劉佳娟　王康誼

摘 要：針對雙模接收機(jī)系統(tǒng)的捕獲時(shí)間長、捕獲靈敏度低的問題，提出了一種基于部分匹配濾波器和FFT結(jié)合的并行捕獲算法。該方法在傳統(tǒng)的捕獲算法上，對不同的信號分別采取了相干和非相干累加，使衛(wèi)星在40dB-Hz以上的時(shí)候可以快速捕獲。該方法可以捕獲至少到33dB-Hz的GPS/北斗信號。文章詳細(xì)介紹了該方法，并且給出了其在FPGA中主要模塊的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：雙模接收機(jī)；捕獲時(shí)間；捕獲靈敏度

引言

由于雙模接收機(jī)的定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)，雙模接收機(jī)的研發(fā)成為近年來的熱點(diǎn)。信號捕獲是實(shí)現(xiàn)載波和偽碼的粗同步，得到的誤差在跟蹤模塊中載波環(huán)和碼環(huán)牽入范圍內(nèi)的載波多普勒和偽碼相位[2]。對于雙模接收機(jī)來說主要運(yùn)用在高動態(tài)下如彈載接收機(jī)中，所以搜素的范圍在10kHz左右甚至更大。

常規(guī)捕獲算法分為串行捕獲和并行捕獲兩大類。串行捕獲結(jié)構(gòu)簡單，一般使用一個(gè)相關(guān)器，一次對一個(gè)頻點(diǎn)，一個(gè)偽碼相位進(jìn)行捕獲，捕獲時(shí)間較長，速度慢，無法滿足快速定位的要求。并行捕獲在一個(gè)或者兩個(gè)維度上進(jìn)行并行操作，提高了捕獲效率和時(shí)間[1，3]，使得快速定位成了可能。因此GPS/BD雙模接收機(jī)采用并行捕獲。由于在已有的GPS和北斗單模接收機(jī)采用部分匹配濾波器和FFT結(jié)合的并行捕獲算法中，采用相同架構(gòu)的捕獲算法是兩者單獨(dú)捕獲成功，并且兩者結(jié)合的時(shí)候根據(jù)不同的信號結(jié)構(gòu)體制和信號強(qiáng)弱采用相干累加和非相干累加結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)其雙模捕獲。

1 算法原理

部分匹配濾波器和FFT結(jié)合的捕獲算法原理如圖1所示，接收機(jī)接收到的導(dǎo)航信號經(jīng)過與載波NCO的剝離分成I、Q兩路信號，然后通過濾波濾掉高頻成分，再經(jīng)過降采樣之后將信號采樣值和本地偽碼進(jìn)行分塊處理，最后將每一分塊的數(shù)值進(jìn)入部分匹配濾波器中。部分濾波器組的每次相關(guān)結(jié)果與輸入信號移半個(gè)碼片后繼續(xù)相關(guān)，完成碼域搜索。然后對將其結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)零的128點(diǎn)FFT結(jié)果，完成頻域搜索。這樣對結(jié)果進(jìn)行相干累加或非相干累加，取結(jié)果的最大值與門限做比較。若大于門限值，則捕獲成功，若小于則進(jìn)行進(jìn)入下個(gè)頻點(diǎn)搜索。

由于北斗BD信號MEO/IGSO衛(wèi)星調(diào)制有20ms的NH碼，所以在GPS/BD雙模中相干積分時(shí)間設(shè)為20ms。但是對于GPS信號，每20ms就有可能發(fā)生bit翻轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致相關(guān)結(jié)果正負(fù)抵消，從而降低信噪比增益。對于北斗B1信號又有兩種情況，對于GEO衛(wèi)星，不宜超過2ms；對于MEO/IGSO衛(wèi)星，不宜超過1ms。所以根據(jù)不同的信號將整個(gè)相干積分時(shí)間分為n段，每段相干積分時(shí)間為t，而每段匹配濾波器又被分為長度為L的M段濾波器組（L*M=相干積分時(shí)間t內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)）。

相干累加就是對M個(gè)相關(guān)器相關(guān)結(jié)果直接進(jìn)行累加，從而提高信噪比，提高捕獲靈敏度。相干累加使信號幅度成倍增加，信號功率也成倍增加。非相干累加是對相干累加的結(jié)果取平方求和，進(jìn)一步提高信噪比。相比之下，非相干累加由于不受bit翻轉(zhuǎn)的影響，因此要與相干累加結(jié)合使用，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到最佳的信噪比。

2 FPGA模塊實(shí)現(xiàn)

FPGA主要實(shí)現(xiàn)的是接收機(jī)的捕獲模塊，而捕獲起始調(diào)度和捕獲結(jié)果的處理主要有DSP實(shí)現(xiàn)。

2.1 信號處理模塊

信號處理模塊主要完成的是對AD信號的載波剝離、低通濾波和降采樣的處理產(chǎn)生I、Q信號，并將結(jié)果存入RAM中供匹配濾波器處理。雙模中要考慮GPS和B1信號頻率字的不同，判斷進(jìn)入的信號是GPS信號還是B1信號。根據(jù)GPS信號的碼率是1.023MHz，滿足抽樣定理的要求降采樣率至少是碼率的2倍，即2.046MHz而在FPGA中取整。北斗B1信號同理取4MHz。

2.2 部分匹配濾波器模塊

匹配濾波器的實(shí)質(zhì)就是從RAM中輸入的值與本地產(chǎn)生的偽碼相關(guān)的結(jié)果。進(jìn)入濾波器的I、Q兩路信號與本地偽碼相關(guān)得到濾波器結(jié)果如圖2所示。如果部分匹配濾波器使用加法數(shù)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以更快地完成一次匹配濾波，但是加法數(shù)會消耗更多的邏輯資源，同時(shí)由于系統(tǒng)時(shí)鐘足夠高。因此，采用了依次進(jìn)行乘加運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。

2.3 FFT模塊

FFT模塊使用ISE中的IP核實(shí)現(xiàn)如圖3所示，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)。完成一次濾波進(jìn)行一次FFT操作，在裝完匹配濾波的結(jié)果后繼續(xù)補(bǔ)零直到補(bǔ)齊128點(diǎn)。FFT采用流水模式計(jì)算，不必等上一次的結(jié)果輸出就可以將下一次的PMF結(jié)果載入FFT中，大大減少了計(jì)算時(shí)間，使捕獲更快速。

2.4 相干累加和非相干累加模塊

對于雙模接收機(jī)要考慮不同的信號體制與信號強(qiáng)弱程度來設(shè)計(jì)相干累加和非相干累加次數(shù)。GPS信號在現(xiàn)在應(yīng)有的導(dǎo)航體制中已達(dá)到最優(yōu)，所有應(yīng)先考慮GPS信號。在GPS中，相干累加和非相干累加都應(yīng)考慮進(jìn)去。在PMF-FFT之后的結(jié)果先進(jìn)行n次相干累加后再進(jìn)行m次非相干累加，然后將非相干累加結(jié)果和門限值做比較，大于門限值則捕獲成功，小于門限值則繼續(xù)前面的模塊知道捕獲成功。同時(shí)如果信號大于40dB-Hz時(shí)非相干累加次數(shù)取1-2次即可，若信號小于40dB-Hz時(shí)增加非相干累加次數(shù)。

B1信號又分為GEO衛(wèi)星和MEO/IGSO衛(wèi)星。對于GEO衛(wèi)星直接采用非相干累加來與門限值做比較。MEO/IGSO衛(wèi)星由于有NH碼的調(diào)制，所以采用相干累加。非相干累加達(dá)到一定次數(shù)后，對信噪比的提高不是很明顯還會造成一定的平方損失，所以非相干累加次數(shù)不要太多。

3 捕獲時(shí)間

FPGA中的時(shí)序關(guān)系是確定的，根據(jù)設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確的估算出一次捕獲所用的時(shí)間。對于GPS信號而言，相干積分時(shí)間為20ms，降采樣為2MHz，進(jìn)入PMF模塊中，每次PMF消耗161個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，而系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為62MHz，相干累加次數(shù)5次，非相干累加次數(shù)為1次，從而完成一次捕獲需要的時(shí)間大約為130ms。上述情況對應(yīng)較強(qiáng)信號的情況。對于較弱的信號，增加非相干累加次數(shù)，捕獲時(shí)間粗估計(jì)為604ms。由此可見，在1s內(nèi)可以對6顆左右的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲，達(dá)到1s內(nèi)重捕獲并定位跟蹤。同理，對于北斗GEO衛(wèi)星，采用2ms的相干積分時(shí)間，在弱信號下采用10次非相干累加，完成一次捕獲需要大致為631ms的時(shí)間；而在信號叫強(qiáng)的情況下需要113ms的時(shí)間。而對于北斗MEO/IGSO衛(wèi)星，采用20ms的相干積分時(shí)間，采用10次相干累加，在弱信號下捕獲的時(shí)間大約不超過1s?？梢娀谏鲜鏊惴ㄋ牡牟东@時(shí)間很少，在捕獲速度上優(yōu)于其他的捕獲算法。

4 結(jié)束語

文章提出的基于部分匹配濾波器和FFT結(jié)合的相干累加和非相干累加并行捕獲算法，可以對碼相位和頻率進(jìn)行并行捕獲，縮短了捕獲時(shí)間，提高其捕獲靈敏度。文章給出了雙模接收機(jī)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)及主要模塊的分析，表明基于部分匹配濾波器和FFT結(jié)合的相干累加和非相干累加并行捕獲算法比其他算法具有很好的優(yōu)越性。

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