低軌衛星直擴系統全并行捕獲算法的優化設計方案研究

張情怡 余考 陜西陸軍預備役步兵第141師

1.引言

在低軌衛星通信體制中，常采用直接序列系統（DSSS），以達到抗干擾能力強、截獲概率低、多址能力強、抗多徑和保密性好等目的。低軌衛星直擴系統的捕獲包含兩方面內容，一是捕獲擴頻信號的載頻，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；二是捕獲擴頻信號的碼起點，完成符號的粗同步，即將發送端PN碼與本地產生的PN碼對齊。

在低軌衛星通信中，收發雙方相對運動速度很大，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信號極性發生翻轉，在碼捕獲時，大大降低信號的相關峰，影響接收效果。噪聲及干擾是每個通信系統普遍存在的，它們會降低碼捕獲系統的檢測概率，甚至導致通信中斷，而且直擴系統往往工作在信噪比很低的環境下，當直擴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，使得利用直擴系統傳輸衛星電臺與地面電臺之間的數據和圖像等信息時，能夠克服大多普勒頻偏以及低信噪比對擴頻碼捕獲性能的影響。

2.全并行捕獲算法的優化設計方案

時頻域全并行捕獲算法實際上包含時頻域相關、非相關累積判決兩個主要部分。其中，時頻域相關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、大多普勒頻偏環境下的低速率直擴系統捕獲的優化結構。

2.1 應對大頻偏的優化設計方案

根據低符號速率及FPGA“速度換資源”的處理特點，可將并行的N路預補償載波信號通過并串轉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級延遲則擴展為S×L×N級延遲，同時新DMF處理時鐘速率變為原來的N倍。

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

上述改進的處理結構實現頻率預補償和時域匹配相關進行擴頻信號捕獲時，實際上是在一個chip內的每個采樣點上進行了相位預校正，這樣做可以做到“頻偏無關”。即()范圍內的頻偏對解擴的影響等同于（）內頻偏的影響，該方法本質是時域匹配相關法。

2.2 應對低信噪比的優化設計方案

在低軌衛星應用背景下，解擴后符號信噪比很小，即使在無頻偏損失的情況下，DMF輸出也很難確定相關峰所在位置。而且低軌衛星一般工作在高動態環境下，相干峰位置更加模糊，只利用一個符號很難準確在時域和頻域進行捕獲。

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

如果對I、Q兩路匹配濾波器的結果進行平方和運算，這樣一個碼元共有SSR個計算結果，對多個碼元（設為M個碼元）對應相位的運算結果進行累加，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個累加結果，依此類推。

由于在m=k?SSR時刻，匹配濾波器輸出為解擴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，經過多個平方和累加后，相關峰越迭越高，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(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，疊加后的結果中極大值所對應時刻就可以找出相關峰所在的位置，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序列碼周期時間段的相關的結果疊加，就可以在噪聲中找到相關峰，并且累加的碼元越多，相關峰越明顯。

2.3 全并行捕獲算法的優化設計方案

綜合上述兩種應對大頻偏和低信噪比的設計方案，可以得出高動態環境下低軌衛星直擴系統的優化捕獲方案：

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

（2）符號累積。對每路信號在對應的位置上分別進行M個碼元的累積。

（3）比較排序。當累積夠M個符號時，將N個通道的峰值進行比較，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進行比對，如果最大值小于門限系數，捕獲失敗；如果最大值大于門限系數，則捕獲成功，縮小搜索范圍。

3.結束語

本文重點研究了直接擴頻系統全并行搜索捕獲算法，并在此算法基礎上進行了改進，應對大頻偏，采用多通道預補償的方案；應對低信噪比，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化設計方案。最后結合虛警概率和漏檢概率對改進的二維全并行搜索捕獲算法進行了仿真驗證，得出該算法能夠快速捕獲偽碼，滿足接收信號的要求。