卫星导航定位直接序列扩频信号的捕获(.ppt

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1、卫星导航定位理论与方法 授课教师：王菊 北京理工大学雷达技术研究所 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 扩频通信的同步扩频通信的同步 oo 扩频系统的整体性能很大程度上依赖于接收机扩频系统的整体性能很大程度上依赖于接收机 的的同步同步能力。能力。 oo 扩频通信的同步不确定性包括扩频通信的同步不确定性包括码相位码相位和和载波频载波频 率率不确定性。载波相位和伪码相位的精确同步不确定性。载波相位和伪码相位的精确同步 是扩频通信系统实现测距、测速的基础。是扩频通信系统实现测距、测速的基础。 oo 引起扩频系统同步不确定的主要因素有引起扩频系统同步不确定的主要因素有: :频率源频率源 的漂移、电波传

2、播的时延、多普勒频移、多径的漂移、电波传播的时延、多普勒频移、多径 效应、传输通道的变化等。效应、传输通道的变化等。 oo 扩频接收机要能够正常工作，就必须解决上述扩频接收机要能够正常工作，就必须解决上述 因素的干扰，即实现码相位和载波频率的同因素的干扰，即实现码相位和载波频率的同 步。步。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 扩频通信的同步扩频通信的同步 oo 载波和伪码的同步通常需要两个过程：载波和伪码的同步通常需要两个过程： （1 1）载波和伪码的粗同步过程，常简称为）载波和伪码的粗同步过程，常简称为捕获捕获过程。过程。 （2 2）载波和伪码的精确跟踪过程，由）载波和伪码的精确跟踪过程，

3、由载波跟踪和伪码跟踪载波跟踪和伪码跟踪 两个过程共同组成。两个过程共同组成。 oo 伪码扩频信号捕获过程是在比较粗的精度下对载波伪码扩频信号捕获过程是在比较粗的精度下对载波 多普勒频率和伪码相位进行初步估计，所获得的估多普勒频率和伪码相位进行初步估计，所获得的估 计值用来预置载波跟踪环路和伪码跟踪环路的初始计值用来预置载波跟踪环路和伪码跟踪环路的初始 值，以使输入信号的载波频率和伪码相位落入载波值，以使输入信号的载波频率和伪码相位落入载波 和伪码跟踪环路的牵引范围内，因此伪码扩频信号和伪码跟踪环路的牵引范围内，因此伪码扩频信号 捕获过程是载波和伪码精确跟踪的基础捕获过程是载波和伪码精确跟踪的基

4、础。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 第六章第六章 直接序列扩频信号的捕获直接序列扩频信号的捕获 oo 捕获方法概述捕获方法概述 oo 捕获过程的数学建模捕获过程的数学建模 oo 捕获方法的性能分析捕获方法的性能分析 oo 信号捕获的检测方法信号捕获的检测方法 oo 捕获判决策略捕获判决策略 oo FFTFFT捕获算法捕获算法 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 oo 系统前端部分的加性白噪声系统前端部分的加性白噪声; ; oo 加性干扰加性干扰; ; oo 接收机和发射机相对不稳定性引起的频差；接收机和发射机相对不稳定性引起的频差； oo 由于目标动态运动导致的接收信号载波多普勒由于目标

5、动态运动导致的接收信号载波多普勒 频率的不确定性频率的不确定性; ; oo 由于目标动态运动导致的伪码相位的不确定由于目标动态运动导致的伪码相位的不确定 性性。 捕获过程包含的不确定因素捕获过程包含的不确定因素 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 6.16.1捕获方法概述捕获方法概述 oo 串行捕获方法串行捕获方法 oo 并行捕获方法并行捕获方法 oo FFTFFT捕获方法捕获方法 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 串行捕获方法串行捕获方法 oo 一个多普勒频率步进单元和一个码相位步进单元构一个多普勒频率步进单元和一个码相位步进单元构 成一个信号成一个信号搜索单元搜索单元。 oo 串行捕获方

6、式是一个频域（多普勒频率）和时域（串行捕获方式是一个频域（多普勒频率）和时域（ 伪码相位）的顺序伪码相位）的顺序二维搜索二维搜索过程。过程。 oo 如果有多普勒频率的先验知识，就以多普勒频率的如果有多普勒频率的先验知识，就以多普勒频率的 均值均值作为起始搜索频率值；如果没有先验知识，就作为起始搜索频率值；如果没有先验知识，就 以以零值零值作为多普勒频率起始搜索值。作为多普勒频率起始搜索值。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 串行捕获方法串行捕获方法 oo 适当地排列多普勒频率单元的搜索顺序，可以降低信号的捕适当地排列多普勒频率单元的搜索顺序，可以降低信号的捕 获时间。获时间。 oo 载波多普

7、勒频率载波多普勒频率逐次逼近扫描法逐次逼近扫描法: :多普勒频率有正有负，从起多普勒频率有正有负，从起 始单元的两侧依次交替进行，直到信号捕获为止始单元的两侧依次交替进行，直到信号捕获为止。此搜索方此搜索方 式比单向的顺序扫描更适合输入信号处于信噪比是变化未知式比单向的顺序扫描更适合输入信号处于信噪比是变化未知 的动态环境。的动态环境。 oo 为了避免多径的影响，伪码相位的搜索应从零相位开始逐步为了避免多径的影响，伪码相位的搜索应从零相位开始逐步 延迟延迟1/21/2码片码片的方式从左扫到右。的方式从左扫到右。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 串行捕获过程串行捕获过程 oo 搜索控制逻辑单

8、元通过设置载波来产生要搜索的搜索控制逻辑单元通过设置载波来产生要搜索的多普勒频率多普勒频率 ，同时通过向伪码发生器发出超前（或滞后）命令来产生要，同时通过向伪码发生器发出超前（或滞后）命令来产生要 搜索的搜索的码相位码相位，使本地产生的信号对准某一搜索单元。，使本地产生的信号对准某一搜索单元。 oo 若该单元对应的若该单元对应的I I、QQ两路数字相关器通过检波器的输出值大两路数字相关器通过检波器的输出值大 于检测阈值，则搜索成功，并转入跟踪。否则，码相位步进于检测阈值，则搜索成功，并转入跟踪。否则，码相位步进 一个搜索单元，继续进行相关累加和检测判决。不断重复上一个搜索单元，继续进行相关累加

9、和检测判决。不断重复上 述步骤，直到整个时间域搜索完毕。述步骤，直到整个时间域搜索完毕。 oo 如信号仍未捕获，则多普勒频率步进一个搜索单元，重复时如信号仍未捕获，则多普勒频率步进一个搜索单元，重复时 间域搜索过程。间域搜索过程。 oo 如果所有频率搜索单元和码相位搜索单元搜索完毕，并未发如果所有频率搜索单元和码相位搜索单元搜索完毕，并未发 现目标，则输入信号中只有噪声，未发现有信号存在。现目标，则输入信号中只有噪声，未发现有信号存在。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 典型的数字化串行捕获电路典型的数字化串行捕获电路 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 并行捕获方法并行捕获方法 oo 多个

10、捕获通道并行地完成接收信号与不同码相位和多个捕获通道并行地完成接收信号与不同码相位和 不同多普勒频率的本地再生信号的相关计算。不同多普勒频率的本地再生信号的相关计算。 oo 相对于串行捕获方法，捕获速度大大提高，但硬件相对于串行捕获方法，捕获速度大大提高，但硬件 实现占用的资源也相应增加。实现占用的资源也相应增加。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 串并组合捕获方法串并组合捕获方法 oo 根据目标相对运动速度计算出最大可能多普勒频率，根据目标相对运动速度计算出最大可能多普勒频率， 然后将多普勒频率范围分成几个频段。然后将多普勒频率范围分成几个频段。 oo 分别采用几个并行通道同时对给定频段进

11、行搜索，每分别采用几个并行通道同时对给定频段进行搜索，每 个通道采用串行的捕获方法，共同完成载波多普勒频个通道采用串行的捕获方法，共同完成载波多普勒频 率和伪码相位的捕获任务。率和伪码相位的捕获任务。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 FFTFFT捕获方法捕获方法 oo 利用利用圆周相关圆周相关定理，将接收信号和本地再生伪码的定理，将接收信号和本地再生伪码的时时 域相关域相关计算转换成计算转换成频域的频谱相乘频域的频谱相乘计算，这样可借助计算，这样可借助 FFTFFT快速算法，来大大减少捕获时间。快速算法，来大大减少捕获时间。 oo FFTFFT捕获方法的本质是在多普勒频率域上串行搜索，捕获

12、方法的本质是在多普勒频率域上串行搜索， 码相位域上并行的捕获方法。当然，也可以反过来在码相位域上并行的捕获方法。当然，也可以反过来在 码相位域上串行搜索而在多普勒频率域上并行搜索。码相位域上串行搜索而在多普勒频率域上并行搜索。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 oo 伪码扩频信号捕获过程实际上是多普勒频率域上伪码扩频信号捕获过程实际上是多普勒频率域上 和码相位域上的二维搜索过程，等效于一个二元和码相位域上的二维搜索过程，等效于一个二元 假设检验问题。假设检验问题。 n n ：信号不存在（只有噪声）；：信号不存在（只有噪声）； n n ： 信号存在。信号存在。 oo 通过检测检波器的输出与门限

13、的关系来判断哪一通过检测检波器的输出与门限的关系来判断哪一 个假设成立，从而断定是否捕获到接收信号。个假设成立，从而断定是否捕获到接收信号。 6.2捕获过程的数学建模 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 捕获原理捕获原理 o 同相和正交项积分清除器的输出为 o 式中， ， ， 和 分别为同相和正交支路窄带高斯 噪声分量，方差为 。 o 和 为近似服从高斯分布的随机变 量。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 相干积累 o 相干积累：保留所有的相位信息。 n 累加时间不能超过一个数据位的时间； n 相干累加的结果乘有系数因子 n 频率步进一定时，增长积累时间会导致系数因子 变小，即相关值衰减更严

14、重。减小频率步进，可以 增长积累时间。但是会增加搜索单元的数目。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 非相干积累 o 非相干积累：将相干累加后的同相和正交两支路信 号求平方和再累加。 o 去除了相位信息，仅仅保留幅度信息。然而，其对 信噪比的改善效果不如相干积累。（噪声和信号同 时被平方） 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 6.36.3捕获方法的性能分析捕获方法的性能分析 oo 捕获方法的性能评价标准捕获方法的性能评价标准 n n 捕获过程的检测概率捕获过程的检测概率 n n 虚警概率虚警概率 n n 平均捕获时间平均捕获时间 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 捕获方法的性能分析捕获方法的

15、性能分析 oo 捕获过程的检测概率、虚警概率和平均捕获捕获过程的检测概率、虚警概率和平均捕获 时间与检波器输出变量的概率分布密切相关时间与检波器输出变量的概率分布密切相关. . oo 因此，伪码扩频信号捕获过程的数学分析从因此，伪码扩频信号捕获过程的数学分析从 检波器输出变量的概率密度函数入手，进而检波器输出变量的概率密度函数入手，进而 分析捕获性能与捕获门限和信噪比等参数的分析捕获性能与捕获门限和信噪比等参数的 关系。关系。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 捕获方法的性能分析捕获方法的性能分析 oo 采用幅度检波器的信号捕获方法性能采用幅度检波器的信号捕获方法性能 oo 采用平方检波累积

16、器的信号捕获性能采用平方检波累积器的信号捕获性能 oo 采用平方律检波器的信号捕获方法性能采用平方律检波器的信号捕获方法性能 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 (1)(1)采用幅度检波器的信号捕获方法性能采用幅度检波器的信号捕获方法性能 oo 幅度检波器的输出为幅度检波器的输出为 oo 在在 假设下，假设下， 服从瑞利分布，其概率密度函服从瑞利分布，其概率密度函 数为数为 oo 在在 假设下，假设下， 服从莱斯分布，其概率密度服从莱斯分布，其概率密度 函数为函数为 oo 式中，式中， 为零阶修正的贝塞尔函数。为零阶修正的贝塞尔函数。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 oo 取门限为取门限为

17、 ，就可以得到捕获信号的单次检，就可以得到捕获信号的单次检 测概率和虚警概率测概率和虚警概率： oo 设码率为设码率为 ，码周期为，码周期为 ，中频数据，中频数据 采样率为采样率为 ，当取积分清除时间为，当取积分清除时间为 时时 ，采用幅度检波器的的信号捕获方法的性能曲，采用幅度检波器的的信号捕获方法的性能曲 线线如下如下 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 (2)(2)采用平方检波累积器的信号捕获性能采用平方检波累积器的信号捕获性能 oo 平方检波累积器的输出为平方检波累积器的输出为 oo 在在 假设下，假设下， 服从自由度为服从自由度为 的的 分分 布，

18、其概率密度函数为布，其概率密度函数为 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 oo 在在 假设下，假设下， 服从自由度为服从自由度为 的非中心的非中心 分布，非中心参量分布，非中心参量 ，其概，其概 率密度函数为率密度函数为 oo 式中，式中， 为为 阶修正的贝塞尔函数。阶修正的贝塞尔函数。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 oo 假设门限仍为假设门限仍为 ，就可以得到捕获信号的检，就可以得到捕获信号的检 测概率和虚警概率测概率和虚警概率： 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 (3)(3)采用平方律检波器的信号捕获方法性能采用平方律检波器的信号捕获方法性能 o

19、o 平方律检波器的输出为平方律检波器的输出为 oo 当当 时，平方检波累积器就变成平方律检时，平方检波累积器就变成平方律检 波器波器 。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊 结论：结论： oo （1 1）无论采用何种检波器，检测概率都是随接收信号载噪）无论采用何种检波器，检测概率都是随接收信号载噪 比的增加而增加，随归一化门限、码相位误差和载波多普勒比的增加而增加，随归一化门限、码相位误差和载波多普勒 频率误差的增加而减少；频率误差的增加而减少； oo （2 2）虚警概率基本不随码相位误差和载波多普勒频率误差）虚警概率基本不随码相位误差和载波多普勒频率误差 的变化而变化，同时也不随载噪比的变化而变化，只跟归一的变化而变化，同时也不随载噪比的变化而变化，只跟归一 化门限有关。即虚警概率随归一化门限的增加而减少，但代化门限有关。即虚警概率随归一化门限的增加而减少，但代 价是检测概率也减少；价是检测概率也减少； oo （3 3）在同样虚警概率条件下，采用平方检波累积器可以明）在同样虚警概率条件下，采用平方检波累积器可以明 显提高检测概率；积累数目越多，检测概率改善越多。显提高检测概率；积累数目越多，检测概率改善越多。