扩频信号基于FFT码捕获的计算量分析

手机与无线通信 时间:2012-12-25来源:网络

摘要:扩频通信技术中信号的捕获是扩频体制的关键。从快速捕获的角度出发,对传统捕获方法和基于FFT的快速捕获方法的原理进行了对比,并对不同捕获方法的计算量进行了分析和比较。获得基于FFT的循环相关捕获方法其计算量比传统方法少了3个数量级以上的结果。得到该方法在硬件实现中与传统滑动相关法相比大大节省了资源,减少了耗时的结论。
关键词:扩频;快逮捕获;FFT;计算量

0 引言
直接序列扩频通信技术,具有抗干扰、保密性强、可实现码分多址通信和高精度测量的优点,其中信号的快速捕获是扩频体制的关键。最常用的码捕获方法是滑动相关法,但该方法捕获时间过长,因此考虑采用计算速度较快的基于FFT的循环相关捕获方法。本文将对这两种方法的计算量进行比较。

1 扩频信号的捕获方法
在扩频通信中,传统的伪码捕获是通过相关运算和能量检测来完成的,成功实现伪码捕获的一个必要前提是获得输入扩频信号载波的准确值,因此整个捕获过程是一个载波频率、伪码相位的二维捕获过程。捕获又称初始同步或粗同步,其任务是完成对伪随机序列的粗同步,对伪随机序列的相位同步精度一般小于一个或1/2个伪码码片时长。
在高动态条件下,发射装置与接收装置的相对运动造成接收端不同程度的多普勒频率偏移,这会对伪随机码扩频信号捕获造成一定的影响,因此在捕获的过程中要将多普勒频移考虑进去。最大的多普勒频移大约在±5 kHz的范围内。考虑发射端和接收端均为高速运动,多普勒频移的最大值在±10 kHz比较合理,以便覆盖高速飞行器产生的多普勒频移。
1.1 滑动相关法
常用的码捕获方法包括发射参考信号法、前置同步码法、匹配滤波器法和滑动相关法。其中最常用的是滑动相关法。
设通信开始时系统处于失步状态,积分清洗检测器的输出只有噪声并低于捕获门限,捕获判决器的输出控制本地伪码产生器使之处于搜索状态,每隔一个积分周期,对PN码相位进行调整(提前或退后一个相位)。捕获判决器每隔一个积分周期对捕获情况进行一次判决,决定是否需要继续调整本地伪码的相位。当捕获判决器有信号输出并超过预定门限时,即认为它开始捕获到信号。但为了防止噪声或干扰引起偶然的假捕获,通常要连续观察几次,等到捕获判决器的输出信号超过门限的次数累计到规定值后,才认为滑动相关捕获检测器确实捕获到了信号。流程如图1所示。

a.JPG


在各种扩频系统中,因为滑动相关法实现简单,而且不需要任何先验信息,使用的最为广泛。对码长较短的伪随机码序列,该方法是较好的捕获方案。但滑动相关法存在一个突出的缺点:当两个伪码之间的相位差很大,而且伪码长度又很长时,要逐位检查(滑动)以达到捕获的时间可能很长。
取伪码长度N=1 023,信息码速率为1.2 Kb/s,M=5,则可得最长捕获时间为:
b.JPG
如果在捕获的过程中考虑信号载波的同步问题,那么最大捕获时间还会成倍增加。显然,捕获时间过长是实际系统所不能接受的。因此,必须设法减小捕获时间。
1.2 基于FFT的循环相关捕获方法
将FFT(快速傅里叶变换)应用于扩频信号的捕获源于20世纪90年代,它在当时是为导航系统而引进的一种新的扩频码捕获技术。这种技术使用FFT来计算相关函数,因而消除了码相位滑动过程所需的时间。基于FFT的捕获方法的优势在于FFT计算的快速性。

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关键词: 扩频 快逮捕获 FFT 计算量

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