基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法

任錦君，錢博

沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法

任錦君，錢博

沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

衛(wèi)星導(dǎo)航新體制下的TDDM調(diào)制方式的出現(xiàn)，提高了信號的跟蹤精度，同時給同步捕獲技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。針對TDDM信號的獨(dú)有特點(diǎn)，采用雙通道并行捕獲，并將循環(huán)相關(guān)法與數(shù)據(jù)折疊技術(shù)相結(jié)合，提出一種基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法。通過仿真測試，驗(yàn)證了該算法能夠快速、有效地實(shí)現(xiàn)對TDDM-BPSK信號的同步捕獲。

衛(wèi)星導(dǎo)航；TDDM；捕獲；數(shù)據(jù)折疊

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]在軍用和民用領(lǐng)域的快速發(fā)展，新一代導(dǎo)航信號也隨之出現(xiàn)，成為了未來發(fā)展的熱點(diǎn)。一種新體制下的時分?jǐn)?shù)據(jù)[2]（Time Division Data Modulation，TDDM）調(diào)制方法被提出，該調(diào)制方法采用由有數(shù)據(jù)信號和無數(shù)據(jù)信號構(gòu)成的調(diào)制方式，提高了信號的保密性，因此，作為新一代導(dǎo)航信號已在GPS系統(tǒng)L1頻段中得到廣泛應(yīng)用。GPS系統(tǒng)中的擴(kuò)頻偽碼具有長周期性[3]，并且隨著TDDM調(diào)制體制的出現(xiàn)，其特有的擴(kuò)頻方式，進(jìn)一步加大了同步捕獲的難度，而采用現(xiàn)有的捕獲方法將無法達(dá)到相關(guān)度的要求。針對該問題，通過分析傳統(tǒng)直擴(kuò)信號同步捕獲方法[4]，依據(jù)TDDN信號特性，對直擴(kuò)信號同步捕獲方法進(jìn)行改進(jìn)[5]，重點(diǎn)對TDDM信號同步捕獲方法進(jìn)行了深入研究，提出了基于數(shù)據(jù)折疊[7]的TDDM信號同步方法。

1 TDDM信號的調(diào)制機(jī)理及特性

1.1 TDDM信號調(diào)制機(jī)理

對于現(xiàn)有的衛(wèi)星信號，均采用常規(guī)調(diào)制方式，不存在無數(shù)據(jù)分部分，而在此基礎(chǔ)上經(jīng)TDDM調(diào)制后的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，具有數(shù)據(jù)分量和無數(shù)據(jù)分量并存的特點(diǎn)，并充分利用無數(shù)據(jù)分量的特點(diǎn)，提高信號的跟蹤精度。TDDM時分復(fù)用調(diào)制原理如圖1所示。

圖1 TDDM時分復(fù)用調(diào)制原理如圖

1.2 TDDM信號特性分析

由擴(kuò)頻通信基本原理可知，導(dǎo)航系統(tǒng)常用的擴(kuò)頻調(diào)制方式不影響TDDM調(diào)制的自相關(guān)特性，因此，以直擴(kuò)信號BPSK信號為切入點(diǎn)，以PN碼為擴(kuò)頻偽碼序列，對其進(jìn)行TDDM調(diào)制，形成TD?DM-BPSK信號，通過TDDM擴(kuò)頻的BPSK信號對TDDM信號特性進(jìn)行深入分析。經(jīng)PN碼擴(kuò)頻調(diào)制的BPSK信號的自相關(guān)函數(shù)可表示為：

式中，Pi(t)為衛(wèi)星在時刻t的PN碼序列；Tcp為碼周期，約等于97.85 ns；τ為自相關(guān)函數(shù)中偽碼相位的時間移動相位。

將TDDM-BPSK信號的功率譜與自相關(guān)函數(shù)分別和其BPSK的功率譜與自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行對比分析，自相關(guān)函數(shù)對比結(jié)果如圖2（a）、（b）所示?？芍?，基于TDDM擴(kuò)頻的BPSK信號與BPSK信號具有相同的功率譜。

圖2 BPSK與TDDM-BPSK信號自相關(guān)函數(shù)對比圖

兩者的功率譜比較圖如圖3和圖4所示。可知，TDDM擴(kuò)頻的BPSK信號與BPSK信號具有相同的功率譜特性。因此，運(yùn)用TD?DM該種獨(dú)有特性，通過對現(xiàn)有的直擴(kuò)信號同步捕獲方法的研究，結(jié)合TDDM的擴(kuò)頻特性，提出適合TDDM調(diào)制信號的同步方法。

圖3 BPSK信號頻譜圖

圖4 TDDM-BPSK信號頻譜圖

2 基于數(shù)據(jù)折疊的直擴(kuò)信號快速捕獲方法

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中采用的直擴(kuò)信號擴(kuò)頻偽碼，通常具有長周期性，為解決該問題，常利用數(shù)據(jù)折疊的思想進(jìn)行相關(guān)信號的處理，以減少捕獲時間，如擴(kuò)展復(fù)制重疊（extended replica folding ac?quisition search technique,XFAST）法、均值法等。XFAST算法便是其中一種，其方法為：設(shè)接收信號長度為L，接收端本地偽碼生成器生成長度為N×L的本地偽碼序列，將其分為N段長度為L的本地偽碼序列并進(jìn)行疊加處理，形成新的長度為L的偽碼折疊序列，進(jìn)一步與接收信號進(jìn)行循環(huán)相關(guān)，對相關(guān)結(jié)果的最大比例峰值進(jìn)行門限判決，進(jìn)而判斷出接收信號偽碼偏移所在的子偽碼序列及其具體偏移位置。

圖5 基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法實(shí)現(xiàn)過程圖

3 基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM信號快速捕獲方法

依據(jù)TDDM信號特性，基于TDDM-BPSK信號的同步捕獲方法與基于PN碼的BPSK信號同步捕獲方法具有相似性。因此，本文將擴(kuò)展復(fù)制重疊技術(shù)與快速傅里葉變換方法相結(jié)合，采用雙通道對信號進(jìn)行捕獲，提出基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法?；跀?shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

4 仿真與分析

為驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法的有效性，利用MATLAB搭建了針對GPS PN碼的TDDM信號仿真平臺，對該同步捕獲方法進(jìn)行了仿真測試。因此，設(shè)擴(kuò)頻偽碼速率為6Mbps，載波頻率為20.46MHz，采樣頻率為153.45MHz，相關(guān)積累時間為1ms，在不同的信噪比、偽碼偏移量、載波偏移量以及信息反轉(zhuǎn)位含量的條件下進(jìn)行捕獲仿真。圖6為在信噪比為-7.8711dB、偽碼偏移量為5254個碼片、載波偏移量為1200Hz條件下雙支路捕獲結(jié)果。圖7為在信噪比為-10.9691dB、偽碼偏移量為1098個碼片、載波偏移量為1300Hz條件下雙支路捕獲結(jié)果。

圖7 在信噪比：-10.9691dB,偽碼偏移量：1098碼片,載波偏移量為1300Hz條件下雙支路捕獲結(jié)果圖

圖6 在信噪比：-7.4473dB,偽碼偏移量：5254碼片,載波偏移量：1200Hz條件下雙支路捕獲結(jié)果圖

仿真測試結(jié)果表明，本文方法能夠快速、準(zhǔn)確地完成對TD?DM-BPSK信號的同步捕獲。

5 結(jié)論

為了快速有效地實(shí)現(xiàn)對TDDM信號的同步捕獲，針對TDDM信號的獨(dú)有特點(diǎn)，本文以TDDM信號機(jī)理及直擴(kuò)信號同步捕獲方法為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種基于數(shù)據(jù)折疊的TDDM-BPSK信號同步捕獲方法，并對該算法進(jìn)行了運(yùn)算量分析及有效性仿真測試。

[1]Luo H K,Wang Y Q,Ma Z H,et al.A segmentation motion com?pensation-based long-term integration method for DSSS signal [C].2012 IEEE 11th International Conference on Signal Processing, Beijing,China,Oct.1287-1290,2012.

[2]李少瑋,孫迅,張榮兵.TDDM信號的非對等廣義差分捕獲算法[J].遙測遙控,2014,35（5）：36-41.

[3]Feng W Q,Xing X D,Zhao Q,et al.Dual-channel method for fast long PN-code acquisition[C].China Communication,Shanghai, China,May 60-70,2014.

[4]李少瑋,孫迅,張榮兵.TDDM信號的非對等廣義差分捕獲算法[J].遙測遙控,2014,35（5）：36-41.

[5]王嘉寧,宋真東,廉保旺.GPS信號P碼直接捕獲方法[J].火力與指揮控制,2011,36（6）：74-76

國家自然科學(xué)基金（61501309），遼寧省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（L2015462）。

任錦君（1993-），女，碩士研究生，研究方向：擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用。