高阶BOC调制卫星通信信号捕获算法研究及FPGA验证

摘要

目前，导航卫星系统进入高速发展时期，部署导航卫星系统成为世界各国重要发展战略，全球导航卫星系统提供的授时定位等服务已被广泛应用于各个领域。为满足各领域的需求，针对导航接收机的研究对于导航卫星系统的完善与发展具有重要意义。捕获作为导航接收机中基带信号处理的关键模块和核心技术，决定着接收机性能。二进制偏移载波（BOC）调制广泛应用于新一代导航接收机中，在捕获中具有高精度、强抗干扰能力等独特优势，但同时也存在模糊捕获的问题。本文针对高阶BOC调制进行捕获算法研究、设计以及FPGA验证。 本文首先介绍了卫星导航原理，以北斗系统为例介绍了导航卫星系统架构，着重研究了BOC调制信号的结构和特征，作为算法研究的理论基础。然后介绍了导航接收机的基本架构，信号捕获过程是以卫星搜索、测距码相位、多普勒频移构成的三维搜索过程。根据捕获原理，仿真并分析传统捕获算法的性能与优劣，并研究了弱信号条件下的处理办法：相干积分和非相干积分。同时，仿真并讨论了峰跳法、相关函数合成法、类BPSK算法这三类BOC调制捕获算法。针对高阶BOC调制信号，本文设计了多峰检测时域并行捕获（TPAMPD）算法，并进行了功能仿真和性能测试，结果证明算法在载噪比为40dB·Hz的环境下实现无模糊捕获功能，且当虚警概率不高于10-3时，捕获概率不低于0.9。最后，本文在FPGA中对算法进行验证，使用Verilog HDL语言对算法模块进行设计和仿真，在Xilinx VC707套件中对算法进行了板级测试验证，证明算法的可行性。 本文设计的多峰检测时域并行捕获算法可以满足接收机性能要求，在FPGA中设计的捕获算法模块可以对实现高阶BOC调制信号的捕获功能，便于移植到芯片中应用，具备较好性能和实用性。

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插图与表格

缩略语表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文章节安排

第2章 卫星导航原理及BOC调制信号特征

2.1 导航卫星系统概述

2.1.1 导航卫星系统架构

2.1.2 卫星定位原理

2.1.3 伪码测距原理

2.2 北斗卫星导航系统

2.2.1 北斗系统概述

2.2.2 北斗系统信号

2.3 BOC调制信号

2.3.1 BOC调制信号构成

2.3.2 BOC调制信号特征

2.4本章小结

第3章 导航卫星信号捕获算法研究与分析

3.1 导航接收机原理结构

3.2 导航卫星信号捕获原理

3.2.1 载噪比与信噪比

3.2.2测距码相位

3.2.3多普勒频移

3.2.4捕获搜索过程

3.3 经典捕获算法

3.3.1 顺序捕获

3.3.2 频域并行捕获

3.3.3 时域并行捕获

3.4 弱信号处理

3.4.1 相干积分

3.4.2 非相干积分

3.5 本章小结

第4章 高阶BOC调制卫号信号捕获算法设计与仿真

4.1 高阶BOC调制算法分析

4.1.1 峰跳法

4.1.2 相关函数合成法

4.1.3 BPSK-like算法

4.2 多峰检测时域并行捕获（TPAMPD）算法设计

4.3 信号检测与捕获概率

4.3.1 检测与判定策略

4.3.2 捕获概率

4.4 多峰检测时域并行捕获（TPAMPD）算法性能分析

4.5 本章小结

第5章 多峰检测时域并行捕获算法的FPGA验证

5.1 FPGA概述

5.2 多峰检测时域并行捕获算法FPGA设计

5.2.1 信号输入

5.2.2 副载波消除

5.2.3 平均采样

5.2.4 相关值运算

5.2.5 检测与判决

5.3 多峰检测时域并行捕获（TPAMPD）算法整体FPGA验证

5.4本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文