咨詢熱線:021-80392549

應(yīng)用于GPS接收機(jī)的序貫檢測器性能分析

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-21     來源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):128
核心提示:
摘  要:為了對使用Tong搜索檢測器的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)的信號捕獲性能進(jìn)行理論評估,以及在設(shè)計(jì)中確定該檢測器的參數(shù)值,推導(dǎo)了該檢測器的總虛警概率、總檢測概率以及平均駐留時(shí)間的計(jì)算公式,修正了在此之前研究領(lǐng)域普遍使用的談檢測器捕獲性能分析公式中的錯(cuò)誤,并通過數(shù)值驗(yàn)證討論了該檢測器各參數(shù)的作用。仿真結(jié)果表明:增加Tong搜索檢測器內(nèi)置的計(jì)數(shù)器初值可以改善捕獲性能。在總虛警概率高于0.1%的情況下,降低計(jì)數(shù)器最大值,同時(shí)增加計(jì)數(shù)器初值可使同等檢測概率條件下。平均滯留時(shí)間變短。
關(guān)鍵詞:擴(kuò)頻通信;全球定位系統(tǒng);捕獲;序貫檢測器

    全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)采用的是直接序列擴(kuò)頻(direct sequencespread-spectrum,DSSS)技術(shù),因?yàn)镈SSS不僅抗干擾能力強(qiáng),發(fā)射功率譜密度低,能實(shí)現(xiàn)碼分多址的功能,而且可以作為測距碼,使系統(tǒng)獲得很高的測距精度和準(zhǔn)確度。同其它的擴(kuò)頻接收機(jī)一樣,擴(kuò)頻信號的捕獲與跟蹤是GPS接收機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。其中,捕獲是一個(gè)在時(shí)間與頻率二維平面上的搜索過程。近年來,已有大量針對DSSS信號捕獲的序貫檢測技術(shù)研究成果,出現(xiàn)了很多高性能的序貫檢測器;但在GPS領(lǐng)域,因?yàn)橄鄬τ谕ㄐ诺臄U(kuò)頻系統(tǒng)而言,GPS接收機(jī)的主要目標(biāo)是迅速而精確地估計(jì)用戶的位置和速度,而不是通信信號頻繁的發(fā)射與接收,所以,序貫捕獲更多是采用計(jì)算量不大且易于實(shí)現(xiàn)的檢測器。
    Tong搜索檢測器是一種可變滯留時(shí)間的搜索檢測器,其計(jì)算量適中,結(jié)構(gòu)簡單,因此在GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)中被廣泛使用。文給出了它的平均滯留時(shí)間、總捕獲概率和總虛警概率的計(jì)算公式。這些公式被廣泛引用;但是,在對GPS信號捕獲的研究過程中發(fā)現(xiàn),文給出的性能分析公式存在一些錯(cuò)誤,當(dāng)檢測器參數(shù)取某些值時(shí)計(jì)算結(jié)果可能與真實(shí)值相差很大。
    本文重新對Tong搜索檢測器的性能進(jìn)行理論分析,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo),給出了正確的總虛警概率、總檢測概率、平均滯留時(shí)間的計(jì)算公式,并通過數(shù)值仿真討論了搜索檢測器各個(gè)參數(shù)的作用。

1 時(shí)域串行捕獲過程
   
為了捕獲到GPS衛(wèi)星信號,接收機(jī)必須復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼和載波,只有當(dāng)復(fù)現(xiàn)的偽碼在相位上與接收到的偽碼相差不大于半個(gè)碼片,同時(shí),復(fù)現(xiàn)的載波與接收到的載波頻率偏差在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)時(shí),才有可能進(jìn)一步對信號進(jìn)行精確跟蹤,恢復(fù)精確的載波相位和偽碼。
    GPS接收機(jī)的捕獲模塊將輸入的數(shù)字中頻采樣信號與本地復(fù)現(xiàn)的載波和偽隨機(jī)碼相乘,之后送入相干累加器進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)偽碼周期的相干累加,將輸出的信號取能量或者包絡(luò)作為檢測統(tǒng)計(jì)量。該檢測統(tǒng)計(jì)量是偽碼相位偏差值和載波頻率偏差值的函數(shù)。當(dāng)這2個(gè)偏差值同時(shí)趨近于零時(shí),檢測統(tǒng)計(jì)量趨近最大值,而只要這2個(gè)偏差值之一稍稍變大,檢測統(tǒng)計(jì)量迅速減小,趨近于零;因此,可以采用門限判決法進(jìn)行信號捕獲。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量超過門限,則認(rèn)為當(dāng)前信號已經(jīng)對準(zhǔn),否則認(rèn)為當(dāng)前信號沒有對準(zhǔn),需要調(diào)整本地生成的載波頻率與偽碼相位,繼續(xù)進(jìn)行下一次的檢測。而這個(gè)調(diào)整過程可以看作一個(gè)在時(shí)間與頻率二維平面上的搜索過程。一個(gè)碼相位搜索增量與一個(gè)Doppler頻移搜索增量合并起來成為一個(gè)搜索方格。在每個(gè)搜索方格內(nèi),對輸入的同相I和
正交Q這2路信號進(jìn)行相干累加,并利用輸出結(jié)果的總能量I2+Q2作為檢測統(tǒng)計(jì)量與門限相比較,以確定當(dāng)前搜索方格是否包含有信號。
    若當(dāng)前搜索方格中不存在信號,檢測統(tǒng)計(jì)量滿足2個(gè)自由度的中心X2分布。其概率密度函數(shù)的表達(dá)式為


    若當(dāng)前搜索方格中存在信號,檢測統(tǒng)計(jì)量滿足2個(gè)自由度的非中心X2分布。其概率密度函數(shù)的表達(dá)式為


    檢測采用Neyman-Pearson準(zhǔn)則,當(dāng)設(shè)定所希望的單次虛警概率為


是廣義Marcum Q函數(shù)。
    計(jì)算表明,在相干累加周期T=1 ms,接收到信號的載噪比為39.54 dB·Hz的情況下,如果希望Pfa=10-3,則單次檢測的檢測概率僅為0.743。在實(shí)際應(yīng)用中這樣低的檢測性能是無法接受的,因此,在GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)中多采用多駐留搜索檢測器以提高系統(tǒng)的捕獲性能。

2  Tong搜索檢測器及其數(shù)學(xué)模型
   
由于單次判決的檢測概率與虛警概率均不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求,因此,Tong搜索檢測器使用了一種多次駐留的方法以提高檢測性能。其用一個(gè)上行/下行計(jì)數(shù)器K來判斷信號是否存在。如圖1所示,該計(jì)數(shù)器有2個(gè)關(guān)鍵的初始化參數(shù):最大值A(chǔ)和初始值B。對每一個(gè)搜索方格,計(jì)數(shù)器值都被初始化為K=B。對于每一次判決,如果檢測統(tǒng)計(jì)量超過門限,那么上行/下行計(jì)數(shù)器增加1。反之,如果檢測統(tǒng)計(jì)量沒有超過門限,則上行/下行計(jì)數(shù)器減少1。如果計(jì)數(shù)器的值達(dá)到了最大值A(chǔ),便判定信號存在,并且搜索過程結(jié)束,接收機(jī)進(jìn)入信號牽引及跟蹤環(huán)節(jié)。如果計(jì)數(shù)器的值到達(dá)了0,則判定信號不在當(dāng)前方格,搜索過程繼續(xù)處理下一個(gè)方格。

    對于實(shí)際存在信號的搜索方格,上行/下行計(jì)數(shù)器增加1的概率p為單次檢測概率Pd,計(jì)數(shù)器減少1的概率是l-Pd;而對于實(shí)際只含有噪聲的搜索方格,上行/下行計(jì)數(shù)器增加1的概率p為單次虛警概率Pfa,計(jì)數(shù)器減少1的概率是1-Pfa。

3  Tong搜索檢測器捕獲性能

工博士工業(yè)品商城聲明:凡資訊來源注明為其他媒體來源的信息,均為轉(zhuǎn)載自其他媒體,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),也不代表本網(wǎng)站對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。您若對該文章內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑,請立即與商城(headrickconstructioninc.com)聯(lián)系,本網(wǎng)站將迅速給您回應(yīng)并做處理。
聯(lián)系電話:021-31666777
新聞、技術(shù)文章投稿QQ:3267146135  投稿郵箱:syy@gongboshi.com