基于PMF-FFT的扩频信号多通道并行捕获

方 科

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

作为扩频测控通信系统中的关键技术，扩频信号的捕获包括接收信号载波频率捕获和伪码相位捕获两方面内容。一般而言，载波捕获的输出结果即本地信号载波频率与接收信号载波频率之差小于1 kHz，而伪码捕获的输出结果即本地信号伪码相位与接收信号伪码相位之差小于1 chip[1]。本文主要研究基于PMF-FFT的频域（频率分槽）多通道并行捕获和时域（伪码分区）多通道并行捕获，以适应不同的应用需求环境对扩频信号捕获实现方法和策略的选择。

1 基于PMF-FFT的捕获原理

基于PMF-FFT的捕获过程如图1所示，利用本地载波NCO混频将ADC进来的数字中频数据下变频到基带，同本地扩频伪码一起送入部分匹配滤波器[2]，当接收信号的伪码和本地伪码相位对齐时，部分匹配滤波器输出结果是频率值为收发双方频差的复正弦信号ej2πfdt，且短时固定，此固定频率即为载波多普勒频率fd。将匹配滤波器组输出的部分相关值送入FFT模块进行功率谱分析，等效于将扩频信号的捕获转化为对单频正弦波信号的周期图估计及检测。由于一个固定频率的正、余弦信号在频谱图上是一条单一的谱线，而高斯白噪声含有所有的频率，其FFT变换后是无限宽的频谱。因此对该复正弦信号进行最大似然概率最优检测[3]，检测出是否含有该频率成分。若含有该频率成分，则收发双方码相位对准，实现码捕获，并计算出多普勒频率；若不含该频率成分，则收发双方码相位未对准，从而将原来的频率、相位的二位搜索变成一维的搜索过程，大大减少了捕获时间。

图1 PMF-FFT捕获原理

文献[4]给出了 PMF-FFT 的幅频响应为:

式中，M是伪码长度，对每X chip做部分相关，相关积分后原来M chip的数据降为P点，X =M/P，N表示对P点数据做N点FFT。多普勒频偏fd对部分相关运算和FFT运算两个过程都有影响。部分相关点数与多普勒频偏造成的相关损失成同比关系，相关器的规模越大，做FFT 运算的点数越少，但同时相应的相关损失也越厉害。如果要使算法覆盖的多普勒频偏范围更大，需要减小X；如果要减小FFT的点数，节省硬件资源，就要增大 X，这是互相矛盾的。实际应用中，应根据待处理的多普勒频偏范围以及处理器的运算能力合理选择相关器规模 X和FFT运算点数 N。

2 基于PMF-FFT的多通道并行捕获

捕获的并行性体现在[5]:对同一段接收信号采样数据，分别同时送给多个通道的通道处理模块。每个通道处理模块除了本地预置频率、多普勒频偏补偿等参数不同，其处理过程都完全相同。多通道谱峰判决模块接收所有并行通道各自的最大相关峰值，从中选出最大峰值，并将该最大峰值对应通道所估计的伪码相位和多普勒频率作为最终搜索结果。

2.1 频域（频率分槽）多通道并行捕获

频率分槽的基本思路有:根据多普勒频偏的最大范围和单个频率槽最大分辨带宽，把捕获的频域搜索范围平均分为若干频率区间，各中心频率点设为fn(n=1,2,…,G)，如图2所示。单个频率槽最大分辨带宽受部分相关点数限制[6]。

图2 频率区间划分示意

基于PMF-FFT的频域（频率分槽）多通道并行捕获结构如图3所示，捕获过程如下:

1）按照事先的频率区间划分，利用本地 NCO将中频输入信号下变频到各自的频率槽中心位置。

2）利用低通滤波器去除正交下变频后信号的带外噪声，然后对滤波后的信号进行降采样率处理并存储。

3）本地产生一个伪码长度周期的伪码序列并存储。

4）读取事先存储的降采样后数据和本地产生的PN码同时送入PMF模块，对计算得到的相关结果重新组合做FFT，记录各组FFT 结果的最大模值。

5）各频率槽通道的FFT最大模值送给多通道谱峰判决模块，从所有并行通道各自的最大相关峰值中选出最大峰值，并将该最大峰值对应通道所估计的伪码相位和多普勒频率做为最终搜索结果。

通过采用频域（频率分槽）多通道并行捕获，可以在高动态环境下快速获取多普勒频移信息，以达到缩短捕获时间的目的[7]。

图3 频域（频率分槽）多通道并行捕获结构

2.2 时域（伪码分区）多通道并行捕获

伪码分区的基本思路如下:部分匹配滤波每次只能对一小段的伪码长度做相关运算，因此为了提高捕获速度，可以将长度为L的伪码平均分为若干伪码子区间，将各个伪码子区间视为不同的捕获通道，并行对接收信号进行 PMF-FFT处理。如图 4所示。

图4 伪码分区划分示意

基于PMF-FFT的时域（伪码分区）多通道并行捕获结构如图5所示，捕获过程如下:

1）按照事先的伪码区间划分，本地产生各个区间对应不同起始相位的伪码序列并存储。

2）利用本地NCO将中频输入信号下变频到频率槽中心位置，经过低通滤波滤去带外噪声，然后对滤波后的信号进行降采样率处理并存储。

3）读取降采样后的数据和不同通道对应的本地PN码送入PMF模块，对计算得到的相关结果重新组合做FFT，记录各组FFT 结果的最大模值。

4）各频率槽通道的FFT最大模值送给多通道谱峰判决模块，从所有并行通道各自的最大相关峰值中选出最大峰值，并将该最大峰值对应通道所估计的伪码相位和多普勒频率作为最终搜索结果。

通过采用时域（伪码分区）多通道并行捕获，可以在低动态环境下快速获取伪码相位信息，以达到缩短捕获时间的目的。

图5 时域（伪码分区）多通道并行捕获结构

3 结语

PMF-FFT算法由于其部分匹配滤波器长度和FFT点数可根据技术指标要求调整，为捕获性能和复杂性二者之间提高很好的弹性选择，因此在扩频信号捕获中得到越来越多的应用。基于PMF-FFT的频域（频率分槽）多通道并行捕获可捕获较大范围的载波多普勒频偏和较高的多普勒频率变化率，可用于载体高速、高加速度飞行等高动态环境下的测控领域；而基于PMF-FFT的时域（伪码分区）多通道并行捕获可快速捕获伪码相位，可用于短时突发扩频通信、高精度时延测量等领域。

[1]任宇飞,程乃平.高动态扩频信号快速捕获技术研究[J].国外电子测量技术,2009,28(07):24-26.

[2]刘艳华,赵刚.基于PMF-FFT的PN码捕获方法及性能[J].通信技术,2009,42(01):24-26.

[3]陈颖.最优长周期扩频码快速捕获理论[C].成都:中国电子科技集团公司第十研究所,2006:148-153.

[4]杜常林.高动态环境中多进制扩频系统基带同步技术研究[D].成都:电子科技大学,2008.

[5]皮世杰,黄登山,龚诚.部分匹配滤波器在高动态卫导信号快捕的应用[J].通信技术,2008,41(01):6-8.

[6]潘军,李玉柏,王雷.并行数字相关器的FPGA实现[J].通信技术,2010,43(07):225-227.

[7]班华福,王世练,朱江.大多普勒下基于FFT伪码捕获技术研究[J].通信技术,2011,44(08):36-38.

[8]楚君,王紫湘.一种基于混沌的新型扩频盲水印算法研究[J].信息安全与通信保密,2009(09):74-76.