摘  要： 為了更好地適合在低信噪比環(huán)境下工作，對基于FFT的偽碼快速捕獲法進行了改進，即提出了將多個偽碼周期進行相關(guān)運算后進行非相干積累。對其原理進行了詳細(xì)的分析，并對它的捕獲性能進行了仿真。通過分析和仿真結(jié)果可以看出，采用非相干處理的基于FFT的偽碼快速捕獲法捕獲時間更短，并且更適合在低信噪比環(huán)境下工作，具有重要的工程應(yīng)用價值。
 關(guān)鍵詞： 偽碼同步；捕獲；快速捕獲；非相干積累

　擴頻技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的一門前沿技術(shù)，它最初用于軍事通信中，由于其抗干擾性強、抗衰落性好、保密性好和可實現(xiàn)多址通信等優(yōu)點，現(xiàn)已在通信抗干擾、衛(wèi)星通信、保密通信、戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺、計算機無線數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航、測距和定位等方面有廣泛應(yīng)用[1]。
　在擴頻系統(tǒng)中被用作擴頻序列的偽碼（PN碼）是類似于白噪聲統(tǒng)計特性的隨機序列，它的同步是實現(xiàn)擴頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，同步性能的優(yōu)劣直接影響整個擴頻系統(tǒng)的性能。偽碼同步包括捕獲[2]和跟蹤[3]兩部分，捕獲階段實現(xiàn)粗同步，跟蹤是在捕獲的基礎(chǔ)上實現(xiàn)精同步。其中，捕獲一直是偽碼同步研究的重點部分。目前，在偽碼捕獲的問題上，國內(nèi)外提出了許多適應(yīng)在不同環(huán)境下的捕獲算法，現(xiàn)在比較常用的捕獲算法主要包括串行捕獲法、并行捕獲法、匹配濾波器法和基于FFT的快速捕獲法[4-6]等。但是，還沒有特別新穎的捕獲技術(shù)出現(xiàn)，也有許多研究人員想通過利用小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算原理等技術(shù)來實現(xiàn)偽碼捕獲算法的重大突破，只是大部分都停留在理論探索階段，離工程實現(xiàn)還有相當(dāng)?shù)牟罹?。對一個偽碼捕獲算法來說，衡量其捕獲性能如何的基本標(biāo)準(zhǔn)有：（1）在低信噪比和高動態(tài)環(huán)境下有快的捕獲速度；（2）抗干擾能力強，錯捕及漏捕的概率?。唬?）硬件電路較簡單，易于實現(xiàn)。本文提出了一種采用非相干積累的基于FFT的快速偽碼捕獲法，并與串行捕獲法進行了比較。通過Matlab仿真分析可知，其捕獲速度較快，且適合在低信噪比環(huán)境下工作。
1 偽碼捕獲原理
　接收機一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，所以，需要一個在一定的頻率和時間范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號的搜捕過程，這就是捕獲。這一過程的目的就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號的相位之差保持在一個PN碼的碼片內(nèi)。
　在直擴系統(tǒng)中，捕獲的方法有很多種，特點也不一樣，比如：串行捕獲法捕獲實現(xiàn)簡單，硬件資源消耗少，但是捕獲時間較長，當(dāng)PN碼很長時，捕獲時間讓人難以忍受；并行捕獲法和匹配濾波器法捕獲時間較短，但是實現(xiàn)較復(fù)雜，硬件資源消耗多；基于FFT的快速偽碼捕獲法綜合考慮了捕獲時間和系統(tǒng)復(fù)雜度，它的捕獲時間較短，系統(tǒng)復(fù)雜度較低。但是，它們都有一個共同點：用本地信號與接收信號作相關(guān)運算，得到兩信號相似性的值，此處的相似性是指PN碼自相關(guān)特性，所謂自相關(guān)性就是度量m序列（最常用的PN碼）與其自身逐位移位后序列的相似性，并用此值和一個門限值作比較，如果確認(rèn)捕獲到有用信號，即捕獲成功，就緊接著轉(zhuǎn)入跟蹤，使系統(tǒng)保持精同步的狀態(tài)，否則就需要繼續(xù)搜索。
　捕獲的基本依據(jù)是PN碼尖銳的自相關(guān)特性。為了更好地理解自相關(guān)特性，圖1給出了N=1 023的m序列的自相關(guān)性仿真圖。接收端能夠從本地序列和接收序列的相關(guān)運算中獲得不同的相關(guān)值。自接收機開始接收發(fā)送來的擴頻信息時，就不斷地調(diào)整和選擇本地的擴頻序列相位。在某一時刻，本地的擴頻序列和接收擴頻信號序列的相位差在一個很小的范圍內(nèi)，就會得到較尖銳的相關(guān)值。同時通過設(shè)定特定的相關(guān)值門限，可以初步判斷出接收端是否達到了相位同步。這就是PN碼捕獲的基本原理。

2 偽碼捕獲算法
2.1 串行捕獲法
　串行捕獲法也稱為滑動相關(guān)捕獲法[7]，此方法硬件實現(xiàn)簡單、節(jié)約資源，被認(rèn)為是一種最簡單、最實用的捕獲方法。該方法的捕獲原理是通過相位控制器控制本地產(chǎn)生的偽隨機碼與接收信號相對滑動，如果滑動過程中碼不重合，則相關(guān)值較小，無相關(guān)峰出現(xiàn)；當(dāng)兩碼接近重合或重合時，則有相關(guān)峰值出現(xiàn)，通過相關(guān)值與門限值作比較。當(dāng)相關(guān)值小于門限值時，捕獲失敗，繼續(xù)捕獲；當(dāng)相關(guān)值大于門限值時，捕獲成功。捕獲原理圖如圖2所示。

2.2 采用非相干處理的基于FFT的快速偽碼捕獲法
　前面分析的串行捕獲法是采用時域相關(guān)的思想來完成偽碼捕獲的，本小節(jié)研究的采用非相干處理的基于FFT的偽碼快速捕獲法是在頻域中計算相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)偽碼捕獲的。該方法利用圓周相關(guān)定理，將接收偽碼和本地偽碼的時域相關(guān)運算轉(zhuǎn)換成頻域的頻譜相乘計算，經(jīng)過兩次FFT和一次IFFT就可以完成一次相關(guān)運算，這樣可以借助FFT快速算法大大地減少捕獲時間，并且由于FFT運算將信號能量集中到單個FFT單元中，因此適合在低信噪比下工作[8]。為了更好地適應(yīng)低信噪比的工作環(huán)境提出了將多個偽碼周期的相關(guān)運算后進行非相干積累。所謂非相干積累，則是將相關(guān)結(jié)果取模求平方后再累加，去除了相位信息，僅保留了幅度信息，在信號能量累加的同時，噪聲功率也相應(yīng)增加，在實際應(yīng)用中，可以適當(dāng)增加累加次數(shù)，來達到滿意的效果。在進行相干積累處理后，可以改善相關(guān)峰值受噪聲的影響，保證了低信噪比下信號的可靠檢測。

　從圖4可以看出，在信噪比SNR=-15 dB時，串行捕獲法就無法找到同步的位置了；從圖5可以看出，在信噪比SNR=-30 dB時，采用非相干處理的基于FFT的快速偽碼捕獲法仍能夠找出同步的位置。說明了改進的基于FFT的快速偽碼捕獲法更適合在低信噪比環(huán)境下工作。
　相對于串行捕獲法、并行捕獲法和匹配濾波器捕獲法，基于FFT的快速偽碼捕獲法具有更快的捕獲速度，為了更好地適合在更低的信噪比環(huán)境下工作，提出了采用非相干處理的基于FFT的快速偽碼捕獲法，仿真結(jié)果表明，改進后的捕獲算法比較適合在對捕獲速度要求較高和工作條件比較惡劣的環(huán)境中使用。
參考文獻
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[3] Zhang Zhong. Pseudo-code tracking technology in spread spectrum communication[J]. IEEE Conference Publications， 2012：331-333.
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[5] Sun Guoliang， Huang Qihua， Zhu Lisen. A fast acquisition algorithm based on FFT for DSSS signal and FPGA realization[J]. IEEE Conference Publications， 2009：341-344.
[6] Liu Suxiao， Feng Wenquan， Xiong  Huagang， et al. FFT based long-code acquisition algorithm suitable for FPGA implementation[J]. IEEE Conference Publications，2011：5621-5624.
[7] 朱漢云.擴頻碼同步技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.
[8] VAN NEE D J R，COENEN A J R M. New fast GPS code acquisition technique using FFT[J]. IEEE Electronics Letters， 1991，27（2）：158-160.