一种基于相干累加的并行伪码快速捕获算法

郭婧　张长革　杨刚　刘志哲　吴智杰

摘 要： 介绍了一种适于高动态、低信噪比环境下的伪码快速捕获算法。分析了相同累加点数下，相干累加和非相干累加各自的优缺点，并在此基础上对扩频增益和扫频点数量方面进行优化，进而提出一种基于时域PN码相关的分级捕获并行处理的方法。仿真结果和分析表明，该方案能在高动态环境下实现信号的快速捕获。

关键词： 扩频通信； 高动态； 信号捕获； 时域相关

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0009?03

Abstract： A pseudo?code fast?acquisition algorithm suitable for high dynamic and low SNR conditions is proposed in this paper. Based on the performance analysis of coherent and non?coherent accumulation with same cumulative length， the spread?spectrum gain and sweep points are optimized， and then a grading acquisition parallel processing method based on time?domain PN code is proposed. Simulation and analysis results indicate that the proposed method can significantly improve the performance of fast signal capture in high dynamic environment.

Keywords： spread spectrum communication； high dynamic； signal acquisition； time?domain correlation

0 引 言

伪码捕获是直接序列扩频（DS?SS）通信中的一个关键性问题。在扩频通信中，传统的伪码捕获是通过相关运算和能量检测来完成的，当相关器输出一个能量峰值且超过门限时，说明输入信号伪码相位和本地伪码相位一致。但载波多普勒频移的存在造成了输入信号载波的不确定性[1]，从而输入信号载波不能完全被剥离；带有残留载波的输入信号进入相关器，会导致相关峰急剧下降。因此，成功实现伪码捕获过程的一个必要前提是获得输入扩频信号载波的近似值，而搜索扩频信号中载波近似值的过程使得伪码捕获的难度大大增加。

本方案不同于GPS或者一般扩频测距接收机。GPS/扩频测距接收机的扩频体质通常选取长码，如10 230位，并且捕获时间通常在秒级。本方案中扩频码较短，但是多普勒动态范围大，并且要求捕获精度高。为了达到多普勒频率捕获精度，需要较长的积分时间，这与捕获时间短之间是一对矛盾体。为了处理这两者之间的矛盾，并且考虑到硬件实现的复杂度，本文提出了一种基于时域PN码相关的分级捕获并行处理的方法，将重点放在对扩频增益和扫频点数量方面的优化，进而在考虑资源时需要进行对结构上的优化设计，并且保证系统能在较短时间内完成捕获过程。

1 原理分析

1.1 伪码相关的基本原理

扩频信号的捕获原理是对伪码的相关运算，即在一定的载波频率下，对伪码进行相关累积，根据相关峰值获得捕获结果。因为对两个具有周期移位关系的序列进行相关运算，可以成功找到两个序列之间的相位差。

在无动态条件下接收的伪码和本地伪码相关函数为三角形函数，其主瓣宽为2码元。动态条件下接收的伪码和本地伪码之间存在码率偏移，相关函数不再呈三角形，而且发生了主瓣展宽、峰值移位和降低等动态效应。

1.2 低信噪比条件下的相干检测

由图1可以看出，在累加周期相同的情况下，相干累加比起非相干累加具有更好的信噪比增益，即可以用更少的周期来捕获相位。但是在非相干积分的过程中取了绝对值，使得数据跳变的存在不会对结果产生影响。

2 本系统所采用的方案

2.1 系统要求分析

本方案要实现在低信噪比、大捕获带宽的条件下对信号的快速捕获，由于不存在数据跳变，因此，采用对伪码相干累加的方式可以获得更好的增益效果。

由1.2节的分析可知，在低信噪比的条件下，需要累加多个周期的伪码来改善信噪比，但在采用相干累加方式的情况下，累加长度的增加又会造成分析带宽的变窄，而这又与大捕获带宽这一系统要求相矛盾。若考虑直接增加扫频点，假设多普勒频偏为±150 kHz，[Tc=0.1]μs，码长为127，要求捕获达到的频率分辨率为2 kHz。如果直接按2 kHz的频率间隔对输入信号进行扫频，每个扫频点作8个PN码周期的相关累积，那么需要扫描150个频点，共计时长[T=150×]12.7 μs×8=15.24 ms，这样在捕获阶段就占据了大量的时间，无法实现快速捕获。因此，应考虑进行多个通道的并行捕获，并且可以将信号的捕获分为粗捕和精捕两部分来进行[6?7] 。

2.2 总体方案结构

设计捕获方案基本结构如图3所示。

首先，在粗捕和精捕阶段，分别设计3个通道并行捕获，这样做可以减小每一部分的捕获范围，从而达到缩短捕获时间的效果。其次，粗捕阶段的目的主要是将多普勒频偏缩小到一定的范围内，因此可以采用较大的扫频间隔以及较少的累加周期。最后，在精捕阶段就要实现对捕获精度的要求，此时可以增加累加周期，从而达到所需的捕获精度。

根据前面的原理分析，分析带宽[Δf=1NTc，]即[Δf=RcNL，]其中[Rc]为码速，[L]为扩频码码长，[N]为累加的周期数。因此，确定每一部分的[Δf，]就可以确定信号捕获每一部分需要的时间，即扫频的间隔与每一个扫频点做相关的PN码周期数。

在粗捕阶段，采用较大的扫频间隔来缩短捕获时间。每一路的扫频范围为[f3，]其中[f]为多普勒频偏范围。确定频率分辨率为[Δf1，]就可以算出扫频点和累加周期数。考虑到在每一路的扫频边界点可能会存在比较误差，可以进行重叠覆盖两个频点的设计。同时，考虑A/D对每一帧信号的采样误差，在粗捕阶段，若累积的相关峰值没有通过预设门限，再对当前信号进行一次粗捕获。

当粗捕阶段累加的相关峰值超过预设门限，就进入精捕阶段，此时的频偏范围已缩小到[Δf1，]因此可以以较小的扫频间隔来获得较高的捕获精度。同样，根据系统要求捕获阶段所要达到的频率分辨率[Δf2，]就可以算出扫频点和累加周期数。当精捕获相关累加值超过门限时进入跟踪状态，小于门限时，则跳回粗捕阶段重新进行信号捕获。

3 性能仿真

仿真基于[Tc=0.1]μs，码长为127，多普勒频偏为 ±150 kHz。在粗捕阶段选取[Δf1=8]kHz，累计时间为4个伪码周期；在精捕阶段选取[Δf2=2]kHz，累积时间为16个伪码周期，噪声添加方式为加性高斯白噪声，每一个信噪比值重复仿真1 000次，统计精捕结果为误差范围内的次数。捕获概率与信噪比的关系如图4所示。

由图4可以看出，本系统所采用的方案可以完成在低信噪比条件下的信号捕获，且在信噪比为-13 dB时，捕获概率已达到99%。

4 结 语

本文讨论了伪码相关的基本原理，并分析了相干累加和非相干累加对捕获精度的影响。在没有数据跳变的情况下，相干累加比非相干累加拥有更好的扩频增益。针对高动态且相干累加导致分析带宽变窄这一点进行优化设计，将捕获过程分为粗捕和精捕两个部分，各部分以不同的频率间隔进行频率搜索。仿真结果证明，这种方法可以实现高动态、低信噪比条件下伪码的快速捕获。

参考文献

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