CCFR算法在BOC(2n,n)信號應(yīng)用中的研究

徐利國,王永明

(昆明理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)院,云南 昆明 650093)

CCFR算法在BOC(2n,n)信號應(yīng)用中的研究

徐利國,王永明

(昆明理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)院,云南 昆明 650093)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航信號的發(fā)展,BOC調(diào)制信號被廣泛應(yīng)用,然而,根據(jù)最新的研究發(fā)現(xiàn),BOC信號在同步捕獲方面還有許多新的挑戰(zhàn)。考慮到副峰抑制方面現(xiàn)有方法的不足,本文研究BOC(2n,n)信號的特征并基于多通道相關(guān)函數(shù)的連接提出CCFR算法。通過理論研究和仿真模擬,CCFR算法可以消除第一副峰并且可以抑制其它次的副峰。且副峰抑制的性能方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法。

BOC(2n,n)信號;互相關(guān)函數(shù)重構(gòu);副峰;捕獲

0 引 言

二進制偏移載波(BOC)調(diào)制是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中一種新的信號調(diào)制方式[1],其中BOC(2n,n)作為一種新的調(diào)制信號被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信[2-3]。例如,BOC(10,5)作為基帶信號被運用在美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航之中。BOC(2n,n)信號是一種新的擴頻調(diào)制方式,它將擴頻偽隨機碼與方波副載波相結(jié)合,通過將信號的頻譜從中心頻率向兩側(cè)移動來實現(xiàn)頻譜的分割。對于增加緊密帶寬資源,信號頻譜分割可以有效地提高帶寬效率。此外,BOC(2n,n)調(diào)制信號的自相關(guān)函數(shù)不具有更尖銳的自相關(guān)性能,因此它不僅在緩解多徑問題上具有更多的優(yōu)點，同時還在代碼的連續(xù)捕獲上比BPSK信號更加準(zhǔn)確。然而,相對于BPSK信號,BOC信號在增加主峰[4]尖銳時將產(chǎn)生多個峰值。這種現(xiàn)象使得捕獲副峰更容易,因此,它會影響信號的正確同步。

出于多峰的特性,一些捕獲方法已經(jīng)被提出,例如,ASPeCT[5]和RQCC捕獲算法。ASPeCT捕獲算法是通過接收到的BOC(2n,n)信號分別與本地的BOC(2n,n)信號和輔助PRN碼進行相關(guān),并對相關(guān)結(jié)果進行平方之差來達(dá)到抑制副峰的目的。RQCC將接收到的信號分別與輔助QBOC[6](正交BOC)碼和本地BOC碼進行相關(guān)卷積計算。由于QBOC代碼和BOC代碼之間的特殊關(guān)系,這種重構(gòu)算法可以抑制副峰的其余部分。然而,這兩種算法只抑制第一副峰而不能消除第一副峰。為了消除第一副峰,分析信號互相關(guān)的特性,一個新的捕獲算法被提出,稱為CCFR(Cross-correlationFunctionReconstruction)。CCFR捕獲算法不僅可以在第一時間消除第一副峰,還能達(dá)到抑制其余副峰的目的。

1 BOC信號和現(xiàn)有算法

1.1 BOC(2n,n)調(diào)制原理

BOC(2n,n)的調(diào)制信號[7]是BOC調(diào)制信號中的一種。它源于傳統(tǒng)的BPSK調(diào)制信號,通過PN碼的添加實現(xiàn)了信號頻率從中心向兩側(cè)的分裂。信號時域[8]的表達(dá)式為

s(t)=A*d(t)*c(t)*sign[sin(2πfyt)]，

(1)

式中: A為信號幅度; d(t)為傳輸數(shù)據(jù); c(t)為擴頻偽隨機碼; fy為副載波頻率。

圖1 BOC(2n,n)的頻譜

圖2 BOC(2n,n)的相關(guān)函數(shù)

1.2 現(xiàn)有的相關(guān)重構(gòu)捕獲算法

現(xiàn)有的重構(gòu)捕獲算法包括傳統(tǒng)的頻譜重構(gòu)算法以及相關(guān)重構(gòu)算法[9]。相關(guān)重構(gòu)方法則越來越受到重視,是因為它抑制了副峰值,并且與傳統(tǒng)的頻譜重構(gòu)方法相比更能保證相關(guān)性的最大值。對ASPeCT(Autocorrelation Side-Peak Cancellation Technique)和RQCC (Remove Quadratic BOC Cross-Correlation) 這兩個具有代表性的相關(guān)重構(gòu)捕獲算法進行研究。

她的身子那樣火熱，我按捺不住，又和她做了那事。瘋了一天，我累了，躺下來就不想動，別呦呦卻興致不減，把脫下來的褻褲套在我頭上，讓我聞聞是什么味兒。我嗅幾口，說是香的，她咯咯地笑，命我把褻褲掛起來。我坐起來，見身后有根剛冒出頭的竹筍，就把褻褲掛在上面。

ASPeCT相關(guān)重構(gòu)捕獲算法增加了一個本地輔助PRN碼[10]。這種算法分別需要接收BOC(2n,n)信號,與本地BOC(2n,n)信號以及PRN碼進行相關(guān)[11]。因此,一個新的相關(guān)函數(shù)可以通過采取平方之差獲得相關(guān)的結(jié)果。

RQCC重構(gòu)捕獲算法還增加了一個本地的輔助QBOC碼。這種算法將接收的信號分別與本地BOC碼和QBOC碼進行相關(guān)計算。因為每個相關(guān)峰最大值的位置正好與互相關(guān)峰值為零的位置一致,RQCC通過領(lǐng)先與滯后的互相關(guān)峰值來抑制副峰值[12]。

2 CCFR重構(gòu)算法

結(jié)合現(xiàn)有ASPeCT和RQCC捕獲算法的優(yōu)勢,提出了CCFR捕獲算法，該算法不僅消除了第一副峰也能抑制其余副峰。

在BOC(2n,n)的自相關(guān)函數(shù)中有七個相關(guān)峰值,BOC(2n,n)調(diào)制信號與本地PRN碼的互相關(guān)函數(shù)有四個相關(guān)峰值。此外,BOC調(diào)制信號與QBOC碼的互相關(guān)函數(shù)有八個峰值。有兩個特點:1)每個互相關(guān)峰最高值的位置與自相關(guān)峰值為零的位置重合;2)相關(guān)峰的寬度用來消除、抑制副峰的領(lǐng)先與滯后。BOC信號的自相關(guān)函數(shù)：

(2)

BOC信號和PRN碼的互相關(guān)函數(shù)：

(3)

BOC信號和GBOC碼的互相關(guān)函數(shù)：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

借鑒ASPeCT方法在副峰值抑制的能力,由式(7)和式(10)，CCFR捕獲算法不僅消除了BOC(2n,n)的主峰也抑制BOC(2n,n)副峰值的其余部分。與此同時,基于快速傅里葉變換(FFT)[13],可以進行仿真實現(xiàn)CCFR的相關(guān)重構(gòu)捕獲,CCFR的相關(guān)重構(gòu)函數(shù)為

(11)

3 算法仿真與測試

3.1 算法的有效性

對于ASPeCT,RQCC 和CCFR捕獲算法可以進行軟件仿真。仿真結(jié)果如圖3所示,CCFR捕獲算法不僅消除了第一副峰,也抑制了副峰的其余部分。而RQCC捕獲算法雖然很大程度上抑制了第一副峰,但是不能完全消除它。與此同時,ASPeCT的捕獲算法對于第一副峰的抑制能力是三種方法中相對較差的。

3.2 算法捕獲能力

基于MATLAB仿真平臺,在擁有不同信噪比的AGWN信道條件下,分析了各個算法實際的識別能力。在本文中,調(diào)制信號是BOC(10,5)和BOC(8,4)這兩種信號,其中中心頻率為40.92 MHz,采樣頻率為4×40.92 MHz,信噪比從-20 dB到14 dB.在這些參數(shù)下,可以得到相關(guān)的捕獲結(jié)果。BOC(8, 4)主峰平均值和BOC(10, 5)主峰平均值如圖4和圖5所示。BOC(8, 4)主峰和第一副峰的比值由圖6示出。BOC(10, 5)主峰和第一副峰的比值如圖7所示。

圖3 BOC(2n,n)捕獲算法的結(jié)果

圖4 BOC(8,4)的主峰平均值

圖5 BOC(10,5)的主峰平均值

圖6 BOC(8,4)在主峰和第一副峰的比值

圖7 BOC(10,5)在主峰和第一副峰的比值

由圖4和圖5所示,在AWGN信道上CCFR捕獲算法主峰平均值比ASPeCT算法高但是低于RQCC算法。由圖6和圖7所示,隨著信噪比的增加,主峰和第一副峰比值也在增加,CCFR算法比值是高于RQCC算法和ASPeCT算法。

4 結(jié)束語

在研究RQCC和ASPeCT捕獲算法優(yōu)缺點的同時,CCFR捕獲算法的提出可以彌補現(xiàn)有捕獲算法的不足。通過設(shè)置參數(shù):中心頻率為40.92 MHz,采樣頻率為4×40.92 MHz,信噪比從-20 dB增加到14 dB,在MATLAB仿真平臺上使用算法捕獲BOC(10,5)和BOC(8, 4)的信號。仿真結(jié)果表明,改進的CCFR捕獲算法在副峰抑制性能方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法,在基于消除第一副峰的前提下,CCFR捕獲算法在抑制其余副峰的性能也是顯而易見的。

[1] 張怡, 張西凱, 陳利民. 基于二進制偏移載波(BOC)調(diào)制方式的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2011, 31(1):181-184.

[2] 陳翔, 齊家敏, 陳佳品. 一種BOC(n,n)信號的新型精確同步方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(6):1268-1271.

[3] 孫昊婧, 胡肖傳, 張孟陽. BOC(2n,n)信號同步方法研究[J]. 飛行器測控學(xué)報, 2009, 28(4):85-89.

[4] 符強, 王華俊, 紀(jì)元法,等. BOC信號無模糊捕獲方法研究進展[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2013, 41(2):101-106+116.

[5] 孫剛, 鄧中亮, 楊磊,等. 基于重構(gòu)相關(guān)函數(shù)的BOC(2n,n)ASPeCT捕獲方法[C]// 中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子. 2011.

[6] 劉瀛翔, 唐小妹, 王飛雪. 基于QBOC碼的BOC信號碼跟蹤環(huán)路的性能分析[C]// 全球定位系統(tǒng)學(xué)術(shù)研討會. 2009:20-24.

[7] 楊力, 潘成勝, 薄煜明. GPSM碼信號的產(chǎn)生與特性分析[J]. 火力與指揮控制, 2009, 34(3):30-32.

[8] 陳適, 張?zhí)祢U, 周圣,等. 一種新的BOC(n,n)型信號的精確捕獲算法[J]. 計算機應(yīng)用研究, 2013, 30(3):672-675.

[9] 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(shù)應(yīng)用, 2013, 39(12):122-125.

[10]朱銀兵, 李豹, 劉睿. BOC信號改進碼相位捕獲算法研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2015, 40(3):406-411.

[11]徐定杰, 韓浩, 沈鋒,等. 一種新的BOC(15,2.5)調(diào)制信號同步方法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2014, 40(10):113-116.

[12]楚恒林, 李春霞. BOC調(diào)制導(dǎo)航信號關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 無線電工程, 2010, 40(6):34-37.

[13]胡修林, 周艷玲, 唐祖平. 導(dǎo)航信號的BOC調(diào)制方式[J]. 無線電工程, 2007, 37(3):31-33.

Research on BOC(2n,n) Signal Based on Improved CCFR Algorithm

XU Liguo,WANG Yongming

(FacultyofManagementandEconomy,KunmingUniversityofscienceandTechnology,Kunming650093,China)

With the development of satellite navigation signals, BOC modulation signals are widely used, however, according to the latest researches, BOC signals have faced new challenges in the synchronization acquisition.Considering the drawbacks of existing methods in side peaks suppression, researching the characters of BOC (2n,n) and putting forward CCFR(Cross-correlation Function Reconstruction) base on the connection of multi-channel correlation function. Through theoretical study and simulation, CCFR algorithm can eliminate the first side peaks and may inhibit other sub-peak times. In addition, the performance of side peaks suppression is superior to existing algorithms.

BOC(2n,n) signal; ccfr; side peaks; acquisition

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.006

2017-02-06

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0027-05

徐利國 (1989-),男, 碩士研究生,主要研究方向為計算機科學(xué)與智能物流、信號與RFID射頻識別技術(shù)。

王永明 (1976-), 男, 博士,教授,主要研究方向為供應(yīng)鏈管理、計算機信息管理、計算機科學(xué)等。

聯(lián)系人: 徐利國E-mail:408531321@qq.com