【正文】 最后介紹了基于 FFT 快速捕獲的原理框圖及捕獲流程。 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 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， FFT 捕獲算法，碼并行 FFT 捕獲算法。 (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， FFT 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。 FFT 快捕電路功能框圖如下圖所示 : 檢 測 判 決邏 輯 控 制模 方選 大I F F T乘 法器F F T共 軛結(jié) 果存 儲F F TF F T數(shù) 據(jù)緩 存存 儲的 六位 本地 偽碼內(nèi) 插和 抽取載 波 剝離數(shù) 據(jù)緩 存載 波 N C O數(shù) 字 中 頻通 道 偽 碼 選 擇控 制通 道 偽 碼 選 擇控 制捕 獲 指 示載 波 多 普 勒 捕獲 值碼 相 位 捕 獲值 圖 35 典型的 FFT 快捕電路功能框圖 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 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(dāng)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(dāng)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(dāng)前通道，否則轉(zhuǎn)入下一通道。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(yù)測值、多普勒頻率預(yù)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(fù)上述捕獲過程。因而總的來說，基于 FFT 并行捕獲的設(shè)計的硬件復(fù)雜度不是很高，在一般系統(tǒng)設(shè)計的接受范圍之內(nèi) [14]。 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 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。 10KHz,以 500Hz 的步長掃頻，則最大捕獲時間為： DD TTT 41)15 0 0/1 0 0 0 02(m a x ???? （ 315） 最小捕獲時間為： DTT ?min （ 316） 平均捕獲時間為： DDD TTTTTT 212 1412 m i nm a x ????? （ 317） 其中， TD 為系統(tǒng)做一次 FFT 所需要的時間。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)。 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。 例如：對于多 普勒頻率范圍為177。 時域滑動相關(guān)捕獲方法是最常容易的一種捕獲方法，當(dāng)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。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)。 相關(guān)公式如下： ]))[(])[((][][][ 1 nCAFnxFFnCAnxmR ????? ? （ 35） 時域內(nèi)兩個信號卷積的公式為： ??? ??10 )()(][Nn mnymxmL （ 36） 由數(shù)字 信號傅里葉變換的知識得出： ??? ??10 )()(][Nn nmymxmL （ 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： )(][ ??? Yny （ 38） )(][ ??? Xnx （ 39） 對于實信號，還存在： )()(][][ ????? YXnynx （ 310） 將上述結(jié)論帶入可得： )(][ ???? Xnx （ 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。 FFT的并行捕獲算法是為了提供更快更有效的計算方法。這種算 法不便于簡化接收機的實現(xiàn)，而隨著現(xiàn)在科學(xué)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(xué)發(fā)展的前提的。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(dāng)大的。 只需要一次積分就捕獲到信號的時間為最短的時間 : 0min TT ? （ 33） 這樣得到的平均捕獲時間為： sTTTT 21 2 3 0 0 120m a xm in ???? （ 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。 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。但是實際實現(xiàn)過程中需要注意一個問題：導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的傳輸速率是50bit/s，每 20個 C/A 碼就有一個數(shù)據(jù)位，如果 K 大于 20就會跨越數(shù)據(jù)位，使得累加值變小從而判斷到?jīng)]有捕獲到信號。由于滑動相關(guān)器對兩個 C/A碼序列的相關(guān)操作是順序進行的，所以這種方法又稱為順序搜索法。由上圖所示，輸入的數(shù)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(diào)；然后再分別乘以本地產(chǎn)生的 C/A 碼信號，完成解擴；經(jīng)過解調(diào)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(jié)果相加輸出，輸出的結(jié)果與設(shè)定的門限值進行比較，確定碼是否對齊信號是否捕獲成功。如果在該選定的載波頻率下沒有檢測到相關(guān)峰值，則說明用來剝離載波的本地載波 不準(zhǔn)確，將本地的載波頻率以一定的步長增加和減少，重復(fù)上述過程，知道捕獲到相關(guān)峰值，記錄下當(dāng)前本地載波的頻率，這樣通過反復(fù)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]。根據(jù) C/A 碼的強自相關(guān)性，當(dāng)接收機所復(fù)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(guān)值，其間是線性的變化。它主要通過不斷的 調(diào)整本地碼的碼相位和本地載波頻率來實現(xiàn)信號的捕獲。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。 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(guān)的常規(guī)捕獲方法；提出了 碼并行 FFT 快速捕獲方法。 并行 FFT 快速捕獲算法總結(jié) 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。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(yīng)的值就是多普勒頻移值。輸入信號與本地偽碼相乘后 , 每 P 碼片的數(shù)據(jù)做累加 ,將輸入數(shù)據(jù)降速 ,原來 N 碼片的數(shù)據(jù)變?yōu)楝F(xiàn)在的 D點數(shù)據(jù) , ,這個過程稱為部分匹配濾波 (PMF ,Partial Matched Filtering)。由于這種方法運算復(fù)雜 ,所以較少采用這種捕獲方式。引入了快速傅利葉變換將時域中進行的相關(guān)運算變換到頻率域處理 ,基本思路是利用時域相關(guān)等價于頻域相乘的關(guān)系 ,在頻域計算偽碼的相關(guān)函數(shù) ,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(guān)值與門限比較判斷。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。 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(guān)運算。對于偽碼和載波的二維并行捕獲 ,取 N 個碼相關(guān)器、 M 個載波相關(guān)器中二維對應(yīng)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(nèi)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(guān)器個數(shù) N和載波相關(guān)器個數(shù) M。采用 M個載波相關(guān)器 ,每個載波相關(guān)器的載波 NCO分別產(chǎn)生不同頻率的載波。該電路的規(guī)模與碼長無關(guān) ,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(dāng)于串行捕獲所用的時間除以載波相關(guān)器 的個數(shù) N。對載波頻率進行并行捕獲。其捕獲時間是串行捕獲所需要的時間除以碼相關(guān)器的個數(shù)。 碼并行載波串行 :采用 N 個獨立的碼相關(guān)器 ,相關(guān)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。 串行捕獲電路如下圖所示： 積 分 清 除 器積 分 清 除 器（ . ） 的平 方（ . ） 的平 方檢 波 器 是 否 捕 獲 ？偽 碼 發(fā) 生 器載 波 N C O控 制 邏 輯 單 元數(shù) 字 下 變 頻數(shù) 字 解 擴C o sS i nIQY （ k ）Z （ k ）輸 入 信 號跟 蹤 模 塊 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(chǔ)上采用多通道相關(guān)支路 ,在各通道內(nèi)并行地搜捕信號。 串行捕獲算法 串行捕獲采用單通道相關(guān)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(shù)據(jù)。提太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 出一種碼并行 FFT 快速捕獲方法。 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。時間上，需要對整個 C/A 碼的周期進行搜索，復(fù)現(xiàn) C/A 碼。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。 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(fù)現(xiàn)碼及載波的差值限定在一個特定的范圍內(nèi)。接收某一個衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，需要復(fù)現(xiàn)調(diào)制該導(dǎo)航數(shù)據(jù)的偽隨機碼，將復(fù)現(xiàn)的偽碼同輸入偽碼在不同相位誤差上做相關(guān)運算，使得兩者之間同步，從而完成對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解擴，這就是偽碼捕獲。然后又介紹了二次編碼的有關(guān)概況，包括其產(chǎn)生原理，二次編碼的作用，二次編碼的設(shè)計準(zhǔn)則。從硬件實施上考慮，要求二次編碼產(chǎn)生方式簡單，易于實現(xiàn) [11]。接收機在實現(xiàn)字符同步時，可以只