1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）基于 PMF 与 FFT 的扩频系统快速捕获技术研究学 生：谭彦婷学 号：20114661指导教师：欧静兰 专 业：电子信息工程重庆大学通信工程学院二 0 一五年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityResearch on the Fast Acquisition of DSSS Based on PMF and FFT Undergraduate: Tan YantingSupervisor: Ou JinglanMajor: Electronic Information EngineeringC
2、ollege of Communication EngineeringChongqing UniversityJune 2015重庆大学本科学生毕业设计(论文 ) 摘要I摘 要随着科技水平的快速发展，通信技术已经应用于人们生活的各个方面。扩频通信系统主要应用于移动通信、石油勘探、航空航天、海上导航等。扩频通信技术的基本原理是著名的香农定理，m 序列是最常见的伪随机码，它易于产生，有随机性和良好的相关性。捕获技术主要有串行捕获、并行捕获、串并行捕获和匹配滤波器。论文研究基于部分匹配滤波器(PMF)与 FFT 结合的扩频系统快速捕获算法，并通过“北斗二号”B1 频段测距码对算法进行验证。PMF-F
3、FT 算法是由全匹配滤波器(DMF)推导而来，能更加精确、快速的捕获到信号，但是它存在输出相关增益有扇贝损失的问题。为了改善扇贝损失，论文采用了补零和加窗方法进行改进。补零可以提高 FFT 的频率分辨率 ，使得捕获到的频偏更加精确； 加窗明显改善了扇贝损失，但降低了输出增益。从 MATLAB 仿真结果可以看出补零和加窗对扇贝损失有明显的改善作用。论文从理论上推导了 PMF-FFT 算法的虚警概率、检测概率和平均捕获时间等性能，并通过理论法和 Monte Carlo 统计法对三种性能进行了仿真验证。从仿真结果可以看出：降低门限值、增加 FFT 点数或补零都会提高虚警概率；降低门限，增加信噪比或补
4、零会提升检测概率；降低门限值、增加信噪比或补零都会降低平均捕获时间。此外还仿真分析了多普勒频偏对检测概率和平均捕获时间的影响，进一步验证了补零对算法性能的改善作用。关键词：部分匹配滤波，扇贝损失，补零，加窗， Monte Carlo重庆大学本科学生毕业设计(论文 ) ABSTRACTIIABSTRACTWith the rapid development of Chinas scientific and technological level, Communication technology has been used in every aspect of peoples life. Spr
5、ead spectrum communication system is mainly used in mobile communication, oil exploration, aerospace and Marine navigation etc. The basic principles of spread spectrum communication technology is the famous “Shannon theorem” ,M sequence is the most common form of pseudo random code, it is easy to pr
6、oduce, have randomness and good correlation. Capture technology mainly include serial capture technology, parallel capture technology, serial parallel capture technology and matched filter.This paper research the PMF-FFT algorithm which verified by The B1 band pseudo code of BDS satellite IF signal.
7、 PMF-FFT algorithm is derived by all matched filter (DMF) which can capture the data more accurate and faster than DMF. But it exists scalloping loss problem on relative output gain, In order to improve the scalloping loss, this paper adopts zero-padding and windowing. Zero-padding can improve the f
8、requency resolution of FFT, capture the deviation more accurate; Windowing significantly improve the scalloping losses, but reduces the output gain of FFT. From the MATLAB simulation results figure, we can see that zero-padding and windowing for scalloping loss have obvious improvement.This paper de
9、duces probability of false alarm, probability of detection and mean acquisition time of PMF-FFT algorithm，then use theoretical method and Monte Carlo method to simulation and verify. From the simulation results ,we can draw a conclusion: lower threshold, increase the FFT points and zero-padding can
10、improve false-alarm probability; Lower threshold, increase the SNR and zero-padding can improve detection probability; Lower threshold, increase the SNR and zero-padding can decrease mean acquisition time. Finally paper analysis the influence of Doppler frequency offset on probability of detection a
11、nd mean acquisition time. To further verify the effect of zero padding. Key words：Partial matched filter , scalloping loss , zero-padding, windowing , Monte Carlo重庆大学本科学生毕业设计( 论文) 目录III目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 研究意义 .11.2 主要研究内容 .22 扩频通信及其捕获技术 .42.1 扩频通信系统的概述 .42.1.
12、1 扩频通信理论基础 .42.1.2 扩频通信系统的模型 .42.2 扩频通信系统的伪码 .52.2.1 伪随机码的定义及性质 .52.2.2 m 序列 .72.3 伪码捕获的常用方法 .92.3.1 串行捕获 .92.3.2 并行捕获 .102.3.3 串/并行捕获 .112.3.4 匹配滤波器 .112.4 本章小结 .123 PMF-FFT 算法 .133.1 PMF-FFT 算法的原理与仿真 .133.1.1 DMF 全数字匹配滤波器 .133.1.2 PMF-FFT 算法推导 .133.1.3 针对 “北斗二号”B1 信号测距码算法仿真 .163.2 PMF-FFT 算法的改进 .1
13、93.2.1 补零对扇贝损失的影响 .193.2.2 加窗对扇贝损失的影响 .203.3 本章小结 .224 PMF-FFT 算法性能的理论分析 .234.1 虚警概率 .23重庆大学本科学生毕业设计( 论文) 目录IV4.2 检测概率 .234.3 平均捕获时间 .245 PMF-FFT 算法性能的仿真结果与分析 .255.1 虚警概率仿真结果和分析 .255.1.1 门限和 FFT 点数对虚警概率的影响 .255.1.2 补零对虚警概率的影响 .265.2 检测概率仿真结果和分析 .275.2.1 信噪比和门限对检测概率的影响 .275.2.2 补零对检测概率的影响 .285.2.3 恒虚
14、警条件及其仿真 .285.2.4 多普勒频偏对检测概率的影响 .305.3 平均捕获时间仿真结果分析 .325.3.1 门限和信噪比对平均捕获时间的影响 .325.3.2 补零对平均捕获时间的影响 .335.3.3 多普勒频偏对平均捕获时间的影响 .335.4 本章小结 .356 总结与展望 .366.1 工作总结 .366.2 展望 .36致 谢 .37参 考 文 献 .38重庆大学本科学生毕业设计(论文 ) 1 绪论11 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景全球导航卫星系统(GNSS)具有大范围、全天候、高精度、连续的特点，主要涉及航空航天、陆地交通、大地测量、海上导航、移动通信
15、、地球科学、石油勘探等国民经济和国防建设的多个领域 1。一个国家的安全和经济发展离不开卫星导航系统，大多数国家都在竞相发展各自的卫星导航系统。其中主要包括美国的全球定位系统(GPS)、欧洲的伽利略(Galileo)系统、俄国的全球导航卫星系统(GLONASS)、日本准备开发的天顶卫星系统(QZSS) 以及正在建设中的我国北斗卫星导航系统(BDS)等 2。通信卫星是应用最早、最广泛的卫星之一。美国成功发射了世界上第一颗实用静止轨道(GEO)通信卫星 3。所谓静止轨道就是他的倾斜角为零，距离地球赤道上空 35786 ，地表上的观察者在任何时候观察到的卫星在天空中是静止的。千 米不管是民用还是军用卫
16、星，选用静止轨道都会更加有利，然而地球的静止轨道只有唯一的一条，轨道资源很有限，不得不寻找更多的轨道资源。为了找到更多的轨道资源，卫星轨道已经逐渐向高度更低的一些中高轨道(MEO)以及低轨道(LEO) 方向发展了。由于全球卫星导航系统(GNSS) 向用户提供较为精确的信息，它可 以已经广泛应用在了各个领域当中。对 LEO 卫星而言，它的优点主要在于：一方面这种卫星的轨道高度相对而言较低，从而使得传输过程中延时短，路径损耗小，多个 LEO 卫星组成的星座系统可以实现全球覆盖，使得频率复用更有效；另一方面多址、蜂窝通信、频率复用、点波束这些技术应用到低轨道卫星中，为移动通信提供了有力的技术保障。所
17、以，LEO 系统是非常有发展前也是最新的卫星移动通信系统。但是 LEO 系统仍然具有不足， LEO 卫星轨道低，所以它绕地球运行速度是非常快的，这导致了卫星与地面以及卫星与卫星之间的通信链路要受到多普勒频偏的干扰。1.1.2 研究意义扩频技术有很多优点：抗干扰、保密性好、 、可实现精确的定时测距抗 多 径以及码分多址等优点 2，卫星导航系统很多都用到了该技术。其中扩频通信系统特有的扩频码的同步问题就是扩频系统中一个难点问题。扩频码在接收机中的同步与解调是一个十分复杂的过程。接收机中产生的本地伪随机序列的相位与接收信号的相位必须完成对齐才能实现数据的接收。伪随机序列同步有两个步骤实现：首先是伪随
18、机序列的捕获阶段，通过一定的策略对本地伪随机序列的相位进行调重庆大学本科学生毕业设计(论文 ) 1 绪论2整，最终要求能使本地伪码与接收伪码间的相位差维持在一个 Chip 内，实现伪随机序列相位的初步同步；第二个阶段是跟踪阶段，实现对接收信号相位的精确同步。作为伪码同步的第一个步骤，正确的捕获对于整个同步过程至关重要。在进入跟踪过程之前需要保证本地伪随机序列与接收伪随机序列之间的相位差保持在一个码元宽度内。如果未进入正确的捕获状态，之后的跟踪环将无法跟踪接收的伪随机序列。高动态扩频信号载体运动速度较快，使扩频信号存在着较大的多普勒频偏，这会使本地伪码与接收伪码同步时的输出增益大幅衰减，从而加大
19、 GNSS 接收机的捕获难度，增大系统捕获时间 3。因此一个可靠的伪码捕获方案对于扩频系统是十分重要的，本文拟对 PMF-FFT 伪码捕获算法进行改进，提出一种改进型PMF_FFT 捕获算法，进一步满足高动态长码捕获技术的性能需求。近年来，扩频通信技术不断发展，其中扩频信号的快速捕获是一个热门话题，在国内外学者的研究下，如今比较成熟的捕获算法主要包括：匹配滤波器、滑动相关器、数字差动捕获算法以及基于 FFT 的捕获算法 4。上个世纪 90 年代，基于 FFT 的捕获算法成为学者们的研究热点。目前基于 FFT 的捕获算法主要有以下两种，第一种是在接收到数据与本地伪码相关运算之后再进行 FFT 运
20、算，确定载波的多普勒频率，这样可以将码相位和载波多普勒频率的二维搜索转变为码相位的一维搜索；第二种是利用 FFT 把时域的相关运算转变成频域的相乘运算 5。G.J.R.Povey 等人最先提出了将匹配滤波器 (MF：Matched Filter)与 FFT 结合的捕获算法，为后来该算法的发展做出了很大的贡献 6。Kong S.描述了在较大的多普勒频偏下的快速捕获系统，首次给出了基于 PMF-FFT 结构的捕获算法 7。该算法通过部分匹配滤波器(PMF)将接收到的信号与本地产生的伪随机码进行部分相关运算，再将运算结果送入 FFT 模块，在输出增益中，频率分辨率就是两点 FFT 间频差值的一半 8
21、。1.2 主要研究内容第一章中首先介绍了本文的研究背景、意义及研究现状。了解扩频通信技术在现代科技中的应用以及前任在这方面的研究成果。第二章中首先介绍了扩频通信的基本原理和系统模型。接着对扩频通信系统的伪码捕获进行了介绍，对伪随机码的性质进行了分析。m 序列是最常见的伪随机码，还阐述 m 序列的定义和相关性。最后介绍了伪码捕获常用的串行捕获、并行捕获、串并行捕获和匹配滤波器。第三章中从 DMF 全匹配滤波器推导出了 PMF-FFT 捕获算法，介绍了“北斗二号”的 B1 频段测距码，基于“北斗二号”的 B1 频段测距码的 PMF-FFT 算法重庆大学本科学生毕业设计(论文 ) 1 绪论3进行仿真
22、。接着分析了补零和加窗对扇贝损失的改善作用，对改进后的算法进行MATLAB 仿真验证，由仿真结果图可得加窗和补零都对扇贝损失有明显的改善作用，补零可以提高 FFT 的频率分辨率，使得捕获到的频偏更加精确；加窗明显改善了扇贝损失，但降低了 FFT 的输出增益。第四章中对 PMF-FFT 算法的虚警概率，检测概率和平均捕获时间这三个性能进行了理论分析。第五章中是在 MATLAB 下对虚警概率，检测概率和平均捕获时间进行了仿真；并通过 Monte Carlo 法进行了验证，另外还分析了多普勒频偏对检测概率和平均捕获时间的影响。最后在第六章中对全文进行了总结和未来的工作展望。重庆大学本科学生毕业设计(
23、论文 ) 2 扩频通信系统的捕获技术42 扩频通信及其捕获技术2.1 扩频通信系统的概述2.1.1 扩频通信理论基础扩频通信技术是将要发送的信息频谱拓宽到一个很宽的带宽上进行发射，接收端利用相关接收的原理将其带宽压缩，恢复成原来的窄带信号。通常的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函数在时域相乘，来扩展信号的频谱。香农定理证明，扩频通信是有效的抗干扰通信方式，它是解决无线通信系统中多址、抗干扰、保密性等最好的途径之一。信息论著名的香农公式是扩频通信系统的理论基础 9：2log(1)SCBN(2.1)其中，B 为信号带宽，S 为信号的平均功率，N 为噪声功率。C 为系统的信道容量，即在高斯白噪声条
24、件下，通信系统的极限传输速率。从香农公式中我们可以得到以下的重要结论：(1)增加信道容量的方式有两种，一种是增加传输信号的带宽；另一种是增加信噪比。由于信道容量与信号带宽之间呈线性关系，而与信噪比之间呈对数关系，因此，增加信号的带宽比增加信噪比更有效的增加信道容量。(2)当信道容量 C 为常数时，带宽 B 能够与信噪比 S/N 比互换，即可以通过增加信号带宽 B 来降低系统对信噪比 S/N 的要求；也可通过增加信号的功率 S，降低信号的带宽。2.1.2 扩频通信系统的模型根据扩频通信系统信号产生的方式不同，可以分为以下几类：直接序列扩展频谱系统(直扩系统)、频率跳变扩展频谱系统(跳频系统)、时间跳变扩展频谱系统(跳时系统)、线性脉冲调频通信系统。在众多扩频系统中，直接序列扩频通信系统是目前使用较为广泛的一种扩频系统。图 2.1 给出了一种较为常用的直接序列扩频系统的原理框图。从图中可以看出，在发送端将数据信号与高速的伪随机序列相乘完成扩频调制，随后与载波信号相乘完成 BPSK 调制，最终发射机后由天线发射出去。在接收端，要产生一个与发射端伪随机码同步的本地伪随机码，对接收到的信号进行相关运算，这个过程就是解扩。将解扩后的信号经过中频滤波器，最后经过解调器解调，恢复出数据信号。
