双线性极化天线的CAPS信号合成捕获算法*

甘 彤，马冠一

(1. 中国科学院国家天文台，北京 100012；2. 中国科学院研究生院，北京 100049)

1 概 述

中国区域定位系统(China Area Positioning System, CAPS)是具有定位、测速和授时等功能的卫星导航系统[1-2]。它采用在轨的地球静止轨道(Geosynchronous Eearth Orbit, GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit, IGSO)卫星作为导航星，在地面导航站放置高精度原子钟，产生测距码、导航电文和时间信息，通过地面卫星站发射上行，经卫星转发器转发后广播下行。CAPS系统采用的是二相相移键控(Binary Phase-Shift Keying, BPSK)调制直序扩频信号(Direct-Sequence Spread Spectrum, DSSS)[3]，利用C波段的载波完成信号调制。CAPS接收机通过对卫星转发的导航信号的捕获、解码，以实现精密定位、授时和测速。

在CAPS系统中，下行信号的极化方式由卫星转发器天线的极化方式决定。由于不同卫星转发器的极化方式不同(垂直线极化或水平线极化)，CAPS接收机采用圆极化天线以实现对不同极化方式导航信号的接收。但是利用圆极化天线接收线极化信号，会引入3 dB的极化损耗[4]。本文主要研究采用双线性极化天线接收CAPS导航信号，以实现对不同极化方式导航信号的接收，并且当两路天线对同一信号均实现捕获时，利用最大比合并合成信号，改善合成信号的信噪比。

喜姑接过毛衣，将香娭毑织错了的地方撤掉，又重新织起来，一边织一边似在想心事。香娭毑装作没看见，到厨房里灌开水去了。过了好一阵，喜姑说，姐，你这么灵泛，哪么不去学戏，学戏可好玩哩！

2 扩频信号捕获算法

对于扩频信号的捕获，主要有线性搜索捕获、并行频率搜索捕获和并行码相位搜索捕获[5-6]。线性搜索捕获的硬件设计复杂度较低，但需要做大量相关运算。并行频率搜索捕获[7]和并行码相位搜索捕获[8]是基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)的一种捕获算法，相对于线性搜索捕获，其所需的相关次数大幅减少。本文利用MATLAB语言实现捕获算法，结合考虑MATLAB语言特点、计算复杂度和捕获时间，采用基于并行码相位搜索的捕获方法。图1为经典的并行码相位搜索捕获。

从本地载波发生器(Numerical Controlled Oscillator, NCO)发出的两路正交离散信号sinwn和coswn分别与输入的数字中频信号SIF(n)相乘以实现载波剥离，得到两路基带信号——I、Q支路信号。再将I支路信号的值作为实部，Q支路信号的值作为虚部构成一个新序列，对这个新序列做快速傅里叶变换，同时对本地产生的短精码做快速傅里叶变换。将上述两个快速傅里叶变换的值进行复数相乘，对乘积进行逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)，对逆快速傅里叶变换的结果逐个求模。如果模值大于预先设定的门限，则认为信号被捕获，转跟踪环路。如果模值未大于预先设定的门限，则搜索另外的频率。

第一，建设社会主义核心价值体系，更有利于增强社会主义意识形态的吸引力和凝聚力。胡锦涛指出：社会主义核心价值体系是根源于民族优秀文化和社会主义先进文化并吸收人类文明成果发展起来的，是我国社会主义文化的引领和主导，决定着中国特色社会主义的发展方向，是兴国之魂。它以马克思主义指导思想，中国特色社会主义共同理想，以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神，社会主义荣辱观四项，构成其基本内容。它以倡导富强、民主、文明、和谐，倡导自由、平等、公正、法治，倡导爱国、敬业、诚信、友善的社会主义核心价值观的培育和践行为其建设的主要任务。它要求牢牢掌握意识形态工作的领导权和主导权，壮大主流思想舆论。

在信号的搜索、捕获过程中，需要采用积分低通滤波器消除信号中的高频成分和噪声，以提高信噪比。当积分运算是对I支路和Q支路上的信号分别进行时，这种积分称为相干积分。通过相干积分，信号信噪比有Gci(Tcoh)=10lgTcoh的改善[7]，其中Tcoh为相干积分时间。但是相干积分结果会受到码翻转的影响，即相干积分时间最长不能超过单个码元持续的时间。

在我国科学技术飞速发展的背景下,CT三维成像技术显著提升,在气管异物和食管异物诊断过程中,胸部CT三维重建技术发挥着重要作用。通过本次研究结果可知,对照组与研究组患者诊断准确率分别是90.32%和93.54%,组间未见显著差异,统计学无意义(P>0.05),由此可见,胸部CT三维重建技术与食管吞钡均具有较高的诊断率。在检查过程中,所选患者均进行全身麻醉,有些患者在实施全身麻醉之后,由于身体处于放松状态,食管自动蠕动,使得异物自动脱落至胃部。

图1 并行码相位搜索捕获

Fig.1 Parallel-code phase search

最近几年，随着我国党和政府对于加强信息整合建设的重视度越来越高，在我国党校图书馆建设“三大文库”以及“四大专题数据库”的引领下，当前我国许多党校图书馆都在加强特色信息数据库建设，有代表性的像安徽党校图书馆的“区域经济与文化信息数据库”、上海党校图书馆的“重要发展战略信息数据库”，这些都取得良好的反响，我国许多党校图书馆在硬件条件上、系统以及信息服务平台建设上都取得了很大的进步。不过，在实际建设进程中，一些图书馆在图书以及信息资源上出现重复建设、相似度高的问题，而且一些图书馆由于缺乏信息整合平台、信息数据集中性不高，存在难以实现深度挖掘与研究分析信息的问题。

(1)

式中，Dc(1)=[erfc-1(2Pfa)-erfc-1(2Pd)]2为理想检测能力因子，是检测概率Pd和虚检概率Pfa的函数，Nnc为非相干积分数目。可知，通过非相干积分，信号信噪比有Gii(Nnc)=10lg(Nnc)-L(Nnc)的改善。

在CAPS系统中，由卫星转发下行的信号信噪比较低，故需要采用相干积分和非相干积分提高捕获信号的信噪比。由以上分析可知，在不考虑码翻转的情况下，处理相同长度的数据，相干积分能够获得较大的增益。但是，长时间的相干积分对信号的同步要求较高，如果采样信号不同步，则可能造成信号间互相干扰，进而降低相干增益。结合实验系统中采集卡的时钟稳定度及下行信号的信噪比，本文采用1 ms的相干积分和9次非相干积分提高捕获信号的信噪比。

相干积分后，可以把相干积分结果的模值累加，以进一步改善信号信噪比，即非相干积分。由于非相干积分是对相干积分结果模值的累加，所以非相干积分不受码翻转的影响。但是非相干积分会引入积分损耗[9]。根据Barton的理论[10]分析非相干积分损耗为：

3 CAPS双线性极化天线系统信号合成捕获算法

3.1 CAPS双线性极化天线系统

词块是一种语言现象，从现象的角度来说大于单词，其标志特征是相对固定，而且在实际的语言活动中有很高的出现频率，同时融合有语境、语义、语法三方面的优势。传统的词块包括了词汇化句干、模式化语块、词汇短语、预制短语等几种具体类型，但时至今日，这种分类已不常见，只要是因频繁使用而存在于人们词汇记忆库里的多词组合，都可以称为词块。

CAPS双线性极化天线系统由水平极化天线和垂直极化天线及两套下变频设备组成。在卫星通信中，地面接收天线的极化基准面与卫星转发器的极化基准面的定义不同[11]，并且由于电离层的干扰，会使电磁波的极化面发生旋转[12]，使得接收天线的极化面与信号来波的极化面之间存在一个夹角——极化角。由于极化角的影响，单一线极化信号(水平或垂直极化)会耦合到接收端水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源上。

2.2 超声微泡造影剂携RPM对T24细胞周期分布与凋亡的影响 流式细胞仪检测结果表明经RPM和超声微泡造影剂携RPM处理过后的处于G1期的T24细胞数量明显高于对照组(P<0.05)，并且T24细胞出现大量凋亡(表3，图1)。

(2)

信号耦合到垂直极化天线S2上的分量为：

(3)

由(2)、 (3)式可知，在存在极化角α的情况下，单一极化信号会耦合到水平极化天线和垂直极化天线上，并且两天线接收的能量总和等于原始信号。

3.2 信号的最大比合并

由于极化角的影响，单一极化方式的CAPS导航信号能量会耦合到两副天线上，考虑利用最大比合并算法[13]来合成两路信号以改善合成信号的信噪比。设CAPS双线性极化天线系统k时刻接收的信号为：

xi(k)=aisi(k)+ni(k),i=1,2

(4)

由于各路噪声不相关，(6)式可以表示为：

将上步产物与EDC·HCl及NHS发生缩合反应。按物质的量比1∶1.2∶1.2分别称取TPGS丁二酸单酯、EDC·HCl、NHS置于真空干燥箱中干燥4 h，TPGS丁二酸单酯（TPGS-COC2H4COOH）与EDC溶于pH值为5.0的吗啉乙磺酸缓冲液中，冰浴下磁力搅拌反应10 min后加入NHS，继续常温反应6 h，即得活化好的TPGS-NHS。

z(k)=WTx=w1a1s1(k)+w2a2s2(k)+w1n1(k)+w2n2(k)=sc(k)+nc(k)

(5)

式中，sc(k)=w1a1s1(k)+w2a2s2(k)表示加权后的信号；nc(k)=w1n1(k)+w2n2(k)表示加权后的噪声。

合成信号的信噪比为：

(6)

设信号场强为E，当极化角为α时，信号耦合到水平极化天线S1上的分量为：

(7)

根据柯西-施瓦茨不等式：

(8)

式中，当wiσi=ai/σi时，等式成立。

设信号的相关峰值为Peaki,i=1, 2，则最大比合并的最佳权值为：

(9)

当按照最佳权值合并信号时，合成信号有最大信噪比：

(10)

CAPS双线性极化天线信号合成捕获算法如图2。其中，并行码相位捕获单元采用图1介绍的算法。码相位迟延单元通过判断两路信号相关峰值延迟两路信号以实现信号同步。合并系数w1、w2由(9)式计算。选择器判断输出单路信号捕获结果或者合成信号捕获结果。

(11)

包括星巴克、宜家、希尔顿在内的一些公司，宣布加入停用塑料吸管的行列；包括加州、新泽西州、佛罗里达州以及西雅图市在内的一些美国地方政府，也相继推出了限制生产和销售塑料吸管的政策。

3.3 CAPS双线性极化天线信号合成捕获算法

(10)式表示成对数形式为：

算法的具体步骤如下：

(1)对两路信号分别利用并行码相位搜索捕获算法进行捕获；

图2 CAPS双线性极化天线捕获算法

Fig.2 Algorithm for signal synthesis and acquisition of CAPS

(2)当只有一路信号实现捕获时，选择器直接输出那一路的捕获结果；当两路信号均实现捕获时，计算用于最大比合并的最佳权值，与经过同步的信号(码相位迟延输出信号)相乘，送入加法器完成信号的最大比合并；

鉴于此，多稿写作应贯穿于写作课堂教学，并配备以及时且积极的反馈方式（即写作自动批改系统）以及能体现具体性、权威性和针对性的教师反馈。

(3)利用并行码相位搜索捕获算法对合成信号进行捕获，选择器输出合成信号的捕获结果。

通过算法处理，相对于单路信号，合成信号的信噪比能够有明显改善。但是此算法会增加系统的硬件开销及增加捕获时间。相比圆极化天线，采用双线性极化天线接收卫星下行信号需要两路下变频设备，并且在完成初次信号捕获后，还需要进行二次信号捕获，这样使得信号的捕获时间增加了一倍。

4 实测数据分析

实验利用垂直极化天线、水平极化天线、两套CAPS接收机下变频设备以及凌华PCI-9820采集卡组成双线性极化天线接收系统，接收由中卫1号卫星(CHINASTAR-1)转发下行的CAPS导航信号。CAPS导航信号的信息速率为50 bps，扩频码速率为10.23 MHz，码长10 230位，码周期1 ms，下行信号载波频率为3 826.15 MHz。中卫1号卫星为地球静止轨道卫星，位于东经87.5°。接收系统位于北纬39.9°，东经116.4°，对应仰角为35.1°。两路下变频设备的时钟基准由同一个晶振提供，以实现时钟同步，其输出20.46 MHz的中频信号。利用凌华PCI-9820采集卡，以60 MHz的采样率对两路信号持续采样20 ms，即一个CAPS导航信号码周期内(1 ms)有60 000个采样点。利用MATLAB编程实现双线性极化天线系统信号合成捕获算法，算法中利用9 ms的数据完成1 ms的相干积分和9次非相干积分，以500 Hz的频率步进值，搜索±7 KHz的频率范围，分析单路信号和合成信号的捕获情况。

图3显示的是单路信号的捕获结果。其中图3(a)对应水平极化天线接收信号(信号1)，图3(b)对应垂直极化天线接收信号(信号2)。图3(a)中，相关峰位于频偏等于0 Hz、采样点等于28 636(对应码相位4 882)处，信号信噪比为18.425 2 dB。图3(b)中，相关峰位于频率等于0 Hz、采样点等于28 637(对应码相位4 883)处，信号信噪比为18.993 2 dB。

Notch调节软骨细胞分化、成熟、增殖、存活只通过经典途径，并且激活Notch可通过RBPj依赖的方式抑制间充质前体细胞（mesenchymal progenitor cells,MPCs）向软骨细胞分化，促进增殖［9］。Dong等［10］通过敲除 Prx1-Cre、RosaNotch1ICD 小鼠的RBPj，逆转了发育异常的小鼠四肢软骨表型，并且逆转后的软骨与Prx1-Cre、RBPjflox/flox小鼠的软骨无法区别，证明了四肢软骨的分化中，RBPj是Notch信号通路唯一的调节物。

图3 单路信号捕获结果

Fig.3 Certain acquisition result of one-channel signal

图4显示的是水平极化天线接收信号和垂直极化天线接收信号合成后的捕获结果。图4中，相关峰位于频偏等于0 Hz、采样点等于28 636(对应码相位4 882)处，信号信噪比为20.525 3 dB。

比较图3和图4可以看出，图4中信号的相关峰值更明显、噪声的相关峰值更小，即经过最大比合并，能够提高合成信号的信噪比、抑制噪声。

图5显示的是在同一极化角下采集的11组不同数据的信噪比。其中，垂直极化天线接收信号(信号2)的信噪比始终大于水平极化天线接收信号(信号1)的信噪比，并且合成信号的信噪比比单路信号的信噪比有明显改善，SNR合成-SNRmax(SNR1, SNR2)在1.458 8 dB到1.630 0 dB之间。由于信号2的信噪比大于信号1的信噪比，根据(9)式计算出最大比合并系数w2比w1大，即信号2在合成信号中的贡献大，所以图5中，合成信号信噪比的变化趋势主要受信号2的影响。

图4 合成信号捕获结果

Fig.4 Certain acquisition result of synthesized signal

图5 合成信号与单路信号信噪比

Fig.5 The SNR of one-channel signals and their synthesized signal

5 结束语

针对接收中国区域定位系统导航信号提出了一种基于垂直线极化天线和水平线极化天线的信号合成捕获算法。算法对于现行CAPS系统采用圆极化天线接收线极化信号引入3 dB极化损耗的问题，进行了改进。通过采用双线性极化天线接收卫星下行信号，并在基带部分实现信号的合成，以减小极化损耗。算法基于并行码相位搜索实现CAPS导航信号的捕获，并且在两路信号均实现捕获的情况下，完成信号同步，并根据信号的相关峰值和噪声功率计算出用于最大比合并的最佳权值wi完成信号合并，最后对合成信号进行捕获。对实测数据分析显示，合成信号信噪比相对于单路信号信噪比有明显改善。

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