基于載波頻譜分析的并行捕獲算法研究

63762部隊 李金光 李永彬 劉 浩 楊彥偉

擴頻技術具有抗干擾能力強、隱蔽性好、可實現碼分多址以及高精度測距等優點，在軍事和民用通信中得到越來越廣泛的應用[1]。在高動態環境下，要求測控系統具有快速反應的能力，因此縮短偽碼相位搜索階段的捕獲時間便意味著系統性能的提高[2]。基于FFT的偽碼頻域捕獲技術在滿足偽碼快速捕獲和減少硬件資源消耗的情況下，大大降低了對硬件性能的要求，系統性能要相對較穩。

本文在深入分析基于FFT的載波并行碼串行捕獲原理[3]的基礎上，提出了一種基于FFT的擴頻測控信號偽碼捕獲的改進方法。通過對改進方法進行仿真驗證，結果表明，改進方法不僅能夠有效抵消信息數據跳變的影響，而且通過插值方法大幅度提高了多普勒頻率的估計精度。

1.基于FFT的載波并行碼串行捕獲算法

接收信號經過下變頻，與本地偽碼相乘，通過本地碼的逐點滑動達到碼對齊，在這一條件下，只要多普勒信息存在，對其做FFT譜分析，就能夠得到多普勒頻率值，這種FFT的算法從頻域的角度實現了載波并行偽碼串行的一維搜索過程。

利用輸出信號累加結果做FFT變換，對變換后的頻譜進行分析，得出多普勒頻率值。通過偽碼串行滑動進行碼相位搜索，如果對應某一碼相位頻譜有峰值出現，而且峰值達到了門限值，則認為本地偽碼與接收偽碼相位對齊，該峰值對應的頻率就是多普勒頻率值。

2.改進的載波并行碼串行捕獲算法

通過第1節分析可知，基于載波頻率分析的載波并行捕獲算法在無多普勒預報的情況下可以充分發揮其頻率搜索優勢，實現偽碼和載波的雙重捕獲，但存在測控數據跳變影響得頻率估計誤差較大，因此需要對基于載波頻譜分析的載波并行捕獲算法進行改進。實現框圖如1所示。

2.1 三角函數變換抵消信息數據跳變影響

可以利用三角函數變換將相干積累與非相干積累相結合的方法可以降低數據跳變的影響，并且有效提高了系統的處理增益。設接收機收到信號通過對兩路解析信號進行頻譜分析，可以的估計出Δfd的位置。

2.2 三點二次插值法輔助載波頻率估計

在捕獲中頻率估計越精確，后期跟蹤鎖相環的快捕帶就可以設計得越窄，其目標速度值就估計越準確。由于各種條件的限制，通過改進FFT算法來細化頻率分辨率比較困難。本文通過對N點FFT運算后的數據利用數學原理中的三點二次插值法進行處理，可以進一步提高頻率估計精度。通過對FFT頻點的二次擬合，從而可以較好的實現對多普勒頻率的估計。

圖1 FFT載波頻率估計算法原理框圖

3.仿真結果與性能分析

圖2 在有數據跳變情況下，兩種算法頻率估計示意圖

（1）數據跳變影響仿真分析

設中頻載波為70MHz，碼長L =1023位，偽碼速率為10.23Mchip/s，采樣率為56MHz，經下變頻低通濾波后2倍抽取，單點累加80個采樣點后作2048點FFT，頻率分辨率342Hz，動態頻率估計范圍±180kHz。假設接收信號的多普勒頻偏設為75.5kHz，一個偽碼周期調制一個比特數據（見圖2）。

可以明顯看出，在有高信息速率的條件下，傳統載波頻率估計算法存在頻率估計不準確，旁瓣較高的問題。而經過三角函數變換后的載波估計方法，不受數據跳變的影響，可以長時間數據積累以增加頻率估計精度，可以應用于擴頻測控捕獲系統。

（2）載波頻率估計仿真分析

1.對動態頻率誤差估計。仿真條件：預設多普勒頻率為133kHz，預設輸入信號多普勒頻率變化范圍為130kHz ～135kHz，步長為100Hz，載噪比為50dBHz，FFT輸出的基頻為2187.5Hz（見圖3）。

圖3 有無插值法頻率輔助下的頻率誤差

圖4 不同載噪比下有無插值法頻率輔助下的頻率誤差

可知，只依靠FFT對頻率直接估計，隨著多普勒頻率的變化呈階躍性質，且估頻誤差相對較大；通過二次項方程擬合曲線所得到的測頻誤差相對較為平滑，且估計誤差相對較小。

2.對捕獲精度的影響。仿真條件：偽碼速率10.23Mchip/s，多普勒頻率為150kHz。在每個載噪比條件下，仿真1000次，統計誤差（見圖4）。

經過大量統計量仿真測試，發現在高信噪比條件下，三點二次插值法頻率估計誤差約為原FFT估計誤差的1/16，在低信噪比條件下，二次插值法誤差仍能達到原估計誤差的1/2。

4.結束語

本文簡要的介紹了航天測控系統中基于FFT的載波并行碼串行捕獲算法，并對測控數據跳變影響得頻率估計的影響進行了仿真分析。針對此問題，提出了一種改進的載波并行碼串行捕獲算法，理論分析和仿真結果表明，采用三角函數變換和插值的方法能夠有效的抵消信息數據跳變影響，進一步提高頻率估計精度，對實際工程應用具有很好的借鑒意義。

[1]沈允春.擴頻技術[M].北京:國防工業出版社,1995:238-251.

[2]程乃平,任宇飛,呂金飛.高動態擴頻信號的載波跟蹤技術研究[J].電子學報,2003,31(12A).

[3]汪小潔.擴頻測控信號軟件化處理算法研究[D].北京:裝備指揮技術學院,2007.

[4]SASCHAM.An FFT-Based approach for fast acquisition in spread spectrum communication Systems[J].Wireless Per2sonal Communicatio ns,2000,13(4):102-105.