基于北斗系统的伪码捕获技术的研究

liyf

第2l卷
V01．2l
第24期
No．24
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2013年l2月
Dee．2013
基才北斗系统的伪码捕获技术的研究
金璐，王忠勇，张延彬
(郑州大学河南郑州450001)
摘要：北斗卫星导航定位系统是我国自主研发的有源三维卫星定位与通信系统。北斗卫星信号的捕获是北斗用户接
收机的关键技术之一．捕获性能的优劣直接影响着北斗导航系统的精度和实时性要求。本文基于北斗系统，在FFTr
并行捕获算法的基础上研究分析了一种相位补偿和同步块累加的伪码捕获算法，并对该算法的性能进行了分析。理
论分析和仿真结果表明。该方案能够大大提高信噪比，提高信号的捕获效率。
关键词：北斗导航系统；伪码捕获；相位补偿；同步累加
中图分类号：TN967．1 文献标识码：A 文章编号：1674—6236(2013)24—0033—04
Research of code capture technology based on the compass
JIN Lu，WANG Zhong-yong，ZHANG Yan—bin
(Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)
Abstract：The Compass is active 3D satellite positioning and communication system of independent research and development
in China．The capture of signals is one of the key technologies of BD user receiver，and its capture performance directly afects
the Compass accuracy and real—time requirements．In this paper，it analysis a code acquisition scheme based on phase
compensation and synchronization blocks accumulation．which is based on FfTr parallel acquisition algorithm of the Compass．
Theoretical analysis and simulation results show that，this scheme can greatly improve the signal-to-noise ratio and the
efficiency of signal acquisition．
Key words：compass；code acquisition；phase compensation；synchronous accumulation
北斗用户机是北斗导航系统的重要组成部分，用户机关
键技术的研究是导航系统能够准确服务于各种民用业务及
各类军事项目的重要前提lll。从根本止讲。北斗导航系统是基
于码分多址(CDMA)的扩频通信系统[21。北斗用户机服务于北
斗导航系统．能够接收和跟踪多个通道的卫星信号。北斗用
户机的基带信号处理部分主要完成对由卫星一接收机系统
动态产生的载波多普勒频偏和伪码相位的传播时延的搜索
与跟踪， 以实现本地参考信号的载波频率和PN码相位与卫
星信号的精确同步，解调输出高精度的导航电文和伪距。扩
频伪码的捕获是整个扩频系统达到同步的前提。传统的伪码
FFT并行捕获方案虽然大大缩减了捕获时间但却是以增加
系统的硬件复杂度为代价【 。本文针对这一矛盾，提出来一
种改进的伪码捕获方案，在不增加硬件开销的情况下，不仅
能够提高捕获效率还能大大增加系统的信噪比。
1 传统的捕获方法
1．1 时域串行捕获
利用数字相关器在时域内对所指定的卫星信号的多普
勒频移和码相位两维内进行扫描式搜索，是一种最基本的信
号搜索方法．通常也称为线性搜索法 。它直接在时域进行串
收稿日期：2013—05—08 稿件编号：201305082
行的积分和累加．通过判断是否达到预先设定的阈值来达到
捕获的目的。它采用如图1所示的接收通道信号捕获电路来
实现。
混频 相关器 相干积分
图1 时域串行捕获
Fig．1 Time domain serial capture
输入信号为射频前端的中频采样，其数学表达式为：
sm(t)=N／2Ps C(f— r)D(t—r)cos ￡+ ( )】+n( ) (1)
其中，Ps是信号功率，c(t)是伪码； 为传输过程中带来
的时间延迟；D(t)是导航电文；是中频载波频率，其值由射频
电路和多普勒频移决定；6(0是初始载波相位：n(￡)是高斯白
噪声。
本地载波发生器产生两路信号，然后分别送给混频器与
输入信号相乘，对于每一个载波频率和伪码相位，I和Q路相
关器输出相关结果。将相干积分生成的数据对经非相干积分
作者简介：金璐(1987一)，女，河南郑州人，硕士研究生。研究方向：信息与信号处理。
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《电子设计工程)2013年第24期
后得到非相干幅值V。如果在当前载波频率值．完成相关运
算还没有得到超出阈值的尖锋．即V小于捕获门限值则说明
信号还没有搜索到，就改变当前载波频率值，然后再重复所
有伪码相位的搜索。若V超过设定的门限值，则信号被捕获
到。可以看出．信号捕获的过程就是不断的调整本地伪码相
位和本地载波频率，直至载波频率差和伪码相位差都小于一
定的门限值，积分器就会输出很强的相关结果。
1．2 频域FFT捕获方法
与时域串行捕获相比．采用频域FFT捕获算法吨臣过可以提
高捕获速度。它具有传统的串行处理算法无法比拟的高效率。
基于FFT并行捕获原理描述如下：设输入的中频信号同
上式(1)，混频后对同相支路和正交支路的积分器输出的相
关结果分别做傅里叶变换，得：
r r
D川纠：j 【f s )s (f+r)捌e伽 ： (f)s：∽ (2)
r ，
D川 =J [J SQ(f) ( ) 】e Jr ( ∽ (3)
这里， ( 和 ( 分别是sL(f)和s )的傅里叶变换，S：
( 和s'o( 分别是5，( 和s口( 的复共轭，St(f)和SQ(￡)分
别是本地码和输入信号的混频分量， (t)是本地伪码发生器
产生的伪码。
由上式可知。FFT捕获算法实际上就是在频域上执行循
环卷积。该算法更适合软件接收机的捕获。捕获的原理如图2
所示。
图2 基于FFT算法的信号捕获
Fig．2 Signal capture based on F
2 基于北斗的改进的捕获方法
2．1 基于FFT的补零法
对于北斗卫星导航系统。它的伪码是1支路的Kasami码目，
码长Ⅳ为255为奇数。若要直接进行基2的FFT变换，那就需要
对输入的Kasami码和本地产生的伪码各补一个零，使它们的长
度都变成256长度的序列。具体实现过程如图3所示。
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图3 补零法
Fig．3 Zero padding
基于FFr的补零捕获算法可以总结为：
首先，将中频信号和本地载波发生器输出的同相和正交
信号混频。并通过低通滤波器，得到基带的复信号。
其次，对得到的复信号补一个零后做FFr。
然后，对本地伪码发生器补一个零之后做快速傅里叶变
换，然后取共轭。
接着．对第二步和第三步的结果相乘，并将乘积做IFFT变换。
最后，对上一步的结果转入到判决逻辑。若没有明显的尖
峰出现，则重复上面四个步骤。
2．2 基于相位补偿和分组累加的伪码捕获技术
由于FF-I1的捕获算法在某种程度上有一定的局限性，并
且测量精度一般。本文在GPS信号的捕获算法基础上提出了
对于北斗码相位补偿和同步累加的捕获算法[91。
考虑长度为M=62．5xl0％ ms的数据，这里 是62．5xl0-3
的整数倍， ≥1且为整数。那么在这个时间跨度内，总共有
NM 个采样点。其中Ⅳ 为采样点数且Ⅳ 为16的倍数。把这些
采样点数分成L个数据块，那么每一个数据块正好包含了
62．5 s的数据采样。
假设输入信号是复信号，从发射卫星处得到的离散采样
数据可以表示为：
s n)： ( ) (巩) 肌q-V (IZt
s) (4)
其中， 是采样周期， 表示数据比特， 代表伪码信号；
是实际的载波频率，下标k表示PRN数目为k的卫星；
是高斯白噪声。
因为数据比特的数据率是50 bps，所以能够保证数据码
不变的最大时间长度是20 ms。而Kasami的码周期为62．5 s。
所以这里选取 ≤320。就是说在20 ms的时间内最多可以分
割成320个数据块，而每一个数据块的长度是62．5 s，并且
在 个数据块内，D(t)是保持不变的。
在本地产生一个频率是△ 的载波调整信号P (n)
： e
j
， 其中n：0，1?．，LN一1。将p (n)与输入信号相乘，可
以得到一个载波调整以后的信号：
(n) (n)s (n)： (帆) (峨)G(巩)e ‘ +
(nt；)e 们 (5)
；) 【))
对yk(n)进行同步累加．可以得到：
L—l L一1
G( ：E e ‘IC(L,f~)l
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