【正文】 幀是最后被發(fā)送的，從子幀1到子幀5的循環(huán)分頁將從子幀1重新開始；不管在此之前哪個頁是最后被發(fā)送的，25頁的循環(huán)也將從每個子幀的第1頁重新開始。因此，在子幀4和子幀5的新數據可以從這些子幀的25頁中的任何一頁開始傳輸[10]。 二次編碼分析 二次編碼概述 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的應用越來越廣，對衛(wèi)星信號的捕獲速度也提出了更高的要求，因此，現(xiàn)代的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)在設計的時候采用了二次編碼的方式。北斗B1二次編碼碼長為1800,周期18s，碼速率為100bps，衛(wèi)星PRN號對應為163的二次碼由11位線性反饋移位寄存器產生的自然長度為2047的m序列截短得到，而64210的二次編碼由Gold碼截短得到。我們對L1C二次編碼相關性進行分析，由于二次編碼調制導頻通道的主碼，因此不需要考慮奇相關，只考慮它們的偶自相關和偶互相關性[11]。北斗B2二次編碼采用的是NeumanHofman碼，簡稱為NH碼。數據通道和導頻通道分別用長度為10和20的NH碼。播發(fā)L5C信號的所有衛(wèi)星采用的NH碼都是一樣的，即n(10)=(+1,+1,+1,+1,1,1,+1,1,+1,1)。n(20)=(+1,+1,+1,+1,+1,1,+1,+1,1,1,+1,1,+1,1,+1,+1,1,1,1,+1) 二次編碼的作用二次編碼的第一個作用是改善了衛(wèi)星信號之間的互相關特性，主要是使各衛(wèi)星信號之間的互相關旁瓣峰下降。當兩顆衛(wèi)星的信號完全對準時，二次編碼的作用相互抵消，對互相關性沒有多大的改善，但是完全對準的情況發(fā)生的概率很小。L5C的二次編碼能使不同信號間的互相關旁峰至少降低3dB。二次編碼可以減小功率譜的線譜寬度，提高抗窄帶干擾能力。 對于L5C信號， 主碼周期為1ms， 如果沒有NH碼，數據通道信號的功率譜是一些間隔1kHz的譜線；而有了NH碼，由于NH碼周期是10ms，譜線間隔下降為100Hz，當信號總功率不變時，NH碼使每條譜線的功率譜密度也下降為原來的1/10。接收機對衛(wèi)星信號進行接收時，數據同步是一個薄弱環(huán)節(jié)。要確定每個數據字符的起始時刻和結束時刻，可以采用在每個字符寬度內增加一些事先已知的相位渡越方法來實現(xiàn)。 E5b數據通道的數據字符寬度為4ms，二次編碼的基碼寬度為1ms，周期為4ms，因此E5b數據通道的二次編碼使在一個字符寬度內增加了多次相位渡越。這樣，用二次編碼全相關的辦法便可以實現(xiàn)自動字符同步[11]。 二次編碼設計準則在總結了二次編碼的作用后，可以據于此來選取具有良好性能的二次編碼。 1) 周期不宜過長，自身有良好自相關性。采用二次編碼帶來的相關性能的改善程度比不上直接增加主碼碼長，二次編碼是在捕獲復雜度和相關特性折中考慮的結果。 2) 易于實現(xiàn)數據字符同步。如果設計的二次編碼周期較長，不僅自身要有很好的整體相關性，局部也要有很好的相關性。L1C的二次編碼長度為1800，整體相關性我們已經討論過，實現(xiàn)數據字符同步還要求對于長度為100或者200的子序列也具有良好的相關性。 3) 導頻通道二次編碼周期可以略長。接收機在實現(xiàn)字符同步時，可以只處理導頻通道，所以導頻通道的二次編碼周期長時，可以更易于實現(xiàn)字符同步。4) 結構簡單，易于實現(xiàn)。從硬件實施上考慮，要求二次編碼產生方式簡單，易于實現(xiàn)[11]。 本章小結 本章先介紹了衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號的編碼模型，包括其產生原理，特性，信號結構及調制解調。然后又介紹了二次編碼的有關概況，包括其產生原理，二次編碼的作用，二次編碼的設計準則。 第3章 基于FFT并行捕獲算法研究 北斗衛(wèi)星信號采用碼分多址（CDMA）技術,所有的信息通過擴頻碼進行調制,擴頻碼具有自相關性好、互相關性差的特點。接收某一個衛(wèi)星的導航數據，需要復現(xiàn)調制該導航數據的偽隨機碼，將復現(xiàn)的偽碼同輸入偽碼在不同相位誤差上做相關運算，使得兩者之間同步，從而完成對導航數據的解擴，這就是偽碼捕獲。在實際應用中,由于衛(wèi)星與用戶的相對運動會造成多普勒頻偏,如果用戶沒有同時調整復現(xiàn)的載波頻率,那么對擴頻碼的相關過程將因用戶接收機的頻率響應的滾降特性而受到嚴重的衰減,導致無法捕獲到信號,所以在捕獲衛(wèi)星信號的時候也必須補償載波頻率加多普勒頻偏[12]。因此，北斗衛(wèi)星信號的捕獲功能是進行時間和頻率二維的搜索，將接受到的衛(wèi)星信號和本地復現(xiàn)碼及載波的差值限定在一個特定的范圍內。捕獲的結果是使得本地參考碼和接收碼相位差值小于一個碼元寬度，且收發(fā)碼時鐘頻率基本一致，同時使得載波相互對準，從而實現(xiàn)輸入信號與本地信號的粗同步。在信號捕獲的初始階段，接收信號的偽碼相位和載波頻率對接收機而言都是未知的，捕獲的目的就是確定這倆個未知參量。捕獲的搜索范圍是比較大的，頻率上需要考慮衛(wèi)星和接收機之間相對運動所造成的多普勒影響。時間上，需要對整個C/A碼的周期進行搜索，復現(xiàn)C/A碼。捕獲有多種不同的算法，沒個算法都有自己的優(yōu)缺點，因此通常的北斗接收機會根據自身的特點選擇所需要的捕獲方法，本文介紹常用的捕獲算法。 捕獲方法分析 常用的偽碼擴頻信號的捕獲方法包括串行、并行和FFT捕獲。串行捕獲方法是一個頻域（多普勒頻率）和時域（偽碼相位)順序二維搜索過程。提出一種碼并行FFT快速捕獲方法。通過這種方法可以提高捕獲的速度,縮短捕獲時間。 串行捕獲算法串行捕獲采用單通道相關器,在不同的頻率間隔以離散的方式進行順序掃描搜索,這種方法硬件簡單、易于實現(xiàn),但捕獲時間長,特別是在高動態(tài)、低信噪比情況下,還可能丟失數據。為了提高捕獲速度,可以采用適當安排多普勒頻移搜索單元的搜索順序,采用載波多普勒頻移逐次逼近掃描法,從起始單元的兩側依次進行搜索,起始單元的設置考慮衛(wèi)星相對地面靜止物體的相對速度而造成的多普勒頻移值[13]。串行捕獲電路如下圖所示： 圖 31 串行捕獲電路 并行捕獲算法 并行捕獲是在串行捕獲的基礎上采用多通道相關支路,在各通道內并行地搜捕信號。有擴頻碼并行、載波并行和擴頻碼載波并行捕獲三種并行捕獲方式。 碼并行載波串行:采用N個獨立的碼相關器,相關器之間相差半個碼片,它們共用一個載波NCO,載波多普勒采用串行掃描方式進行搜索。在一個區(qū)間掃描結束后取N個相關能量值中最大的與門限比較,超過則根據載波區(qū)間和能量最大相關器的位置得到載波和相位的估計值,優(yōu)點是在每個載波單元搜索一個碼周期就可以得到N個碼片相位的相關值。其捕獲時間是串行捕獲所需要的時間除以碼相關器的個數。 碼串行載波并行:單個碼發(fā)生器,對碼進行串行搜索,N個載波相關器,載波相關器的個數與捕獲范圍有關, N 的取值至少是 , 其中 為捕獲范圍, 為相關器帶寬。對載波頻率進行并行捕獲。N個載波NCO分別產生不同頻率的載波,在各個碼相位上同時檢查N個頻點的能量,超過門限就以當前碼相位及最大值所對應的載波為輸入啟動跟蹤環(huán),否則移動半個碼片。該電路的規(guī)模與碼長無關,可以在相同硬件條件下兼容多種碼長,捕獲時間等于 ,也就是捕獲時間與碼長成正比,相當于串行捕獲所用的時間除以載波相關器的個數N。 碼并行載波并行:采用N個獨立的碼相關器,碼相關器之間差半個碼片。采用M個載波相關器,每個載波相關器的載波NCO分別產生不同頻率的載波。每一個碼相關器對應M個可能的載波頻率,每一個載波頻率對應N個碼相位。對于偽碼和載波的二維并行捕獲,取N 個碼相關器、M 個載波相關器中二維對應的能量最大值與捕獲門限進行比較,若超過門限,則判為捕獲,碼并行載波并行捕獲方法能夠在很短的時間內就可捕獲偽碼相位和載波頻率,所用時間是串行捕獲所用時間除以碼相關器個數N和載波相關器個數M。該捕獲方法的缺點是計算量大,占用資源[14]。 FFT捕獲算法 FFT捕獲主要是利用FFT運算的特點,對碼序列進行相關運算。常用的捕獲方法有兩種:一種是在搜索1個多普勒頻移時,同時搜索所有的碼相位。另外一種是搜索1個碼相位步進量時,同時對整個多普勒頻移單元同時進行估計,分析信號的載波頻率。 碼相位頻域分析捕獲:由于傳統(tǒng)的串行捕獲方式的檢測時間長,正比于所有的碼相位數。引入了快速傅利葉變換將時域中進行的相關運算變換到頻率域處理,基本思路是利用時域相關等價于頻域相乘的關系,在頻域計算偽碼的相關函數,將本地碼序列和接收到的一個周期的信號做FFT變換到頻域,相乘后再反變換到時域,將各碼相位的最大相關值與門限比較判斷。若沒有超過門限則改變載波的搜索單元,重新進行碼相位的檢測。由于這種方法運算復雜,所以較少采用這種捕獲方式。 載波頻偏頻域分析進行捕獲:其原理是將本地偽碼與輸入信號之間保持相對滑動。輸入信號與本地偽碼相乘后, 每P碼片的數據做累加,將輸入數據降速,原來N碼片的數據變?yōu)楝F(xiàn)在的D點數據, ,這個過程稱為部分匹配濾波(PMF ,Partial Matched Filtering)。然后利用這D點數據做D點FFT,并分析頻譜。如果頻譜峰值超過門限值,則說明本地碼相位與輸入信號碼相位達到一致,該譜峰對應的值就是多普勒頻移值。調整本地載波NCO 和碼NCO,就可以完成捕獲[12]。 并行FFT快速捕獲算法總結 該方法采用并行搜索碼相位的同時利用FFT進行頻譜分析將傳統(tǒng)的二維搜索變成一維搜索,節(jié)省了捕獲時間,是比較合適的方法?？偨Y:并行搜索擴頻碼碼相位的基礎上進行FFT頻譜分析捕獲多普勒頻率的捕獲方法能夠提高捕獲的速度和精度,在實際應用中要結合具體的要求[14]。 算法的選擇針對縮短北斗接收機捕獲偽隨機碼時間的問題，本文主要討論了時域滑動相關的常規(guī)捕獲方法；提出了碼并行FFT快速捕獲方法。 滑動相關捕獲方法 時域滑動相關捕獲方法是最常容易，最常見的一種捕獲方法，當前大部分北斗和GPS接收機都采用用這種方法實現(xiàn)C/A碼的捕獲。它經過一個偽碼周期后可獲得一次相關值，優(yōu)點是硬件實現(xiàn)比較簡單，但該捕獲算法完成整個二維搜索所需要的時間是很長的，這么長的捕獲時間在高動態(tài)環(huán)境下是不能接受的。 時域滑動相關捕獲方法是在時間域內通過C/A碼的滑動進行的信號的捕獲過程。它主要通過不斷的調整本地碼的碼相位和本地載波頻率來實現(xiàn)信號的捕獲。首先在一定范圍內任意選定載波頻率，同時在本地復現(xiàn)所捕獲到的本地衛(wèi)星的C/A碼，然后移動本地復現(xiàn)C/A碼的碼相位，依次與輸入衛(wèi)星信號的C/A碼相關，最后檢測相關峰值并記錄該峰值所對應的C/A碼移動的碼相位。根據C/A碼的強自相關性，當接收機所復現(xiàn)的C/A碼與輸入的衛(wèi)星C/A碼的碼相位在任何一邊的偏移超過一個基碼時，有最小的相關值，其間是線性的變化。這樣通過檢測相關峰值就得到了初始的碼相位。如果在該選定的載波頻率下沒有檢測到相關峰值，則說明用來剝離載波的本地載波不準確，將本地的載波頻率以一定的步長增加和減少，重復上述過程，知道捕獲到相關峰值，記錄下當前本地載波的頻率，這樣通過反復修正得到的本地載波的頻率與輸入北斗和GPS信號中頻的差值就是多普勒頻移[15]。實現(xiàn)框圖如下： 圖32 滑動相關捕獲方法實現(xiàn)框圖 滑動相關檢測通常是在解擴器后面接能量檢測器，是一種串行的搜索方法。由上圖所示，輸入的數字化中頻信號分別與本地同相載波和正交載波相乘，完成支路解調；然后再分別乘以本地產生的C/A碼信號，完成解擴；經過解調解擴后的同相、正交支路分別進行累加、平分，最后將兩者的結果相加輸出，輸出的結果與設定的門限值進行比較，確定碼是否對齊信號是否捕獲成功。如果沒有捕獲成功，就通過相應的控制機制來控制載波NCO和C/A碼發(fā)生器。由于滑動相關器對兩個C/A碼序列的相關操作是順序進行的，所以這種方法又稱為順序搜索法。相關的結果可以表示如下[15]： （31） 由公式(31)可以看出，K值越大，累加值就越大，捕獲性能就越好。但是實際實現(xiàn)過程中需要注意一個問題：導航電文數據的傳輸速率是50bit/s，每20個C/A碼就有一個數據位，如果K大于20就會跨越數據位，使得累加值變小從而判斷到沒有捕獲到信號。因此在模擬中選擇的K值小于20比較適合。由上面可知，每更改一次本地碼的相位，就需要消耗1ms的時間做累加。因而對于一個6MHz的采樣數字中頻信號，多普勒頻率范圍為10KMHz，以500Hz的搜索步長，積分累加的時間是100ms，則最大捕獲時間為: （32） 其中T0為輸入數字中頻信號與本地載波和C/A碼相乘累加所需要計算的時間，這里取1ms。 只需要一次積分就捕獲到信號的時間為最短的時間: （33） 這樣得到的平均捕獲時間為： （34） 由上面的運算可以得出，如果采用一路串行捕獲的方案，那么花費在捕獲上的時間就大于2秒，那么在捕獲上就浪費了這么長的時間，是不符合與實際情況的。因此，實際運用中對此捕獲方法做了一定的改進，即多路并行的滑動相關捕獲方法。但是多路的方法是大大的提高了捕獲的速度，但是對硬件資源的消耗是相當大的。 基于FFT的并行捕獲算法 時域捕獲算法需要通過滑動相乘相加來完成捕獲，這種算法雖然比較容易實現(xiàn)，但是所需要的計算量較大，