摘要：捕獲系統(tǒng)采用多通道并行處理方式，每個(gè)通道原理框圖如圖1所示，分為載波模塊，測(cè)距碼生成模塊，混頻模塊，相關(guān)器模塊和FFT模塊及其控制模塊。

　　關(guān)鍵詞：硬件資源,通信,數(shù)據(jù),通信論文發(fā)表

　　上一節(jié)中提到的由多個(gè)子相關(guān)器組成的相關(guān)器結(jié)構(gòu)，在具體實(shí)現(xiàn)中每個(gè)通道都大量使用相關(guān)器，造成硬件開(kāi)銷(xiāo)的成倍增長(zhǎng)。考慮到資源因素，在設(shè)計(jì)中采用一個(gè)傳統(tǒng)相關(guān)器對(duì)總積分時(shí)間[T]分成[M]次積分，每次輸出結(jié)果輸送給對(duì)應(yīng)時(shí)刻的寄存器中。而FFT的輸入端根據(jù)選擇不同抽頭的組合實(shí)現(xiàn)圖1的結(jié)構(gòu)。圖6為[M=8，][X=2]子相關(guān)器的部分RTL圖，積分區(qū)間被分為八段，結(jié)果分別放在sub框內(nèi)對(duì)應(yīng)寄存器中，8個(gè)OUT端口分別連接2個(gè)sub寄存器作為FFT的輸入信號(hào)?！?.2 捕獲控制模塊

　　用Quartus Ⅱ 11.0中的FFT變換IP核來(lái)完成該系統(tǒng)中的FFT運(yùn)算?？紤]到硬件資源消耗和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，參數(shù)設(shè)置為256點(diǎn)。需加入控制模塊對(duì)FFT變換后的數(shù)據(jù)分析和處理。首先從FFT模塊中讀出所有[k]值對(duì)應(yīng)的實(shí)部和虛部輸出，計(jì)算模值后對(duì)比找出該輪中的最大值并記錄對(duì)應(yīng)[k]值。完成一次變換后，將記錄的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值對(duì)比，確定是否存在信號(hào)，若超過(guò)閾值則通過(guò)[k]值計(jì)算出[fd]值并控制載波NCO調(diào)整本機(jī)載波頻率。需要注意的是，F(xiàn)FT模塊中的輸出為倒序輸出，計(jì)算[fd]時(shí)要調(diào)整[k]值。

　　采用多級(jí)子相關(guān)形式分段積分，減少了由于多普勒頻移造成積分時(shí)間內(nèi)相關(guān)能量相互抵消的可能性。不同段內(nèi)的相關(guān)結(jié)果通過(guò)抽頭重新組合，提高了抗噪聲性能，充分利用相關(guān)器節(jié)約硬件資源，減少數(shù)據(jù)采集的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。利用FFT變換只需要執(zhí)行一次計(jì)算就可以完成對(duì)設(shè)置的范圍內(nèi)所有頻率的搜索。采用這種方法可以減少北斗接收機(jī)捕獲過(guò)程中對(duì)多普勒頻移搜索所花費(fèi)的時(shí)間，從而有效提高北斗接收機(jī)性能。

　　1 捕獲原理

　　1.1 捕獲框架

　　并行頻率捕獲算法針對(duì)于一個(gè)碼相位進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)器采用多個(gè)子相關(guān)器集的結(jié)構(gòu)，將輸出數(shù)據(jù)合理組合得到分段相關(guān)積分值后進(jìn)行FFT變換，確認(rèn)測(cè)距碼相位是否對(duì)齊并估計(jì)多普勒頻偏。

　　如圖1所示為單個(gè)通道的并行頻率捕獲框圖結(jié)構(gòu)，輸入中頻信號(hào)通過(guò)與本機(jī)產(chǎn)生的正弦和余弦信號(hào)混頻分別得到I，Q兩個(gè)支路信號(hào)，再和產(chǎn)生的測(cè)距碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，測(cè)距碼周期為1 ms，則設(shè)積分時(shí)間為[1m] ms，之后送入[M]級(jí)的寄存器中[3]。

　　在一個(gè)測(cè)距碼周期中相關(guān)積分值分別存放在[m]個(gè)寄存器中，每個(gè)寄存器相當(dāng)于一個(gè)子相關(guān)器，本文中稱(chēng)該寄存器為子相關(guān)器，其原理框圖如圖2所示。

　　在每次輸入一個(gè)數(shù)據(jù)后，寄存器中所有數(shù)據(jù)右移一位，根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置輸出端口OUTi的抽頭位置對(duì)連續(xù)的幾個(gè)子相關(guān)器求和。輸出[n]個(gè)抽頭(不足[n]個(gè)用零作為輸出補(bǔ)足)后送入[n]點(diǎn)的FFT模塊進(jìn)行FFT變換。在完成一次變換后對(duì)FFT輸出數(shù)據(jù)求模，找到幅值最大的輸出值和對(duì)應(yīng)的[k]值，將最大值與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，若小于閾值則認(rèn)為測(cè)距碼相位未對(duì)齊，控制測(cè)距碼發(fā)生器延時(shí)[12]個(gè)測(cè)距碼相位;如果模值大于閾值則認(rèn)為捕獲到衛(wèi)星信號(hào)且當(dāng)前碼相位就是衛(wèi)星信號(hào)測(cè)距碼相位，并利用[k]值計(jì)算出多普勒頻移后控制載波NCO進(jìn)行精確捕獲。

　　1.2 子相關(guān)器原理

　　北斗B1頻點(diǎn)I支路信號(hào)在加入多普勒頻移[fd]后形如式(1)：

　　[SjIt=AICjItDjItcos2πfc+fjdt+φj] (1)

　　式中：[A]為幅度;[D(t)]為數(shù)據(jù)碼;[C(t)]為測(cè)距碼;[fc]為載波中心頻率1 561.098 MHz，[φ]為初始相位，不同衛(wèi)星信號(hào)用上標(biāo)[j]區(qū)分。

　　經(jīng)過(guò)下變頻后，若不考慮初始相位，并在測(cè)距碼周期內(nèi)數(shù)據(jù)碼不會(huì)發(fā)生跳變，則信號(hào)變?yōu)椋?/p>

　　[Ijt=ACjICjIt-τcos2πfjdt] (2)

　　根據(jù)測(cè)距碼的自相關(guān)特性得知，當(dāng)[τ]不為0時(shí)，相關(guān)積分輸出值很小認(rèn)為無(wú)信號(hào)。當(dāng)[τ]=0時(shí)，表示測(cè)距碼同步，此時(shí)可以忽略測(cè)距碼的影響，針對(duì)一顆衛(wèi)星分析，相關(guān)積分結(jié)果為：

　　[0TItdt=Asin2πfdT2πfd=ATsinc2Tfd] (3)

　　根據(jù)式(3)可以看出，積分器結(jié)果是與[fd]相關(guān)的sinc函數(shù)有關(guān)，隨著[fd]增大，積分器輸出總體呈減小趨勢(shì)，且當(dāng)積分時(shí)間[T*fd]為0.5的整數(shù)倍時(shí)，積分器值為零。因此時(shí)域捕獲的頻率搜索范圍很小，只能對(duì)某一頻率附近幾百Hz的范圍搜索。若[T]為測(cè)距碼周期1 ms，多普勒頻偏在每個(gè)0.5 kHz的整數(shù)倍附近時(shí)，會(huì)使積分結(jié)果抵消;若減小積分時(shí)間，使[T=TM，]在不考慮式(3)中分母[fd]的影響，則同樣出現(xiàn)上述現(xiàn)象的頻率間隔變成[M*]0.5 kHz。

　　那么，在1 ms的積分時(shí)間中分出[M]個(gè)區(qū)間，則每個(gè)區(qū)間積分時(shí)間大大縮短，使信號(hào)無(wú)法從噪聲中分辨出來(lái)，因此提出通過(guò)不同抽頭對(duì)子相關(guān)器求和的結(jié)構(gòu)。如圖2中所示，設(shè)[M]值為8，抽頭數(shù)[X=3，]則可以設(shè)OUT1的抽頭為子相關(guān)器1～子相關(guān)器3，OUT2的抽頭為子相關(guān)器2～子相關(guān)器4，OUT8的抽頭為子相關(guān)器7、子相關(guān)器8和子相關(guān)器1。如此設(shè)置即可保證積分器的一定幅值又使每個(gè)輸出都存在一個(gè)固定的間隔，可作為FFT模塊的輸入數(shù)據(jù)。

　　1.3 頻率并行搜索原理

　　同樣考慮測(cè)距碼已經(jīng)同步的情況下，不考慮數(shù)據(jù)跳變，采樣率[fs，]測(cè)距碼周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)[L，]子相關(guān)器級(jí)數(shù)為[M，]每段積分時(shí)間為[1M] ms，采用[N]點(diǎn)FFT變換，第[k]點(diǎn)的歸一化模值結(jié)果為[4?6]：

　　[Fk=sinπLfdTsMLsinπfdTM?sinπfdLTs-πkMNMsinπfdLTsM-πkN] (4)

　　對(duì)FFT輸出模值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)其大小超過(guò)預(yù)設(shè)的門(mén)限值后，說(shuō)明當(dāng)前的測(cè)距碼相位和衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)距碼相位是對(duì)齊的，同時(shí)記錄[k]值，用公式(5)值估計(jì)衛(wèi)星的多普勒頻移[7]。

　　[fd=kMNLTs] (5)

　　當(dāng)[k][∈][[0，N2]]區(qū)間內(nèi)，直接代入公式(5)計(jì)算多普勒頻移;當(dāng) [k∈(N2，N)]區(qū)間內(nèi)，將[k=k-N]代入式(5)。由此可見(jiàn)，對(duì)于該系統(tǒng)的最大頻率搜索范圍是[8]：

　　[fd∈-M2LTs，M2LTs=-M2T，M2T] (6)

　　2 仿真與性能分析

　　2.1 子相關(guān)器性能

　　利用Matlab軟件，建立傳統(tǒng)的分段積分模型和圖1中相關(guān)器模型，前者[M]值為8，不采用抽頭方式直接選取對(duì)應(yīng)的[M]作為FFT輸入;后者設(shè)置[M]值為8，抽頭數(shù)[X=3，]抽頭方式如1.2節(jié)所述。設(shè)置[fd=1 kHz，]FFT點(diǎn)數(shù)[N=1 024。如圖3所示的FFT輸出模值，傳統(tǒng)的相關(guān)器模型和改進(jìn)后的相關(guān)器模型在多普勒頻移點(diǎn)都有峰值輸出，但改進(jìn)后的峰值更加明顯的區(qū)別于其余[k]值所對(duì)應(yīng)的輸出，這將有利于閾值設(shè)定，降低虛警概率。

　　2.2 頻率分辨率分析

　　由公式(5)得出該捕獲系統(tǒng)的多普勒頻率估計(jì)值的分辨率如公式(7)，其頻率步進(jìn)與積分分段數(shù)[M]成正比，與總積分時(shí)間[T]和FFT點(diǎn)數(shù)成反比。

　　[Δf=MNLTs=MNT] (7)

　　在[fd=]1 kHz，[T=]1 ms的情況下，分別對(duì)以下三組數(shù)據(jù)仿真：

　　(1) [N=]1 024，[M=]8，[Δf]=7.812 5 Hz;

　　(2) [N=]256，[M=]8，[Δf]=31.25 Hz;

　　(3) [N=]1 024，[M=]16，[Δf]=15.625 Hz。

　　仿真結(jié)果如圖4所示，第一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)峰值在[k=]124處，分辨率約為8.0 Hz;第二組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的峰值在[k=]32處，分辨率約為31.25 Hz;第三組數(shù)據(jù)峰值在[k=]63處，分辨率約為15.87 Hz。和[Δf]的理論計(jì)算值基本吻合。

　　2.3 頻率搜索范圍分析

　　根據(jù)1.3節(jié)中的結(jié)論，多普勒頻移搜素范圍跟子相關(guān)器數(shù)量[M]有關(guān)，當(dāng)總積分時(shí)間為1 ms時(shí)，搜索范圍為±M kHz。設(shè)置參數(shù)[M=]8，[N=]1 024，理論搜索范圍為±4 kHz。使[fd]以50 Hz的步進(jìn)從0～10 kHz遞增，記錄FFT輸出模值的最大值，歸一化后如圖5所示，當(dāng)[fd]大于4 kHz后輸出模值都較小，基本符合理論計(jì)算，認(rèn)為該參數(shù)下的截止頻率為±4 kHz。此外，從圖中可以看出在帶內(nèi)，輸出的最大模值也會(huì)因[fd]的不同呈現(xiàn)波動(dòng)，這種被稱(chēng)為扇貝損失的現(xiàn)象使得某些頻點(diǎn)的峰值受到抑制，造成信號(hào)漏補(bǔ)。為減小該損失的影響，可以通過(guò)加窗等方式進(jìn)行彌補(bǔ)[9?10]，有興趣的讀者可查閱相關(guān)資料，本文不再說(shuō)明。