高多普勒扩频通信快速捕获技术研究

马若飞，丁世谱

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

高速运动目标与地面测量站之间通常存在较高的径向速度和加速度。这使得双方接收机接收信号的载波具有很高的多普勒频率和多普勒频率变化率，即存在很高的动态。

传统的捕获方法一般采用滑动相关法。这一方法的工作效率较低：一方面，该捕获过程是一个二维的搜索过程，用时相对较长，约为相关器单次积分时长的N倍(N为伪码点数)；另一方面，随着多普勒频移的增大，该方法性能会迅速变差，直至无法完成捕获。[1]为改善扩频信号在大动态下的捕获跟踪效率，本文提出了一套捕获跟踪实现方案，最终实现信号同步。这一方案包括时域部分匹配捕获法、FLL环辅助PLL环的载波同步法两部分。

1 方案设计

扩频信号的扩频码捕获是接收机要解决的首要问题。为了缩短捕获时间，将传统的捕获方法中的滑动相关结构加以改进，引入FFT谱分析。

1.1 时域部分匹配捕获法

当本地伪码与输入信号伪码相位一致，本地伪码与输入信号相乘后，结果只剩下残留的载波ej2πfdt，对其作FFT谱分析，就能得到多普勒频移值fd。利用这种方法，在搜索到伪码相位的同时就能得到它的多普勒频移值，从而将原来的频相二维搜索过程变为一个一维搜索过程，大大减少了搜索时间。[2]基于FFT捕获的结构框图如图1所示。

这一方案中的本地伪码与输入信号伪码之间仍然保持相对滑动。对于输入信号，每X个码片(chip)做一次累加，实现输入数据的降速，将原长M的伪码变为现在的P点数据(P=M/X)。使用第n个部分相关器计算伪码的第n个X码片，以此类推，第P个部分相关器用最后X个码片[3]。而后利用这P点数据作N(N≥P)点FFT，并分析频谱，选择FFT的N个输出端中输出值最大的峰值作为相关器的输出。如果频谱峰值超过门限值，则说明本地码相位与输入信号码相位达到一致，即实现了用FFT对接收信号的Doppler频移估计。

对这一方案进行实现时，将中频信号经A/D采样后所得的采样点和过零点分别写入两个缓冲区，在捕获时再从缓冲区中读出数据，进行部分匹配相关。所得相关结果累加后，每L个点作一次FFT(采样点和过零点并行进行)。在捕获中，每作一次FFT，将最大值位置和是否满足单音和总量的比例关系存入一个存贮器，同时从存贮器中读出前Q个的最大值进行比较。如果当前最大值和总能量达到一定的比例，且最大值位置与Q个之前的位置相同，同时Q之前的单音也满足比例关系，则认为捕获到扩频码相位，完成粗捕，可以进行后续校验。

计算FFT的过程中，其频率分辨率取决于FFT点数，粗捕中仍会残余不大于频率分辨率的频偏。这一残余频偏可以采用M&M算法进行估计，将其消除。在接下来的若干个码周期内，每个码周期作同样的FFT，结果存入存贮器中，再作非相干累加，对累加的结果作单音判断，如果满足条件即通过和验证，如果验证通过则启动跟踪。

1.2 FLL环辅助PLL环的载波同步法

由于多普勒和时钟偏差的存在，载波会产生一定的频偏，其同步过程也包含捕获和跟踪两个步骤。载波捕获过程是对多普勒频移的粗略估计，而载波跟踪则是精确跟踪多普勒频移和相位变化以恢复出相干载波。

在大频偏和大多普勒变化率的条件下，本方案的载波同步主要包括以下3个步骤：

(a) 大多普勒频差搜索：通过载波频率与码相位的联合搜索，使得剩余载波频差较小；

(b) 剩余载波频差估计：采用基于反余弦函数的频差估计算法进一步减小载波频差；

(c) 双环载波跟踪：通过一个锁频环FLL和一个锁相环PLL，完成在高动态条件下的载波频率和相位的精确跟踪。

载波跟踪环包括锁频环(FLL)和锁相环(PLL)。初始时，FFT模块捕获后载波频差还比较大，频率尚未锁定，鉴相算法的输出经滤波器积分后输出为零，此时FLL起主导作用。频率锁定后，鉴频器输出为零，锁相环占主导地位[5]。

双环载波跟踪环路的原理框图如图2所示。

从图2可以看出，双环载波同步环路主要由1个锁频环FLL、1个锁相环PLL及载波NCO组成。DLL环中输出正确的P-N码相位及最佳采样点信号，经匹配相乘后进行积分清除滤波，进行平方去调制运算，然后进行32点的滑动平均滤波，并用ATAN反正切函数鉴相得到相位误差，相位误差经1个采样周期延时后进行差分鉴频得到频率误差。相位误差和频率误差送至FLL/PLL环路滤波器(积分支路要进行饱和控制)进行滤波，根据滤波输出调整载波NCO，并经比例因子相乘后辅助DLL环。

当环路锁定时，滑动平均输出信号的I支路应为1，Q支路应为0，此时可用该信号进行积分，比较I、Q支路积分输出比值进行环路检测锁定判决。

2 计算机仿真

仿真所用直扩系统参数如下：

基带信息速率：Ra=4.88 kbps；

伪码速率：Rc=5 MHz；

伪码形式：1 024位m序列；

调制方式：DBPSK；

采样频率：fs=100 MHz；

载波频率：fc=30 MHz。

直扩系统结构如图3所示。在频偏为5 kHz时，传统伪码捕获方法相关结果的仿真结果如图4所示，可以看到并没有明显的相关峰，捕获失败。

图5为同多普勒下时域部分匹配捕获法的仿真结果。图中同时展示了捕获校验时的单次结果、16次相干累加和16次非相干累加的结果，可以看到明显峰值，捕获成功。

接着对高多普勒下本文所提方案的载波同步进行仿真。图6给出了门限信噪比条件下载波环路的校频滤波输出，仿真时载噪比为55 dB/Hz，多普勒频移初始误差为1 kHz，多普勒频移变化率为24 kHz/s。仿真结果表明，双环路载波跟踪环可以实现载波的精确跟踪。另外，通过仿真发现环路的锁定时间基本在0.15 s左右，远优于当前工程实践中通常为1 s的指标要求。

3 结束语

本文着重介绍了高动态扩频信号的快速捕获和载波同步的算法，分别采用了时域部分匹配FFT方法、FLL环辅助PLL环等算法。时域部分匹配FFT法在几乎不增加硬件复杂度的情况下弥补了时域滑动相关法花费时间过长的不足，载波跟踪方法则可以在实际频偏较大的情况下在0.2 s内完成跟踪，具有一定的工程应用价值。