獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以注釋和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果：也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均己在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 本人簽名：擒整日期：絲! z ：堡絲 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文：學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕?部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。( 保密的論文在解 密后遵守此規(guī)定 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：墨翌! ：生：型 日期：2 2 2 l ：筮 鏇 摘要 摘要 本論文課題來(lái)源于工程中要求對(duì)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)載波頻率進(jìn)行精確測(cè) 量的客觀需求。論文的目的是利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，研究一種全數(shù)字化的 解擴(kuò)及載波頻率測(cè)量方法，并利用該方法研制一套頻率測(cè)量及校正系統(tǒng)，以 滿足工程需要。 針對(duì)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，本論文提出了利用多假設(shè)并行匹配濾波法實(shí)現(xiàn) 解擴(kuò)，利用最1 , - - 乘法進(jìn)行頻率估計(jì)的方法。本論文運(yùn)用通信原理、信號(hào)檢 測(cè)及估計(jì)理論以及信號(hào)與系統(tǒng)和隨機(jī)信號(hào)處理等理論對(duì)該方法的性能進(jìn)行了 深入的分析，給出了理想情況下的性能曲線。 通過(guò)對(duì)該方法靈活運(yùn)用，本文用較少的代價(jià)完成了頻率測(cè)量及校正系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。 測(cè)試結(jié)果表明，該方法具有偽碼捕獲速度快，跟蹤精度高，頻率測(cè)量準(zhǔn) 確等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻，解擴(kuò)，頻率測(cè)量 a b s u a c t a b s t r a c t t h et o p i co f t h i sp a p e rc o m e sf r o mt h en e e do f p r i c i s ec a r r i e rf r e q u e n c em e a s u r i n go f d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u ms i g n a l ，i t sp u r p o s ei st od e v e l o pa na l ld i g i t a lm e t h o dt h a t c a l l c o m p i i s hd e s p r e a d i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c ym e a s u r i n gb yt h ea s eo fm o d e r ns i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dt om a n u f a c t u r eas e to ff r e q u e n c em e a s u r i n ga n dc o r r e c t i n gs y s t e m t of i tt h ep r o j e c td e m a n d ， a i m i n ga tt h ed i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u ms i g n a l ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p r o a c h o f m u l t i - a s s u m p t i o na n dm a t c h f i l t e r i n gw i t ht h el e a s ts q u a r et h e o r yt oe s t i m a t et h ef r e q u e n c y i n t h i sp a p e r , w ea n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo fo u ra p p r o a c hw i t ht h e o r e t i c a lm e t h o di n c o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e s , s i g n a ld e t e c t i o na n de s t i m a t i o na n dp s e u d os i g n a lp r o c e s s i n g ；a n d f i n a l l yw eo f f e r e dt h ei d e a p e r f o r m a n c ec u l w e i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h ef r e q u e n c y m e a s u r e m e n ta n dc o r r e c t i n gs y s t e mc a nb ea c h i e v e d 、們t 1l e s sc o s t a n di ta l s oo f f e r e dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c et e s t t h et e s t i n gr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em o t h o dc a l lc a p t u r et h e p s e u d o c o d ea tal a s t s p e e d ，t r a c ti ti np r e c i s i o n , a n dc a ng e tt h ee x a c tv a l u eo ff r e q u e n c y ：s ot h em e t h o dh a v ea w i d eu t i l i z i n ga r e a k e y w o r d s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d e s p r e a d ，f r e q u e n c ym e a s u r i n g 第一章緒論 第一章緒論 “北斗一號(hào)”是我國(guó)自主研制和建設(shè)的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它主要由 衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制中心、校頻系統(tǒng)和廣大定位用戶機(jī)組成。系統(tǒng)采用直接序列 擴(kuò)頻技術(shù)，通過(guò)出、入站無(wú)線鏈路，實(shí)現(xiàn)精密測(cè)距和導(dǎo)航電文的多址傳輸。本人 有幸參加了地面控制中心信號(hào)收發(fā)分系統(tǒng)的研制，并結(jié)合研究生課題，就其中的 一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)一一出站信號(hào)載波頻率校正問(wèn)題作了比較系統(tǒng)和深入的研究。 “北斗一號(hào)”服務(wù)的主要對(duì)象是為數(shù)眾多的需要定位的用戶機(jī)。地面控制中 心廣播的出站信號(hào)經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)用戶機(jī)。由于衛(wèi)星位于同步軌道，并受衛(wèi) 星轉(zhuǎn)發(fā)器功率所限，所以到達(dá)用戶機(jī)的信號(hào)十分微弱。另外，因衛(wèi)星本振頻率的 漂移和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒效應(yīng)，信號(hào)的中心頻率偏離標(biāo)稱頻率的數(shù)值比較可 觀。為降低用戶接收機(jī)的制作難度，系統(tǒng)專門設(shè)置校頻系統(tǒng)，使用戶機(jī)所收信號(hào) 的頻偏不致太大。 校頻系統(tǒng)象用戶機(jī)那樣接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的出站信號(hào)，測(cè)量其載波頻率，并與標(biāo) 稱頻率比較，得到頻差信息，傳遞給地面控制中心發(fā)射鏈路，使之做相應(yīng)的補(bǔ)償， 抵消這部分偏差，從而與衛(wèi)星一起構(gòu)成天地之間的大回路校頻環(huán)。 校頻系統(tǒng)面臨的是直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，本身不含載波分量，傳統(tǒng)的用非線性 辦法得到載波分量并按鎖相環(huán)技術(shù)測(cè)量載波頻率的方法，因在信號(hào)去擴(kuò)頻之前 載噪比極差，很難用環(huán)路提取其載波分量，因此必須采取別的途徑去解決此問(wèn)題。 基本思路是先去擴(kuò)頻，獲得擴(kuò)頻增益，提高信噪比，然后就提純后的信號(hào)設(shè)法測(cè) 定其頻率。 因此，校頻系統(tǒng)的頻率測(cè)量涉及到直擴(kuò)信號(hào)的解擴(kuò)和測(cè)頻兩方面的技術(shù)問(wèn)題。 本文提出了一種全數(shù)字化的偽碼捕獲、跟蹤及載波頻率測(cè)量方法，旨在解決“北 斗一號(hào)”校頻系統(tǒng)中面臨的頻率測(cè)量問(wèn)題。文章下面將主要圍繞這一主題展開。 1 1 擴(kuò)頻通信的現(xiàn)狀 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)大容量、高可靠性通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。在 眾多的通信方式中，擴(kuò)展頻譜通信( s p r e a ds p e c t i u r nc o n a u n i c a t i o t i s ) 簡(jiǎn)稱“擴(kuò) 頻通信”，由于具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲率低、碼分多址、信號(hào)隱蔽、保密、易于 組網(wǎng)等系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注，得到了越來(lái)越廣的應(yīng)用?，F(xiàn) 在廣泛使用的c d m a 移動(dòng)通信系統(tǒng)就是擴(kuò)頻通信成功應(yīng)用的典型例子。 擴(kuò)頻通信是指將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò) 展后再送入信道進(jìn)行傳輸，接收端則采用相同的擴(kuò)頻函數(shù)進(jìn)行相關(guān)處理及解調(diào)， 恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。它的基本特點(diǎn)是傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本身 z童羹莊到款握籃呈彗照題鼙艟汪笠蒸皇攙直蕊娥塞生塞強(qiáng) 的帶寬。也就趄說(shuō)，在傳輸同樣信息時(shí)所需射頻帶寬遠(yuǎn)比我們以前醴熟知的各種 談麓方式要求翁鬻竟寬餐多，售惠豢竟聚不霉是決定麓菝羨號(hào)繁巍豹一個(gè)主要瑕 豢，而主要e 耘擴(kuò)頻函數(shù)決定。擴(kuò)展頻譜瀵信按其工作方式可分為囊接序列( d s ) 擴(kuò)頻，跳頻( f h ) ，跳時(shí)( t h ) ，以上幾種方式的組合。本文主要針對(duì)真接 序列擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行研究。 實(shí)褒可靠翡擴(kuò)頻逶蕊戇關(guān)鍵在于接l | 芟臻輕否產(chǎn)生滋與發(fā)辯蕊蘩德蘑步酶秘秘 序列及載波。如果偽碼同步精度不夠，將使擴(kuò)頻增黼下降，不能獲得解調(diào)所要求 的信噪比。而載波提取的精度將直接影響到解調(diào)的誤碼率。 g 茲廣泛傻趲弱鐨羈翡獲技零存溪秘羧索移步遴搜索、雙門袋判決法、多駐 留搜索法、序列估計(jì)、聲表兩波器件( s a w o ) 匹配濾波器等。滑動(dòng)搜索和步避搜 索需要很長(zhǎng)的捕獲時(shí)間，特別是對(duì)低信噪比情況下，長(zhǎng)序列偽碼的捕獲，捕獲時(shí) 潤(rùn)長(zhǎng)達(dá)幾秒至幾十秒。文獻(xiàn)( 4 2 ) 中提出懿雙門限判決法只毖使撼獲時(shí)間降低5 0 ， 多駐留搜索法馥其麓傻藏獲時(shí)闔簿低7 5 ，淳強(qiáng)話毒手法只縋蘑于鴦僚嗓跑懿幸圭獯， 實(shí)際應(yīng)用中信噪比往往很低，所毗實(shí)用價(jià)值不大。用聲表面波器件( s a 哪) 做毆 配濾波器可以實(shí)現(xiàn)偽碼的快速捕獲，但受器件限制，位數(shù)太少，一般只有幾十位， 綴難超過(guò)2 5 6 位，如果只對(duì)長(zhǎng)強(qiáng)弱一棗段篷配，痿曝比羝，不可纛，買癸，s # 忿 袋藏大，電路也復(fù)雜。延遲鎖定環(huán)是廣泛救鬲的一釋蕩碣跟蹤電路，能如霄前g p s 接收機(jī)中就大照采用了這種電路。這種環(huán)路的跟蹤誤裝包括噪聲效應(yīng)和由于動(dòng)態(tài) 條件引起的環(huán)躊滯后，增大環(huán)路帶寬可以減小動(dòng)態(tài)誤麓，但噪聲髓之增大；若減 ，l 、巧鼯帶寬，爵戮藏棗臻聲，毽幫壤麓7 麓態(tài)誤差，哥冤，兩者校灌蓑頹。 相干解調(diào)怒目前主要的解調(diào)方式，解調(diào)的性能與懨麓的載波精艘有著直接的關(guān) 祭。如果相干裁波存在相位上的誤差如，將會(huì)引起倍號(hào)信嗓比的下降，下降幅 艘芷比與c o s2 ( 垂) ，并g j 起信號(hào)正交支路與嗣搖支鼴戇信號(hào)串挽，串撓程度與 ls i n ( a 審) l 成正良。尤其是在高速率傳輸要求下，往往需要糯丈頻帶利霜率， 即系統(tǒng)單位頻惜內(nèi)的碼元傳輸速率，以搬高系統(tǒng)的有效性。這種情況下就更需露 撼取精確同步的相干載波。然而，在這梯的系統(tǒng)中，例如q p s k ，8 p s k 等，實(shí)現(xiàn)載 波筵疑數(shù)摸熬魄爨是篦較笈聚囂?；山g戇鎂穩(wěn)強(qiáng)鼴毒農(nóng)著錯(cuò)鯪戇滔麓，著萎露瑟 一個(gè)比較長(zhǎng)的鎖定時(shí)闖。薅于“倍頻一滯邋”辦法的載波提取電路稃在著以下矛 盾：帶通濾波器的q 值越離，隨機(jī)相差越小，保持時(shí)間越長(zhǎng)，但同時(shí)穩(wěn)態(tài)相差就 會(huì)嬲大，建立時(shí)藏也會(huì)加長(zhǎng)；q 蓬越小，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)差越小，建立時(shí)闋越長(zhǎng)，但嗣對(duì)戇 褫裙差藏會(huì)蕊大，保持時(shí)闋德會(huì)魏長(zhǎng)。霹覓，對(duì)于“僚頻一帶遙”來(lái)講，醚輥糯 麓與穩(wěn)態(tài)相差、建立時(shí)間與保持時(shí)間是兩對(duì)矛盾。另外，這種方法為了提高相干 載波的信噪比，往往需要較窄的通帶帶寬，在出現(xiàn)較大多普勒頻率漂移時(shí)將會(huì)產(chǎn) 熏載波熬擺馥鑲誒。霆濾波方法潰臻售琴孛豹夔掇謖麓氌是一秘鬻麓囂接末，久 稍首先想到的怒卡爾曼濾波辯，但應(yīng)用卡爾曼濾波囂進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，需要建立比 較準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型和觀測(cè)模趟，因而要求對(duì)各種隨機(jī)誤差準(zhǔn)確建橫，在實(shí)際應(yīng)用 第一章緒論 中，這是非常困難的。而且，這些傳統(tǒng)方法往往只能提供載波頻偏的方向，而不 能提供載波頻率的實(shí)際值，只適用于閉環(huán)電路，在某些應(yīng)用中就不適用了。 1 2 解擴(kuò)及頻率估計(jì)技術(shù)的進(jìn)展 為了克服傳統(tǒng)解擴(kuò)解調(diào)方法的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不懈的研究，提出了 種種改進(jìn)方案。如為了進(jìn)一步提高延遲鎖定環(huán)的性能，a j v a nd i e r e n d o n c k 和 p a tf e n t o n 等人于1 9 9 2 年提出了窄相關(guān)技術(shù) 7 。為了對(duì)載波頻率進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)， f r a n c i sd n a t a l i 于1 9 8 4 年在i e e e 撰文對(duì)“鑒頻器”( f r e q u e n c y d i s c r i m i t a t o r ) 進(jìn)行了研究 1 7 ；f l o y dm g a r d n e r 于1 9 8 5 年在i e e e 撰文對(duì)著 名的“四相相關(guān)”( q u a r d r i c o r r e l a t o r ) 及“平衡四相相關(guān)”( b a l a n c e d q u a r d r i c o r r e l a t o r ) 進(jìn)行了深入的討論 1 6 ；隨后n a t a l i 提出了對(duì)“平衡四相 相關(guān)”的改進(jìn)意見；e a l e e 和d g m e s s e r s c h m i t t 于1 9 8 8 年在d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n 提出了頻域變換( f r e q u e n c yd o m a i nt r a n s f o r m a t i o n ) 的鑒頻方 法：t h o m a sa l b e r t y 和v o l k e rh e s p e l t 于1 9 8 9 年在i e e e 撰文提出了一種基于功 率測(cè)量的頻差檢測(cè)方法d p m f e d 1 4 ：k e s c o t t 和e b o l a s z 于1 9 9 5 年在i e e e 撰文提出了“延時(shí)相乘符號(hào)同步及頻差檢測(cè)”方法( d e l a ya n dm u l t i p l ys y m b o l s y n c h r o n i z e ra n df r e q u e n c ye r r o rd e t e c o r ) 2 。下面就對(duì)這些方法進(jìn)行簡(jiǎn)單 的介紹。 常規(guī)的延時(shí)鎖定環(huán)是使用兩個(gè)相差1 個(gè)碼片的相關(guān)器來(lái)形成偽碼跟蹤誤差信 號(hào)，用該信號(hào)控制v c o ，從而調(diào)整碼速率，進(jìn)行偽碼的跟蹤。a j v a nd i e r e n d o n c k 和p a tf e n t o n 等人于1 9 9 2 年提出的窄相關(guān)技術(shù)，目的是把這兩個(gè)相關(guān)器之間的 距離變窄，以減少多徑和噪聲同時(shí)存在的情況下的跟蹤誤差。其缺點(diǎn)是要在相關(guān) 之前進(jìn)行寬帶濾波，而且需要比較高的采樣速率和信號(hào)處理速度。另外，相關(guān)距 的減小會(huì)使d l l 鑒相器帶寬非常窄，多普勒效應(yīng)或其它干擾有可能引起環(huán)路失鎖。 “鑒頻器”方法是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)中的瞬時(shí)頻率成分求平均來(lái)進(jìn)行頻率估計(jì)， 在頻率選擇性衰落信道中，在某一瞬時(shí)，接收信號(hào)的頻譜在載波頻率附近可能非 常不對(duì)稱，為了消除頻率選擇性衰落的影響，需要一個(gè)很長(zhǎng)的平均周期。 頻域變換法是通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析來(lái)估計(jì)頻偏，與“鑒頻器” 方法一樣，頻率估計(jì)精度會(huì)受到頻率選擇性衰落的影響。 著名的“四相相關(guān)”鑒頻方法，是首先把輸入信號(hào)與正交的本地載波混頻， 再將混頻后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，輸出的同相支路進(jìn)行微分運(yùn)算，再與正交支路 相乘，從而獲得一個(gè)與頻差成比例的直流分量。該方法缺點(diǎn)是輸出結(jié)果中包含了 一個(gè)2 倍頻差的擾動(dòng)，嚴(yán)重影響了頻差測(cè)量精度。“平衡四相相關(guān)”對(duì)“四相相關(guān)” 的模型進(jìn)行了修正，但在頻率捕獲后仍然存在較大的頻率抖動(dòng)，減小環(huán)路帶寬可 ! 直接莊班芷題籃呈戴選題皇垡鹽煎熬主焦直選壁塞生塞丑 以降低該抖動(dòng)，但頻率捕獲時(shí)間就會(huì)增加。針對(duì)q p s k 調(diào)制方式，n a t a l i 提出首先 將輸入信號(hào)四倍頻，再送入“平衡四相相關(guān)”，這確實(shí)可以減小模型本身所引入的 抖動(dòng)，但是由于頻譜的擴(kuò)寬，會(huì)使數(shù)字化實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，而且，這也使得系統(tǒng)對(duì) 噪聲更加敏感。 t h o m a sa l b e r t y 和v o l k e rh e s p e l t 于1 9 8 9 年在i e e e 撰文提出了一種基于功 率測(cè)量的頻差檢測(cè)方法d p m f e d 。該方法是通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)頻譜中有用信號(hào)頻譜 邊緣上升沿和下降沿的功率差異來(lái)測(cè)頻偏。當(dāng)信道理想的情況下，這種方法非常 有效，但當(dāng)信道特性未知或時(shí)變時(shí)，該方法就不適用了。 k ，e s c o t t 和e b o l a s z 于1 9 9 5 年在i e e e 撰文提出一種可以對(duì)載波頻偏和相 位進(jìn)行同時(shí)估計(jì)的方法一“延時(shí)相乘符號(hào)同步及頻差檢測(cè)”法。該方法是首先對(duì)接 收信號(hào)做準(zhǔn)零中頻變換，再進(jìn)行基帶采樣，然后進(jìn)行非線性變換，產(chǎn)生頻差分量 的多次諧波，這些諧波的相位中就包含了所需要的頻偏和相位信息。用該方法可 以得到頻差的真值，而不僅僅是頻差的方向，因而可以用在開環(huán)結(jié)構(gòu)中。而且， 噪聲只對(duì)估計(jì)結(jié)果的方差有影響，而不影響結(jié)果的均值。只可惜這種方法需要做 大量的頻域及復(fù)數(shù)域運(yùn)算，給工程應(yīng)用帶來(lái)了困難。 1 3 設(shè)想和研究方法 本文針對(duì)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行載波頻率測(cè)量的基本方法是：首先用一對(duì)正 交的本地載波與輸入中頻信號(hào)混頻，進(jìn)行準(zhǔn)零中頻正交變換，再用多假設(shè)并行匹 配濾波的方法完成偽碼的捕獲、跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的解擴(kuò)。最后用最小二乘 法得到載波頻率的精確估計(jì)。該方法的原理框圖如圖1 1 所示： 圖1 1 基本研究方法原理框圖 值 第一章緒論 1 4 本文的主要工作 本文在撰寫過(guò)程中，所做的工作主要包括： 在前期工作中，主要對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本理論進(jìn)行了深入的研究，搜集了國(guó)內(nèi) 外數(shù)字化解擴(kuò)解調(diào)技術(shù)的最新進(jìn)展情況。查閱了國(guó)內(nèi)各大院校、科研院所以及國(guó) 外的專業(yè)期刊，確定了數(shù)字化解擴(kuò)、頻率估計(jì)的基本思路。 調(diào)研了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及芯片的最新進(jìn)展，對(duì)各種處理芯片的數(shù)字信號(hào)處 理能力及應(yīng)用范圍有了深入了解。針對(duì)工程需要，本著“實(shí)用、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的 原則，確定了所采用的數(shù)字信號(hào)處理器及相應(yīng)的硬件設(shè)備。 應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、隨機(jī)過(guò)程、信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)等理論，針對(duì)實(shí)際 情況，研究出了數(shù)字化偽碼捕獲、跟蹤的方案，以及精確測(cè)量載波頻率的數(shù)字信 號(hào)處理算法。 按照工程設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，并根據(jù)設(shè)想的數(shù)字化偽碼捕獲、跟蹤的方案，以 及精確測(cè)量載波頻率的數(shù)字信號(hào)處理算法，設(shè)計(jì)出了實(shí)際的硬件系統(tǒng)并完成了數(shù) 字信號(hào)處理軟件的編寫、調(diào)試，經(jīng)驗(yàn)收，完全符合設(shè)計(jì)要求。 最后，對(duì)本論文中所采用的數(shù)字化解擴(kuò)、頻率估計(jì)算法的性能進(jìn)行了分析， 并與航天測(cè)控領(lǐng)域中的典型測(cè)量指標(biāo)做了對(duì)比。 萋三整= 整墼量熊筮芷：塑皇亟凌整鏊! 第二章一種數(shù)字化解擴(kuò)、頻率估計(jì)方法 為了完成對(duì)輸入中頻髂號(hào)豹數(shù)字證解擴(kuò)、頻率話計(jì)，黌妻蓄先霹蒸送行數(shù)字傀， 所以有必要先對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化處理的撼本理論做一簡(jiǎn)單介紹。 2 1 模j 譬l 信號(hào)數(shù)字化處理的理論基礎(chǔ) 2 1 。1 中頻帶邋采樣 為了對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，必須先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，使其成為一 系列離散的采櫸擅，然后辯將采樣埴量化為相應(yīng)的量化值，_ 并經(jīng)編粥變換殘數(shù)字 像號(hào)。根據(jù)奈囊斯特采樣寇驥，如果對(duì)萊一蒂寬有蔽的對(duì)淘連續(xù)信號(hào)( 模叛信號(hào)) 讖行采樣，當(dāng)采樣速率大于等于被采樣信號(hào)最高頻率的2 倍時(shí)，根據(jù)這些采樣假 就能準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。 上述定理邋建手羝逶壅逶續(xù)蕾號(hào)豹采移。麴暴連續(xù)信號(hào)夔頻繁不蹩漿予0 與 f h 之間，而是限制在矗( 信號(hào)的最低頻率) 與f h ( 信號(hào)的最高頻率) 之間( 帶通濺 逛續(xù)信號(hào)) ，柱這種情況下，采樣頻率應(yīng)該如何選擇呢? 如果我們?nèi)匀徊捎?六= 2 ，則采櫸售號(hào)頻譜不會(huì)發(fā)生重疊，逸兩不會(huì)產(chǎn)生輯疊噪聲，但是此時(shí)需要 考露能否利璃o 嚆這段頻帶，隧提高僖滋靜翻焉率，降低采樣頻率，并減小信邀 的傳輸頻帶； 帶通型信號(hào)的采樣定理可描述為：如柴模擬信號(hào)f ( t ) 是帶通型信號(hào)，頻率限 翻莊f 。窩f * 之瓣，豢競(jìng)8 = 氛f(shuō) ，熨必霉戇采樣頻率f s 應(yīng)為： 工= 籍 治1 ) 式中，n 是小于m 的最大熬數(shù)。 需要疆國(guó)，叛上討論均羧于頻帶壽袋豹信號(hào)。嚴(yán)穰縫謊，頻帶鴦滏的信號(hào)并 不存在，如果信號(hào)存在于時(shí)間的有限區(qū)間，它就包含所有頻率分量。但是，實(shí)際 上對(duì)于所有信號(hào)，頻譜密度函數(shù)在較高頻率上都要減小，大部分能蹩由一定頻率 蕊爨疼豹分量援蒺蒂。囂兩在瑟毒實(shí)用戇意義上，售譬可強(qiáng)虢為楚頻帶毒限魏， 滿頻分量所引入盼誤差可以忽略不計(jì)。 由以上介繒可以看出，對(duì)于帶通型倍號(hào)，采樣率不必達(dá)到信號(hào)最高頻率的2 倍就能獲得信號(hào)的全部信息。 !童焦莊到題籃呈囂燕塹堊焦讓曲鏨主絲直鎏班豇皇塞強(qiáng) 2 1 2 噪聲數(shù)字化處理的理論基礎(chǔ) 信號(hào)在傳播過(guò)程中，必然受到各種噪聲的干擾，在工程上，我們通常把這些噪 聲歸結(jié)為加性高斯白噪聲。經(jīng)帶通濾波器濾波后，就成為帶限高斯白噪聲。從數(shù) 學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，帶限高斯白噪聲可以看作窄帶隨機(jī)過(guò)程。 根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論及通信原理，我們可以知道：窄帶隨機(jī)過(guò)程可用下式表示 ( t ) = a e ( t ) c o s c 0 。t + 甲e ( t ) 】a e ( t ) 0 ( 2 2 ) 式中a ；( t ) 及( p ：( t ) 是窄帶隨機(jī)過(guò)程( t ) 的包絡(luò)函數(shù)及隨機(jī)相位函數(shù)：c o 。是正弦波 的中心角頻率。顯然，凱( t ) 及甲：( t ) 的變化一定比載波慢得多。 窄帶隨機(jī)過(guò)程也可用下式表示 ( t ) = 。( t ) c o sc o 。t e ；( t ) s l n ( o 。t 式中 。( t ) = 8 ( t ) c o s ( p ( t ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ：( t ) = a e ( t ) s i nq ) e ( t ) ( 2 5 ) 這里的e 。( t ) 及e ；( t ) 通常分別稱為i ( t ) 的同相分量及正交分量。由以上表述看 出，l ( t ) 的統(tǒng)計(jì)特性可由a ；( t ) 、平e ( t ) 或e 。( t ) 、l ；( t ) 的統(tǒng)計(jì)特性確定。 由通信原理可知，一個(gè)均值為零的窄帶平穩(wěn)高斯過(guò)程，它的同相分量l 。( t ) 和 正交分量；。( t ) 同樣是平穩(wěn)高斯過(guò)程，而且均值為零，方差也相同。另外，在同一 時(shí)刻得到的l 。及。是不相關(guān)的或統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。 既然有窄帶過(guò)程，也必然存在寬帶過(guò)程。凡是功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)都是 均勻分布的噪聲是理想的寬帶過(guò)程，被稱之為白噪聲，即 pe ( ) = n o 2( 2 6 ) 式中，r l 。是一個(gè)常數(shù)，單位取“瓦赫茲”( w h z ) 。 其自相關(guān)函數(shù)為r n ) ：一n o6 n ) 2 顯而易見，白噪聲的自相關(guān)函數(shù)僅在t = 0 時(shí)才不為零，而對(duì)于其它任意的t 都為零。這說(shuō)明，白噪聲只有在t = o 時(shí)才相關(guān)，而它的任意兩個(gè)時(shí)刻上的隨機(jī)變 量都是不相關(guān)的。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)及其功率譜密度，示于圖2 1 。 姒tjjl n = - o6 ( f ) j l l p 【jjl 2 圖2 i 白噪聲的相關(guān)函數(shù)與譜密度 簋三里二登墼呈絲簽：塑里笪生直些! 如果白噪聲被限制在( 一f 0 ，厶) 之內(nèi)( 通常信道中的噪聲是這種情況) ，即 在該頻率區(qū)上有 巳( 0 ) ) = i 1 1 0 而在該區(qū)間之外p ；( u ) = 0 ，則這樣的白噪聲被稱為帶限白噪聲。帶限白噪 聲的自相關(guān)函數(shù)為 r t ( 妒2 f ：f o n o 掣 ( 2 - 7 ) 式中，( ) o = 2 f o 。由此看到，帶限白噪聲只有在t = k ( 2 f o ) ( k = 1 ，2 ，3 ) 上得到的隨機(jī)變量才不相關(guān)。這一結(jié)論很有用，它告訴我們，如果對(duì)帶限白噪聲 按采樣定理采樣的話，則各采樣值是互不相關(guān)的隨機(jī)變量。帶限白噪聲的自相關(guān) 函數(shù)及功率譜密度示于圖2 2 k 1 1 ) o 1 、1 、 2 f 。 2 f 一 圖22 帶限白噪聲的相關(guān)函數(shù)與譜密度 對(duì)于直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，信號(hào)帶寬約等于偽碼速率，根據(jù)上述結(jié)論，如果我們 對(duì)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)采樣時(shí)采樣速率定為偽碼速率的2 倍，則在相關(guān)積累時(shí)可以 得到3 d b 的增益，在下面的討論中，除非特別指明，采樣率默認(rèn)為2 倍偽碼速率， 即每個(gè)偽碼碼片采2 個(gè)樣點(diǎn)。 2 2直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表述 為了后面表述方便，我們先給出直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。生成直接 序列擴(kuò)頻信號(hào)的原理框圖如圖2 3 所示： 二進(jìn)制 數(shù)據(jù) d ( t ) p n ( t ) p n 碼 c o s ( o t + 0 ) 載波 圖2 3 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)生成原理圖 s ( t ) ! 殳亙毯星副芷題籃曼亟蘧援墨氈生鰒鏨芏也友鎏蟹囂皇塞丑 可見，直接序列擴(kuò)頻信號(hào)可以表達(dá)為 s ( t ) = a o + d ( t ) + p n ( t ) + c o s ( t + 0 ) 式中，舢 d ( t ) p n ( t ) ( ) e 信號(hào)幅度 待傳輸信息的波形函數(shù)，1 擴(kuò)頻碼的波形函數(shù)，1 ，周期為t 。 每個(gè)偽碼周期包含n 個(gè)偽碼碼片 載波頻率 載波初始相位 ( 2 8 ) 發(fā)射信號(hào)s ( t ) 經(jīng)過(guò)信道傳輸，到達(dá)接收端時(shí)，會(huì)疊加上各種噪聲，通常我們 將其歸結(jié)為高斯白噪聲，同時(shí)，由于物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，載波會(huì)發(fā)生多普勒漂移。 下面就給出經(jīng)過(guò)接收信道處理后，接收到的中頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式( 為了表述簡(jiǎn) 單，表達(dá)式中沒有考慮信號(hào)傳播延遲及多徑效應(yīng)) ： r ( t ) = a i + d ( t ) + p n ( t ) + c o s ( 0 t + 中( t ) ) + n ( t ) ( 2 9 ) 到 式中，a l一接收信號(hào)幅度 u o一接收信號(hào)的中頻載波的角頻率，。o = 2n f o f o 為接收信號(hào)的中頻載波頻率 中( t )一相位函數(shù)，p ( f ) = 2 i r 4 療+ 目 廠為包括多普勒在內(nèi)的頻率偏差 占為初始相位 n ( t )加性高斯白噪聲，功率譜密度為n o 該信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻采樣后，表達(dá)式為： r ( k t s ) 2a l + d ( k t s ) 4 p n ( k t s ) + c o s ( 6 0o k l 飛+ 中( k t s ) 1 + n ( k t s ) 其中，t s 為采樣周期。為了簡(jiǎn)便，在后面的表述中，將以k 代替k t s 。于是得 r ( k ) 2a l + d + p n ( k ) + c o s ( 6 0o k + 中( k ) ) + ( k ) 2 1 3 多假設(shè)并行匹配濾波法實(shí)現(xiàn)偽碼捕獲、跟蹤 ( 2 1 0 ) 由于擴(kuò)頻信號(hào)中載波能量被擴(kuò)散到整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，所以，擴(kuò)頻信號(hào)本身并不 含有載波分量。為了對(duì)載波頻率進(jìn)行估計(jì)，首先要完成解擴(kuò)，將擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)為 窄帶信號(hào)。解擴(kuò)的關(guān)鍵在于本地能否產(chǎn)生與發(fā)射端完全同步的偽碼。為了有效的 蔓三童= 鹽塾主絲苤芏! 塑堊笪生直選 ! ! 解決偽碼的快速捕獲與精密跟蹤問(wèn)題，本文提出了一種新型實(shí)用的快速偽碼捕獲、 精密跟蹤方法多假設(shè)并行匹配濾波法。該方法的實(shí)質(zhì)就是使用一組并行結(jié)構(gòu)的匹 配濾波器對(duì)偽碼相位進(jìn)行并行搜索，從而在一次積分時(shí)間內(nèi)，完成對(duì)多個(gè)相位的 偽碼的相關(guān)積累，大大提高偽碼的捕獲速度。由于本方法提高捕獲速度不是靠減 少每次相關(guān)積累的積分時(shí)間，而是靠分段并行搜索來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以相關(guān)積累時(shí)間 可以很長(zhǎng)，如取整個(gè)p n 碼周期，這樣就能有效避免p n 碼部分相關(guān)所帶來(lái)的自身 噪聲對(duì)相關(guān)判決的影響。所以，這種捕獲方法除了捕獲速度快外，同時(shí)具有捕獲 靈敏度高、能工作在低信嗓比情況下的特點(diǎn)。偽碼捕獲完成后，用本方法實(shí)現(xiàn)偽 碼的跟蹤也是很簡(jiǎn)單的，本節(jié)中對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明，另外，本節(jié)還給出了實(shí)現(xiàn)偽碼 精密跟蹤的改進(jìn)算法。下面就針對(duì)并行匹配濾波過(guò)程中將要遇到的零中頻正交基 帶變換、匹配濾波、偽碼捕獲、跟蹤等問(wèn)題進(jìn)行一下詳細(xì)的說(shuō)明。 2 3 1 零中頻正交基帶變換 為了有效地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行零中頻正交基帶變換，原 理如圖2 圖2 4 零中頻正交基帶變換原理圖 ( 1 ) 輸入中頻信號(hào) 在2 2 節(jié)中，我們已經(jīng)知道接收到的中頻采樣信號(hào)可以表示為 “k ) 2 a l + d ( k ) + p n ( k ) + c o s ( 6 2 , o k + 中( k ) ) + n ( k ) ( 2 ) 本地載波( 功率歸一化為幅度等于1 ) f ( 七) = c o s ( 2 石廠i ) g ( 女) = s i n ( 2 a 廠七) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ! !直接匣班 筮焦呈惑這題圣氈鹽煎熬主絲左蓬班盔量塞班 式中，f l 為本振頻率，理想情況下等于接收信號(hào)中載波頻率f o ，但由于本振穩(wěn) 定度有限，且與發(fā)射端頻率源不同源，所以兩者之間存在頻率差。 ( 3 ) 零中頻正交基帶信號(hào) 輸入信號(hào)與兩路互為正交的本振信號(hào)混頻，經(jīng)低通濾波，就可得到零中頻正 交基帶信號(hào)： ，( 后) = l p f r ( k ) i ( k ) 】 = a + d ( k ) + p n ( k ) + c o s 9 0 ( ) + n ，( t ) ( 2 1 3 ) q ( k ) = l p f r ( k ) q ( k ) 】 = 一a + d ( ) + p n ( k ) + s i n p o ( ) + ，z d ( 七) ( 2 1 4 ) 式中，l p f 0 為低通濾波器，帶寬b = 偽碼速率。 a = a 2 為零中頻信號(hào)幅度 ( k ) = p ( 七) + 2 z 一 弦= 2 x a f o k + 口為頻率偏差引起的慢變部分 的相位函數(shù) 蛻= v + 杪一兀) 為綜合頻差，包括信號(hào)本身的頻差和本振不穩(wěn)引入 的頻差 n 。( k ) 和n a ( k ) 為帶限白噪聲，噪聲功率均為t 3 2 = b n o 2 2 3 2 相關(guān)積累( 匹配濾波) 相關(guān)積累即匹配濾波，數(shù)字化相關(guān)積累的原理如圖2 5 所示。 包 絡(luò) 檢 波 圖2 5 相關(guān)積累原理 1 ) 本地偽碼 本地偽碼p ( k ) 與發(fā)射端偽碼相同，只不過(guò)與接收信號(hào)偽碼間存在相位差t ， 宙 曼三至= 登墼呈絲豎：塑登笪生直選! ! 可以表示為： p ( k ) = p n ( k t ) ( 2 - 1 5 ) 式中，t 為接收信號(hào)偽碼與本地偽碼之間的相位差，以采樣間隔為單位。 2 ) 相關(guān) 信號(hào)與本地碼之間相乘稱為相關(guān)運(yùn)算，于是 q p ( k ) = i ( k ) p ( k ) a p n ( k ) p n ( k t ) d ( k ) c o s 中0 ( k ) + i l l ( k ) p ( k ) q ( k ) p ( k ) 一a p n ( k ) p n ( k t ) d ( k ) s i n 巾0 ( k ) + n o ( k ) p ( k ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 3 ) 數(shù)字積分 積分時(shí)段取一個(gè)完整的偽碼周期，則需要處理的樣本數(shù)為2 n 。在偽碼 未捕獲與跟蹤之前，t o ，積分開始時(shí)刻并未與符號(hào)的開始時(shí)刻對(duì)齊，因 此積分時(shí)段可能跨越相鄰兩個(gè)符號(hào)d i c 1 和d l c 。不妨設(shè)積分期間，前m 個(gè)樣 本屬于d k 1 ，后2 n m 個(gè)樣本屬于d k ，則 2 n 一1 w l ( t ) =i p ( k ) k = 0 m 1 2 a p n ( k ) p n ( k t ) d k i c o s 中0 ( k ) k = 0 2 n 一1 十 a p n ( k ) p n ( k t ) d k c o s 中0 ( k ) k = m 2 n 一1 + n i ( k ) p ( k ) k = 0 2 w i ( t ) + w 1 ”( t ) + n w t 式中， m 一1 w l ( t ) =a p n ( k ) p n ( k - t ) d k - l c o s 中o ( k ) k = 0 ! !直掛莊到芷題盔呈熱選題奎氈鹽鮑熬芏絲左壁班冠皇塞丑 2 n 1 w j ”( t ) = a p n ( k ) p n ( k t ) d k c o s 巾0 ( k ) k = - m 2 n 1 n 、v i = n i ( k ) p n ( k t ) k = - 0 利用n i ( k ) 之間的獨(dú)立性，可得 2 n l e n w i l = p n ( k t ) e n 1 ( k ) ) = 0 ， g = 0 2 n 一1 d n w i = p n 2 ( k t ) d n 【( k ) ) = 2 n o2 k = 0 于是，n w i n ( 0 ，2 n 口2 ) 下面，分三種情況對(duì)w i ( t ) 進(jìn)行討論 當(dāng)f o = 0 時(shí)，由o ( k ) = o ，貝 m 1 w i ( t ) = a p n ( k ) p n ( k - t ) d k l c o s 巾0 ( k ) k = 0 = a m r p ( t ，m ) d u i c o s 0 式中，r p ( t ，m ) 是偽碼的局部自相關(guān)函數(shù)，它與相關(guān)的樣本點(diǎn)數(shù)有關(guān)， 與全局自相關(guān)函數(shù)r ( t ) 之間滿足 r ( t ) = r p ( t ，m ) + r p ( t ，2 n - m ) 同理 w i ”( t ) = a m r p ( t ，2 n m ) d k c o s 0 當(dāng)a f o = 0 ，t = o 時(shí)，m = 0 ，于是 w i ( o ) = 0 ， w i ”( o ) = 2 a n d k c o s 0 而w t ( 0 ) = 2 a n d k c o s0 + n w i 蔓三重二登墼呈絲簦：塑整笪鹽直蕉! ! 當(dāng)af 0 ：0 時(shí)，相關(guān)積累將有損失，而且隨f 0 和積分點(diǎn)數(shù)2 n 的增加而增加。 根據(jù)文獻(xiàn) 2 7 ) 的介紹，在一定的f 0 和積分點(diǎn)數(shù)2 n 的范圍內(nèi)，由此引起的 損失可以忽略不計(jì)。因此，在以后的討論中，將以a f 0 = 0 為準(zhǔn)。 由以上討論，可以得到數(shù)字積分結(jié)果的一般表達(dá)式： w l ( t ) = a c o se m d k 1 r p ( t ，m ) + ( 2 n m ) c l k r p ( t ，2 n - m ) 1 + n m 同理， w q ( t ) = 一a s i n0 m d k 1 r p ( t ，m ) + ( 2 n - m ) d k r p ( 1 ，2 n - m ) + n w q 其中，1 1 w i ，n w q n ( 0 ，2 no 。) 。 4 ) 包絡(luò)檢波 考察 m d k 1 r p ( 1 ，m ) + ( 2 n - m ) d k r p ( t ，2 n m ) 由于符號(hào)值為1 ，因此上式絕對(duì)值的上限蔓j 2 n d k r p ( t ) l ，為簡(jiǎn)便起見，可 以將上式近似為2 n d k r p ( t ) 。于是， w t ( t ) 2 a nd l ( r ( t ) c o s0 + n w i w q ( t ) 一2 a n d k r ( t ) s i ne + n w q 從而 e ( t ) = w r 2 ( t ) + w q 2 ( t ) = 4 a 2 n 2 r 2 ( t ) 十4 a n d k r ( t ) ( n w i c o s0 n w q s i ne ) + ( n w l 2 + i w q 2 ) ( 2 1 8 ) 當(dāng)n 充分大時(shí)，項(xiàng)r l w l 2 + n w 0 2 呵以忽略，令 n w = n w i c o s0 一n w q s i ne 它是一個(gè)窄帶噪聲，且i 1 w n ( 0 ，2 no2 ) 。于是 e ( t ) 4 a 2 n 2 r 2 ( t ) + 4 a n d k r ( t ) n w = e 。( t )+ e n ( t ) ( 2 19 ) 式中，e 。( t ) = 4 a 2 n 2 r 2 ( t ) 是信號(hào)功率， b ( t ) = 4 a n d k r ( t ) n w 為積累噪聲。 顯然， e e 。( t ) ) = 0 ， d e 。( t ) - 4 a n d k r ( 1 ) 2 d ( n w = 3 2 a n 3 r 2 ( t ) o 2 根據(jù)文獻(xiàn)( 2 7 ) 介紹，相關(guān)積累滿足不了解擴(kuò)精度要求，需要視頻積累進(jìn)一步 提高精度。 5 ) 視頻積累及其估計(jì)誤差 視頻積累也稱非相關(guān)積累，它把幾次相關(guān)積累的包絡(luò)累加起來(lái)提高信噪 比，從而得以提高精度 ! 直撞莊班題售量亟蘧題室魚鹽盟熬呈氈直蓬盟冠：互塞丑 u l v(t)=ze h ( t ) h = 0 式中，e h ( t ) ，h = 0 ，l ，u 1 為連續(xù)u 個(gè)符號(hào)周期的相關(guān)積累。 在隨機(jī)誤差的估計(jì)公式中，誤差t 與積累次數(shù)的平方根成反比。視頻積 累較之相關(guān)積累而言是有損失的，但作為近似估計(jì)，不妨認(rèn)為此關(guān)系仍然成立。 于是經(jīng)過(guò)u 次視頻積累后，隨機(jī)誤差可以縮小為 e 。at 腳1 2 2 3 3 偽碼的捕獲與跟蹤 偽碼捕獲與跟蹤可以采用多假設(shè)并行匹配濾波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)把送給各 個(gè)匹配濾波器的本地偽碼錯(cuò)開一定相位，就可以同時(shí)得到一組匹配濾波器的輸出， 這些輸出值描述了在該段偽碼相位區(qū)間內(nèi)相關(guān)峰的形狀，得到輸出結(jié)果后，步進(jìn) 調(diào)整本地偽碼相位，得到下一個(gè)偽碼相位區(qū)間段相關(guān)峰的描述，周而復(fù)始，直到 掃描完整個(gè)偽碼周期，從而得到整個(gè)偽碼周期內(nèi)相關(guān)峰的描述。需要指出，并行 匹配濾波器的數(shù)量及它們之間偽碼相位的間隔可以根據(jù)需要靈活配置。各匹配濾 波器間偽碼相位的間隔越小，則對(duì)相關(guān)蜂的描述越精確；匹配濾波器的數(shù)量越多， 覆蓋的偽碼相位越多，偽碼捕獲的速度越快。在偽碼跟蹤階段，只要偽碼相位處 于當(dāng)前偽碼相位區(qū)間內(nèi)，就可以通過(guò)精細(xì)調(diào)整本地偽碼相位來(lái)達(dá)到偽碼跟蹤的目 的?？梢?，匹配濾波器的數(shù)量越多，偽碼的捕獲、跟蹤性能越好。但在實(shí)際中， 由于實(shí)現(xiàn)匹配濾波器需要大量的硬件，所以不可能無(wú)限制地增加匹配濾波器的數(shù) 量，必須根據(jù)實(shí)際需要認(rèn)真選擇?？紤]到偽碼跟蹤階段，偽碼相位的抖動(dòng)一般不 會(huì)超過(guò)半個(gè)碼片，可以使匹配濾波器的偽碼相位覆蓋范圍達(dá)到1 個(gè)碼片即可。偽 碼的捕獲與跟蹤原理如圖2 6 所示。 蔓三童二登塾主絲堡：墅至魚生直蓬! ! i 依) 圖2 6 并行匹配濾波實(shí)現(xiàn)偽碼捕獲與跟蹤 1 ) 本地偽碼 為了后面討論方便，我們這里取2 y + 1 個(gè)匹配濾波器，這些匹配濾波器的 偽碼相位覆蓋1 個(gè)偽碼碼片，其中，第y 個(gè)匹配濾波器處于中間位置，各個(gè) 匹配濾波器所使用的偽碼可以表示為： p j ( k ) = p n k to j ， j = 0 ，1 ，2 ，2 y ( 2 - 2 0 ) 式中，t 。為o # 匹配濾波器所對(duì)應(yīng)的偽碼相位的延遲，該延遲包括本地偽 碼與接收信號(hào)偽碼間的初始相位差及可由控制器進(jìn)行調(diào)整的相位延遲。 需要指明，這里的t 。、j 都以采樣間隔為單位，在下面的論述中，采樣間 隔為t 。( 2 y + 1 ) ，即1 ( 2 y 十1 ) 偽碼碼片。 2 ) 偽碼捕獲 ! !直援壁副芷題筐呈夔選題奎魚鹽笪鏨主絲左鎏班塞蘭塞丑 信號(hào)處理一開始，首先要解決的是信號(hào)中偽碼的捕獲。所謂偽碼捕獲，是 指本地偽碼的相位初步與信號(hào)中偽碼對(duì)齊。在偽碼捕獲期間，采用遍歷整個(gè)偽 碼周期的步進(jìn)掃描方法?？紤]到本地偽碼時(shí)鐘和信號(hào)偽碼速率在捕獲前的偏 差，防止捕獲期間所捕獲到的相關(guān)峰位置在跟蹤時(shí)逸出偽碼跟蹤范圍，需要采 用粗捕與精捕兩個(gè)階段。 粗捕 利用多假設(shè)匹配濾波法，一次可獲得一個(gè)碼片持續(xù)期內(nèi)的2 y + 1 個(gè)匹配輸 出v j ( t ) 。在粗捕期間采用步進(jìn)掃描方法遍歷整個(gè)p n 碼周期，即當(dāng)前碼片 內(nèi)的匹配輸出獲得后，控制器發(fā)出步進(jìn)調(diào)相信號(hào)，使本地碼的相位推進(jìn)一個(gè)碼 片，并采集其匹配輸出。如此進(jìn)行，直到掃描完畢。于是控制器可采集到信號(hào) 碼與本地碼每隔t p n ( 2 y + 1 ) 1 拘所有匹配輸出，不妨記為 v j ( t ) = v ( t - j ) ， j 2 0 ，i ，2 ，( 2 y + i ) n 一1 通過(guò)數(shù)值比較，不難找到最大值對(duì)應(yīng)的位置，設(shè)為j m a x ，滿足 v j m a x ( t ) = v ( t j m a ) ( ) 2m a x v ( t j ) ) ， j 0 ，l ，( 2 y + 1 ) n 1 ) 此時(shí)，t - = j ”a ) ( 即本地碼( 相對(duì)于信號(hào)碼) 的初始相位。于是控制器使本 地碼調(diào)整相應(yīng)的相位，使本地碼對(duì)準(zhǔn)信號(hào)碼。 從表面上看似乎碼捕獲已經(jīng)成功，其實(shí)不然。實(shí)際上，由于粗捕期間需要 掃描整個(gè)偽碼周期，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，若考慮到信號(hào)偽碼速率間的偏差與本地碼 鐘穩(wěn)定度引起的偏差，在粗捕完成后，實(shí)際的相關(guān)峰位置已經(jīng)偏離了估計(jì)的峰 值位置t 【，不過(guò)，t 。仍然為我們提供了相關(guān)峰的一個(gè)基準(zhǔn)位置，如果我們能 夠進(jìn)一步確定粗捕期間偽碼的漂移范圍，可以以此為依據(jù)，做進(jìn)一步搜索。下 面，我們就對(duì)粗捕期間偽碼的漂移范圍進(jìn)行估計(jì)。 粗捕時(shí)間 偽碼粗捕的時(shí)間實(shí)際上就是本地碼遍歷一周所需的時(shí)間，也即掃描 步進(jìn)次數(shù)與匹配濾波時(shí)間的乘積，控制器所花的計(jì)算時(shí)間可以忽略不 計(jì)。匹配濾波器中，數(shù)字積分時(shí)段設(shè)為t 。，視頻積累次數(shù)設(shè)為n 。，n 為每個(gè)偽碼周期內(nèi)的碼片數(shù)，則粗捕時(shí)間 t 。= n 叱木n 木y c c ( 秒) 相關(guān)峰( 碼) 漂移量 信號(hào)碼與本地碼之間的最大速度偏差設(shè)為v p ( 碼片秒) ，于是粗 捕期間，相關(guān)峰的漂移 麓三雯 二墼熬燕毽簍莖：蕉墨筵建麥鎏! ! 。i = v p * t ，= v p * n c c 女脅t 穢( 2 y