淺談實現(xiàn)高動態(tài)捕獲的匹配濾波器設(shè)計
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摘要：本文分析了可適用于高動態(tài)情況下的捕獲方法—匹配濾波器法。對匹配濾波器的具體設(shè)計方法進行了分析說明，同時對其捕獲的動態(tài)范圍及提高靈敏度的措施進行了詳細(xì)說明。本文對于準(zhǔn)備采用匹配濾波器法實現(xiàn)高動態(tài)捕獲的設(shè)計人員具有一定的指導(dǎo)意義。
論文關(guān)鍵詞：北斗,匹配濾波器,高動態(tài),捕獲,靈敏度
由于擴頻體制具有很強的抗干擾能力、保密性強、可實現(xiàn)碼分多址或者頻分多址等優(yōu)點，所以在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中被廣泛使用。本地信號與衛(wèi)星信號同步是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機正常工作的前提。同步包括捕獲與跟蹤兩個階段。
具有高動態(tài)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是高動態(tài)情況下的捕獲，捕獲速度的快慢決定了接收機在高動態(tài)情況下快速捕獲的性能。傳統(tǒng)的滑動相關(guān)方法在時域和頻域進行二維搜索。而匹配濾波器方法在一個PN碼周期內(nèi)只需要頻域上的一維搜索，所以相對普通滑動相關(guān)方法匹配濾波的捕獲時間提高了很多，對于衛(wèi)星的短碼捕獲是一個非常好的選擇。本文以我國的北斗衛(wèi)星為例來說明匹配濾波器的捕獲方法。
1. 二維搜索的捕獲原理簡述
假定搜索過程中, 碼相位搜索步進量為一個碼相位單元, 多普勒頻移搜索步進量為一個多普勒頻率單元, 則一個碼相位單元與一個多普勒頻移單元構(gòu)成一個如圖一所示的二維信號搜索單元，所有的搜索單元組成了整個的信號搜索范圍。采用普通滑動相關(guān)方法的二維搜索就是在圖一所示的捕獲分隔區(qū)間內(nèi)依次進行搜索，當(dāng)所有的分格完成后才最終完成捕獲搜索范圍�？梢娖胀ǖ幕瑒酉嚓P(guān)法的缺點是搜索時間長，動態(tài)性很差，而匹配濾波器法相對于普通的滑動相關(guān)法性能得到了極大的提高。
圖一 二維搜索圖
2. 采用匹配濾波器的捕獲方法
2.1 匹配濾波器的工作方法
上述二維捕獲方法中時域部分采用匹配濾波器方式來代替滑動相關(guān)的串行搜索法，就變成了匹配濾波器方法。匹配濾波器法可以看成是滑動相關(guān)法的一個特例。但與普通滑動相關(guān)法的區(qū)別是，它由數(shù)十個滑動相關(guān)器組成，滑動相關(guān)器同時工作，這樣就大大降低了相關(guān)運算的時間。其設(shè)計的大概原理是當(dāng)接收端收到一個新的碼片后，數(shù)十個滑動相關(guān)器同時開始工作，在系統(tǒng)時鐘作用下本地碼片相對接收碼片滑動，同時進行相關(guān)和累加運算，在下一個新的碼片來到之前，完成當(dāng)前相位的所有碼片的相關(guān)累加運算。把這個結(jié)果存下來，用作峰值比較。下一個新的碼片來后，本地碼與接收碼的相位就滑動了一個相位，然后再重復(fù)上述運算。這樣，當(dāng)收到一個完整的PN碼周期后，本地碼和接收碼就完成了所有相對相位的相關(guān)運算，把上面存下來的用作峰值比較的數(shù)進行比較，當(dāng)多普勒變化速率在指定的范圍內(nèi)時，就一定會找到一個相對極大的數(shù)，即峰值，峰值對應(yīng)的相位就是接收碼和本地碼相位相同點，也就是峰值點，這樣就在一個PN碼片周期內(nèi)完成了整個時域的計算，捕獲速度得到了極大的提高。下面以北斗為例對設(shè)計進行一下具體的說明。
北斗衛(wèi)星的碼片個數(shù)是511個，這里為了提高捕獲靈敏度，用2倍碼片速率的時鐘把511個碼片采成1022個點，然后把這1022個采樣點分成33個模塊，前32個模塊中每個模塊有31個點，第33個模塊有30個點，如圖二所示。在采樣時鐘的控制下，當(dāng)采樣信號來的時候，送入一個采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)送進循環(huán)移位寄存器，移位寄存器在系統(tǒng)時鐘的控制下進行移位操作，每個時鐘會在寄存器的末端有一個輸出，這個輸出用來與本地碼進行相關(guān)運算，運算完后這個輸出又送回到寄存器的輸入端，這樣當(dāng)一個循環(huán)結(jié)束，循環(huán)移位寄存器恢復(fù)原來的狀態(tài)。同時，本地碼發(fā)生器會產(chǎn)生一個碼，這個碼也是由系統(tǒng)時鐘控制產(chǎn)生的，它會在兩個系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生一碼片，這樣每個碼片的長度相當(dāng)于寄存器中的兩個采樣點。在系統(tǒng)時鐘的作用下碼片與移位寄存器中的輸出端進行相關(guān)運算。具體做法
圖二 匹配濾波器示意圖
是當(dāng)碼片為‘1’的時候，累加器進行“加”運算，當(dāng)碼片為‘0’的時候，累加器進行“減”運算，這樣就完成了相關(guān)運算。注意此處本地碼的長度相當(dāng)于寄存器中的兩個采樣點。碼片更新是用碼采樣時鐘控制，而相關(guān)運算采用的是系統(tǒng)時鐘。每個系統(tǒng)時鐘可以做一次相關(guān)運算，這樣在兩個采樣點的間隔時間內(nèi)，一個子模塊可進行31個碼片的相關(guān)運算（第33個模塊進行30個碼片的相關(guān)運算），而所有33個模塊一起工作就完成了整個PN碼片的相關(guān)運算。
當(dāng)下一個采樣點來的時候，循環(huán)移位寄存器會送進一個新的碼片，寄存器中的碼片相位就變化了一個，而本地碼片相位不變，這樣兩個碼相對滑動了一位。
每個模塊會實現(xiàn)34次滑動，當(dāng)收滿511個碼片后，一個相關(guān)周期結(jié)束，本地碼和接收碼就實現(xiàn)了在一個偽碼周期內(nèi)的所有相對相位的相關(guān)運算。
圖三 相關(guān)子模塊示意圖
2.2 相關(guān)與累加運算
相關(guān)與累加運算就是計算本地碼與輸入碼的相關(guān)度。其計算方法為當(dāng)本地碼為‘1’時，直接進行累加，當(dāng)為‘0’時，就把接收到的碼片乘以一個負(fù)號再進行累加。當(dāng)累加周期結(jié)束時，如果本地碼與接收碼是一一對應(yīng)的，就會有累加出一個相對極大的值，這里叫做峰值。設(shè)定一定的門限后就可以進行捕獲判決了。
相關(guān)與累加運算的程序如下 ：
IF OUTPUT0 = 1
RESULT = OUTPUT1 + RESULT ；
ELSE
RESULT = RESULT – OUTPUT1 ；
2.3 捕獲時間分析
指標(biāo)中的速度為900 m/s,是載體相對于地球表面的速度。由于衛(wèi)星運動最大可以達到700 m/s以及本地接收機時鐘的漂移會造成1KHz的頻率漂移，所以實際計算時要以2000 m/s的速度來計算多普勒。高動態(tài)情況下多普勒頻移的變化較大，根據(jù)多普勒計算公式
，當(dāng)
時，由相對速度
。由多普勒頻偏引起的碼偏為 6.8
。 當(dāng)加速度
時，多普勒頻偏的變化率 
＝515
，碼偏的變化率為0.334，即 1 秒鐘變化0.334個碼片。
子相關(guān)模塊完成一次相關(guān)運算需要31個系統(tǒng)時鐘，累加模塊的運算時間也在10個系統(tǒng)時鐘之內(nèi)，所以一次相關(guān)運算所需時間為41個系統(tǒng)時鐘，在50MHz的采樣率的情況下，41個系統(tǒng)時鐘需要0.00083ms，而采樣碼片更新時間為0.00098ms，所以從上可見在一個采樣碼片更新時間內(nèi)可以分別完成各個子模塊的相關(guān)運算以及所有子模塊的累加運算。在1ms時間內(nèi)可以完成1022個碼片的滑動相關(guān)運算。由前述書二維搜索的原理，則在時域搜索的同時還要進行頻域的搜索。由上面分析可知多普勒的變化率為 
515，所以頻域搜索以500Hz為一個搜索間隔。則±10.5KHz可分成42個頻域搜索區(qū)間。每一個頻域搜索的時間是1ms，則完成整個頻域的搜索需要42ms。42ms時間內(nèi)碼片的偏移0.014個碼片，多普勒的偏移22Hz ，碼偏和頻偏的變化都是很小，在一個捕獲步進單元內(nèi)，說明此段時間內(nèi)捕到的碼偏和頻偏有效。由上可以看出匹配濾波器配合頻域步進搜索的捕獲方式在高動態(tài)情況下具有很高的效率。
2.4 靈敏度的提高方法
提高靈敏度的方法通常有非相干積分法、相干積分法等。本設(shè)計采用非相干累積法以提高增益。在動態(tài)允許的情況下可以采用可以進行多個周期的累加以提高靈敏度。前面計算過1秒鐘的碼片偏移是0.334個，1.5秒鐘的偏移為0.5個碼片，我們認(rèn)為此時為臨界有效點。進行一次全頻域搜索需要42ms，那么在1.5秒鐘內(nèi)就可以進行35次全頻域搜索，把35次計算得到的值進行累加再進行捕獲判斷就可以極大地提高捕獲概率。上述所說的是一個理論情況，根據(jù)實際出發(fā)，把非相干累加控制在10次之內(nèi)即可。實踐證明此種方法對提高靈敏度有很大效果。
3. 結(jié)論
通過多次試驗證明此種匹配濾波器方法實現(xiàn)簡單，適合FPGA實現(xiàn)，且具有很高的捕獲速度。用高動態(tài)信號源測試結(jié)果表明在加速度20g的高動態(tài)場景，捕獲狀態(tài)穩(wěn)定，在加速度最高達到50g的高動態(tài)場景，可以捕獲，但此時捕獲狀態(tài)不是很穩(wěn)定。從而證明匹配濾波器捕獲法在高動態(tài)情況下具有很強的應(yīng)用性。
參考文獻
[1] 楊奎武 魏博. 擴頻通信中匹配濾波器的FPGA設(shè)計[D] .鄭州:解放軍工程信息院.2004.
[2] 姜弢. 直擴系統(tǒng)中匹配濾波器捕獲方法研究[D] .哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院.2004.
[3] 朱近康. 擴展頻譜通信及其應(yīng)用 [M] . 合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1993. .
[4] 張伯川 張其善. 高動態(tài)接收機的關(guān)鍵問題研究 [M] . 北京:航空航天大學(xué)電子工程系,2003. .
[5] 陳鶴 邵定容. 高動態(tài)擴頻接收機中數(shù)字匹配濾波器的FPGA設(shè)計 [M] . 北京:北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 ,2005 . .
