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基于FFT的伪随机码快速捕获设计与实现
万灵
【期刊名称】《科技广场》
【年(卷),期】2010(000)009
【摘要】本文介绍了基于FFT的伪随机码快速捕获的原理,并且对快速捕获模块的核心单元,即采样率转换单元和FFT/IFFT计算单元的FPGA实现进行了详细论述.仿真和实现结果表明,此方法能快速地捕获扩频信号中的伪随机码相位.
【总页数】3页(P35-37)
【作者】万灵
【作者单位】华东交通大学信息工程学院,江西,南昌,330013
【正文语种】中文
【中图分类】TN911
【相关文献】
1.基于FPGA技术的无线网络伪随机码的快速捕获研究 [J], 晨雨
2.基于"匹配滤波+序列估计"模式的新型长周期伪随机码快速捕获方案 [J], 郭黎利;王东凯;张昕;张曙
3.基于DSP和FPGA的GPS伪随机码并行快速捕获方案设计 [J], 周应强;冯克明
4.基于DSP辅助的伪随机码快速捕获实验分析 [J], 徐庆;黄伟;何子述
5.时域内GPS伪随机码快速捕获的研究与设计 [J], 张丹;赵勇
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扩频系统中一种FFT算法的快速捕获方法
秦率刚;王星;程嗣怡;权银珠
【期刊名称】《现代防御技术》
【年(卷),期】2012(040)002
【摘要】针对高动态、大频偏的扩频系统采用了一种基于快速傅氏变换(FFT)算法的伪码快速捕获方法,该捕获方法是在搜索伪码相位的同时,通过频率扫描的方式搜索载波频率偏移值,将原来的伪码相位、载波频偏的二维搜索过程变成只搜索伪码相位的一维搜索过程,从而大大减少了高动态、大频偏扩频系统中的同步伪码的搜索的复杂度.理论分析和仿真结果都证实在不增加硬件复杂度的情况下,基于FFT算法的伪码快速捕获方法能够大幅度地缩短捕获时间,降低系统复杂度.
【总页数】5页(P150-154)
【作者】秦率刚;王星;程嗣怡;权银珠
【作者单位】空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军工程大学工程学院,陕西西安710038;空军驻北京地区军事代表室,北京100024
【正文语种】中文
【中图分类】TN971;O174.22;TP301.6
【相关文献】
1.高动态DS/FH混合扩频系统实现长伪码快速捕获的一种方法 [J], 张倩;李署坚;丁晓宇;王丹志
2.直接序列扩频系统中一种实用的地址码捕获方法 [J], 范赛英
3.扩频通信系统中一种消除干扰的编码捕获方法 [J], 查长军;顾涓涓
4.扩频通信系统中一种改进的快速编码捕捉方法 [J], 查长军;程莹;李晓辉
5.扩频通信系统中一种基于FPGA的匹配滤波同步捕获方法 [J], 杨鹏;郭黎利;晏慧强
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收稿日期:2002 03 18作者简介:薛文芳(1974-),男,河南新野人,博士生,100083,北京.GPS 接收机中伪随机码快速捕获技术的研究薛文芳 邵定蓉 李署坚(北京航空航天大学电子工程系)摘 要:为缩短GPS 接收机捕获伪随机码的时间,分析了与时域滑动相关的常规捕获方法;利用有效星历所提供的先验信息,对伪随机码的搜索范围进行压缩,缩短了伪随机码失锁重捕的时间;分析了采用FFT 的快速捕获技术.仿真结果显示捕获速度可以得到显著提高.关 键 词:快速变换;频域分析;相关;多通道;全球定位系统中图分类号:V 241.62+4文献标识码:A 文章编号:1001 5965(2003)06 0489 04GPS 卫星向用户发送的信号是由两个分量L 1和L 2组成的,L 1和L 2均是已调波,其调制波是卫星导航电文数据D 码、精密测距P 码和粗捕获C A(Coarse Acquisition)码.L 1的同相载波分量是用P+D 复合码进行调制,而正交载波分量是由C A+D 复合码调制的.L 2信号仅有P+D 复合码进行调制[1].由于美国SA(Selective Available)政策的限制,我们只能利用码速率为1.023Mb s 的C A 码.当接收到卫星信号后,首先是解除C A 码对发送信息数据的频谱扩展,获得被载波调制的信号,再做载波解调,从而得到发送的信息.要实现解扩,必须使接收机本地产生的C A 码与接收到C A 码的相位完全一致,这就是伪随机码的同步.本地伪随机码与接收伪随机码同步包括初相位捕获和精跟踪两个过程,本文重点讨论伪随机码的捕获问题.码捕获的任务是使本地码的相位和发射端码的相位同步在半个码片内.文献[2,3]中采用分段相关器和8点FFT 的技术消除频域的不确定性,加快高动态环境中伪随机码的捕获速度.由于FFT 的点数比较少,计算量比较小,对微处理器的要求不是很高,易于实现.不足之处在于其频谱分辨率较低,分段相关使输出相关峰较低,不利于在低信噪比环境中使用.本文把FFT 技术用于消除时间的不确定性,采用整周期相关的办法,更适合于GPS 信号信噪比较低和伪随机码周期较长的特点.1 时域滑动相关的捕获方法伪随机码捕获常采用时域滑动相关法,相关累加运算由前端硬件完成,微处理器根据预设门限与相关峰的比较结果,进行多普勒频移和伪随机码相位的二维搜索.当卫星从地平线升起或降落时,它相对于静态接收机的最大速度约为v 1=700m s,所对应的多普勒频移为f v 1=3675Hz.载体的最大速度设为v 2=8km s,所对应的多普勒频移为f v 2=42013Hz.温补可调型晶振的频率漂移可通过微调和温度补偿来克服,标称频率为10.0000MHz,频率稳定度为百万分之4.由频率漂移所引起的多普勒频移为f 3=4 f L 1=4 1575.42=6302Hz 接收机的最大多普勒频移为f d max =f v 1+f v 2+f 3=3675+42013+6302=51990Hz(1)若取频点间隔为500Hz,同时考虑到多普勒频移的方向性,总频点数为m =f d max 2 500=208个.由于冷启动时,没有多普勒频移和伪随机码延迟的先验信息,必须对所有频点和码相位搜索一遍.其过程为:调整接收机本地信号发生器的码相位与多普勒频移估计值,若信号捕获成功,则搜索停止,转入码环跟踪和载波频率跟踪;若信号被否决,则码相位步进一个单元(0.5码片),直到整个码域搜索完毕.若信号仍未捕获,则多普勒频率步进一个单元(500Hz),重复上述过程.C A 的周期为T =0.001s,一个伪随机码周期内有1023个码片,连续滑动p =2046个相位才能完成一个多普勒频点的搜索.暂不考虑虚警和漏警造成的影响,2003年6月第29卷第6期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics June 2003Vol.29 No 6搜索完所有频点和码相位所需最大捕获时间为t =m p T =208 2046 0.001=7.0928min(2)由于根据历书、接收机的初始概略位置和开机时间,可以预测出开机时刻仰角最高的4颗卫星.采用ALTERA 公司FLE X10K 系列的现场可编程门阵列FPGA 芯片,开发内部集成24通道的相关器.若采用6个通道同时搜索同一颗卫星的不同多普勒频段,则可同时对这4颗卫星进行搜索,每个通道只需搜索总频点数的1 6,所需时间为t 1=t 6=1.1821min,捕获频段划分如图1所示.图1 捕获频段划分示意图2 失锁重捕的快速实现由于在高动态环境下,伪随机码和载波环路容易失锁,提高失锁重捕的速度对定位的连续性和可靠性是很有意义的.在定位间隔小于10s,并且星历数据有效的前提下,可以充分利用相关器的码片滑动功能,缩短本地伪随机码的搜索范围,加快失锁重捕的速度.码片移位寄存器是16位寄存器,它的高5位闲置,低11位代表一个0~2047之间的一个正整数,该数值即为一次需要滑动的半码片个数.由于一个C A 码周期只有2046个半码片,所以编程序时,向码片移位寄存器中写入2047和1是等价的.在失锁重捕时,应首先根据有效星历的先验信息,计算出失锁卫星的三维坐标,再利用接收机失锁前的坐标,计算出接收机到失锁卫星之间的伪距,伪距除以光速即可求得GPS 信号的传播时延.根据卫星信号的发射时刻和传播延时,可求出GPS 信号到达接收机的时刻,转化为用毫秒量级表示后,取其小数部分,再乘以1023倍,即可得到所接收信号中伪随机码的估计相位.本地伪随机码的相位可从相位寄存器中读出,二者相减,即可求得接收伪随机码相位和本地伪随机码相位的估计误差 x ,该误差应对1023取模.在失锁时间 t <10s 条件下,上述码片误差取决于GPS 接收机位置的变动.C A 码码速率为R C A=1.023Mb s,光速c =3 108m s.GPS 接收机位置的变动所引起的最大码片误差x max 可由式(3)计算.x max =v max R C A c t =8000 1.023 106(3 108) 10=272.8(3)如果 x >x max ,就把2 x 写入码片移位寄存器.通过对码片移位寄存器的操作,调整本地伪随机码的相位,使本地伪随机码的搜索范围由1023缩减为546,伪随机码的捕获速度提高为无星历辅助的1.87倍.3 利用FFT 实现伪码的快速捕获接收信号序列{x (n )}和本地信号序列{y (n )}的相关函数在时域的计算表达式为xy (n )=!Nr =1[x (r )y (r -n )]N =1023,0∀n <1023(4)相关间隔设定为1个码片,在时域直接计算1023个相关函数值,所需乘法运算的次数为a =1023 1023=1046529次所需加法运算的次数为b =1023 1023=1046529次计算量太大,微处理器难以实时完成.若在接收信号序列{x (n )}和本地信号序列{y (n )}的末尾各添上1个0,构成(N +1)=1024点序列,可以利用FFT 方便的计算出它们的离散傅立叶变换{X (n )}和{Y (n )}.用F -1表示傅立叶逆变换,Y (n )表示Y (n )的复共轭,相关函数在频域可由(5)式算得[4]xy (n )=!Nr =1[x (r )y (r -n )]=F -1[X (n ) Y (n )]0∀n ∀1023(5) 在频域计算1023个相关函数值所需FFT 的次数为c =3次.所需乘法运算的次数为[5]a =c (N +1) 2 log 2(N +1)+1024=3 1024 2 log 21024+1024=16384次 所需加法运算的次数为[5]b =c (N +1) log 2(N +1)=3 1024 log 21024=30720次在频域计算1023个相关函数值所需的乘法运算的次数缩减为在时域计算的1.57%,所需的加法运算的次数缩减为在时域计算的2.94%.美国德州仪器公司最近推出的高性能浮点数字信号处理器TMS320VC33 150的指令周期为13ns,每秒490北京航空航天大学学报 2003年可以运行7.5 107条指令,完成16384次乘法和30720次加法需要0.6281ms.它的具体操作如下:输入信号的FFT 对应地与本地产生的伪随机码的复共轭FF T 相乘,最后对乘积进行逆变换IFFT,从而得到了所有码片间隔上的相关值.若所有相位上的信号功率都比预设的门限值小,则以步长500Hz 调整本地载波NCO(Number C ontrol Oscil late)继续进行频域搜索.当某相位上的信号功率超过了预设门限,则停止搜索,转入载波和码环的跟踪.在频域计算相关函数的功能框图见图2.图2 在频域计算相关函数的功能框图选定第一号卫星的C A 码做仿真,接收伪随机码和本地伪随机码的相位错开500个码片.图3显示的是在极坐标下表示的伪随机码的功率谱,同心圆表示信号能量的大小,极角表示相位特性.图3 伪随机码的功率谱在极坐标下的表示伪随机码的功率谱经傅立叶逆变换,就可以得到各个相位上的相关峰峰值,如图4所示,横坐标轴表示的是码相位,纵坐标轴表示不同码相位差所对应的相关峰峰值.图4的仿真结果显示:在多普勒频移估计误差小于500Hz 的条件下,的确可以在一个1ms 之内,找到本地伪随机码和接收伪随机码的相位差,再把所求得的相位差写入相关器的码片移位寄存器,使本地伪随机码和接收到的伪随机码的相位迅速对齐,实现伪随机码的快速捕获.图4 利用IFFT 搜索伪随机码的相位差4 结束语伪随机码的时域滑动相关法计算简单,但是每次移位只能产生一个相关峰,不能同时搜索整个码相位不确定性区间.若每次滑动0.5个码片,搜完一个频点共需滑动2046次,计算出2046个相关函数值共需2046ms,伪随机码捕获要花费较长时间.利用星历的先验信息可以把本地码的搜索范围缩减到GPS 接收机位置变动所引起的最大码片误差范围之内,捕获速度的提高倍数与接收机相对卫星运动的速度有关.利用FFT 在频域计算相关函数,可同时搜索整个码相位不确定性区间,捕获速度相对于时域滑动相关可以得到显著提高.参考文献(References )[1]张守信.GPS 卫星测量定位理论与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,1996Zhang Shouxi n.M eas ure ment position theory and application of glo bal position s ys tem s atellites [M ].Changsha:Publishi ng House of Uni versity of National Defence Science and Technology,1996(in Chi nese)[2]Harris F.On the use of windows for harmonic analysis with the discrete fourier trans form[A].Proceedings of the IEEE[C],1978.78~83[3]Holmes J K,Chen C C.Acquisition time performance of PN spreadspec trum s ys tems[J].IEEE Trans Comm,1977,25:778~783[4]Vannee D J R,Coenen A J R M.Ne w fas t GPS code acquisi ti ontechnique using FF T[J].Electronics Letters,1991,27:158~161[5]高文志.数字信号处理[M].济南:山东大学出版社,1996Gao Wenzhi.Di gi tal signal proces s [M ].J inan:Publishi ng House of Uni versity of Shandong,1996(in Chines e)491第6期 薛文芳等:GPS 接收机中伪随机码快速捕获技术的研究492北京航空航天大学学报 2003年Stu dy on Techn ique of Fast Acqu isition Pseudo NoiseCode in GPS Rece iverXue Wenfang Shao Dingrong Li Shujian(Dept.of Elec tronic Engineering,Beijing University of Aeronautics and As tronautics)Abstract:In order to reduce the time of acquisition pseudo noise code in GPS receiver,the conventional ac quisition method slide correlation in the time domain was analyzed.The searching range of pseudo noise code was narrowed utilizing to the information provided by epicheire ma.The lost reacquisition time was shortened.The fast acquisition technique using FFT was analyzed.Simulation sho ws that the acquisition speed can be improved obvious ly.Key words:fast transformation;frequenc y domain analysis;correlation;multi channel;GPSBUAA CAST空间技术研发中心成立为了适应新世纪发展的要求,加快科技进步的步伐和促进我国空间事业的发展,我校(B UAA)和中国空间技术研究院(CAST)联合成立B UAACAST空间技术研发中心。
基于FFT 的弱信号快速捕获算法贺中琴,孙 武(北京遥感设备研究所 北京 100039)摘 要:讨论高动态、低信噪比的长伪码信号搜索的基本原理,提出一种基于FFT 的快速捕获算法:在一个伪码周期内利用FF T 和IFF T 提高伪码相关运算速度,并利用多个伪码周期的相关运算数据进行相干和非相干积累,以改善检测统计量信噪比。
在M atlab 环境下验证了该算法可以在信噪比低至35dB/H z 时实现快速捕获,满足某伪码连续波体制雷达的测量要求。
关键词:伪码捕获;FF T ;低信噪比;相干积累;非相干积累中图分类号:T N914 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2009)11-018-04Fast C apture of Weak Signal Based on FFTH E Zho ng qin,SU N Wu(Beiji ng Institute of Remo te Sensi ng Equipment,Bei jing,100039,China)Abstract :T he theo ry o f fast captur e of hig h dynamic,low SN R and lo ng P N code spread signals is discussed,and a method based on Fast Fo ur ier T ransfor ms (FF T )a lg or ithm is pr oposed.U sing F FT and Inver se F FT (IFF T )techniques to speed up operatio ns,and taking use of both coherent integr atio n and non-coherent integ ratio n fo r im pr oving SNR of the t est statist ic.Simulatio n result indicates that the method wo rks well w ith Sig nal to No ise Ratio (SNR )as low as 35dB/H z,satisfy ing the measure r equir ements of r adar using PN code and continuo us w ave system.Keywords :PN code ca pture;FF T ;low SNR ;coherent integ ration;non-co herent integr ation收稿日期:2008-11-100 引 言本文的工作是某伪码连续波体制二次雷达研制工作的一部分,该雷达采用伪码测距、双程相干多普勒测速。
基于FFT伪码快速捕获方法及其性能分析华涛;丁阳;石玉【摘要】针对大频偏下高动态直扩接收机伪码捕获时间长的问题,提出了一种新的捕获方案,即基于FFT算法实现对多普勒频移进行一定程度的补偿,解决了高动态环境下伪码序列的快速捕获问题.实验结果表明,该方法可以很好地实现高动态扩频信号的捕获,并可以有效地节省硬件资源.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)023【总页数】3页(P42-44)【关键词】FFT算法;多普勒频移;匹配滤波器;扩频通信;码捕获【作者】华涛;丁阳;石玉【作者单位】电子科技大学,微电子与固体电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学,微电子与固体电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学,微电子与固体电子学院,四川,成都,610054【正文语种】中文【中图分类】TN9111 引言多普勒频移和扩频码的联合快速捕获技术一直都是卫星扩频系统中研究的重点和难点。
因为多普勒频移的存在会引起相关能量的损失，导致相关峰急剧下降，降低扩频码的捕获性能。
传统的方法是在整个码相位和频率域上进行二维搜索，致使需要检测的不确定空间和捕获时间成倍增加；而将时域、频域二维串行扫描变成并行扫描的方法虽减少了捕获时间，但是以提高硬件的复杂度为代价；采用匹配滤波器又受到长周期伪码复杂度和器件速度的限制。
为了处理捕获时间和实现复杂度之间的矛盾，本文提出了一种结合部分匹配滤波器和FFT算法相结合的快速捕获方法。
基于PMF-FFT的捕获方法在搜索伪码相位的同时，得到载波多普勒频移值，将原来的伪码相位、载波多普勒频移的二维搜索过程变成只搜索伪码相位的一维搜索过程，大大减少了高动态环境中伪码的搜索时间。
理论分析和仿真结果都证实在不增加硬件复杂度的情况下能够大幅度地缩短捕获时间和改善捕获性能。
2 基于PMF-FFT的捕获方法2.1 捕获原理基于PMF-FFT的捕获原理如图1所示。
接收到的扩频信号经过A/D进行采样量化变为数字信号，数字信号到达FPGA，在FPGA中再经过DDC数字下变频，得到零中频信号。
