徐利國(guó),王永明

(昆明理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院,云南 昆明 650093)

CCFR算法在BOC(2n,n)信號(hào)應(yīng)用中的研究

徐利國(guó),王永明

(昆明理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院,云南 昆明 650093)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)展,BOC調(diào)制信號(hào)被廣泛應(yīng)用,然而,根據(jù)最新的研究發(fā)現(xiàn),BOC信號(hào)在同步捕獲方面還有許多新的挑戰(zhàn)?？紤]到副峰抑制方面現(xiàn)有方法的不足,本文研究BOC(2n,n)信號(hào)的特征并基于多通道相關(guān)函數(shù)的連接提出CCFR算法。通過(guò)理論研究和仿真模擬,CCFR算法可以消除第一副峰并且可以抑制其它次的副峰。且副峰抑制的性能方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法。

BOC(2n,n)信號(hào);互相關(guān)函數(shù)重構(gòu);副峰;捕獲

0 引 言

二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中一種新的信號(hào)調(diào)制方式[1],其中BOC(2n,n)作為一種新的調(diào)制信號(hào)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信[2-3]。例如,BOC(10,5)作為基帶信號(hào)被運(yùn)用在美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航之中。BOC(2n,n)信號(hào)是一種新的擴(kuò)頻調(diào)制方式,它將擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼與方波副載波相結(jié)合,通過(guò)將信號(hào)的頻譜從中心頻率向兩側(cè)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜的分割。對(duì)于增加緊密帶寬資源,信號(hào)頻譜分割可以有效地提高帶寬效率。此外,BOC(2n,n)調(diào)制信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)不具有更尖銳的自相關(guān)性能,因此它不僅在緩解多徑問(wèn)題上具有更多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還在代碼的連續(xù)捕獲上比BPSK信號(hào)更加準(zhǔn)確。然而,相對(duì)于BPSK信號(hào),BOC信號(hào)在增加主峰[4]尖銳時(shí)將產(chǎn)生多個(gè)峰值。這種現(xiàn)象使得捕獲副峰更容易,因此,它會(huì)影響信號(hào)的正確同步。

出于多峰的特性,一些捕獲方法已經(jīng)被提出,例如,ASPeCT[5]和RQCC捕獲算法。ASPeCT捕獲算法是通過(guò)接收到的BOC(2n,n)信號(hào)分別與本地的BOC(2n,n)信號(hào)和輔助PRN碼進(jìn)行相關(guān),并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行平方之差來(lái)達(dá)到抑制副峰的目的。RQCC將接收到的信號(hào)分別與輔助QBOC[6](正交BOC)碼和本地BOC碼進(jìn)行相關(guān)卷積計(jì)算。由于QBOC代碼和BOC代碼之間的特殊關(guān)系,這種重構(gòu)算法可以抑制副峰的其余部分。然而,這兩種算法只抑制第一副峰而不能消除第一副峰。為了消除第一副峰,分析信號(hào)互相關(guān)的特性,一個(gè)新的捕獲算法被提出,稱為CCFR(Cross-correlationFunctionReconstruction)。CCFR捕獲算法不僅可以在第一時(shí)間消除第一副峰,還能達(dá)到抑制其余副峰的目的。

1 BOC信號(hào)和現(xiàn)有算法

1.1 BOC(2n,n)調(diào)制原理

BOC(2n,n)的調(diào)制信號(hào)[7]是BOC調(diào)制信號(hào)中的一種。它源于傳統(tǒng)的BPSK調(diào)制信號(hào),通過(guò)PN碼的添加實(shí)現(xiàn)了信號(hào)頻率從中心向兩側(cè)的分裂。信號(hào)時(shí)域[8]的表達(dá)式為

s(t)=A*d(t)*c(t)*sign[sin(2πfyt)]，

(1)

式中: A為信號(hào)幅度; d(t)為傳輸數(shù)據(jù); c(t)為擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼; fy為副載波頻率。

圖1 BOC(2n,n)的頻譜

圖2 BOC(2n,n)的相關(guān)函數(shù)

1.2 現(xiàn)有的相關(guān)重構(gòu)捕獲算法

現(xiàn)有的重構(gòu)捕獲算法包括傳統(tǒng)的頻譜重構(gòu)算法以及相關(guān)重構(gòu)算法[9]。相關(guān)重構(gòu)方法則越來(lái)越受到重視,是因?yàn)樗种屏烁狈逯?并且與傳統(tǒng)的頻譜重構(gòu)方法相比更能保證相關(guān)性的最大值。對(duì)ASPeCT(Autocorrelation Side-Peak Cancellation Technique)和RQCC (Remove Quadratic BOC Cross-Correlation) 這兩個(gè)具有代表性的相關(guān)重構(gòu)捕獲算法進(jìn)行研究。

她的身子那樣火熱，我按捺不住，又和她做了那事。瘋了一天，我累了，躺下來(lái)就不想動(dòng)，別呦呦卻興致不減，把脫下來(lái)的褻褲套在我頭上，讓我聞聞是什么味兒。我嗅幾口，說(shuō)是香的，她咯咯地笑，命我把褻褲掛起來(lái)。我坐起來(lái)，見(jiàn)身后有根剛冒出頭的竹筍，就把褻褲掛在上面。

ASPeCT相關(guān)重構(gòu)捕獲算法增加了一個(gè)本地輔助PRN碼[10]。這種算法分別需要接收BOC(2n,n)信號(hào),與本地BOC(2n,n)信號(hào)以及PRN碼進(jìn)行相關(guān)[11]。因此,一個(gè)新的相關(guān)函數(shù)可以通過(guò)采取平方之差獲得相關(guān)的結(jié)果。

RQCC重構(gòu)捕獲算法還增加了一個(gè)本地的輔助QBOC碼。這種算法將接收的信號(hào)分別與本地BOC碼和QBOC碼進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。因?yàn)槊總€(gè)相關(guān)峰最大值的位置正好與互相關(guān)峰值為零的位置一致,RQCC通過(guò)領(lǐng)先與滯后的互相關(guān)峰值來(lái)抑制副峰值[12]。

2 CCFR重構(gòu)算法

結(jié)合現(xiàn)有ASPeCT和RQCC捕獲算法的優(yōu)勢(shì),提出了CCFR捕獲算法，該算法不僅消除了第一副峰也能抑制其余副峰。

在BOC(2n,n)的自相關(guān)函數(shù)中有七個(gè)相關(guān)峰值,BOC(2n,n)調(diào)制信號(hào)與本地PRN碼的互相關(guān)函數(shù)有四個(gè)相關(guān)峰值。此外,BOC調(diào)制信號(hào)與QBOC碼的互相關(guān)函數(shù)有八個(gè)峰值。有兩個(gè)特點(diǎn):1)每個(gè)互相關(guān)峰最高值的位置與自相關(guān)峰值為零的位置重合;2)相關(guān)峰的寬度用來(lái)消除、抑制副峰的領(lǐng)先與滯后。BOC信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)：

(2)

BOC信號(hào)和PRN碼的互相關(guān)函數(shù)：

(3)

BOC信號(hào)和GBOC碼的互相關(guān)函數(shù)：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

借鑒ASPeCT方法在副峰值抑制的能力,由式(7)和式(10)，CCFR捕獲算法不僅消除了BOC(2n,n)的主峰也抑制BOC(2n,n)副峰值的其余部分。與此同時(shí),基于快速傅里葉變換(FFT)[13],可以進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)CCFR的相關(guān)重構(gòu)捕獲,CCFR的相關(guān)重構(gòu)函數(shù)為

(11)

3 算法仿真與測(cè)試

3.1 算法的有效性

對(duì)于ASPeCT,RQCC 和CCFR捕獲算法可以進(jìn)行軟件仿真。仿真結(jié)果如圖3所示,CCFR捕獲算法不僅消除了第一副峰,也抑制了副峰的其余部分。而RQCC捕獲算法雖然很大程度上抑制了第一副峰,但是不能完全消除它。與此同時(shí),ASPeCT的捕獲算法對(duì)于第一副峰的抑制能力是三種方法中相對(duì)較差的。

3.2 算法捕獲能力

基于MATLAB仿真平臺(tái),在擁有不同信噪比的AGWN信道條件下,分析了各個(gè)算法實(shí)際的識(shí)別能力。在本文中,調(diào)制信號(hào)是BOC(10,5)和BOC(8,4)這兩種信號(hào),其中中心頻率為40.92 MHz,采樣頻率為4×40.92 MHz,信噪比從-20 dB到14 dB.在這些參數(shù)下,可以得到相關(guān)的捕獲結(jié)果。BOC(8, 4)主峰平均值和BOC(10, 5)主峰平均值如圖4和圖5所示。BOC(8, 4)主峰和第一副峰的比值由圖6示出。BOC(10, 5)主峰和第一副峰的比值如圖7所示。

圖3 BOC(2n,n)捕獲算法的結(jié)果

圖4 BOC(8,4)的主峰平均值

圖5 BOC(10,5)的主峰平均值

圖6 BOC(8,4)在主峰和第一副峰的比值

圖7 BOC(10,5)在主峰和第一副峰的比值

由圖4和圖5所示,在AWGN信道上CCFR捕獲算法主峰平均值比ASPeCT算法高但是低于RQCC算法。由圖6和圖7所示,隨著信噪比的增加,主峰和第一副峰比值也在增加,CCFR算法比值是高于RQCC算法和ASPeCT算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

在研究RQCC和ASPeCT捕獲算法優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí),CCFR捕獲算法的提出可以彌補(bǔ)現(xiàn)有捕獲算法的不足。通過(guò)設(shè)置參數(shù):中心頻率為40.92 MHz,采樣頻率為4×40.92 MHz,信噪比從-20 dB增加到14 dB,在MATLAB仿真平臺(tái)上使用算法捕獲BOC(10,5)和BOC(8, 4)的信號(hào)。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的CCFR捕獲算法在副峰抑制性能方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法,在基于消除第一副峰的前提下,CCFR捕獲算法在抑制其余副峰的性能也是顯而易見(jiàn)的。

[1] 張怡, 張西凱, 陳利民. 基于二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制方式的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2011, 31(1):181-184.

[2] 陳翔, 齊家敏, 陳佳品. 一種BOC(n,n)信號(hào)的新型精確同步方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(6):1268-1271.

[3] 孫昊婧, 胡肖傳, 張孟陽(yáng). BOC(2n,n)信號(hào)同步方法研究[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào), 2009, 28(4):85-89.

[4] 符強(qiáng), 王華俊, 紀(jì)元法,等. BOC信號(hào)無(wú)模糊捕獲方法研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2013, 41(2):101-106+116.

[5] 孫剛, 鄧中亮, 楊磊,等. 基于重構(gòu)相關(guān)函數(shù)的BOC(2n,n)ASPeCT捕獲方法[C]// 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子. 2011.

[6] 劉瀛翔, 唐小妹, 王飛雪. 基于QBOC碼的BOC信號(hào)碼跟蹤環(huán)路的性能分析[C]// 全球定位系統(tǒng)學(xué)術(shù)研討會(huì). 2009:20-24.

[7] 楊力, 潘成勝, 薄煜明. GPSM碼信號(hào)的產(chǎn)生與特性分析[J]. 火力與指揮控制, 2009, 34(3):30-32.

[8] 陳適, 張?zhí)祢U, 周圣,等. 一種新的BOC(n,n)型信號(hào)的精確捕獲算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2013, 30(3):672-675.

[9] 胡剛毅, 趙同林, 陳適,等. BOC信號(hào)中一種新型的無(wú)模糊直接捕獲算法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2013, 39(12):122-125.

[10]朱銀兵, 李豹, 劉睿. BOC信號(hào)改進(jìn)碼相位捕獲算法研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2015, 40(3):406-411.

[11]徐定杰, 韓浩, 沈鋒,等. 一種新的BOC(15,2.5)調(diào)制信號(hào)同步方法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2014, 40(10):113-116.

[12]楚恒林, 李春霞. BOC調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 無(wú)線電工程, 2010, 40(6):34-37.

[13]胡修林, 周艷玲, 唐祖平. 導(dǎo)航信號(hào)的BOC調(diào)制方式[J]. 無(wú)線電工程, 2007, 37(3):31-33.

Research on BOC(2n,n) Signal Based on Improved CCFR Algorithm

XU Liguo,WANG Yongming

(FacultyofManagementandEconomy,KunmingUniversityofscienceandTechnology,Kunming650093,China)

With the development of satellite navigation signals, BOC modulation signals are widely used, however, according to the latest researches, BOC signals have faced new challenges in the synchronization acquisition.Considering the drawbacks of existing methods in side peaks suppression, researching the characters of BOC (2n,n) and putting forward CCFR(Cross-correlation Function Reconstruction) base on the connection of multi-channel correlation function. Through theoretical study and simulation, CCFR algorithm can eliminate the first side peaks and may inhibit other sub-peak times. In addition, the performance of side peaks suppression is superior to existing algorithms.

BOC(2n,n) signal; ccfr; side peaks; acquisition

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.006

2017-02-06

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0027-05

徐利國(guó) (1989-),男, 碩士研究生,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與智能物流、信號(hào)與RFID射頻識(shí)別技術(shù)。

王永明 (1976-), 男, 博士,教授,主要研究方向?yàn)楣?yīng)鏈管理、計(jì)算機(jī)信息管理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。

聯(lián)系人: 徐利國(guó)E-mail:408531321@qq.com