開(kāi)題報(bào)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(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)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(diǎn)，可向各類用戶實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的時(shí)間、速度和位置信息，其應(yīng)

2、用涉及陸地交通、航空航天、海上導(dǎo)航、大地測(cè)量、移動(dòng)通信、石油勘探、地球科學(xué)等國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要意義，近年來(lái)許多國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展自己的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。主要包括美國(guó)的 GPS（Global Positioning system,全球定位系統(tǒng)）、俄國(guó)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(shè)中的我國(guó) BD（北斗）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本正準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)的 QZSS（準(zhǔn)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(lái)， 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(diǎn)，得到了快速而長(zhǎng)足的發(fā)展?，F(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(duì)地覆蓋面積最大，地面站跟蹤衛(wèi)星最簡(jiǎn)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(gè)軌道，軌道資源就顯得非常擁擠。且軌道較高，使得信號(hào)的傳輸損耗和時(shí)延均很大。此外地面接收設(shè)備需要大體積高功率的天線，因而在某些通信領(lǐng)域，特別是在衛(wèi)星移動(dòng)通信應(yīng)用方面，其發(fā)展受到了較為嚴(yán)重的影響[1]。如今，隨著通信的業(yè)務(wù)的需要，中低軌道衛(wèi)星收到了更為廣泛的關(guān)注和應(yīng)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(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)，已經(jīng)得到的廣泛的應(yīng)用。我國(guó)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(jìn)中。如今，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)越來(lái)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(guó)</p><p>　　的全球定位系統(tǒng)(GPS)從 Block-IIR 衛(wèi)星開(kāi)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(yīng)、多徑衰落等現(xiàn)象，因而接收信</p><p>　　號(hào)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(kuò)頻技術(shù)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(shù)[3]。 具有良好的抗干擾性</p><p>　　能，擴(kuò)頻通信技術(shù)在衛(wèi)星通信中得到了廣泛的應(yīng)用

7、。而對(duì)于擴(kuò)頻接收機(jī)，最關(guān)鍵</p><p>　　問(wèn)題之一是本地偽隨機(jī)碼是否與接收的偽隨機(jī)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(huì)降低本地偽碼與接收偽碼的同步時(shí)的相關(guān)峰值，從而加大接收機(jī)對(duì)偽碼的捕獲難度。一般地，衛(wèi)星通信中采用的偽碼的長(zhǎng)度都比較大，這是為了保證通信的可靠性。而且由于業(yè)務(wù)的需要，系統(tǒng)要求的同步時(shí)間非常短。

8、因而在大多普勒頻偏下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)碼的快速捕獲，具有重大的研究意義。本課題研究就是針對(duì)低軌道衛(wèi)星通信中的大多普勒頻譜偏移，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻偽碼的同步捕獲。 </p><p>　　進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著微電子技術(shù)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(shè)計(jì)。比如 Altera 公司推出的

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

10、實(shí)踐的方法檢驗(yàn)算法理論的可行性，更具有意義。 本課題將對(duì)一種時(shí)頻二維同時(shí)搜索的方法進(jìn)行重點(diǎn)研究討論，并在 FPGA 仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該算法。 </p><p>　　擴(kuò)頻技術(shù)具有抗干擾、抗多徑、保密性好、可實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)測(cè)距及碼分多址等優(yōu)點(diǎn)[4]，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)越性是以精確同步為前提的，因此，擴(kuò)頻通信技術(shù)中的首要問(wèn)題是保證擴(kuò)頻信號(hào)的同步。擴(kuò)頻信號(hào)同步包括捕獲粗同步和跟蹤精同步，擴(kuò)頻信號(hào)在捕

11、獲階段完成粗同步后緊接著進(jìn)入跟蹤環(huán)路，實(shí)現(xiàn)最終的精同步[5]。捕獲過(guò)程是偽碼相位和載波頻率的二維捕獲過(guò)程，捕獲過(guò)程得到的頻率精度直接關(guān)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(hào)。高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)載體運(yùn)動(dòng)速度較快，使擴(kuò)頻信號(hào)存在著較大的多普勒頻偏，這會(huì)使本地偽碼與接收偽碼同步時(shí)的輸出增益大幅衰減，從而加大 GNSS 接收機(jī)的捕獲難度，增大系統(tǒng)捕獲時(shí)間。因此，在多普勒頻偏較大的情況下，實(shí)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：</p><p>　　從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始至今，擴(kuò)頻技術(shù)不斷蓬勃發(fā)展，擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前較為成熟的捕獲算法主要有：滑動(dòng)相關(guān)器、匹配濾波器、數(shù)字差動(dòng)捕獲算法以及基于 FFT 的捕獲算法[8-10]。20 世紀(jì) 80 年代，匹配濾波器的理論研究與工程實(shí)現(xiàn)都有了一定的發(fā)展[7]。文獻(xiàn)[25]將其

13、引入到偽碼捕獲中，并做了相關(guān)討論。20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，基于 FFT 的捕獲算法成為研究熱點(diǎn)[7]。基于 FFT 的捕獲算法主要有兩種，一種是利用 FFT 將時(shí)域內(nèi)的相關(guān)運(yùn)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(guān)運(yùn)算后進(jìn)行 FFT 運(yùn)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(jié)合 FFT 的捕

14、獲算法，為后來(lái)該算法的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[7]描述了較大的多普勒頻偏下的一種非相干檢測(cè)的快速捕獲系統(tǒng)，首次給出了基于PMF-FFT 結(jié)構(gòu)的捕獲算法[6,7]。該算法通過(guò) PMF（部分匹配濾波器）將接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行部分相關(guān)運(yùn)</p><p>　　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)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(shù)得到

15、廣泛的研究，為快速偽碼捕獲技術(shù)開(kāi)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(shí)域偽碼與接收信號(hào)的循環(huán)卷積可以表示為頻域的共軛相乘，這樣接收信號(hào)與本地偽碼分別通過(guò)FFT變換共軛相乘后，再通過(guò)IFFT變換即可在一個(gè)碼片時(shí)間內(nèi)完成碼相位的捕獲[3]。這種技術(shù)大大節(jié)約了偽碼捕獲的時(shí)間，可以說(shuō)是革命性的進(jìn)展。由于FFT算法難以克服符號(hào)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(duì)

16、本地偽碼進(jìn)行N倍的折疊，其搜索范圍也相應(yīng)的擴(kuò)大N倍，從而快速捕獲偽碼相位[4]。在國(guó)內(nèi)，Hong Li等人在XFAST算法的基礎(chǔ)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(shí)間，因此提高了系統(tǒng)檢測(cè)性能，進(jìn)而減少了捕獲時(shí)間[5]。由于FFT的引入，捕獲算法的硬件復(fù)雜度也成為一個(gè)不可忽視的指標(biāo)，J.A.Starzyk等人提</p>&l

17、t;p>　　最為常用的捕獲技術(shù)是串并行時(shí)頻二維搜索技術(shù)，這種技術(shù)隨著擴(kuò)頻技術(shù)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(duì)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(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出相干捕獲技術(shù)在克服符號(hào)反轉(zhuǎn)方面優(yōu)于其他兩種，并建議應(yīng)用在GNSS系統(tǒng)中[1]。Jack.K.Holmes通過(guò)信號(hào)流圖，對(duì)單次駐留捕獲技術(shù)的虛警概率、檢測(cè)概率和捕獲時(shí)間等性能進(jìn)行的全面深入的研究，同時(shí)提

18、出了多普勒頻偏對(duì)PN碼捕獲性能的影響。</p><p>　　目前，針對(duì)PMF_FFT算法的捕獲技術(shù)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(duì)碼相進(jìn)行估計(jì)，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(shí)間。根據(jù)多駐留模式的信號(hào)流圖，給出了系統(tǒng)傳輸函數(shù)，得到了關(guān)于駐留時(shí)間、檢測(cè)概率、虛警概率等的系統(tǒng)捕獲時(shí)間和方差的表達(dá)式[13

19、]。近年來(lái)，隨著壓縮感知理論的提出，及其在信號(hào)恢復(fù)方面的廣泛研究，壓縮搜索的技術(shù)也逐漸被應(yīng)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(kuò)信號(hào)接收技術(shù)，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(jī)感知矩陣（random sensing matrices）更適合脈沖成型的直擴(kuò)信號(hào)，并對(duì)對(duì)誤碼率性能進(jìn)行了分析[14

20、]。Binhee Kim等提出了一種基于雙駐留模式的在時(shí)域和頻域進(jìn)行壓縮搜索的捕獲方法TDCC(Two-Dimensional Compressed Correlator)，第一駐留是在一個(gè)壓縮了的PN碼</p><p><b>　　1.3研究目的：</b></p><p>　　本文擬對(duì)PMF_FFT偽碼捕獲算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于碼相位壓縮的改進(jìn)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(shí)間，提高了FFT算法對(duì)多普勒頻偏的捕獲精度以及系統(tǒng)帶寬，將進(jìn)一步滿足高動(dòng)態(tài)長(zhǎng)碼捕獲技術(shù)的性能需求。</p><p>　　課題任務(wù)、重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑</p><p><b>　　2.1課題任務(wù)</b></p><p>　　了解擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的信號(hào)結(jié)構(gòu)，理解擴(kuò)頻通信技術(shù)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(yīng)用FPGA芯片的設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)VHDL/Verilog HDL硬件編程思維；</p><p><b>

23、;　　2.2重點(diǎn)研究?jī)?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(kuò)頻通信技術(shù)的基本知識(shí)，包括擴(kuò)頻通信的基本原理、特點(diǎn)以及分類。以及直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本形式及 m 序列的特點(diǎn)。分析了傳統(tǒng)捕獲算法特點(diǎn)，并詳細(xì)分析了優(yōu)化的混合串并行捕獲方式。</p><p>　　接著對(duì) PMF-FFT 捕獲算法進(jìn)行了具體分析，并通過(guò)對(duì) FFT 的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗和

24、增加 FFT 點(diǎn)數(shù)的方法對(duì)扇貝損失進(jìn)行改善，對(duì) PMF 的輸入數(shù)據(jù)也進(jìn)行加窗以提高頻偏的識(shí)別范圍，對(duì)改進(jìn)后的算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明改進(jìn)后算法的有效性，并通過(guò) Matlab仿真分析改進(jìn)算法的捕獲性能。</p><p>　　最后在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的 PMF-FFT 捕獲算法。詳細(xì)介紹各模塊的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)頂層模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證。</p><p><b>　　2.3實(shí)現(xiàn)途徑<

25、/b></p><p>　　首先，PMF_FFT捕獲算法已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)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(chǔ)上，探索其與PMF_FFT捕獲算法相結(jié)合的理論依據(jù)； </p><p>　　建立新算法的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)其虛警概率、檢測(cè)概率、平均捕獲時(shí)間等性能的表達(dá)公式，利用Matlab仿真軟件，對(duì)改進(jìn)算法與傳統(tǒng)PMF_FFT捕獲

26、算法的性能進(jìn)行深入分析對(duì)比； </p><p>　　分析改進(jìn)的PMF_FFT捕獲算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，在現(xiàn)有技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，研究其在FPGA平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)方法。</p><p>　　參考文獻(xiàn)：（不得少于10篇）</p><p>　　Yang D C. FFT Acquisition of Periodic, Aperiodic, Puncture, and Overla

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