摘  要： 為了更好地適合在低信噪比環(huán)境下工作，對(duì)基于FFT的偽碼快速捕獲法進(jìn)行了改進(jìn)，即提出了將多個(gè)偽碼周期進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后進(jìn)行非相干積累。對(duì)其原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)它的捕獲性能進(jìn)行了仿真。通過(guò)分析和仿真結(jié)果可以看出，采用非相干處理的基于FFT的偽碼快速捕獲法捕獲時(shí)間更短，并且更適合在低信噪比環(huán)境下工作，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
 關(guān)鍵詞： 偽碼同步；捕獲；快速捕獲；非相干積累

　擴(kuò)頻技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)前沿技術(shù)，它最初用于軍事通信中，由于其抗干擾性強(qiáng)、抗衰落性好、保密性好和可實(shí)現(xiàn)多址通信等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在通信抗干擾、衛(wèi)星通信、保密通信、戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)、計(jì)算機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航、測(cè)距和定位等方面有廣泛應(yīng)用[1]。
　在擴(kuò)頻系統(tǒng)中被用作擴(kuò)頻序列的偽碼（PN碼）是類(lèi)似于白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的隨機(jī)序列，它的同步是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，同步性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能。偽碼同步包括捕獲[2]和跟蹤[3]兩部分，捕獲階段實(shí)現(xiàn)粗同步，跟蹤是在捕獲的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精同步。其中，捕獲一直是偽碼同步研究的重點(diǎn)部分。目前，在偽碼捕獲的問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外提出了許多適應(yīng)在不同環(huán)境下的捕獲算法，現(xiàn)在比較常用的捕獲算法主要包括串行捕獲法、并行捕獲法、匹配濾波器法和基于FFT的快速捕獲法[4-6]等。但是，還沒(méi)有特別新穎的捕獲技術(shù)出現(xiàn)，也有許多研究人員想通過(guò)利用小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算原理等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)偽碼捕獲算法的重大突破，只是大部分都停留在理論探索階段，離工程實(shí)現(xiàn)還有相當(dāng)?shù)牟罹?。?duì)一個(gè)偽碼捕獲算法來(lái)說(shuō)，衡量其捕獲性能如何的基本標(biāo)準(zhǔn)有：（1）在低信噪比和高動(dòng)態(tài)環(huán)境下有快的捕獲速度；（2）抗干擾能力強(qiáng)，錯(cuò)捕及漏捕的概率小；（3）硬件電路較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種采用非相干積累的基于FFT的快速偽碼捕獲法，并與串行捕獲法進(jìn)行了比較。通過(guò)Matlab仿真分析可知，其捕獲速度較快，且適合在低信噪比環(huán)境下工作。
1 偽碼捕獲原理
　接收機(jī)一開(kāi)始并不知道對(duì)方是否發(fā)送了信號(hào)，所以，需要一個(gè)在一定的頻率和時(shí)間范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號(hào)的搜捕過(guò)程，這就是捕獲。這一過(guò)程的目的就是要把對(duì)方發(fā)來(lái)的信號(hào)與本地信號(hào)的相位之差保持在一個(gè)PN碼的碼片內(nèi)。
　在直擴(kuò)系統(tǒng)中，捕獲的方法有很多種，特點(diǎn)也不一樣，比如：串行捕獲法捕獲實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，硬件資源消耗少，但是捕獲時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)PN碼很長(zhǎng)時(shí)，捕獲時(shí)間讓人難以忍受；并行捕獲法和匹配濾波器法捕獲時(shí)間較短，但是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，硬件資源消耗多；基于FFT的快速偽碼捕獲法綜合考慮了捕獲時(shí)間和系統(tǒng)復(fù)雜度，它的捕獲時(shí)間較短，系統(tǒng)復(fù)雜度較低。但是，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)：用本地信號(hào)與接收信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算，得到兩信號(hào)相似性的值，此處的相似性是指PN碼自相關(guān)特性，所謂自相關(guān)性就是度量m序列（最常用的PN碼）與其自身逐位移位后序列的相似性，并用此值和一個(gè)門(mén)限值作比較，如果確認(rèn)捕獲到有用信號(hào)，即捕獲成功，就緊接著轉(zhuǎn)入跟蹤，使系統(tǒng)保持精同步的狀態(tài)，否則就需要繼續(xù)搜索。
　捕獲的基本依據(jù)是PN碼尖銳的自相關(guān)特性。為了更好地理解自相關(guān)特性，圖1給出了N=1 023的m序列的自相關(guān)性仿真圖。接收端能夠從本地序列和接收序列的相關(guān)運(yùn)算中獲得不同的相關(guān)值。自接收機(jī)開(kāi)始接收發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻信息時(shí)，就不斷地調(diào)整和選擇本地的擴(kuò)頻序列相位。在某一時(shí)刻，本地的擴(kuò)頻序列和接收擴(kuò)頻信號(hào)序列的相位差在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，就會(huì)得到較尖銳的相關(guān)值。同時(shí)通過(guò)設(shè)定特定的相關(guān)值門(mén)限，可以初步判斷出接收端是否達(dá)到了相位同步。這就是PN碼捕獲的基本原理。

2 偽碼捕獲算法
2.1 串行捕獲法
　串行捕獲法也稱為滑動(dòng)相關(guān)捕獲法[7]，此方法硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、節(jié)約資源，被認(rèn)為是一種最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的捕獲方法。該方法的捕獲原理是通過(guò)相位控制器控制本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼與接收信號(hào)相對(duì)滑動(dòng)，如果滑動(dòng)過(guò)程中碼不重合，則相關(guān)值較小，無(wú)相關(guān)峰出現(xiàn)；當(dāng)兩碼接近重合或重合時(shí)，則有相關(guān)峰值出現(xiàn)，通過(guò)相關(guān)值與門(mén)限值作比較。當(dāng)相關(guān)值小于門(mén)限值時(shí)，捕獲失敗，繼續(xù)捕獲；當(dāng)相關(guān)值大于門(mén)限值時(shí)，捕獲成功。捕獲原理圖如圖2所示。

2.2 采用非相干處理的基于FFT的快速偽碼捕獲法
　前面分析的串行捕獲法是采用時(shí)域相關(guān)的思想來(lái)完成偽碼捕獲的，本小節(jié)研究的采用非相干處理的基于FFT的偽碼快速捕獲法是在頻域中計(jì)算相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)偽碼捕獲的。該方法利用圓周相關(guān)定理，將接收偽碼和本地偽碼的時(shí)域相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成頻域的頻譜相乘計(jì)算，經(jīng)過(guò)兩次FFT和一次IFFT就可以完成一次相關(guān)運(yùn)算，這樣可以借助FFT快速算法大大地減少捕獲時(shí)間，并且由于FFT運(yùn)算將信號(hào)能量集中到單個(gè)FFT單元中，因此適合在低信噪比下工作[8]。為了更好地適應(yīng)低信噪比的工作環(huán)境提出了將多個(gè)偽碼周期的相關(guān)運(yùn)算后進(jìn)行非相干積累。所謂非相干積累，則是將相關(guān)結(jié)果取模求平方后再累加，去除了相位信息，僅保留了幅度信息，在信號(hào)能量累加的同時(shí)，噪聲功率也相應(yīng)增加，在實(shí)際應(yīng)用中，可以適當(dāng)增加累加次數(shù)，來(lái)達(dá)到滿意的效果。在進(jìn)行相干積累處理后，可以改善相關(guān)峰值受噪聲的影響，保證了低信噪比下信號(hào)的可靠檢測(cè)。

　從圖4可以看出，在信噪比SNR=-15 dB時(shí)，串行捕獲法就無(wú)法找到同步的位置了；從圖5可以看出，在信噪比SNR=-30 dB時(shí)，采用非相干處理的基于FFT的快速偽碼捕獲法仍能夠找出同步的位置。說(shuō)明了改進(jìn)的基于FFT的快速偽碼捕獲法更適合在低信噪比環(huán)境下工作。
　相對(duì)于串行捕獲法、并行捕獲法和匹配濾波器捕獲法，基于FFT的快速偽碼捕獲法具有更快的捕獲速度，為了更好地適合在更低的信噪比環(huán)境下工作，提出了采用非相干處理的基于FFT的快速偽碼捕獲法，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的捕獲算法比較適合在對(duì)捕獲速度要求較高和工作條件比較惡劣的環(huán)境中使用。
參考文獻(xiàn)
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