高动态扩频信号的快速捕获算法研究

发布时间：2017-07-16 20:02

  本文关键词：高动态扩频信号的快速捕获算法研究

  更多相关文章： 扩频通信 高动态 伪码捕获 多普勒频率捕获 延时自相关 FFT

【摘要】：随着科技的飞速发展,飞机、卫星等高速移动体的应用和服务逐渐深化,在军用及民用领域均具有广阔的应用前景。由于信号传输对抗干扰、保密性等的要求,扩频技术得到了广泛使用。但在高动态下,速度、运动轨迹可能不断变化,接收信号中既包含大范围变化的多普勒频率,还包含多普勒频率的一次甚至高次变化率,同时多径效应等因素使扩频伪码产生了相位延时。这些影响增大了高动态信号快速捕获的难度,而传统捕获算法捕获能力有限,因此研究高动态扩频信号的快速捕获算法具有重要意义。本文主要研究扩频信号的快速捕获算法。首先分析了扩频信号传统的捕获算法,如基于滑动相关的捕获算法以及基于FFT的捕获算法。传统算法捕获时间受伪码长度或多普勒频偏范围大小的影响,捕获时间较长,多普勒频偏捕获范围窄,难以用于高动态大多普勒频偏信号的快速捕获。本文针对高动态信号捕获存在的问题,改进了接收信号模型,引入了多普勒频率变化率,提出了基于延时自相关的FFT频率估计与基于FFT的伪码并行估计的联合捕获算法。该算法将传统对多普勒频率和伪码延时的二维捕获化为了先捕获多普勒频率变化率和多普勒频偏,再捕获伪码相位的二步捕获。本文算法在多普勒频率变化率和多普勒频偏估计上,首先分析了匹配傅里叶变换算法,利用特定的基函数聚集信号的能量,具有抗噪声能力强、捕获精度高的优点,但直接计算运算量庞大,捕获时间长,无法直接用于实时捕获;然后针对降低计算量进行了研究,提出了基于延时自相关的FFT频偏估计算法,通过延时相乘去除伪码对多普勒频偏估计的影响,再经FFT运算先后估计出多普勒频率变化率和多普勒频偏。算法计算量显著减小,且捕获精度较高,但延时相乘降低了信噪比。最后分析了信噪比恶化的机理并提出了改善信噪比的方法,改进后能在接收信号信噪比为?15dB且不做任何降噪处理的情况下完成捕获。本文算法在伪码相位延时估计上,使用了基于FFT的伪码并行捕获算法。在频率估计算法捕获并补偿了多普勒频率变化率和多普勒频偏之后,伪码捕获算法无需频率搜索,只需一轮伪码捕获,显著降低了计算量。然后针对低信噪比情况改进了算法,分析了相干累加次数以及多普勒频率变化率和多普勒频偏的捕获精度对伪码捕获性能的影响。通过分析和仿真,验证了本文算法的捕获时间受伪码长度和多普勒频偏范围影响小,较传统方案降低了算法的计算量,减小了信号捕获时间,并且在一定信噪比范围内具有较高的捕获精度,适用于高动态扩频信号的快速捕获。
【关键词】：扩频通信 高动态 伪码捕获 多普勒频率捕获 延时自相关 FFT
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN914.42
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-19
• 1.1 课题研究背景和意义13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 扩频技术的发展与现状13-14
• 1.2.2 扩频信号捕获算法概述14-16
• 1.3 本文研究内容与结构安排16-17
• 1.4 本章小结17-19
• 2 扩频系统与扩频序列19-33
• 2.1 扩频通信概述19-21
• 2.1.1 扩频通信原理与特点19-20
• 2.1.2 扩频系统的分类20-21
• 2.2 直接扩展频谱通信系统分析21-24
• 2.2.1 直接扩频系统原理21-23
• 2.2.2 直扩系统接收信号的相关处理23-24
• 2.3 伪随机码序列24-32
• 2.3.1 扩展频谱系统中伪随机码的引入24-25
• 2.3.2 伪随机码序列的特点25
• 2.3.3 伪随机序列的相关函数25-27
• 2.3.4 典型的伪随机码序列27-32
• 2.3.4.1 m序列27-29
• 2.3.4.2 Gold序列29-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 扩频信号的捕获算法33-49
• 3.1 伪码延时和多普勒频移对相关捕获的影响33-37
• 3.1.1 延时与频偏对捕获影响的推导33-35
• 3.1.2 延时与频偏对捕获影响的仿真分析35-37
• 3.2 基于滑动相关的串行捕获方法37-39
• 3.2.1 典型的滑动串行捕获算法37-38
• 3.2.2 改进的滑动串行捕获算法38-39
• 3.3 基于滑动相关的并行捕获算法39-41
• 3.3.1 伪码多通道并行捕获算法39
• 3.3.2 匹配滤波器法39-41
• 3.4 基于FFT的捕获算法41-48
• 3.4.1 基于FFT的载波并行捕获算法41-46
• 3.4.1.1 基于FFT的载波并行捕获算法原理41-42
• 3.4.1.2 捕获算法的频率响应42-46
• 3.4.2 基于FFT的伪码并行捕获算法46-48
• 3.4.2.1 基于FFT的伪码并行捕获原理46-47
• 3.4.2.2 基于FFT的伪码并行捕获算法的改进47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 高动态扩频信号的捕获算法49-77
• 4.1 高动态接收信号模型49-50
• 4.2 多普勒频率变化率对相关幅度的影响50-52
• 4.3 基于匹配傅里叶变换的频偏估计算法52-58
• 4.3.1 匹配傅里叶变换的定义53-54
• 4.3.2 匹配傅里叶变换算法的仿真54-55
• 4.3.3 匹配傅里叶变换性能分析55-58
• 4.3.3.1 匹配聚焦性能分析55-57
• 4.3.3.2 匹配傅里叶变换计算量分析57-58
• 4.4 基于延时自相关的FFT频偏估计算法58-67
• 4.4.1 算法原理及仿真结果58-61
• 4.4.2 低信噪比下算法的改进及仿真61-64
• 4.4.2.1 相关算法的改进61-63
• 4.4.2.2 多周期图平均法谱估计63-64
• 4.4.3 算法对信噪比的影响64-67
• 4.4.3.1 FFT运算对信噪比的影响64-65
• 4.4.3.2 相乘运算对信噪比的影响65-67
• 4.5 基于FFT的伪码并行捕获算法的应用与改进67-75
• 4.5.1 基于FFT的伪码并行捕获算法的应用67-70
• 4.5.2 低信噪比下算法的改进70-74
• 4.5.3 频率变化率和多普勒频偏的捕获精度对伪码捕获的影响74-75
• 4.6 本章小结75-77
• 5 算法流程与性能对比77-89
• 5.1 算法捕获流程77-79
• 5.2 捕获门限设计79-80
• 5.3 算法性能对比80-86
• 5.3.1 算法捕获时间对比80-81
• 5.3.2 算法计算量对比81-85
• 5.3.3 并行算法对比85-86
• 5.4 伪码和载波的跟踪方法86-87
• 5.5 本章小结87-89
• 6 总结与展望89-91
• 6.1 全文总结及主要创新89-90
• 6.2 工作展望90-91
• 参考文献91-93
• 攻读硕士期间完成的学术论文93-94
• 致谢94

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本文编号：550292