袁进,刘云飞

(南京林业大学 信息科学技术学院,江苏 南京 210037)

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)主要包括GPS、GLONASS、Galileo和我国的北斗卫星导航系统(BDS),可以为全球用户提供高性能的定位、导航与授时服务,在军事、社会和科研领域都有广泛的应用并在全球范围内形成了一个高新技术产业。导航信号的接收技术是导航系统的核心技术之一,是所有应用的基础。GNSS信号接收涉及信号的捕获、跟踪和解算等关键技术,其中捕获是接收机的第一步,是首要解决的关键技术[1-2]。

针对现有的信号捕获算法中出现的硬件资源消耗大、捕获精度低、捕获速度慢、兼容性差等问题,本文针对GNSS系统兼容互操作方面,研究设计了一种适用于多种导航系统的信号捕获算法,并进行了仿真验证及工程应用测试,证明了系统的有效性及精确性。由测试结果可知,在资源利用较少的情况下,本算法可在较短时间内精确捕获B1C、B1I、B2a、L1C、L5、E5a、E1OS等信号。

1 算法分析

在GNSS系统中,信号捕获是指对接收信号码型、多普勒频移和码起止时刻的估计。捕获成功是指使估计的码型正确,码相位差小于二分之一码片的宽度,并初步估计出载波频偏[3]。捕获的实质就是利用导航信号中PN码强自相关的特点从噪声之中分解出导航信号的过程,为了避免不同卫星系统在接收机处理时出现相互干扰的问题,GNSS信号之间存在着许多的差异,如调制方式、载波频率PN码的长度与速度等[4-5]。

总结相关捕获算法的文章,目前捕获原理大致包含四类:基于序列检测原理、基于相关性原理、基于信息迭代传递技术、基于现代信号检测原理。在捕获算法方面,大致分类为:能量累加方式(差分累加等)、捕获策略(检测策略、搜索策略)、相关算法:时域(滑动相关、匹配滤波)、频域快速傅里叶变换(FFT)捕获算法。

随着技术的发展与变革,目前信号捕获算法大多采用频域处理,即将信号从时域转换到频域中进行处理。在时域中,信号数据循环卷积的过程可以表示为

m=0,1…，L-1 ，

(1)

式中:L为伪码序列长度;PN((i+m))N为PN(i+m)以N为周期循环移位。

如果直接计算式(1),计算量正比于L2,当L非常大时计算量过大,捕获时间太长。但如果利用时域的循环卷积等价于频域相乘这一特性,将相关运算转化到频域上,利用快速傅里叶变换来计算,将会大幅度缩短运算时间。本文所讨论的算法就是基于这种思想提出的,算法分别对样点和伪码进行傅里叶变换,接着将变换后的伪码和样点共轭相乘,再对相乘结果进行傅里叶逆变换,完成时域中的卷积过程。过程的数学表达如式(2)。最后对式(2)的结果进行后续的能量累积处理,能量峰值超过阈值,则表明捕获成功。

=S(i)⊗PN(i)

=IFFT(FFT(S(i)))·FFT*

(PN(i)))

(2)

2 算法总体设计

根据上一节所述,捕获算法总体设计框图如图1所示。在无先验值的条件下,当接收机射频前端接收到卫星导航信号时,首先将信号进行下变频操作,其目的是使信号频率从中频转换为便于处理的零频。接着对信号进行下抽采样,将采样数据存储在相应的存储模块中,并进行合并操作。

在捕获过程中,若捕获到的多普勒偏移与真实的多普勒偏移的差值在整个周期的三分之二范围内,则表明捕获成功。由此,将多普勒频移范围以667 Hz为单位分为多个子单元。开始捕获时,将本地载波NCO对准初始频率估计值,使产生的信号对准一个频率搜索单元。将采样信号按0和1相位分为两路,两相位相差二分之一码片,保证了捕获精度。在启动FFT捕获环路之前,设置数据支路选择模块,通过时序控制,将数据按PN码、0相位支路、1相位支路的顺序依次传输。其中PN码进行FFT处理后,结果数据保存在PN码存储模块,待0相位支路进行FFT后,再将PN码的FFT结果输出到共轭相乘模块进行下一步骤的运算。

因为在兼容互操作接收机中,捕获的信号无法判断是否有周期性的比特翻转现象。故首先在相干累加模块中对其进行同符号的累加,而且在信号累加的过程中,噪声信号的能量将以根号二分之一的速度减弱。待相干累加模块完成后,加入平方模块,消除正负符号的影响,最后将平方后的值进行非相干累加处理。通过比较相干累加处理后的相关峰值找出其最大值。若最大值大于设定的检测门限,则表明捕获到信号,给出信号所在位置的码相位和多普勒频率。如果小于门限,则信号未捕获,通过控制逻辑改变多普勒搜索单元,重复上述过程直到捕获成功。

3 主要模块设计

3.1 片选模块设计

三通道数据传输顺序如图2所示,在PN码输入脉冲为高时,将PN码数据传入FFT模块,待处理完成后将PN码完成脉冲置高。只有在PN码输出脉冲为高时,才能传输0相位支路数据。同样0相位支路数据处理完成后,才能继续对1相位支路数据进行传输处理。待处理完成后,才能进行下一轮的传输,即从PN码开始传输。

3.2 FFT模块设计

分析各卫星系统兼容捕获结构,由于卫星的PN码的长度不同,周期不同,由此导致捕获算法中FFT变换的点数也不相同。结合实际工程要求,本文捕获算法适用的信号分量信息如表1所示。综合考虑处理速度及资源使用情况等因素,在进行FFT模块设计时,本文采用基2-2048点按频率抽取(DIF)的FFT算法模块,以解决双频兼容互操作接收机对不同主码长信号的兼容与遍历要求。

表1 接收机捕获的信号信息

由于各蝶形运算的输入与输出互不重复,任何一个蝶形的两个输入量经蝶形运算后可以实现同址运算。这种原位运算方式节省了大量的存储单元,降低了硬件资源的使用成本[6]。该方法较传统方法的优点在于,以最小点数的FFT设计及双通道传输节约了大量硬件资源。其次,遍历各种不同主码长的信号,对10230主码长的信号进行处理时,在资源节约的前提下,只牺牲了少量的时间。

本文参照CORDIC算法对蝶形运算单元进行设计,目的是充分利用FPGA的流水线结构,提高蝶形运算单元的处理速度[7]。另外,考虑到数据在频域转换后主要对频谱能量信息进行处理分析,故在蝶形运算单元中加入了抛位运算,在资源消耗及处理速度上进一步得到优化。

基2-FFT设计主要由存储单元、M(log2N,N为FFT输入序列的长度)级蝶形运算单元、倒位序转为顺序单元等部分组成,总体结构如图3所示。在模块输入时序的控制下,将待处理的数据流输入到模块中,通过数据流水线模块的控制,将有效数据按设定时钟依次输入到(M-1)级蝶形运算单元中,直到完成最后一级的蝶形运算后(最后一级无乘法器),经过顺序排序单元,即可将输出的倒位序数据按自然顺序输出到存储单元中。其中,为了保证资源的有效利用,且不影响算法有效性的情况下,在顺序排序单元的设计中,本文设置了两个存储单元,既能保证数据流水线输入,又能避免在顺序排序单元的工作过程中出现数据交叉读取的问题。

在算法设计中,FFT与IFFT模块为同一个模块,在进行IFFT模块处理时,只需对旋转因子做稍许处理。FFT模块框图如图3所示。

3.3 相干累加模块设计

考虑到兼容互操作接收机接收信号种类不同,加入相干累加模块,一方面是为了使有用信号得到聚集、干扰信号得到减弱。另一方面,由于有些信号呈现正负交替的形式传输,故需选取合适的累加段数,以达到能量累积的效果。如图4所示,将信号峰值在相干累加后得到进一步的提高。如果设置不当,则会出现图5所示的结果,信号能量没有得到聚集,与预期的设计思路相违背。

4 仿真分析

借助Xilinx仿真工具,编写相应的Testbench文件,对整个算法设计进行系统的仿真分析。在时序控制下,将数据进行变频、下抽和存储操作。下抽模块的仿真如图6所示。样点传输的速率为抽样速率的四十倍,故在清零脉冲iClrEp为高时,传输40个码片时,下抽脉冲oDsSplEp置高,将40个码片的样点数值相加后下抽一个数据。接着将数据分为0相位和1相位支路,如图7所示,处理完毕后,存储在相应存储模块。启动片选模块工作脉冲,按照设定的传输顺序进行传输,仿真结果如图8所示。iX0Cz、iX1Cz、iX2Cz分别为PN码、0相位支路、1相位支路输入数据,当输出使能为高时,在输出脉冲的控制下,依次输出PN码、0相位支路、1相位支路数据给FFT模块。

为了直观地分析FFT模块的仿真结果,将正弦信号数据作为模块的输入数据。当输入使能为高时,在输入脉冲的控制下,将数据输入FFT模块。当输出使能为高时,同样在输出脉冲的控制下,输出FFT处理后的数据。从仿真结果图9可知,FFT处理结果较为准确。

FFT输出数据进行后面的共轭相乘、IFFT及相干累加模块处理后,对相干累加结果进行平方处理,接着将结果输入到非相干累加模块,再次进行累加处理,最终将图10中的iPowValue变量所呈现的结果输入到判别模块,设定相应阈值,如果峰值超过阈值,即可捕获成功。由仿真结果可知,本次捕获成功,样点偏移为8个比特,载波多普勒偏移为6×667 Hz.

5 结束语

本文主要围绕双频兼容互操作接收机的信号捕获算法这一关键技术进行研究与设计。结合接收机捕获的要求与所遇到的问题,提出一种基于FFT伪码相位捕获算法的改进方法。算法主要对FFT处理模块及相干累加、非相干累加模块做了改进。在FFT模块设计中加入截位算法和流水线设计,使其符合兼容互操作接收机的捕获信号特点。本文完成了捕获算法的整体模块设计,并借助仿真工具完成了对捕获系统的仿真、调试与分析。由仿真结果可知,本算法在捕获精度、处理速度及兼容性方面较传统方法有了较大的提高。从实际工程应用中发现,本算法配合后续的跟踪和解算模块,达到了双频兼容互操作接收机的性能指标。综上可得,本算法有较好的理论价值及使用价值。