[发明专利]一种用于直接序列扩频系统的高动态弱信号快速捕获方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种扩频通信系统的同步方法，实现对高动态、低信噪比条件下扩频信号的快速捕获。

背景技术

直接序列扩频系统(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)具有抗截获、抗干扰、抗多径衰落以及易于实现多址通信和高精度测量等优点，在宽带无线通信、导航定位等领域得到广泛应用，如CDMA(Code Division Multiple Access)通信体制、GPS(Global Positioning System)导航定位等。在直扩系统中，伪码同步是接收机进行正常解扩解调的前提，同步过程包括捕获和跟踪两个步骤。其中捕获(又称粗同步)是指在接收信号中找到伪码的起始相位，使收端伪码和发端伪码的相位差小于二分之一码元，而跟踪(又称为精同步)进一步减小收端码元与发端码元的相位误差，并使收端码元跟踪发端码元的变化。然而，由于频率源的漂移、电波传输的时延以及多径效应，尤其是载体高动态运动带来的多普勒效应影响，使得扩频信号的捕获转变为复杂情况下信号的参数检测与估计问题，同时，随着我国自主卫星导航系统的不断完善以及深空通信技术的不断发展，高动态、低信噪比情况下扩频信号的快速捕获技术已经成为一个广泛的研究热点和亟需解决的技术难题。

近年来，国内外针对高动态扩频信号捕获技术的研究主要集中在利用FFT(Fast Fourier Transform)技术进行并行运算上。例如：Spangenberg在论文“An FFT-Based Approach for Fast Acquisition in Spread Spectrum Communication Systems，Wireless Personal Communications，2000，13：27-56”，以及专利公开号为CN 101082664，名称为“一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置及其方法”等文献中提到的方法都是利用基于FFT的部分相关捕获技术，在搜索扩频码相位的同时，完成对多普勒频率的并行搜索。当本地扩频码的相位与接收信号对齐时，FFT输出对应的载波多普勒频率分量，从而将扩频码和多普勒频率的二维搜索变成一维搜索，大大缩短了高动态情况下扩频信号的捕获时间。

然而，目前研究现状仍然存在以下问题：

高动态包括高速和高加速运动，传统基于FFT的快速捕获方法只能补偿接收机做高速运动引起的多普勒频率分量，而忽略了由高加速运动引起的多普勒频率变化率问题。以GPS导航接收机为例，对于高性能飞机，可以获得几个g的加速度值，如7g的加速度，相应的多普勒变化率接近360Hz/s，而近程空空导弹的加速度可达到几十g的加速度，相应的多普勒变化率会高达几KHz/s。

当接收信号十分微弱、需要做长时间相干积累才能提高检测信噪比时，假如忽略接收机做高加速运动带来的多普勒频率变化率，会造成捕获失败。原因如下：当接收机做高加速运动时，载波多普勒频率的均匀变化使其呈现出近似线性调频(chirp)信号的特性，特别是在较长时间的相干积累过程中，借助传统基于FFT的快速捕获方法时，在最小分辨带宽内，被检信号的频谱展宽，甚至移出最小分辨带宽，导致最小分辨带宽内的信噪比降低，检测峰值下降，直接影响信号的检测概率。从附图1、附图2可以看出，载体做高速运动时，基于FFT的快速捕获方法能得到较高的检测峰值；但当载体有较高加速度时，信号的检测峰值并不明显，不易于实现信号的捕获。因此，在JAMES BAO-YEN TSUI著，陈军等人翻译，《GPS软件接收机基础》一书中，提出了当前方法存在的问题——“为了获得高的灵敏度，基于FFT的扩频信号捕获方法要求接收机载体不能有高的加速度，或者是静止的，或者以相对较低的恒定速度运动。”

分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform，FRFT)是一种新兴的时频分析工具，它与传统傅里叶变换用正弦函数对信号作分解类似，分数阶傅里叶变换用线性调频函数(chirp基)对信号进行分解。它可以解释为信号时频平面上的旋转算子，对分析某些非平稳信号具有十分优良的特性，其离散运算复杂度又和传统傅里叶变换相当。

信号x(t)的分数阶傅里叶变换定义为：