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正文內(nèi)容

北斗衛(wèi)星信號快速捕獲方法研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-25 09:54 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 運行時間會比較長。這種算法不便于簡化接收機的實現(xiàn),而隨著現(xiàn)在科學技術(shù)的日益更新,現(xiàn)代通信需要實時的,高效益的,精密的測量和傳遞,時域捕獲是不符合科學發(fā)展的前提的。而時域的相關(guān)運算可以通過頻域相乘來代替,因此為了符合科學發(fā)展的趨勢,提出了FFT的并行捕獲(頻域捕獲算法),以加快捕獲速度。FFT的并行捕獲算法是為了提供更快更有效的計算方法。它是利用時域求相關(guān)值,快速傅里葉變換檢測多普勒頻率。相關(guān)公式如下: (35) 時域內(nèi)兩個信號卷積的公式為: (36) 由數(shù)字信號傅里葉變換的知識得出: (37) 時域上的卷積相關(guān)運算轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的乘法運算: (38) (39) 對于實信號,還存在: (310) 將上述結(jié)論帶入可得: (311) 原本在滑動相關(guān)的捕獲算法中,需要移動本地的碼相位,多次相關(guān)運算來檢測相關(guān)峰值。而在基于FFT的并行捕獲的方法中,將輸入的中頻信號變換到頻域做乘法運算,再變換回到時域。這就很方便快捷的得到了輸入信號與本地C/A碼包含所有碼相位的相關(guān)函數(shù)。原理框圖如下: 圖33 基于FFT的并行捕獲原理框圖 圖 34 并行捕獲仿真結(jié)果 算法性能比較 北斗和GPS接收機的平均捕獲時間是捕獲性能中非常重要的一個指標。時域滑動相關(guān)捕獲方法是最常容易的一種捕獲方法,當前大部分北斗和GPS接收機都采用這種方法實現(xiàn)C/A碼的捕獲。它經(jīng)過一個偽碼周期后可獲得一次相關(guān)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。 例如:對于多普勒頻率范圍為177。10KHz的北斗和GPS信號進行C/A碼捕獲,假設其檢測的概率為1,虛警概率為0,本地碼相對接受碼滑動1個碼相位,以500Hz的步長搜索多普勒頻移,積分累加器的時間為1ms其最大的捕獲時間為: (312) 最短捕獲時間為只需一次積分就捕獲到信號的時間: (313) 可以得到平均捕獲時間為: (314) 那么采用時域滑動相關(guān)捕獲方法花在捕獲上的平均時間為21s,這么長的捕獲時間在高動態(tài)環(huán)境下是不能接受的,也很難滿足實際生活中工程上的要求。 因此,下面我們來介紹FFT的并行捕獲算法,它是利用時域求相 關(guān)值,快速傅里葉變換檢測多普勒頻率。它將輸入的中頻信號變換到頻域做乘法運算,再變換回到時域。這就很方便快捷的得到了輸入信號與本地C/A碼包含所有碼相位的相關(guān)函數(shù)。例如:在FFT并行捕獲算法中,假設門限檢測器為理想檢測器,正確的監(jiān)測概率為1,虛警概率為0,對于多普勒頻移范圍為177。10KHz,以500Hz的步長掃頻,則最大捕獲時間為: (315) 最小捕獲時間為: (316) 平均捕獲時間為: (317) 其中,TD為系統(tǒng)做一次FFT所需要的時間。 復雜性分析 從實現(xiàn)的復雜度分析,該滑動相關(guān)捕獲主要的執(zhí)行部件滑動相關(guān)器的構(gòu)造比較簡單,且對碼長、碼速沒有限制,而且在一部通信機內(nèi)可存儲多組偽碼地址,從而可實現(xiàn)地址的靈活調(diào)用。 在FFT并行捕獲的算法中,其實現(xiàn)有的核心器件就是FFT處理器。對于1024點的FFT處理器,如果利用FPGA按照順序處理的方案進行設計,那么其所需要資源為:用于設計蝶形算單元4個乘法和幾個加法器,存儲單元用來存儲輸入的1024個復數(shù)和旋轉(zhuǎn)因子,再加上一些邏輯控制布線。因而總的來說,基于FFT并行捕獲的設計的硬件復雜度不是很高,在一般系統(tǒng)設計的接受范圍之內(nèi)[14]。 基于FFT快速捕獲 快捕電路主要完成以下功能:接收 A/D 轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字中頻信號,產(chǎn)生再生載波對數(shù)字中頻信號進行下變頻,完成載波剝離;采用 FFT 方法實現(xiàn)相關(guān)運算;對相關(guān)結(jié)果進行檢測判決;對于四路測距信號和一路遙控信號,需要在所有頻點上進行信號搜索及檢測,判斷是否有信號存在。若沒有信號存在,則頻率步進,重新進行檢測;若檢測出有信號存在,就把捕獲的碼相位預測值、多普勒頻率預測值和捕獲狀態(tài)一起輸出給通道信號處理電路,然后轉(zhuǎn)換到下一個通道繼續(xù)重復上述捕獲過程。由于采用基 2FFT運算要數(shù)據(jù)點數(shù)為2的整數(shù)次冪,故在相關(guān)運算前需對下變頻結(jié)果進行插和抽取操作。FFT快捕電路功能框圖如下圖所示: 圖35 典型的FFT快捕電路功能框圖 基于FFT快速捕獲的多通道信號捕獲流程 四路測距通道和一路遙控通道共用一個處理模塊,逐個通道進行捕獲,當前搜索通道由其捕獲狀態(tài)和跟蹤鎖定狀態(tài)共同決定,當正在搜索的通道狀態(tài)為未捕獲到或跟蹤狀態(tài)為失鎖時,繼續(xù)搜索當前通道,否則轉(zhuǎn)入下一通道。 所示: 圖36多通道搜索流程 由通道轉(zhuǎn)換狀態(tài)圖可以看出:在搜索第i 個通道的過程中判斷捕獲狀態(tài)和跟蹤鎖定狀態(tài),當捕獲狀態(tài)為未捕獲或跟蹤鎖定狀態(tài)為失鎖(狀態(tài)標志為‘1’)時繼續(xù)搜索當前通道,否則(狀態(tài)標志為‘0’)轉(zhuǎn)換到下一個通道。(2)單個通道捕獲流程 對于四路測距通道和一路遙控通道,為了滿足 的多普勒捕獲精度,F(xiàn)FT快捕的第一輪頻點搜索采用5kHz頻率步進,從90kHz遞增到+90kHz逐個頻點進行捕獲,頻率步進是通過邏輯控制單元來實現(xiàn)的。 單通道的捕獲流程如圖所示,可詳述如下: 圖37 單通道的捕獲流程(3) 捕獲驗證流程 在檢測判決到有信號的情況下,考慮到信號較強時有可能捕獲到的是旁瓣,故在搜索的過程中存儲具有最大檢測信噪比的頻率值和碼相位值作為第一輪的捕獲結(jié)果,并在此頻點基礎(chǔ)上向頻率偏移更大的方向再進行搜索,若仍能捕獲到,頻率值和碼相位值的存儲方式同上,最后對存儲的頻點再次進行搜索,若仍能捕獲到,則作為最后的捕獲結(jié)果輸出。 本章小結(jié) 本章介紹了現(xiàn)有的衛(wèi)星信號捕獲算法,包括串行捕獲算法,并行捕獲算法,F(xiàn)FT捕獲算法,碼并行FFT捕獲算法。介紹了滑動相關(guān)捕獲算法,基于FFT的并行捕獲算法的算法原理,分析了他們的捕獲性能,比較了兩種算法的優(yōu)缺點。最后介紹了基于FFT快速捕獲的原理框圖及捕獲流程。第4章 改進的捕獲算法本文所采用的基于FFT快速相關(guān)的捕獲算法易于實現(xiàn)且能夠在大頻偏、低載噪比情況下快速高精度地捕獲信號,但這種方法在 FFT快速相關(guān)處理過程中需要用到FFT和IFFT運算,占用整個處理流程所用資源的一半以上,直接限制了捕獲電路向小型化發(fā)展的思路。根據(jù)偽隨機碼( PN)的自相關(guān)性直接序列擴頻( DSSS)信號的捕獲過程就是在( PN)碼碼相位和載波多普勒頻率域上進行的二維搜索的過程。傳統(tǒng)的滑動相關(guān)捕獲算法提出時間較早,但是運算量大,捕獲時間長。為了提高捕獲速度,基于FFT快速捕獲算法被提出,分為基于載波域的FFT的并行捕獲算法和基于碼相位域的FFT的并行捕獲算法。這兩種算法可以在其中一個域上進行并行搜索,捕獲速度得到很大提高。通常在捕獲到信號后,為保證后續(xù)跟蹤模塊能迅速進入鎖定狀態(tài),在捕獲階段需要準確估計載波傳統(tǒng)的頻率,通常需要縮小頻率搜索步進在粗捕獲的頻點附近進行新一輪搜索,得到信號的準確頻率。 本章提出一種新的在碼相位域和頻率域同時進行搜索的基于FFT的并行捕獲算法,用傅立葉系數(shù)循環(huán)移位取代頻率補償和FFT運算,僅用一次FFT和多次IFFT即可完成捕獲過程。相對于傳統(tǒng)基于FFT的并行捕獲算法,運算量減少一半。更進一步采用基于內(nèi)插方式精確估計載波頻率,在基本不增加計算量的情況下將頻率分辨率提高一倍。 傳統(tǒng)基于FFT的并行捕獲算法假設收到北斗和GPS的信號經(jīng)過射頻前端下變頻變?yōu)橹蓄l信號,并在中頻進行采樣,則采樣后的信號的表達式為: (41) 其中 為第K顆衛(wèi)星的PN碼, 為調(diào)制數(shù)據(jù)信息, 為中頻頻率, 多普勒頻率偏移, 為載波相位, 為高斯白噪聲。傳統(tǒng)的基于FFT的快速捕獲算法的基本原理如圖所述: 圖41 傳統(tǒng)的基于FFT的偽碼快速捕獲原理圖 其基本步驟為將中頻采樣信號變?yōu)榱阒蓄l,并對某一假設多普勒頻移進行多普勒頻率補償,即用本地產(chǎn)生的載波 , 分別與接收信號相乘,忽略高次諧波得到I,Q兩路信號。 (42) (43) 其中,是的與本地載波相乘后積分得到的。將I ,Q 兩路信號組成復信號,并歸一化得到 (44) 寫成數(shù)字形式為: (45) 設,分別為,的傅里葉變換系數(shù),則 (46) 利用(46),用一次FFT和一次IFFT即可完成某一頻點碼相位的并行搜索。 當相關(guān)峰超過門限,認為捕獲到信號,記錄下當時的碼相位和多普勒頻率。若沒有超過門限則改變補償?shù)亩嗥绽疹l率,重復以上過程直至捕獲到信號。本文在此基礎(chǔ)上充分利用FFT變換的時頻特性,簡化運算過程,提高效率。 改進的基于FFT的快速并行捕獲算法 捕獲算法基本原理改進的基于FFT的全并行捕獲算法原理如圖所示: 圖42基于FFT的全并行捕獲算法改進的原理圖對應于公式(45),將傅立葉變換系數(shù)X(k)循環(huán)移動l位,再與 相乘并做IFFT,可得:
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