低轨卫星直扩系统全并行捕获算法的优化设计方案研究

张情怡 余考

【摘要】：文章分析了低轨卫星直扩系统全并行捕获算法存在的问题，并在此算法基础上进行了改进，应对大频偏，采用多通道预补偿的方案；应对低信噪比，采用累加码元的方案，通过两种方案的综合提出全并行捕获算法的优化设计方案。

【关键词】：低轨卫星直扩系统 捕获算法 多通道预补偿

1.引言

在低轨卫星通信体制中，常采用直接序列系统（DSSS）， 以达到抗干扰能力强、截获概率低、多址能力强、抗多径和保密性好等目的。低轨卫星直扩系统的捕获包含两方面内容，一是捕获扩频信号的载频，完成频率的粗同步，将几十kHz的多普勒偏移锁定于几十Hz的范围内；二是捕获扩频信号的码起点，完成符号的粗同步，即将发送端PN码与本地产生的PN码对齐。

在低轨卫星通信中，收发双方相对运动速度很大，接收信号中存在不断变化的多普勒频率偏移，这是影响捕获码的检测概率的一个重要因素。载波的频偏会使接收到的直扩信号极性发生翻转，在码捕获时，大大降低信号的相关峰，影响接收效果。噪声及干扰是每个通信系统普遍存在的，它们会降低码捕获系统的检测概率，甚至导致通信中断，而且直扩系统往往工作在信噪比很低的环境下，当直扩信号通过衰落信道时，接收信号会引入衰落因子，這会造成信号幅度及相位的失真，并影响捕获性能。

所以，需要研究一种新的捕获方法，使得利用直扩系统传输卫星电台与地面电台之间的数据和图像等信息时，能够克服大多普勒频偏以及低信噪比对扩频码捕获性能的影响。

2.全并行捕获算法的优化设计方案

时频域全并行捕获算法实际上包含时频域相关、非相关累积判决两个主要部分。其中，时频域相关是整个算法中计算量最大的部分，本文给出一种适合在低信噪比、大多普勒频偏环境下的低速率直扩系统捕获的优化结构。

2.1应对大频偏的优化设计方案

根据低符号速率及FPGA“速度换资源”的处理特点，可将并行的N路预补偿载波信号通过并串转换模块合成一路载波，同时将N路DMF（DMF（1）、DMF（2）、…DMF（N））合成一路。合成一路后的新DMF中S×L级延迟则扩展为S×L×N级延迟，同时新DMF处理时钟速率变为原来的N倍。

频域相关捕获通常是在频域搜索到频偏，将时域的相先进乘转换为频域的相关，以此来补偿多普勒频偏。但是，根据离散傅里叶变换（DFT）的频率移位定理，可以先补偿多普勒频偏，再与本地伪码共轭序列乘，也可以得到相关序列。

上述改进的处理结构实现频率预补偿和时域匹配相关进行扩频信号捕获时，实际上是在一个chip内的每个采样点上进行了相位预校正，这样做可以做到“频偏无关”。即（）范围内的频偏对解扩的影响等同于（）内频偏的影响，该方法本质是时域匹配相关法。

2.2应对低信噪比的优化设计方案

在低轨卫星应用背景下，解扩后符号信噪比很小，即使在无频偏损失的情况下，DMF输出也很难确定相关峰所在位置。而且低轨卫星一般工作在高动态环境下，相干峰位置更加模糊，只利用一个符号很难准确在时域和频域进行捕获。

在一次捕获运算中，本地伪码相位与接收码之间的相位差是固定的，即相关峰位置固定不变。同时，由于白噪声的随机性，基底噪声可近似为相互独立，所以可以把连续多个伪码周期时间段的相关结果进行累加，只要累加的码元数目足够，相关峰的累积高度就将远高于基底噪声的累积高度，降低基底噪声对相关峰的影响，获得信噪比的提升。

如果对I、Q两路匹配滤波器的结果进行平方和运算，这样一个码元共有SSR个计算结果，对多个码元（设为M个码元）对应相位的运算结果进行累加，即第1个、第2个……第M个码元的第1个采样点的平方和累加后得到第1个累加结果，第1个、第2个……第M个码元第2个采样点的平方和累加后得到第2个累加结果，依此类推。

由于在m=k·SSR时刻，匹配滤波器输出为解扩后的基带信号与噪声的叠加，而在其它时刻匹配滤波器输出仅为噪声，经过多个平方和累加后，相关峰越迭越高，而多个噪声信号平方和叠加后趋近于一个均值。这样累加值A（mTC）在m=k·SSR时刻大于在m=k·SSR+1，k·SSR+2∧k·SSR（SSR-1）时刻的值，即相关峰与噪声之和的平方累加值大于一个码元中所有其它噪声采样的平方累加值，叠加后的结果中极大值所对应时刻就可以找出相关峰所在的位置，即捕获到输入信号的PN码相位。

由于白噪声的随机性，信道中的噪声可以看成相互独立的，因此如果把多个伪随机序列码周期时间段的相关的结果叠加，就可以在噪声中找到相关峰，并且累加的码元越多，相关峰越明显。

2.3全并行捕获算法的优化设计方案

综合上述两种应对大频偏和低信噪比的设计方案，可以得出高动态环境下低轨卫星直扩系统的优化捕获方案：

（1）串并转换。即把匹配滤波器输出后过平方和运算后包含多通道信号的样点值串并转换。

（2）符号累积。对每路信号在对应的位置上分别进行M个码元的累积。

（3）比较排序。当累积够M个符号时，将N个通道的峰值进行比较，记住最大值及其所在的通道编号。

（4）捕获判决。将上步得到的最大值与门限系数进行比对，如果最大值小于门限系数，捕获失败；如果最大值大于门限系数，则捕获成功，缩小搜索范围。

3.结束语

本文重点研究了直接扩频系统全并行搜索捕获算法，并在此算法基础上进行了改进，应对大频偏，采用多通道预补偿的方案；应对低信噪比，采用累加的方案，两种方案的综合就是本文所提出的对全并行捕获算法的优化设计方案。最后结合虚警概率和漏检概率对改进的二维全并行搜索捕获算法进行了仿真验证，得出该算法能够快速捕获伪码，满足接收信号的要求。

【参考文献】：

【1】帅涛，任前义，刘会杰，梁旭文，杨根庆.低轨卫星扩频系统中的PN码混合并行捕获技术研究[J]. 通信学报.2007年10期.

作者简介：

张情怡，女，陕西陆军预备役步兵第141师；

余考，男，陕西陆军预备役步兵第141师。