任锦君，钱博

沈阳理工大学信息科学与工程学院

基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法

任锦君，钱博

沈阳理工大学信息科学与工程学院

卫星导航新体制下的TDDM调制方式的出现，提高了信号的跟踪精度，同时给同步捕获技术带来了巨大的挑战。针对TDDM信号的独有特点，采用双通道并行捕获，并将循环相关法与数据折叠技术相结合，提出一种基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法。通过仿真测试，验证了该算法能够快速、有效地实现对TDDM-BPSK信号的同步捕获。

卫星导航；TDDM；捕获；数据折叠

随着卫星导航系统[1]在军用和民用领域的快速发展，新一代导航信号也随之出现，成为了未来发展的热点。一种新体制下的时分数据[2]（Time Division Data Modulation，TDDM）调制方法被提出，该调制方法采用由有数据信号和无数据信号构成的调制方式，提高了信号的保密性，因此，作为新一代导航信号已在GPS系统L1频段中得到广泛应用。GPS系统中的扩频伪码具有长周期性[3]，并且随着TDDM调制体制的出现，其特有的扩频方式，进一步加大了同步捕获的难度，而采用现有的捕获方法将无法达到相关度的要求。针对该问题，通过分析传统直扩信号同步捕获方法[4]，依据TDDN信号特性，对直扩信号同步捕获方法进行改进[5]，重点对TDDM信号同步捕获方法进行了深入研究，提出了基于数据折叠[7]的TDDM信号同步方法。

1 TDDM信号的调制机理及特性

1.1 TDDM信号调制机理

对于现有的卫星信号，均采用常规调制方式，不存在无数据分部分，而在此基础上经TDDM调制后的卫星导航信号，具有数据分量和无数据分量并存的特点，并充分利用无数据分量的特点，提高信号的跟踪精度。TDDM时分复用调制原理如图1所示。

图1 TDDM时分复用调制原理如图

1.2 TDDM信号特性分析

由扩频通信基本原理可知，导航系统常用的扩频调制方式不影响TDDM调制的自相关特性，因此，以直扩信号BPSK信号为切入点，以PN码为扩频伪码序列，对其进行TDDM调制，形成TD⁃DM-BPSK信号，通过TDDM扩频的BPSK信号对TDDM信号特性进行深入分析。经PN码扩频调制的BPSK信号的自相关函数可表示为：

式中，Pi(t)为卫星在时刻t的PN码序列；Tcp为码周期，约等于97.85 ns；τ为自相关函数中伪码相位的时间移动相位。

将TDDM-BPSK信号的功率谱与自相关函数分别和其BPSK的功率谱与自相关函数进行对比分析，自相关函数对比结果如图2（a）、（b）所示。可知，基于TDDM扩频的BPSK信号与BPSK信号具有相同的功率谱。

图2 BPSK与TDDM-BPSK信号自相关函数对比图

两者的功率谱比较图如图3和图4所示。可知，TDDM扩频的BPSK信号与BPSK信号具有相同的功率谱特性。因此，运用TD⁃DM该种独有特性，通过对现有的直扩信号同步捕获方法的研究，结合TDDM的扩频特性，提出适合TDDM调制信号的同步方法。

图3 BPSK信号频谱图

图4 TDDM-BPSK信号频谱图

2 基于数据折叠的直扩信号快速捕获方法

目前，卫星导航系统中采用的直扩信号扩频伪码，通常具有长周期性，为解决该问题，常利用数据折叠的思想进行相关信号的处理，以减少捕获时间，如扩展复制重叠（extended replica folding ac⁃quisition search technique,XFAST）法、均值法等。XFAST算法便是其中一种，其方法为：设接收信号长度为L，接收端本地伪码生成器生成长度为N×L的本地伪码序列，将其分为N段长度为L的本地伪码序列并进行叠加处理，形成新的长度为L的伪码折叠序列，进一步与接收信号进行循环相关，对相关结果的最大比例峰值进行门限判决，进而判断出接收信号伪码偏移所在的子伪码序列及其具体偏移位置。

图5 基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法实现过程图

3 基于数据折叠的TDDM信号快速捕获方法

依据TDDM信号特性，基于TDDM-BPSK信号的同步捕获方法与基于PN码的BPSK信号同步捕获方法具有相似性。因此，本文将扩展复制重叠技术与快速傅里叶变换方法相结合，采用双通道对信号进行捕获，提出基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法。基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法实现过程如图5所示。

4 仿真与分析

为验证基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法的有效性，利用MATLAB搭建了针对GPS PN码的TDDM信号仿真平台，对该同步捕获方法进行了仿真测试。因此，设扩频伪码速率为6Mbps，载波频率为20.46MHz，采样频率为153.45MHz，相关积累时间为1ms，在不同的信噪比、伪码偏移量、载波偏移量以及信息反转位含量的条件下进行捕获仿真。图6为在信噪比为-7.8711dB、伪码偏移量为5254个码片、载波偏移量为1200Hz条件下双支路捕获结果。图7为在信噪比为-10.9691dB、伪码偏移量为1098个码片、载波偏移量为1300Hz条件下双支路捕获结果。

图7 在信噪比：-10.9691dB,伪码偏移量：1098码片,载波偏移量为1300Hz条件下双支路捕获结果图

图6 在信噪比：-7.4473dB,伪码偏移量：5254码片,载波偏移量：1200Hz条件下双支路捕获结果图

仿真测试结果表明，本文方法能够快速、准确地完成对TD⁃DM-BPSK信号的同步捕获。

5 结论

为了快速有效地实现对TDDM信号的同步捕获，针对TDDM信号的独有特点，本文以TDDM信号机理及直扩信号同步捕获方法为出发点，提出了一种基于数据折叠的TDDM-BPSK信号同步捕获方法，并对该算法进行了运算量分析及有效性仿真测试。

[1]Luo H K,Wang Y Q,Ma Z H,et al.A segmentation motion com⁃pensation-based long-term integration method for DSSS signal [C].2012 IEEE 11th International Conference on Signal Processing, Beijing,China,Oct.1287-1290,2012.

[2]李少玮,孙迅,张荣兵.TDDM信号的非对等广义差分捕获算法[J].遥测遥控,2014,35（5）：36-41.

[3]Feng W Q,Xing X D,Zhao Q,et al.Dual-channel method for fast long PN-code acquisition[C].China Communication,Shanghai, China,May 60-70,2014.

[4]李少玮,孙迅,张荣兵.TDDM信号的非对等广义差分捕获算法[J].遥测遥控,2014,35（5）：36-41.

[5]王嘉宁,宋真东,廉保旺.GPS信号P码直接捕获方法[J].火力与指挥控制,2011,36（6）：74-76

国家自然科学基金（61501309），辽宁省教育厅科学研究项目（L2015462）。

任锦君（1993-），女，硕士研究生，研究方向：扩频通信技术及应用。