双向大步进法实现P码快速捕获

２００６年第２３卷第５期微电子学与计算机收稿日期：２００５－１０－２５１引言ＧＰＳ通过Ｃ／Ａ码和Ｐ码实现了两种不同精度的定位方案。

Ｃ／Ａ码也称粗／获码，是码长为１０２３位的Ｇｏｌｄ码，用于快速捕捉信号和进行粗略的定位；Ｐ码也称精码，其长度超过了２４３位，提供了精度达到厘米级的定位方案。

由于Ｐ码的码周期达到了１周，通常方法无法实现对Ｐ码的直接捕获，只能在捕获Ｃ／Ａ码后通过转接字ＨＯＷ的前１７位ＴＯＷ（ＴｉｍｅｏｆＷｏｒｄ）计数信息获取当前时刻的时间计数，并通过它来实现Ｐ码捕获，这使得接收机在抗干扰和反电子欺骗容限上有着很明显的不足。

因此，为了提高接收机的性能，有必要对Ｐ码快速捕获进行研究。

Ｐ码是由４个１２位移位寄存器通过延时、复合（模二加）并截短构成的。

Ｐ码的码率为１０．２３Ｍｂ／ｓ，周期为１星期，在每周六的０时复位，并通过对５０Ｈｚ数据进行模二加实现直接序列扩频（ＤＳＳＳ）。

Ｐ码具有很好的自相关和互相关特性并有超过２４３的码长，在现有的技术水平和硬件条件下，为了实现对Ｐ码的快速捕获，需要从多方面入手：⑴提高接收机时间和频率精度，减小所需搜索的单元数；⑵增加硬件的并行规模和速度；⑶提高搜索算法和信号处理技术，提高码搜索效率。

基于以上思想，本文提出了一种基于并行方式的双向大步进搜索法，能够通过对多个码元的并行相关搜索使捕获时间呈１￣２个数量级的缩减。

同时还可以配合常用的ＣＤ（ＣｏｉｎｃｉｄｅｎｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）算法，提高系统的捕获概率。

２匹配滤波器长度的选择根据匹配滤波器的原理，当匹配滤波器长度正好等于码周期长度时，匹配滤波器的输出达到最佳。

但是，针对码周期为２４３的Ｐ码，这是不可实现的，而且匹配滤波器的长度越大，对于存在多普勒频移的信号，匹配相关后的信噪比反而会有较大的损失。

因此，本文使用截短了的匹配滤波器实现卫星信号与本地信号的相关。

假设现在的复现码相位跟卫星端的ＰＮ码已经同步，而多普勒频偏为ｆｅ，Ｔｃ表示伪随机码的码速率，那么可以得到在ＰＮ码对准的峰值时刻多普勒频移造成的输出幅值衰减系数为η（ｆｅ）＝Ａ（ｆｅ）Ａ（ｆｅ）｜ｆｅ＝０＝ｓｉｎ（π・ｆｅ・Ｔｃ）Ｍ・ｓｉｎ（π・ｆｅ・Ｔｃ）（１）其中Ｍ为积分累加次数，Ａ为相关后信号幅值。

对Ｐ码，Ｔｃ＝１／１０２３０００ｓ，Ｍ取不同的值，η与ｆｅ双向大步进法实现Ｐ码快速捕获金璐廉保旺（西北工业大学通信工程系，陕西西安７１００７２）摘要：提出了一种基于串并行结合的双向大步进Ｐ码快速捕获方案，提供了更大的多普勒频移容忍度和更快的捕获速度，与传统的滑动相关法相比捕获速度可以提高２个或更高的数量级。

最后针对一些高动态下的应用提出了基于上述思想的改进的时－频域联合搜索方案。

关键词：ＧＰＳ，Ｐ码，码捕获，高动态中图法分类号：ＴＰ３１文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２００６）０５－００３ＲａｐｉｄＰ－ｃｏｄｅＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＷｉｔｈＢｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ－Ｂｉｇ－ＳｔｅｐＭｅｔｈｏｄＪＩＮＬｕ，ＬＩＡＮＢａｏ－ｗａｎｇ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ+ａｎ７１００７２Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｗＢｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ－Ｂｉｇ－ＳｔｅｐｍｅｔｈｏｄｔｏｓｏｌｖｅｒａｐｉｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆＰ－ｃｏｄｅ，ｗｈｉｃｈｏｆｆｅｒｓｂｅｔｔｅｒｅｎｄｕｒａｎｃｅｆｏｒＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔａｎｄｆａｓｔｅｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｐｅｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｔｉｍｅｗｏｕｌｄｂｅｓｈｒｕｎｋｍｏｒｅｔｈａｎ９０％．Ａｔｌａｓｔ，ａｎＥｎｈａｎｃｅｄＴｉｍｅ－ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｂａｓｅｄａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄｔｈｏｕｇｈｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｈｉｇｈｄｙｎａｍｉｃｕｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ，Ｐ－ｃｏｄｅ，Ｃｏｄｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｈｉｇｈｄｙｎａｍｉｃ１５７微电子学与计算机２００３年第２３卷第５期的对应关系如图１所示，可见Ｍ越大，系统的多普勒频移的容限反而越低；反之Ｍ越小，相关结果对多普勒频移的容限就越高，同时由于相关过程变短，整个系统的处理速度也越高，但是捕获概率将降低，漏警概率上升。

这是一对矛盾，在实际处理过程中需要综合两方面情况对相关长度进行折中。

３双向并行搜索法原理直接捕获Ｐ码需要一定的初始条件。

接收机根据本身时钟确定了码发生器的初始状态并对其作初始化，作为码捕获的先验信息。

但由于本地时钟的精度有限，由先验信息确定的初始相位一般与当前卫星ＰＮ码相位相差Ｔ个码元，捕获的目的就是消除这Ｔ个码元的相位误差，使接收机本地码与卫星ＰＮ码的相位一致，以使接收机能够正确地接收到卫星信号并进行处理。

由于无法确知本地码相位相对于卫星码的相位是超前还是滞后，因此接收机需要同时实现向前和向后的双向搜索。

本文提出的双向大步进码快速捕获方案结构框图如图２所示。

图２中Ａ部分是逆向搜索模块，而Ｂ部分是正向搜索模块。

本地码发生器产生的码依次进入两个ｎ阶移位寄存器，每级移位寄存器都有一个抽头同当前的Ｉ支路进行积分运算，经过一个积分周期后将结果送入门限判决器中。

如果判决失败，则判决器产生一个使能信号使能ｎ计数器。

在ｎ计数器的控制下，本地码发生器１将停止ｎ个时钟周期，以达到将其产生的码相位滞后ｎ个周期的效果；Ｂ部分则通过ｎ个周期的时钟信号使本地码发生器２的码相位超前ｎ个周期２ｆ０；同时ｎ计数器还将所有的积分器禁止ｎ个时钟周期。

ｎ个周期后，Ａ部分滞后了ｎ个码元，而Ｂ部分超前了ｎ个码元，接着进行下一次相关检索。

为了减小虚警概率，本快捕方案采用了２中选１的ＣＤ算法，即连续两次获取超过门限的极大值才能判决为成功捕获，否则说明该状态下出现了虚警，捕获失败，继续下一轮搜索。

４性能分析假设接收机使用环境下多普勒频移在１０ＫＨｚ范围内，为了保证相关结果的损失在１ｄｂ以内，则由式（１），可取Ｍ＝２４０。

在１＃卫星每天中随机抽取任意抽取４段各１０分钟的Ｐ码作２４０级自相关运算，假设本地码与卫星端码相位相差为ｎ个码元，自相关结果为τ，经过仿真计算，其结果如图３所示。

其中：Ｎ＝０ｎ＝０１＋ｌｇｎｎ≥"１最大值是在搜索范围内出现的最大相关值，最大不超过１７０，而平均值保持在１２０左右。

可见在Ｍ＝２４０时，Ｐ码具有很好的自相关特性。

其他３１颗卫星的Ｐ码经过验证也具有类似的良好的自相关特性。

假设捕获模块中集成了１６个相关器，那么前１５８２００６年第２３卷第５期微电子学与计算机向搜索路径和后向搜索模块各拥有８个相关器，即ｎ＝８。

每次２４０相关运算需要２４０个ｃｈｉｐ时间，如果判决失败，那么还需要８个ｃｈｉｐ的步进调整时间，即每次搜索需要２４８ｃｈｉｐ时间，每个方向可以并行搜索８个码元。

因此，如图２所示系统每秒钟可检索码元个数Ｉ＝１０．２３×１０６２４８×８＝３３００００。

假设接收机初始化后与卫星基准时间相差１ｓ，即１０．２３×１０６个码元，那么捕获Ｐ码需要时间为ｔ＝１０．２３×１０６Ｉ×１０．２３×１０６３３００００＝３１ｓ。

如果使用传统的滑动相关法，那么每２４１个ｃｈｉｐ时间可以搜索一个码元，１ｓ的码间距的捕获时间为ｔ＝２４１ｓ。

可见在每个方向并行了８路相关器后系统的捕获时间比传统的滑动相关法缩短了将近８倍。

假设模块集成的相关器总数目为ｎ，如果本地时钟与卫星标准时钟相差时间为ｔ，相关长度为Ｍ，则通过双向大步进捕获法可以把捕获时间减少到ｔ′＝ｔｎ×（Ｍ＋ｎ）。

假设本地码与标准码相位相差１０２３００００码元，即相差１ｓ，对１＃卫星进行码捕获的仿真波形如图４所示。

仿真中令基带速率为１５．３Ｋ，采用８ｂｉｔ采样，当信噪比为－２１ｄｂ时，捕获时间ｔ′与时钟偏差ｔ的关系如图５所示。

在高动态的环境下，为了提高接收机的信噪比，减小大频偏对相关结果的影响，需要再串行添加频域搜索模块，以实现时域并行－频域串行搜索结构。

此时每个方向要搜索的时频单元数为Ｉ＝ΔＦ・ΔＴδｆ・δｔ，其中ΔＦ是卫星相对用户运动产生的多普勒频移，ΔＴ是本地时钟与标准时钟的差值，而δｆ和δｔ分别是频率和时间上搜索的步进值。

假设要检测的多普勒频移范围为±２０ＫＨｚ，检索步进为５００Ｈｚ，则运算量提高了８０倍。

为了保证Ｐ码的快速捕获，就必须使用更高的并行度，但是可以大大提高接收机的接收性能和抗干扰容限。

５结束语通过各种针对ＤＳＳＳ设计的快速捕获方法的研究，设计了一种基于串并行结合的双向大步进Ｐ码快速捕获方法。

当本地时钟的误差在１ｓ以内时，可以在将码捕获的时间缩减至１ｍｉｎ以内。

随着硬件集成水平的提高，可以通过增加并行规模实现捕获速度的进一步提高。

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研究方向通信信号处理。

廉保旺男，（１９６２－），教授。

研究方向为通信信号处理、导航定位系统的设计和研究及ＦＰＧＡ应用。

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