開題報告---全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

1、<p><b>　　附件B：</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p>　　1、課題的目的及意義</p><p>　　1.1課題研究背景及意義</p><p>　　全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）具有全天候、大范圍、連續(xù)、高精度等特點，可向各類用戶實時提供準確的時間、速度和位置信息，其應

2、用涉及陸地交通、航空航天、海上導航、大地測量、移動通信、石油勘探、地球科學等國防建設和國民經(jīng)濟的各個領域[1]。鑒于衛(wèi)星導航系統(tǒng)對國家安全和經(jīng)濟發(fā)展的重要意義，近年來許多國家都在競相發(fā)展自己的導航衛(wèi)星系統(tǒng)。主要包括美國的 GPS（Global Positioning system,全球定位系統(tǒng)）、俄國的GLONASS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、歐洲的 Galileo（伽利略

3、）系統(tǒng)、正在建設中的我國 BD（北斗）衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及日本正準備開發(fā)的 QZSS（準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）等[1-3]。</p><p>　　自從1965年全球首顆商用同步衛(wèi)星成功發(fā)射以來， 衛(wèi)星通信因其覆蓋面積大、組網(wǎng)靈活、頻帶資源豐富以及傳輸容量大等特點，得到了快速而長足的發(fā)展。現(xiàn)如今已成為一種不可或缺的重要通信方式。在四種軌道通信衛(wèi)星中，靜止軌道衛(wèi)星(GEO)對地覆蓋面積最大，地面站跟蹤衛(wèi)星最簡單，被在大多數(shù)的衛(wèi)星

4、通信系統(tǒng)中所采用。但因其共用一個軌道，軌道資源就顯得非常擁擠。且軌道較高，使得信號的傳輸損耗和時延均很大。此外地面接收設備需要大體積高功率的天線，因而在某些通信領域，特別是在衛(wèi)星移動通信應用方面，其發(fā)展受到了較為嚴重的影響[1]。如今，隨著通信的業(yè)務的需要，中低軌道衛(wèi)星收到了更為廣泛的關注和應用。一些低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)商用，比如世界最為著名的美國全球定位系統(tǒng)(GPS)，已經(jīng)得到的廣泛的應用。我國也加大了這方面的研究和投入，北斗<

5、;/p><p>　　產(chǎn)業(yè)化正在穩(wěn)步的前進中。如今，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡化趨勢越來越明顯，衛(wèi)星</p><p>　　不僅僅和地面存在上下行鏈路，而且星與星之間也存在著交互信息的鏈路。美國</p><p>　　的全球定位系統(tǒng)(GPS)從 Block-IIR 衛(wèi)星開始就引入了星間鏈路。由于低軌道衛(wèi)星</p><p>　　繞地的旋轉(zhuǎn)速度非常大，致使星地、星

6、間鏈路不可避免的存在多普勒頻譜偏移[2]。 </p><p>　　衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常存在電磁互擾、陰影效應、多徑衰落等現(xiàn)象，因而接收信</p><p>　　號的信噪比一般比較低。信息傳輸?shù)沫h(huán)境惡劣，可靠性差。擴頻技術是圍繞高信息傳輸?shù)目煽啃远岢龅挠袆e于其他通信系統(tǒng)的新技術[3]。 具有良好的抗干擾性</p><p>　　能，擴頻通信技術在衛(wèi)星通信中得到了廣泛的應用

7、。而對于擴頻接收機，最關鍵</p><p>　　問題之一是本地偽隨機碼是否與接收的偽隨機碼取得同步。由于低軌道衛(wèi)星通信</p><p>　　系統(tǒng)存在著幾十 kHz 到幾百 kHz 的多普勒頻譜偏移，這會降低本地偽碼與接收偽碼的同步時的相關峰值，從而加大接收機對偽碼的捕獲難度。一般地，衛(wèi)星通信中采用的偽碼的長度都比較大，這是為了保證通信的可靠性。而且由于業(yè)務的需要，系統(tǒng)要求的同步時間非常短。

8、因而在大多普勒頻偏下，實現(xiàn)長碼的快速捕獲，具有重大的研究意義。本課題研究就是針對低軌道衛(wèi)星通信中的大多普勒頻譜偏移，實現(xiàn)擴頻偽碼的同步捕獲。 </p><p>　　進入二十一世紀以來，隨著微電子技術的發(fā)展，超大規(guī)模、高速、低功耗的</p><p>　　新型 FPGA 不斷推陳革新。新一代的 FPGA 甚至集成了中央處理器或數(shù)字處理器內(nèi)核，可提供軟硬件協(xié)同設計。比如 Altera 公司推出的

9、 Stratix 系列高端 FPGA 具有許多系統(tǒng)級的功能模塊：用于時鐘產(chǎn)生和管理的鎖相環(huán)(PLL: Phase-Locked Loop)、用于片內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的 RAM 模塊、用于數(shù)字信號處理的DSP模塊。因而，</p><p>　　高速的可編程的 FPGA 和 DSP 技術，以及軟件無線電的思想為實現(xiàn)快速捕獲注入了新的設計思路。本課題不僅僅局限于理論上對捕獲算法的研究，而且更為注重于算法的 FPGA的具體實現(xiàn)。用

10、實踐的方法檢驗算法理論的可行性，更具有意義。 本課題將對一種時頻二維同時搜索的方法進行重點研究討論，并在 FPGA 仿真平臺上實現(xiàn)該算法。 </p><p>　　擴頻技術具有抗干擾、抗多徑、保密性好、可實現(xiàn)精確定時測距及碼分多址等優(yōu)點[4]，在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中得到廣泛應用。擴頻技術的優(yōu)越性是以精確同步為前提的，因此，擴頻通信技術中的首要問題是保證擴頻信號的同步。擴頻信號同步包括捕獲粗同步和跟蹤精同步，擴頻信號在捕

11、獲階段完成粗同步后緊接著進入跟蹤環(huán)路，實現(xiàn)最終的精同步[5]。捕獲過程是偽碼相位和載波頻率的二維捕獲過程，捕獲過程得到的頻率精度直接關系著后續(xù)跟蹤環(huán)的跟蹤速度，甚至是能否成功跟蹤到信號。高動態(tài)擴頻信號載體運動速度較快，使擴頻信號存在著較大的多普勒頻偏，這會使本地偽碼與接收偽碼同步時的輸出增益大幅衰減，從而加大 GNSS 接收機的捕獲難度，增大系統(tǒng)捕獲時間。因此，在多普勒頻偏較大的情況下，實現(xiàn)偽碼的快速捕獲，并得到較高的頻率分辨率，具有重

12、要研究意義。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：</p><p>　　從 20 世紀 50 年代開始至今，擴頻技術不斷蓬勃發(fā)展，擴頻信號的快速捕獲一直是國內(nèi)外學者研究的熱點問題，目前較為成熟的捕獲算法主要有：滑動相關器、匹配濾波器、數(shù)字差動捕獲算法以及基于 FFT 的捕獲算法[8-10]。20 世紀 80 年代，匹配濾波器的理論研究與工程實現(xiàn)都有了一定的發(fā)展[7]。文獻[25]將其

13、引入到偽碼捕獲中，并做了相關討論。20 世紀 90 年代開始，基于 FFT 的捕獲算法成為研究熱點[7]?；?FFT 的捕獲算法主要有兩種，一種是利用 FFT 將時域內(nèi)的相關運算轉(zhuǎn)換成頻域內(nèi)的相乘；另一種是在接收數(shù)據(jù)與本地偽碼相關運算后進行 FFT 運算，確定載波多普勒頻率，從而使碼相位與載波多普勒的二維搜索轉(zhuǎn)變?yōu)榇a相位的一維搜索。G.J.R.Povey 等人首先提出了匹配濾波器（MF：Matche Fileter）結合 FFT 的捕

14、獲算法，為后來該算法的發(fā)展做出了很大的貢獻。文獻[7]描述了較大的多普勒頻偏下的一種非相干檢測的快速捕獲系統(tǒng)，首次給出了基于PMF-FFT 結構的捕獲算法[6,7]。該算法通過 PMF（部分匹配濾波器）將接收信號與本地產(chǎn)生的偽隨機碼進行部分相關運</p><p>　　隨著數(shù)字信號處理技術以及FPGA、DSP等大規(guī)模集成器件的快速發(fā)展，基于FFT（Fast Fourier Transform）算法的偽碼捕獲技術得到

15、廣泛的研究，為快速偽碼捕獲技術開辟了新的道路。V.Nee等人首次將FFT算法引入偽碼捕獲系統(tǒng)中，其基本思想是在時域偽碼與接收信號的循環(huán)卷積可以表示為頻域的共軛相乘，這樣接收信號與本地偽碼分別通過FFT變換共軛相乘后，再通過IFFT變換即可在一個碼片時間內(nèi)完成碼相位的捕獲[3]。這種技術大大節(jié)約了偽碼捕獲的時間，可以說是革命性的進展。由于FFT算法難以克服符號反轉(zhuǎn)，C.Yang等人提出了一種基于FFT的快速P碼捕獲算法，XFAST算法，對

16、本地偽碼進行N倍的折疊，其搜索范圍也相應的擴大N倍，從而快速捕獲偽碼相位[4]。在國內(nèi)，Hong Li等人在XFAST算法的基礎上提出了基于XFAST的雙折疊（DF:Dual-Folding Acquisition Method）捕獲算法，雙折疊算法增加了相干積分時間，因此提高了系統(tǒng)檢測性能，進而減少了捕獲時間[5]。由于FFT的引入，捕獲算法的硬件復雜度也成為一個不可忽視的指標，J.A.Starzyk等人提</p>&l

17、t;p>　　最為常用的捕獲技術是串并行時頻二維搜索技術，這種技術隨著擴頻技術的發(fā)展已經(jīng)得到了非常廣泛和系統(tǒng)的研究。其中，DANIELE BORIO等人已經(jīng)對相干、非相干和差分相干的聯(lián)合捕獲這種典型的串并行捕獲技術進行了詳細的分析，指出相干捕獲技術在克服符號反轉(zhuǎn)方面優(yōu)于其他兩種，并建議應用在GNSS系統(tǒng)中[1]。Jack.K.Holmes通過信號流圖，對單次駐留捕獲技術的虛警概率、檢測概率和捕獲時間等性能進行的全面深入的研究，同時提

18、出了多普勒頻偏對PN碼捕獲性能的影響。</p><p>　　目前，針對PMF_FFT算法的捕獲技術都是基于單駐留模式的，是在碼相位上的一維搜索。M.Dicarlo提出了一種多駐留模式的偽碼捕獲方案，多駐留模式允許以一定間隔對碼相進行估計，這樣可以快速排除不正確的碼相位，這樣可以大大縮短捕獲時間。根據(jù)多駐留模式的信號流圖，給出了系統(tǒng)傳輸函數(shù)，得到了關于駐留時間、檢測概率、虛警概率等的系統(tǒng)捕獲時間和方差的表達式[13

19、]。近年來，隨著壓縮感知理論的提出，及其在信號恢復方面的廣泛研究，壓縮搜索的技術也逐漸被應用到偽碼捕獲系統(tǒng)中。SH Kong研究了一種壓縮輔助的，在多徑頻率選擇性衰落信道下的直擴信號接收技術，提出了一種確定的低通正弦矩陣（deterministic low pass sinusoid (LPS) matrix）比常用的隨機感知矩陣（random sensing matrices）更適合脈沖成型的直擴信號，并對對誤碼率性能進行了分析[14

20、]。Binhee Kim等提出了一種基于雙駐留模式的在時域和頻域進行壓縮搜索的捕獲方法TDCC(Two-Dimensional Compressed Correlator)，第一駐留是在一個壓縮了的PN碼</p><p><b>　　1.3研究目的：</b></p><p>　　本文擬對PMF_FFT偽碼捕獲算法進行改進，提出一種基于碼相位壓縮的改進型PMF_FFT捕

21、獲算法，該算法與傳統(tǒng)PMF_FFT算法相比，大大節(jié)約了系統(tǒng)的平均捕獲時間，提高了FFT算法對多普勒頻偏的捕獲精度以及系統(tǒng)帶寬，將進一步滿足高動態(tài)長碼捕獲技術的性能需求。</p><p>　　課題任務、重點研究內(nèi)容、實現(xiàn)途徑</p><p><b>　　2.1課題任務</b></p><p>　　了解擴頻通信系統(tǒng)中的信號結構，理解擴頻通信技術的基

22、本原理；</p><p>　　理解常用偽碼捕獲算法的基本原理，利用matlab仿真分析算法性能；</p><p>　　掌握PMF-FFT快速捕獲算法的基本原理，利用matlab仿真分析該算法的偽碼捕獲性能；</p><p>　　掌握應用FPGA芯片的設計思路，培養(yǎng)VHDL/Verilog HDL硬件編程思維；</p><p><b>

23、;　　2.2重點研究內(nèi)容</b></p><p>　　首先介紹了課題研究背景、意義及研究現(xiàn)狀。了解擴頻通信技術的基本知識，包括擴頻通信的基本原理、特點以及分類。以及直接序列擴頻系統(tǒng)的基本形式及 m 序列的特點。分析了傳統(tǒng)捕獲算法特點，并詳細分析了優(yōu)化的混合串并行捕獲方式。</p><p>　　接著對 PMF-FFT 捕獲算法進行了具體分析，并通過對 FFT 的輸入數(shù)據(jù)進行加窗和

24、增加 FFT 點數(shù)的方法對扇貝損失進行改善，對 PMF 的輸入數(shù)據(jù)也進行加窗以提高頻偏的識別范圍，對改進后的算法進行仿真驗證，證明改進后算法的有效性，并通過 Matlab仿真分析改進算法的捕獲性能。</p><p>　　最后在 FPGA 上實現(xiàn)改進的 PMF-FFT 捕獲算法。詳細介紹各模塊的設計方法，并對頂層模塊進行仿真驗證。</p><p><b>　　2.3實現(xiàn)途徑<

25、/b></p><p>　　首先，PMF_FFT捕獲算法已經(jīng)得到了國內(nèi)外學者的廣泛研究，通過查閱相關文獻掌握算法的基本原理； 在深入分析近年新提出的TDCC捕獲算法的基礎上，探索其與PMF_FFT捕獲算法相結合的理論依據(jù)； </p><p>　　建立新算法的數(shù)學模型，并推導其虛警概率、檢測概率、平均捕獲時間等性能的表達公式，利用Matlab仿真軟件，對改進算法與傳統(tǒng)PMF_FFT捕獲

26、算法的性能進行深入分析對比； </p><p>　　分析改進的PMF_FFT捕獲算法的實現(xiàn)復雜度，在現(xiàn)有技術條件的基礎上，研究其在FPGA平臺上的實現(xiàn)方法。</p><p>　　參考文獻：（不得少于10篇）</p><p>　　Yang D C. FFT Acquisition of Periodic, Aperiodic, Puncture, and Overla

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28、p><p>　　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 Pro

29、ceedings. 2006: 1161-1164.</p><p>　　何世彪，譚曉衡.擴頻技術及其實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007</p><p>　　韋慧民，張邦寧.擴頻通信技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007</p><p>　　鄭稷.擴頻通信系統(tǒng)中偽碼捕獲技術研究[D].重慶：重慶大學，2007</p><

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31、nic Systems,2009,45(3):1227-1231</p><p>　　章蘭英，袁嗣杰，劉海洋，史學書. 基于加窗 PMF-FFT 的擴頻信號捕獲算法研究. 系統(tǒng)仿真學報(C). 2009年第21卷第17期：5536-5539.</p><p>　　Chen Yong, Zhao HangSheng. A twi-serial-parallel correlator with

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34、的分段匹配濾波器性能分析[J].山西電子技術,2011,(1):49-51.</p><p>　　何蘇勤 , 王昊 . 一種提高 PMF-FFT 捕獲算法多普勒頻偏估計精度的方法 [J]. 電子設計工程,2012,20(12):9-12.DOI:10.3969/j.issn.1674-6236.2012.12.003.</p><p>　　Kong S. A Deterministic C

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36、S COMMUNICATIONS, 2014, 13(5):2798-2810. </p><p>　　學生簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　4、指導教師意見</b></p><p><b>　　指導教師簽名： </b></p&g