高扩频通信系统的捕获技术探究,扩频技术的发展现状

扩频通信系统抗干扰性能好，隐蔽性强，截获率低，易于实现码分多址。它已经广泛应用于数据传输、移动通信、定位导航、实时测距等方面，尤其在卫星导航中发挥着不可替代的作用。然而，有限的带宽资源限制了扩频通信的发展。因此，我们将扩频调制和连续相位调制相结合，解决了功率和带宽的双重限制问题，提高了频带和功率的利用率。高动态微弱信号的精确同步是保证扩频接收机实时性和高灵敏度的核心技术。其中，利用扩频码捕获微弱信号是精确同步的前提和基础。

在室内、城市、森林等遮挡恶劣的环境中，由于多径和噪声的影响，信号较弱，接收信噪比恶化，传统的采集技术难以快速准确地实现信号的粗同步。双块零填充采集算法是解决这一问题的有效算法。它将分段处理、循环相关和快速傅立叶变换/IFFT相结合，实现微弱信号的快速采集。该算法已在实践中得到广泛应用。但是，DBZP块的长度和数量受到频率分辨率和多普勒频偏搜索范围的限制，并且是固定的，这使得算法的捕获性能有一定的局限性。在DBZP的基础上，结合数据重叠的思想，提出了一种改进的多块重叠零填充算法和一种通用的重叠多块零填充算法，用于在无辅助的情况下快速采集微弱信号。

首先，将直接序列扩频调制和载波调制相结合，建立通信系统，保证系统的高效率。

接下来，介绍了传统的采集算法。在此基础上，对微弱信号的捕获算法进行了分析和研究，包括基于快速傅立叶变换的相关函数捕获算法、部分匹配滤波与快速傅立叶变换相结合的捕获算法、分段累加频率空之间的并行搜索算法和DBZP捕获算法。基于DBZP，提出了多块重叠置零算法和通用重叠多块置零算法。MBOZP引入了数据块的重叠，以确保块的数量不变。通过数据重叠增加相干积累的长度，从而提高小频偏下的捕获性能。该系统可以在极低的信噪比下获得接近1dB的性能增益。GOMBZP是MBZP的进一步改进，引入了两个可变参数，扩展数据长度的相干累加和步进因子。相干累加扩展数据长度可以灵活控制数据重叠长度，步进因子可以控制块数，从而在保证频偏搜索范围的同时提高采集性能。通过对三种不同块组合模式的仿真分析，发现增加相干积累长度或块的数量可以提高捕获性能，同时增加两者时，可以获得接近2dB的性能增益。然而，此时算法的计算复杂度相对较大。为了考虑频偏搜索范围、捕获性能和计算复杂度，可以选择GMBOZP中不改变相干累加长度而仅增加块数的块组合模式。此时，可以获得大约0.7分贝的性能增益，同时降低计算复杂度。

扩频通信系统具有抗干扰性能好、抗截获能力强、测量精度高、易于实现码分多址等优点，广泛应用于数据传输、移动通信、实时测距、定位导航等不同领域，尤其是卫星导航领域。但是有限的带宽资源制约了扩频通信的发展，因此我们将扩频调制和连续相位调制结合起来，解决了功率和带宽双重受限的问题，提高了频带和功率的利用率。高动态条件下微弱扩频信号的精确同步是一项关键技术，可以保证扩频接收机的实时性和高灵敏度。使用伪噪声码完成信号捕获是精确同步的前提和基础。

而在室内、城市、森林等遮挡复杂环境中，由于多径衰落和干扰，信号变弱，信噪比变差，使得传统的捕获算法难以实现粗同步，双块零填充(DBZP)是解决这一问题的有效算法，它将分段处理、圆相关和快速傅立叶变换/IFFT相结合，快速捕获微弱信号，在实践中得到广泛认可。然而，块的长度和块的数量由频率分辨率和多普勒搜索范围决定，并且它们的值是固定的，这使得其捕获性能受到限制。本文以DBZP为基础，采用数据重叠的思想，对微弱信号的采集进行了研究。

首先，建立了由直接序列扩频调制和连续相位调制组成的通信系统。其次，对微弱信号采集算法进行了传统采集算法的分析和研究，包括基于快速傅立叶变换的相关函数采集算法、部分匹配滤波和快速傅立叶变换相结合的采集算法、分段累加频率空间并行搜索算法和DBZP算法。再次，基于DBZP，提出了两种改进算法。多块重叠零填充(MBOZP)保持块的数量不变，引入数据块的重叠，增加相干积累的长度，在很小的频偏下，系统可以在很低的信噪比下获得接近1dB的性能增益。通用重叠多块零填充(GOMBZ P)是MBZ P的进一步改进，引入了相干累加的扩展数据长度和步长因子。相干累加的扩展数据长度可以灵活控制重叠长度，步长因子可以控制块数，从而保证估计性能和频偏搜索范围。通过仿真发现，采用不同的块组合方式时，增加相干累加长度或块数都可以获得更好的性能，最大性能增益接近2dB。然而，它的计算复杂度太大，实际上，为了考虑搜索范围、性能和复杂度，只能选择增加块数量的情况。从而可以获得接近0.7分贝的性能增益，降低计算复杂度。

扩频通信、光纤通信和卫星通信被称为信息时代[1]的三种高科技通信传输模式。

扩频技术先用伪随机码扩频，然后进行数据传输，降低了对信噪比的要求，使系统能够在极低的信噪比环境下工作。

扩频系统具有抗干扰性能好、隐蔽性强、截获率低、测距精度高等优点，已广泛应用于军事通信和民用通信，包括移动通信、定位导航、实时测距等。特别是在卫星遥测和遥控方面发挥着不可替代的作用。扩频技术出现在各国发起的卫星定位系统中。卫星导航系统在各个领域都显示出巨大的实用价值。卫星导航技术的核心问题是如何利用扩频技术实现卫星测控系统的实时精确定位。卫星与地面接收设备之间的高速相对运动使得扩频接收机工作在高动态环境中，导致接收信号的频率变化和多普勒频移[2]。此外，远程通信距离会使到达地面接收器的信号幅度非常弱。因此，实现大多普勒频移下高动态微弱信号的快速采集具有重要的现实意义。为了完成精确的卫星定位，必须实现高动态微弱信号的精确同步。微弱信号的同步一般包括采集过程和跟踪过程，其中采集过程是精确定位的基础。

一般来说，弱信号捕获是利用扩频码的尖锐自相关和良好互相关特性来实现的。在接收端，只有当接收信号和本地复制的扩频信号完全对齐时，才能获得最大相关输出值，从而正确接收信息。因此，捕获过程在扩频通信系统中起着至关重要的作用，而捕获性能是决定扩频通信系统性能的关键因素。

如果采用传统的串行搜索算法和并行搜索算法捕获高动态微弱信号，捕获时间长，捕获性能差，对采用相移键控的直接序列扩频调制系统(DSSS)将提出更高的技术要求。随着快速傅立叶变换(FFT)技术和数字信号处理(ADSP)技术的发展，一些基于传统采集算法和快速傅立叶变换的高动态微弱信号采集算法成为研究热点。包括频率并行搜索算法、码相位并行搜索算法、匹配滤波器和快速傅立叶变换组合(PMF-快速傅立叶变换、部分匹配滤波-快速源变换)捕获算法、双块零填充(DBZP、双块零填充)算法等。其中，DBZP是一种有效的微弱信号采集方案，在实际应用中得到广泛认可。

20世纪40年代，香农的噪声信道编码定理为扩频技术[3]奠定了坚实的基础。1949年，美国为军事通信建立了最早的扩频通信系统。1966年，美国首次在全球定位系统中使用扩频通信来实现实时精确定位。此后，扩频技术发展迅速。扩频技术广泛应用于国防和国民经济建设的各个领域，尤其是卫星导航研究。美国全球定位系统(GlobalPositioningSystem)、俄罗斯GLONASS(GLobaL navigationStaletSystem)、欧盟伽利略(伽利略卫星定位系统)和中国北斗卫星定位系统都使用扩频技术实现大规模高精度导航定位和远程测距[4]。

扩频调制是指通过伪随机扩频码将信号的带宽扩展几个数量级，并将发射信号的能量平均到更宽的频带中，使得频带中的每个点具有非常低的能量，并且信号和噪声难以区分，从而防止信号在空中传输期间被截获。图1.1(a)和(b)分别示出了扩频调制和解扩后信号带宽的变化。

扩频通信有许多优秀的特点:1)抗干扰能力强，通过交换带宽来提高信噪比，增强系统的抗干扰能力；2)隐蔽性好。扩频码是伪随机序列，与传输信息无关。扩频调制信号的频谱被加宽，如图1.2所示。单位频带中的功率非常小，并且隐藏在噪声中。3)实现频谱资源共享，增加通信容量。虽然单个用户占用的带宽变得更大，但允许多个用户同时占用带宽，不同的用户通过不同的扩频码来区分；4)抗多径能力强。当多路信号数的相位延迟大于一个码元宽度时，扩频码的相关值输出急剧下降；5)接收端使用已知的扩频信号[5]解扩接收信号。

扩频通信系统可以简单地根据扩频码插入通信系统的不同位置来分类[5】。DSSS在始发端用扩频码扩展信号频谱，在接收端用相同的扩频码解扩，并恢复原始传输信号。在跳频预频谱通信系统(FHSS)中，载波频率根据扩频码的定义在很宽的频带内跳跃，根据跳跃速度可分为快速跳频(FFHSS，FastRequencyHoppingsPagereadSpectrum)和慢速跳频(LFHSS，LovRequencyHoppingsPagereadSpectrum)。定时脉冲频谱通信系统(THSS)使用扩频码来控制功率放大器的开关。目前，DSSS被广泛使用。

传统的直接序列扩频通信系统一般采用移相键控(PSK)调制技术，PSK调制中的载波相位随着调制信号状态的变化而变化。第一个二相相移键控(2PSK)和四相相移键控(QPSK，QuadraturePhaseShiftKeying)在符号转换时可能有180°的相位跳变，导致包络波动、频谱扩展和低频谱利用率。为了获得更好的信号功率谱特性，将连续相位(ContinuePhaseModulation)方案应用于DSSS，这使得获得比传统扩频PSK调制更高的频谱利用率成为可能。

自20世纪70年代以来，随着个人通信服务需求的爆炸性增长，有限的通信资源已经成为阻碍通信技术发展的重要因素，人们开始寻求有效的调制方法。高效的调制意味着系统可以在要求的信噪比下工作，并且可以获得更高的功率利用率。

1961年，道尔兹和希尔德在他们的专利[6]中首次提出了最小换档键。德布达在1972年的[7中讨论了它作为一种特殊的连续相移键控(CPFSK，连续相移键控)。高斯·安敏·希夫特凯英(GMSK)最早是由穆洛塔等人于1981年提出的。通过在MSK [8]调制之前添加高斯低通滤波器，MSK得到了改善。GMSK于1987年被全球移动通信系统技术标准采用。中国拥有最大的全球移动通信网络。

数字通信系统中非线性器件产生的幅相转换效应会引入不必要的频谱扩展，从而限制功率和带宽的利用率。CPM调制的相位连续性可以避免相位跳变，加速功率谱密度的带外衰减，平滑带限滤波后调制信号的包络波动，缩小传输信号的带宽，提高频带利用率。系统的恒定包络使系统能够降低对功率放大器的要求，最小化幅度-频率转换引起的功率损耗，并提高功率利用率[9]。

整形偏置正交相移键控(SOQPSK，shapedovsetquadraturephase相移键控)是CPM调制方法之一，具有偏置正交相移键控(OQPSK，offsetquarture相移键控)的优点。恒包络特性使系统受非线性器件的影响较小，具有较高的功率利用率。OQPSK避免了180°[的相变。由于其优越的性能，SOQPSK已引起越来越多的关注，并已被多种标准[11]采用为推荐波形

当应用于具有衰落特性的信道(如卫星信道)时，SOQPSK调制和DSSS相结合是一种非常有潜力的波形方案。其优良的包络和相位变化特性可以提高系统的功率利用率和频率利用率，实现极低信噪比环境下的微弱信号采集。

(1)高动态微弱信号(High dynamic weak signal)当接收机工作在恶劣的信道环境中时，经过长时间传输后，信号的幅度非常微弱。

此外，为了提高通信的保密性，一般选择降低发射机的功率。然而，扩频调制通常在低信噪比条件下工作，因此弱信号捕获可以使用扩频通信系统来实现。

高动态的一般定义是接收器载体和卫星的径向加速度大于4g(2g=9.8ms，即重力加速度)。deep 空通信中的高动态性反映在接收信号的多普勒频移上，这有两个主要含义:1)卫星非常大的运动速度(929毫秒)将导致大的多普勒频移；2)速度变化率大。在本文中，仅考虑由相对较大的相对运动速度引起的接收信号的多普勒频移变化，这导致由接收端接收的信号的载波频率和发射信号的载波频率之间的偏差[。多普勒效应如图1.3所示。

假设S是信号发送位置，接收端在具有端点X和Y的路径上移动，q1和q2是发送信号和接收器移动路径之间的夹角。由于卫星和接收器之间的距离很远，因此，X和Y与发射端之间的夹角大致相等，即q12？Qq=，d是接收端移动引起的位移，其移动速度为v，所用时间为Dt，相对移动引起的路径差为dddvt = = dccosqq。那么接收端信号相位的变化值为。