低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計方案研究

張情怡 余考

【摘要】：文章分析了低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)全并行捕獲算法存在的問題，并在此算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)對大頻偏，采用多通道預(yù)補(bǔ)償?shù)姆桨福粦?yīng)對低信噪比，采用累加碼元的方案，通過兩種方案的綜合提出全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】：低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng) 捕獲算法 多通道預(yù)補(bǔ)償

1.引言

在低軌衛(wèi)星通信體制中，常采用直接序列系統(tǒng)（DSSS）， 以達(dá)到抗干擾能力強(qiáng)、截獲概率低、多址能力強(qiáng)、抗多徑和保密性好等目的。低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)的捕獲包含兩方面內(nèi)容，一是捕獲擴(kuò)頻信號的載頻，完成頻率的粗同步，將幾十kHz的多普勒偏移鎖定于幾十Hz的范圍內(nèi)；二是捕獲擴(kuò)頻信號的碼起點，完成符號的粗同步，即將發(fā)送端PN碼與本地產(chǎn)生的PN碼對齊。

在低軌衛(wèi)星通信中，收發(fā)雙方相對運(yùn)動速度很大，接收信號中存在不斷變化的多普勒頻率偏移，這是影響捕獲碼的檢測概率的一個重要因素。載波的頻偏會使接收到的直擴(kuò)信號極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在碼捕獲時，大大降低信號的相關(guān)峰，影響接收效果。噪聲及干擾是每個通信系統(tǒng)普遍存在的，它們會降低碼捕獲系統(tǒng)的檢測概率，甚至導(dǎo)致通信中斷，而且直擴(kuò)系統(tǒng)往往工作在信噪比很低的環(huán)境下，當(dāng)直擴(kuò)信號通過衰落信道時，接收信號會引入衰落因子，這會造成信號幅度及相位的失真，并影響捕獲性能。

所以，需要研究一種新的捕獲方法，使得利用直擴(kuò)系統(tǒng)傳輸衛(wèi)星電臺與地面電臺之間的數(shù)據(jù)和圖像等信息時，能夠克服大多普勒頻偏以及低信噪比對擴(kuò)頻碼捕獲性能的影響。

2.全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計方案

時頻域全并行捕獲算法實際上包含時頻域相關(guān)、非相關(guān)累積判決兩個主要部分。其中，時頻域相關(guān)是整個算法中計算量最大的部分，本文給出一種適合在低信噪比、大多普勒頻偏環(huán)境下的低速率直擴(kuò)系統(tǒng)捕獲的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.1應(yīng)對大頻偏的優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)低符號速率及FPGA“速度換資源”的處理特點，可將并行的N路預(yù)補(bǔ)償載波信號通過并串轉(zhuǎn)換模塊合成一路載波，同時將N路DMF（DMF（1）、DMF（2）、…DMF（N））合成一路。合成一路后的新DMF中S×L級延遲則擴(kuò)展為S×L×N級延遲，同時新DMF處理時鐘速率變?yōu)樵瓉淼腘倍。

頻域相關(guān)捕獲通常是在頻域搜索到頻偏，將時域的相先進(jìn)乘轉(zhuǎn)換為頻域的相關(guān)，以此來補(bǔ)償多普勒頻偏。但是，根據(jù)離散傅里葉變換（DFT）的頻率移位定理，可以先補(bǔ)償多普勒頻偏，再與本地偽碼共軛序列乘，也可以得到相關(guān)序列。

上述改進(jìn)的處理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)頻率預(yù)補(bǔ)償和時域匹配相關(guān)進(jìn)行擴(kuò)頻信號捕獲時，實際上是在一個chip內(nèi)的每個采樣點上進(jìn)行了相位預(yù)校正，這樣做可以做到“頻偏無關(guān)”。即（）范圍內(nèi)的頻偏對解擴(kuò)的影響等同于（）內(nèi)頻偏的影響，該方法本質(zhì)是時域匹配相關(guān)法。

2.2應(yīng)對低信噪比的優(yōu)化設(shè)計方案

在低軌衛(wèi)星應(yīng)用背景下，解擴(kuò)后符號信噪比很小，即使在無頻偏損失的情況下，DMF輸出也很難確定相關(guān)峰所在位置。而且低軌衛(wèi)星一般工作在高動態(tài)環(huán)境下，相干峰位置更加模糊，只利用一個符號很難準(zhǔn)確在時域和頻域進(jìn)行捕獲。

在一次捕獲運(yùn)算中，本地偽碼相位與接收碼之間的相位差是固定的，即相關(guān)峰位置固定不變。同時，由于白噪聲的隨機(jī)性，基底噪聲可近似為相互獨立，所以可以把連續(xù)多個偽碼周期時間段的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行累加，只要累加的碼元數(shù)目足夠，相關(guān)峰的累積高度就將遠(yuǎn)高于基底噪聲的累積高度，降低基底噪聲對相關(guān)峰的影響，獲得信噪比的提升。

如果對I、Q兩路匹配濾波器的結(jié)果進(jìn)行平方和運(yùn)算，這樣一個碼元共有SSR個計算結(jié)果，對多個碼元（設(shè)為M個碼元）對應(yīng)相位的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行累加，即第1個、第2個……第M個碼元的第1個采樣點的平方和累加后得到第1個累加結(jié)果，第1個、第2個……第M個碼元第2個采樣點的平方和累加后得到第2個累加結(jié)果，依此類推。

由于在m=k·SSR時刻，匹配濾波器輸出為解擴(kuò)后的基帶信號與噪聲的疊加，而在其它時刻匹配濾波器輸出僅為噪聲，經(jīng)過多個平方和累加后，相關(guān)峰越迭越高，而多個噪聲信號平方和疊加后趨近于一個均值。這樣累加值A(chǔ)（mTC）在m=k·SSR時刻大于在m=k·SSR+1，k·SSR+2∧k·SSR（SSR-1）時刻的值，即相關(guān)峰與噪聲之和的平方累加值大于一個碼元中所有其它噪聲采樣的平方累加值，疊加后的結(jié)果中極大值所對應(yīng)時刻就可以找出相關(guān)峰所在的位置，即捕獲到輸入信號的PN碼相位。

由于白噪聲的隨機(jī)性，信道中的噪聲可以看成相互獨立的，因此如果把多個偽隨機(jī)序列碼周期時間段的相關(guān)的結(jié)果疊加，就可以在噪聲中找到相關(guān)峰，并且累加的碼元越多，相關(guān)峰越明顯。

2.3全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計方案

綜合上述兩種應(yīng)對大頻偏和低信噪比的設(shè)計方案，可以得出高動態(tài)環(huán)境下低軌衛(wèi)星直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)化捕獲方案：

（1）串并轉(zhuǎn)換。即把匹配濾波器輸出后過平方和運(yùn)算后包含多通道信號的樣點值串并轉(zhuǎn)換。

（2）符號累積。對每路信號在對應(yīng)的位置上分別進(jìn)行M個碼元的累積。

（3）比較排序。當(dāng)累積夠M個符號時，將N個通道的峰值進(jìn)行比較，記住最大值及其所在的通道編號。

（4）捕獲判決。將上步得到的最大值與門限系數(shù)進(jìn)行比對，如果最大值小于門限系數(shù)，捕獲失敗；如果最大值大于門限系數(shù)，則捕獲成功，縮小搜索范圍。

3.結(jié)束語

本文重點研究了直接擴(kuò)頻系統(tǒng)全并行搜索捕獲算法，并在此算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)對大頻偏，采用多通道預(yù)補(bǔ)償?shù)姆桨福粦?yīng)對低信噪比，采用累加的方案，兩種方案的綜合就是本文所提出的對全并行捕獲算法的優(yōu)化設(shè)計方案。最后結(jié)合虛警概率和漏檢概率對改進(jìn)的二維全并行搜索捕獲算法進(jìn)行了仿真驗證，得出該算法能夠快速捕獲偽碼，滿足接收信號的要求。

【參考文獻(xiàn)】：

【1】帥濤，任前義，劉會杰，梁旭文，楊根慶.低軌衛(wèi)星擴(kuò)頻系統(tǒng)中的PN碼混合并行捕獲技術(shù)研究[J]. 通信學(xué)報.2007年10期.

作者簡介：

張情怡，女，陜西陸軍預(yù)備役步兵第141師；

余考，男，陜西陸軍預(yù)備役步兵第141師。