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高动态扩频弱信号的捕获技术研究

吕珊珊  
【摘要】:扩频通信系统的抗干扰性能好、隐蔽性强、截获性低、易于实现码分多址,已经被广泛应用于数据传输、移动通信、定位导航、实时测距等方面,尤其在卫星导航方面发挥着不可替代的作用。但是,有限的带宽资源限制了扩频通信的发展,为此我们将扩频调制与连续相位调制(CPM)相结合,解决其功率和带宽双重受限的问题,提高频带和功率的利用率。高动态弱信号的精确同步过程是保证扩频接收机实时性和高灵敏度的核心技术,其中,利用扩频码进行弱信号捕获是实现精确同步的前提和基础。当处于室内、城市和森林等有遮挡的恶劣环境时,由于受到多径和噪声的影响,信号更加微弱,接收信噪比恶化,传统的捕获技术很难快速而准确地实现信号的粗同步。双块补零(DBZP)捕获算法是针对这一问题提出的有效算法,将分段处理、圆周相关和FFT/IFFT相结合,实现弱信号的快速捕获,该算法在实际中得到广泛的应用。但是DBZP的分块长度和分块数会受到频率分辨率和多普勒频偏搜索范围的限制,且是固定不变的,这使得算法的捕获性能具有一定的局限性。本文在DBZP的基础上,结合数据重叠的思想,针对无辅助弱信号的快速捕获,提出改进的多块重叠补零算法和通用重叠多块补零算法。首先将直接列扩频调制与CPM调制相结合,建立通信系统,保证系统的高效性。接下来介绍传统的捕获算法,在此基础上分析研究针对弱信号的捕获算法,包括基于FFT的相关函数捕获算法、部分匹配滤波与FFT相结合(PMF-FFT)的捕获算法、分段累加的频率空间并行搜索算法和DBZP捕获算法。以DBZP为基础,提出多块重叠补零算法(MBOZP)和通用重叠多块补零算法(GOMBZP)。MBOZP引入数据分块的重叠,保证分块数不变,通过数据重叠增加相干积累的长度,从而提高小频偏下的捕获性能,系统在极低信噪比下能够获得接近1dB的性能增益。GOMBZP是对MBOZP的进一步改进,引入两个可变参数,相干积累扩展数据长度和步进因子。相干积累扩展数据长度能灵活控制数据重叠长度,而步进因子则能够控制分块数,在保证频偏搜索范围的同时提高捕获性能。通过三种不同分块组合方式的仿真分析发现,增加相干积累长度或者分块数,都能够提高捕获性能,当两者同时增加时能够获得接近2dB的性能增益。但此时算法的计算复杂度较大,为兼顾频偏搜索范围、捕获性能和计算复杂度,可以选择GMBOZP中不改变相干积累长度,仅增加分块数的分块组合方式。此时,可以在减小计算复杂度的同时获得0.7dB左右的性能增益。


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