开题报告-基于PMF-FFT快速捕获算法的研究与实现

重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件B：开题报告附件B：毕业设计（论文）开题报告1、课题的目的及意义1.1课题研究背景及意义全球导航卫星系统（GNSS）具有全天候、大范围、连续、高精度等特点，可向各类用户实时提供准确的时间、速度和位置信息，其应用涉及陆地交通、航空航天、海上导航、大地测量、移动通信、石油勘探、地球科学等国防建设和国民经济的各个领域1。鉴于卫星导航系统对国家安全和经济发展的重要意义，近年来许多国家都在竞相发展自己的导航卫星系统。主要包括美国的 GPS（Global Positioning system,全球定位系统）、俄国的GLONASS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）、欧洲的 Galileo（伽利略）系统、正在建设中的我国 BD（北斗）卫星导航系统以及日本正准备开发的 QZSS（准天顶卫星系统）等1-3。自从1965年全球首颗商用同步卫星成功发射以来， 卫星通信因其覆盖面积大、组网灵活、频带资源丰富以及传输容量大等特点，得到了快速而长足的发展。现如今已成为一种不可或缺的重要通信方式。在四种轨道通信卫星中，静止轨道卫星(GEO)对地覆盖面积最大，地面站跟踪卫星最简单，被在大多数的卫星通信系统中所采用。但因其共用一个轨道，轨道资源就显得非常拥挤。且轨道较高，使得信号的传输损耗和时延均很大。此外地面接收设备需要大体积高功率的天线，因而在某些通信领域，特别是在卫星移动通信应用方面，其发展受到了较为严重的影响1。如今，随着通信的业务的需要，中低轨道卫星收到了更为广泛的关注和应用。一些低轨道卫星通信系统已经商用，比如世界最为著名的美国全球定位系统(GPS)，已经得到的广泛的应用。我国也加大了这方面的研究和投入，北斗产业化正在稳步的前进中。如今，卫星通信系统的网络化趋势越来越明显，卫星不仅仅和地面存在上下行链路，而且星与星之间也存在着交互信息的链路。美国的全球定位系统(GPS)从 Block-IIR 卫星开始就引入了星间链路。由于低轨道卫星绕地的旋转速度非常大，致使星地、星间链路不可避免的存在多普勒频谱偏移2。 卫星通信系统通常存在电磁互扰、阴影效应、多径衰落等现象，因而接收信号的信噪比一般比较低。信息传输的环境恶劣，可靠性差。扩频技术是围绕高信息传输的可靠性而提出的有别于其他通信系统的新技术3。 具有良好的抗干扰性能，扩频通信技术在卫星通信中得到了广泛的应用。而对于扩频接收机，最关键问题之一是本地伪随机码是否与接收的伪随机码取得同步。由于低轨道卫星通信系统存在着几十 kHz 到几百 kHz 的多普勒频谱偏移，这会降低本地伪码与接收伪码的同步时的相关峰值，从而加大接收机对伪码的捕获难度。一般地，卫星通信中采用的伪码的长度都比较大，这是为了保证通信的可靠性。而且由于业务的需要，系统要求的同步时间非常短。因而在大多普勒频偏下，实现长码的快速捕获，具有重大的研究意义。本课题研究就是针对低轨道卫星通信中的大多普勒频谱偏移，实现扩频伪码的同步捕获。 进入二十一世纪以来，随着微电子技术的发展，超大规模、高速、低功耗的新型 FPGA 不断推陈革新。新一代的 FPGA 甚至集成了中央处理器或数字处理器内核，可提供软硬件协同设计。比如 Altera 公司推出的 Stratix 系列高端 FPGA 具有许多系统级的功能模块：用于时钟产生和管理的锁相环(PLL: Phase-Locked Loop)、用于片内存储数据的 RAM 模块、用于数字信号处理的DSP模块。因而，高速的可编程的 FPGA 和 DSP 技术，以及软件无线电的思想为实现快速捕获注入了新的设计思路。本课题不仅仅局限于理论上对捕获算法的研究，而且更为注重于算法的 FPGA的具体实现。用实践的方法检验算法理论的可行性，更具有意义。 本课题将对一种时频二维同时搜索的方法进行重点研究讨论，并在 FPGA 仿真平台上实现该算法。 扩频技术具有抗干扰、抗多径、保密性好、可实现精确定时测距及码分多址等优点4，在卫星导航系统中得到广泛应用。扩频技术的优越性是以精确同步为前提的，因此，扩频通信技术中的首要问题是保证扩频信号的同步。扩频信号同步包括捕获粗同步和跟踪精同步，扩频信号在捕获阶段完成粗同步后紧接着进入跟踪环路，实现最终的精同步5。捕获过程是伪码相位和载波频率的二维捕获过程，捕获过程得到的频率精度直接关系着后续跟踪环的跟踪速度，甚至是能否成功跟踪到信号。高动态扩频信号载体运动速度较快，使扩频信号存在着较大的多普勒频偏，这会使本地伪码与接收伪码同步时的输出增益大幅衰减，从而加大 GNSS 接收机的捕获难度，增大系统捕获时间。因此，在多普勒频偏较大的情况下，实现伪码的快速捕获，并得到较高的频率分辨率，具有重要研究意义。1.2国内外研究现状：从 20 世纪 50 年代开始至今，扩频技术不断蓬勃发展，扩频信号的快速捕获一直是国内外学者研究的热点问题，目前较为成熟的捕获算法主要有：滑动相关器、匹配滤波器、数字差动捕获算法以及基于 FFT 的捕获算法8-10。20 世纪 80 年代，匹配滤波器的理论研究与工程实现都有了一定的发展7。文献25将其引入到伪码捕获中，并做了相关讨论。20 世纪 90 年代开始，基于 FFT 的捕获算法成为研究热点7。基于 FFT 的捕获算法主要有两种，一种是利用 FFT 将时域内的相关运算转换成频域内的相乘；另一种是在接收数据与本地伪码相关运算后进行 FFT 运算，确定载波多普勒频率，从而使码相位与载波多普勒的二维搜索转变为码相位的一维搜索。G.J.R.Povey 等人首先提出了匹配滤波器（MF：Matche Fileter）结合 FFT 的捕获算法，为后来该算法的发展做出了很大的贡献。文献7描述了较大的多普勒频偏下的一种非相干检测的快速捕获系统，首次给出了基于PMF-FFT 结构的捕获算法6,7。该算法通过 PMF（部分匹配滤波器）将接收信号与本地产生的伪随机码进行部分相关运算，将运算结果送入 FFT 模块进行运算，两点 FFT 间距代表的频差值的一半就是频率分辨率，此种算法在实现信号快速捕获的同时，也扩大了频偏的搜索范围7。 随着数字信号处理技术以及FPGA、DSP等大规模集成器件的快速发展，基于FFT（Fast Fourier Transform）算法的伪码捕获技术得到广泛的研究，为快速伪码捕获技术开辟了新的道路。V.Nee等人首次将FFT算法引入伪码捕获系统中，其基本思想是在时域伪码与接收信号的循环卷积可以表示为频域的共轭相乘，这样接收信号与本地伪码分别通过FFT变换共轭相乘后，再通过IFFT变换即可在一个码片时间内完成码相位的捕获3。这种技术大大节约了伪码捕获的时间，可以说是革命性的进展。由于FFT算法难以克服符号反转，C.Yang等人提出了一种基于FFT的快速P码捕获算法，XFAST算法，对本地伪码进行N倍的折叠，其搜索范围也相应的扩大N倍，从而快速捕获伪码相位4。在国内，Hong Li等人在XFAST算法的基础上提出了基于XFAST的双折叠（DF:Dual-Folding Acquisition Method）捕获算法，双折叠算法增加了相干积分时间，因此提高了系统检测性能，进而减少了捕获时间5。由于FFT的引入，捕获算法的硬件复杂度也成为一个不可忽视的指标，J.A.Starzyk等人提出了一种基于FFT的平均相关技术，通过对过采样后的接收信号进行平均处理来达到降低了FFT点数的目的6。D.Akopin对多种基于FFT的捕获方案进行了对比分析，并提出一种在频域的移位重叠算法，显著的降低了计算复杂度7。最为常用的捕获技术是串并行时频二维搜索技术，这种技术随着扩频技术的发展已经得到了非常广泛和系统的研究。其中，DANIELE BORIO等人已经对相干、非相干和差分相干的联合捕获这种典型的串并行捕获技术进行了详细的分析，指出相干捕获技术在克服符号反转方面优于其他两种，并建议应用在GNSS系统中1。Jack.K.Holmes通过信号流图，对单次驻留捕获技术的虚警概率、检测概率和捕获时间等性能进行的全面深入的研究，同时提出了多普勒频偏对PN码捕获性能的影响。 目前，针对PMF_FFT算法的捕获技术都是基于单驻留模式的，是在码相位上的一维搜索。M.Dicarlo提出了一种多驻留模式的伪码捕获方案，多驻留模式允许以一定间隔对码相进行估计，这样可以快速排除不正确的码相位，这样可以大大缩短捕获时间。根据多驻留模式的信号流图，给出了系统传输函数，得到了关于驻留时间、检测概率、虚警概率等的系统捕获时间和方差的表达式13。近年来，随着压缩感知理论的提出，及其在信号恢复方面的广泛研究，压缩搜索的技术也逐渐被应用到伪码捕获系统中。SH Kong研究了一种压缩辅助的，在多径频率选择性衰落信道下的直扩信号接收技术，提出了一种确定的低通正弦矩阵（deterministic low pass sinusoid (LPS) matrix）比常用的随机感知矩阵（random sensing matrices）更适合脉冲成型的直扩信号，并对对误码率性能进行了分析14。Binhee Kim等提出了一种基于双驻留模式的在时域和频域进行压缩搜索的捕获方法TDCC(Two-Dimensional Compressed Correlator)，第一驻留是在一个压缩了的PN码相位和Doppler频偏的二维空间内对每一个假设点求相关值，找到最大的相关值点，第二驻留在最大相关值点附近，对每一个精确的码相位和进行搜索，以找到最正确的码相位和多普勒频偏。这种双驻留压缩搜索技术比传统方法节约至少一半的时间，在一定程度上牺牲了系统的检测性能15。在TDCC技术的基础上，Binhee Kim将其与FFT算法相结合，提出了一种基于FFT的双驻留二维压缩相关算法。与传统的FFT伪码捕获方法相比，由于TDCC的引入，在IFFT环节大大降低了IFFT的点数。第二阶段仍然是用传统的并行搜索方案，对由第一阶段搜索确定的二维区域内的每个伪码相位和Doppler频点进行搜索。该方案与传统的基于FFT的方法相比降低了计算的复杂度和平均捕获时间16。1.3研究目的：本文拟对PMF_FFT伪码捕获算法进行改进，提出一种基于码相位压缩的改进型PMF_FFT捕获算法，该算法与传统PMF_FFT算法相比，大大节约了系统的平均捕获时间，提高了FFT算法对多普勒频偏的捕获精度以及系统带宽，将进一步满足高动态长码捕获技术的性能需求。2、 课题任务、重点研究内容、实现途径2.1课题任务（1） 了解扩频通信系统中的信号结构，理解扩频通信技术的基本原理；（2） 理解常用伪码捕获算法的基本原理，利用matlab仿真分析算法性能；（3） 掌握PMF-FFT快速捕获算法的基本原理，利用matlab仿真分析该算法的伪码捕获性能；（4） 掌握应用FPGA芯片的设计思路，培养VHDL/Verilog HDL硬件编程思维；2.2重点研究内容首先介绍了课题研究背景、意义及研究现状。了解扩频通信技术的基本知识，包括扩频通信的基本原理、特点以及分类。以及直接序列扩频系统的基本形式及 m 序列的特点。分析了传统捕获算法特点，并详细分析了优化的混合串并行捕获方式。接着对 PMF-FFT 捕获算法进行了具体分析，并通过对 FFT 的输入数据进行加窗和增加 FFT 点数的方法对扇贝损失进行改善，对 PMF 的输入数据也进行加窗以提高频偏的识别范围，对改进后的算法进行仿真验证，证明改进后算法的有效性，并通过 Matlab仿真分析改进算法的捕获性能。最后在 FPGA 上实现改进的 PMF-FFT 捕获算法。详细介绍各模块的设计方法，并对顶层模块进行仿真验证。2.3实现途径首先，PMF_FFT捕获算法已经得到了国内外学者的广泛研究，通过查阅相关文献掌握算法的基本原理； 在深入分析近年新提出的TDCC捕获算法的基础上，探索其与PMF_FFT捕获算法相结合的理论依据； 建立新算法的数学模型，并推导其虚警概率、检测概率、平均捕获时间等性能的表达公式，利用Matlab仿真软件，对改进算法与传统PMF_FFT捕获算法的性能进行深入分析对比； 分析改进的PMF_FFT捕获算法的实现复杂度，在现有技术条件的基础上，研究其在FPGA平台上的实现方法。参考文献：（不得少于10篇）1 Yang D C. FFT Acquisition of Periodic, Aperiodic, Puncture, and Overlaid Code Sequences in GPSR. Salt Lake City:ION GPS, 2001. 2 Starqvk J A, 2. Zhu. Averaging Correlation for CIA Code Acquisition and Tracking in Frequency Domain J. IEEE, 2001, 12(6):905-910. 3 Y. Chen, H.S. Zhao. Design and Realization of Fast Code Acquisition for Long PN Code Spread Spectrum Communication in LEO Satellite. International Conference on Communications, Circuits and Systems Proceedings. 2006: 1161-1164.4 何世彪，谭晓衡.扩频技术及其实现M.北京：电子工业出版社，20075 韦慧民，张邦宁.扩频通信技术及应用M.西安:西安电子科技大学出版社，20076 郑稷.扩频通信系统中伪码捕获技术研究D.重庆：重庆大学，20077 DanieleBorio,Cillian ODriscoll,Gerard Lachapelle.Coherent,Noncoherent,and Differentially Coherent Combining Techniques for Acquisition of New Composite GNSS SignalsJ.IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems,2009,45(3):1227-12318 章兰英，袁嗣杰，刘海洋，史学书. 基于加窗 PMF-FFT 的扩频信号捕获算法研究. 系统仿真学报(C). 2009年第21卷第17期：5536-5539.9 Chen Yong, Zhao HangSheng. A twi-serial-parallel correlator with fft approach for long code acquisitionin spread spectrum communication systemJ. Proceedings of the 5th International Conference onWireless Communication, networking and mobile computing, 2009, 593-496.10 Altera Corporation. RAM-Based Shift Register (ALTSHIFT_TAPS) Megafunction User Guide. Version 10.0, 2010. 11 孙斌.基于P