受環(huán)境及干擾影響較大的因素，為此，設(shè)置最大峰值與平均峰值的比值作為判決捕獲方法的一項指標(biāo)。隨著SNR的變化，3種方法的峰值比（最大峰值與平均峰值的比值）變化趨勢如圖2所示。結(jié)果可見，隨著SNR的逐漸增大，3種方法的峰值比都逐漸增大，相對而言，JSSA方法的峰值比最大，而SCA方法與SSA方法的峰值比較接近，且略低于JSSA方法。從而表明JSSA方法的捕獲相關(guān)結(jié)果最優(yōu)。進(jìn)一步，從捕獲方法的偽碼估計誤差角度出發(fā)，3種方法的捕獲結(jié)果如圖3所示?？梢?，隨著信噪比（SNR）的增加，3種方法的偽碼相位估計誤差都在減小，而且3種方法在SNR＞-20 dB時都可以達(dá)到估計誤差近似為0，即3種方法的工作條件適應(yīng)性都為＞-20 dB。

圖2 捕獲峰值比結(jié)果

圖3 捕獲偽碼相位誤差結(jié)果

進(jìn)一步，考慮長周期偽碼信號捕獲的搜索范圍巨大的問題，從處理速度角度出發(fā)進(jìn)行對比分析。一次性搜索750 ms范圍條件下，3種方法的處理時間如圖4所示，可見，SCA方法的處理速度最慢，SSA方法的處理速度居中，而JSSA方法的處理速度相對最快。進(jìn)一步，當(dāng)搜索范圍擴(kuò)大至75 s時，3種方法的處理速度變化如圖5所示，可見，隨著搜索范圍的增大，3種方法的處理時間也都增加，但是相對而言，JSSA方法的處理速度明顯優(yōu)于SCA方法和SSA方法，為此，依據(jù)圖4和圖5的結(jié)果及分析，驗證了JSSA方法的捕獲速度明顯優(yōu)于其他兩種方法，而且在搜索范圍越大的條件下其搜索速度改善的越明顯。

圖4 一次搜索條件下捕獲時間結(jié)果

圖5 大搜索范圍條件下捕獲時間結(jié)果

最后，考慮捕獲概率作為衡量接收機捕獲目標(biāo)信號能力的重要依據(jù)，為此，從不同SNR角度出發(fā)，進(jìn)行信號檢測概率的對比分析。設(shè)定恒定虛警概率pfa=0.01條件下，測試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，在同等條件下JSSA方法的主相關(guān)峰的檢測概率優(yōu)于其他兩種方法。

圖6 檢測概率結(jié)果

3 結(jié)論

考慮長周期偽碼信號的近似無周期特性，當(dāng)信號發(fā)射及接收終端時鐘存在鐘差時，將出現(xiàn)時間不確定現(xiàn)象，隨著鐘差的進(jìn)一步增大將引發(fā)搜索范圍巨大的問題以及處理速度驟然降低的問題。綜合考慮搜索誤差及處理速度的問題，提出了一種JSSA方法。通過仿真分析表明，JSSA方法的峰值比最大，即捕獲性能優(yōu)于現(xiàn)有的SSA和SCA方法；其有效工作SNR為不低于-20 dB。而且，在搜索范圍較小及較大的條件下，JSSA方法的處理速度都明顯優(yōu)于SSA和SCA方法；此外，JSSA方法的檢測概率也優(yōu)于其他兩種方法。

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A Jumping Spread Superposition Acquisition Method for Long Period Pseudo Code Signals

LIU Fang，F(xiàn)ENG Yong-xin
（Communication and Network Institution of Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

With the development of Direct Sequence Spread Spectrum technology，the long period pseudo code signals emerged in order to improve the signal quality of the application system.Whereas，the synchronization problems of the search error and the processing speed are derived by the long period pseudo code.Thus，a jumping spread superposition acquisition method is proposed，through studying the signal mechanism and characteristics based on the long period pseudo code，as well as the deficiencies and limitations of existing acquisition methods.The simulation results demonstrate that the new method is better than the traditional algorithms in the acquisition performance，the processing speed and the detection probability.The research will provide the technical foundation to the efficient spread spectrum signal synchronization and system application.

spread spectrum communication，long period code，acquisition，simulation

TP391.9

A

1002-0640（2017）04-0033-03

2016-02-18

2016-04-27

國家自然科學(xué)基金（61501309）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2015M580231）

劉芳（1979-），女，黑龍江伊春人，博士，副教授，研究生導(dǎo)師。研究方向：擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星導(dǎo)航。