基于PMF-FFT的擴頻信號多通道并行捕獲

方 科

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

作為擴頻測控通信系統中的關鍵技術，擴頻信號的捕獲包括接收信號載波頻率捕獲和偽碼相位捕獲兩方面內容。一般而言，載波捕獲的輸出結果即本地信號載波頻率與接收信號載波頻率之差小于1 kHz，而偽碼捕獲的輸出結果即本地信號偽碼相位與接收信號偽碼相位之差小于1 chip[1]。本文主要研究基于PMF-FFT的頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲和時域（偽碼分區）多通道并行捕獲，以適應不同的應用需求環境對擴頻信號捕獲實現方法和策略的選擇。

1 基于PMF-FFT的捕獲原理

基于PMF-FFT的捕獲過程如圖1所示，利用本地載波NCO混頻將ADC進來的數字中頻數據下變頻到基帶，同本地擴頻偽碼一起送入部分匹配濾波器[2]，當接收信號的偽碼和本地偽碼相位對齊時，部分匹配濾波器輸出結果是頻率值為收發雙方頻差的復正弦信號ej2πfdt，且短時固定，此固定頻率即為載波多普勒頻率fd。將匹配濾波器組輸出的部分相關值送入FFT模塊進行功率譜分析，等效于將擴頻信號的捕獲轉化為對單頻正弦波信號的周期圖估計及檢測。由于一個固定頻率的正、余弦信號在頻譜圖上是一條單一的譜線，而高斯白噪聲含有所有的頻率，其FFT變換后是無限寬的頻譜。因此對該復正弦信號進行最大似然概率最優檢測[3]，檢測出是否含有該頻率成分。若含有該頻率成分，則收發雙方碼相位對準，實現碼捕獲，并計算出多普勒頻率；若不含該頻率成分，則收發雙方碼相位未對準，從而將原來的頻率、相位的二位搜索變成一維的搜索過程，大大減少了捕獲時間。

圖1 PMF-FFT捕獲原理

文獻[4]給出了 PMF-FFT 的幅頻響應為:

式中，M是偽碼長度，對每X chip做部分相關，相關積分后原來M chip的數據降為P點，X =M/P，N表示對P點數據做N點FFT。多普勒頻偏fd對部分相關運算和FFT運算兩個過程都有影響。部分相關點數與多普勒頻偏造成的相關損失成同比關系，相關器的規模越大，做FFT 運算的點數越少，但同時相應的相關損失也越厲害。如果要使算法覆蓋的多普勒頻偏范圍更大，需要減小X；如果要減小FFT的點數，節省硬件資源，就要增大 X，這是互相矛盾的。實際應用中，應根據待處理的多普勒頻偏范圍以及處理器的運算能力合理選擇相關器規模 X和FFT運算點數 N。

2 基于PMF-FFT的多通道并行捕獲

捕獲的并行性體現在[5]:對同一段接收信號采樣數據，分別同時送給多個通道的通道處理模塊。每個通道處理模塊除了本地預置頻率、多普勒頻偏補償等參數不同，其處理過程都完全相同。多通道譜峰判決模塊接收所有并行通道各自的最大相關峰值，從中選出最大峰值，并將該最大峰值對應通道所估計的偽碼相位和多普勒頻率作為最終搜索結果。

2.1 頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲

頻率分槽的基本思路有:根據多普勒頻偏的最大范圍和單個頻率槽最大分辨帶寬，把捕獲的頻域搜索范圍平均分為若干頻率區間，各中心頻率點設為fn(n=1,2,…,G)，如圖2所示。單個頻率槽最大分辨帶寬受部分相關點數限制[6]。

圖2 頻率區間劃分示意

基于PMF-FFT的頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲結構如圖3所示，捕獲過程如下:

1）按照事先的頻率區間劃分，利用本地 NCO將中頻輸入信號下變頻到各自的頻率槽中心位置。

2）利用低通濾波器去除正交下變頻后信號的帶外噪聲，然后對濾波后的信號進行降采樣率處理并存儲。

3）本地產生一個偽碼長度周期的偽碼序列并存儲。

4）讀取事先存儲的降采樣后數據和本地產生的PN碼同時送入PMF模塊，對計算得到的相關結果重新組合做FFT，記錄各組FFT 結果的最大模值。

5）各頻率槽通道的FFT最大模值送給多通道譜峰判決模塊，從所有并行通道各自的最大相關峰值中選出最大峰值，并將該最大峰值對應通道所估計的偽碼相位和多普勒頻率做為最終搜索結果。

通過采用頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲，可以在高動態環境下快速獲取多普勒頻移信息，以達到縮短捕獲時間的目的[7]。

圖3 頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲結構

2.2 時域（偽碼分區）多通道并行捕獲

偽碼分區的基本思路如下:部分匹配濾波每次只能對一小段的偽碼長度做相關運算，因此為了提高捕獲速度，可以將長度為L的偽碼平均分為若干偽碼子區間，將各個偽碼子區間視為不同的捕獲通道，并行對接收信號進行 PMF-FFT處理。如圖 4所示。

圖4 偽碼分區劃分示意

基于PMF-FFT的時域（偽碼分區）多通道并行捕獲結構如圖5所示，捕獲過程如下:

1）按照事先的偽碼區間劃分，本地產生各個區間對應不同起始相位的偽碼序列并存儲。

2）利用本地NCO將中頻輸入信號下變頻到頻率槽中心位置，經過低通濾波濾去帶外噪聲，然后對濾波后的信號進行降采樣率處理并存儲。

3）讀取降采樣后的數據和不同通道對應的本地PN碼送入PMF模塊，對計算得到的相關結果重新組合做FFT，記錄各組FFT 結果的最大模值。

4）各頻率槽通道的FFT最大模值送給多通道譜峰判決模塊，從所有并行通道各自的最大相關峰值中選出最大峰值，并將該最大峰值對應通道所估計的偽碼相位和多普勒頻率作為最終搜索結果。

通過采用時域（偽碼分區）多通道并行捕獲，可以在低動態環境下快速獲取偽碼相位信息，以達到縮短捕獲時間的目的。

圖5 時域（偽碼分區）多通道并行捕獲結構

3 結語

PMF-FFT算法由于其部分匹配濾波器長度和FFT點數可根據技術指標要求調整，為捕獲性能和復雜性二者之間提高很好的彈性選擇，因此在擴頻信號捕獲中得到越來越多的應用。基于PMF-FFT的頻域（頻率分槽）多通道并行捕獲可捕獲較大范圍的載波多普勒頻偏和較高的多普勒頻率變化率，可用于載體高速、高加速度飛行等高動態環境下的測控領域；而基于PMF-FFT的時域（偽碼分區）多通道并行捕獲可快速捕獲偽碼相位，可用于短時突發擴頻通信、高精度時延測量等領域。

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[2]劉艷華,趙剛.基于PMF-FFT的PN碼捕獲方法及性能[J].通信技術,2009,42(01):24-26.

[3]陳穎.最優長周期擴頻碼快速捕獲理論[C].成都:中國電子科技集團公司第十研究所,2006:148-153.

[4]杜常林.高動態環境中多進制擴頻系統基帶同步技術研究[D].成都:電子科技大學,2008.

[5]皮世杰,黃登山,龔誠.部分匹配濾波器在高動態衛導信號快捕的應用[J].通信技術,2008,41(01):6-8.

[6]潘軍,李玉柏,王雷.并行數字相關器的FPGA實現[J].通信技術,2010,43(07):225-227.

[7]班華福,王世練,朱江.大多普勒下基于FFT偽碼捕獲技術研究[J].通信技術,2011,44(08):36-38.

[8]楚君,王紫湘.一種基于混沌的新型擴頻盲水印算法研究[J].信息安全與通信保密,2009(09):74-76.