高动态扩频信号快速捕获方法的研究与实现

论文摘要

卫星导航定位系统可以为公路、铁路、空中和海上的交通运输工具提供导航定位服务。它能够军民两用,战略作用与商业利益并举。只要持有便携式接收机,则无论身处陆地、海上还是空中,都能接收卫星发出的特定信号。接收机中的电脑选取几颗卫星发出的信号进行分析,就能确定接收机持有者的位置。卫星导航定位系统的理论基础是扩频通信理论,扩频通信技术与常规的通信技术相比,具有低截获率、强抗噪声、抗干扰性、信息隐蔽和多址通信等特点,目前己从军事领域向民用领域迅速发展,成为进入信息时代的三大高技术通信传输方式之一。扩频通信技术中,最常见的是直接序列扩频通信（DS-SS）系统,本论文所研究的就是这一类通信系统。扩频信号的快速捕获是扩频通信中的一个关键性问题。扩频信号的捕获,既要完成载波频率的捕获,又要完成伪码相位的捕获,是一个二维的捕获过程。高动态扩频信号具有高达上百kHz的载波多普勒频移,大大增加了捕获难度。本论文在第三章对长码（P码）的快速捕获进行了深入的分析,基于对国内外相关文献中长码快速捕获方法的分析与对比,并且结合在实际过程中硬件资源需求的考虑,提出了基于存储补零部分相关的FFT长码快速捕获方法。该方法在搜索到伪码相位的同时能估计出载波多普勒频移,从而将载波频率、伪码相位的二维捕获过程变为伪码相位的一维捕获过程,大大减少捕获时间。本论文对基于存储补零部分相关的FFT长码快速捕获设计的结构和性能进行了分析,提出了改善基于存储补零部分相关的FFT长码快速捕获设计方案性能的方法,并给出了仿真结果,结果表明基于存储补零部分相关的FFT长码快速捕获设计能有效解决高动态扩频信号的快速捕获问题。本论文提出的长码快速捕获设计是在实际工程中提出的,该伪码捕获方法最终在FPGA开发板上得到了实现和验证,并且在第四章给出了长码捕获的FPGA实现,并对各主要子模块进行了详细地分析。其研究成果不但可以适用于高动态的卫星导航接收机,对普通的导航定位接收机仍然适用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 论文内容及结构安排
• 第二章 直接序列扩频技术的基本原理和组成
• 2.1 直接序列扩频技术基本原理
• 2.2 扩频技术的特点
• 2.2.1 扩频技术的抗干扰性
• 2.2.2 扩频技术的保密性
• 2.2.3 扩频技术的低截获率
• 2.2.4 扩频技术的码分多址性能
• 2.3 PN 码序列
• 2.4 本章小结
• 第三章 高动态接收机长码直捕方案设计
• 3.1 传统滑动相关检测的捕获方法
• 3.2 基于存储补零部分相关的FFT 长码直捕方案设计
• 3.2.1 接收机数字基带信号模型
• 3.2.2 P 码相位不确定区间
• 3.2.3 基于存储补零部分相关的FFT 长码直捕设计
• 3.3 设计方案的性能分析
• 3.3.1 基于存储补零部分相关的FFT 长码直捕结构的幅频特性
• 3.3.2 频率分辨率
• 3.3.3 虚警概率
• 3.3.4 检测门限
• 3.3.5 检测概率
• 3.3.6 平均捕获时间
• 3.3.7 部分相关长度P 与FFT 运算点数K 的确定
• 3.3.8 捕获峰值的仿真结果
• 3.4 设计方案的改进措施
• 3.4.1 扇贝损失的改善
• 3.4.2 处理增益的改善
• 3.4.3 动态范围过大的改善
• 3.4.4 捕获时间的改善
• 3.4.5 数据跳变的影响
• 3.5 P 码直捕的前沿技术
• 3.5.1 XFAST 长码直捕方法
• 3.5.2 CCPAZP-FFT 长码直捕方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 FPGA 长码直捕设计的实现与验证
• 4.1 引言
• 4.2 开发工具及芯片简介
• 4.3 长码直捕设计的FPGA 实现
• 4.3.1 顶层设计
• 4.3.2 子模块设计
• 4.4 FPGA 验证与测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 全文总结及主要贡献
• 5.2 下一步工作的建设及未来研究重点
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果