1. 引言
随着现代战争对制信息权的要求,空中飞行器向着高超音速(速度大于 5 马赫,即
1700 m/s)发展
[1]
。例如在临近空间运行的高超音速飞行器,具有快速、隐蔽和机动等特
点,但由此引入的多普勒频移可达 680 kHz,而为了避免天线损坏,又需要控制收发信号
的功率
[2]
。因此,高超音速的飞行器对机载通信平台在高动态、低信噪比环境下的捕获能
力提出了新的挑战。
在高动态条件下,进行信号捕获的最佳方法就是在时频域进行 2 维最大似然搜索
[3]
,
但由于其计算复杂度太高,不利于工程实现。目前通常采用的次优方法是先将信号进行分
段再进行最大似然处理
[4]
,也称为基于部分匹配滤波(Partial Matched Filtering, PMF)的处
理,文献[5]对此进行了详细的分析与对比。这类基于 PMF 的经典算法中,部分匹配滤波-
快速傅里叶变换(PMF-Fast Fourier Transform, PMF-FFT)
[6]
算法由于能够较好地实现复杂度
和性能的折中,在工程实现中最为常见。现有对 PMF-FFT 算法的进一步研究主要针对其
复杂度以及频偏适用范围进行改进
[7-9]
,但通常会付出精度降低或捕获性能减弱等代价。另
有一些算法
[10-12]
基于 PMF-FFT 得到,使捕获算法能够适用于一些特殊信号或者扩展了
PMF-FFT 算法的频偏适应范围,但都增加了算法复杂度或者减小了算法的适用范围。总而
言之,PMF-FFT 算法及其改进算法仍然面临频偏适应范围、抗噪声性能和计算复杂度的局
限性。其他一些算法
[13-15]
没有基于 PMF-FFT 算法进行设计,回避了 PMF-FFT 算法的一些
缺陷,但又引入了诸如算法适用范围减小,抗噪声性能不强或者需要更大的时间开销等一
些新的问题。因此,针对日益高速的空间通信需要,需要研究高动态条件下新的信号捕获
技术。
本文通过设计一种高动态环境下的同步信号,提出一种基于信号多样本点的串行 FFT
捕获算法(Multi-sample Serial-FFT, MS-FFT)。在接收机串行地对多个下采样信号序列进行
FFT,并将结果进行非相干叠加合并,获取相关峰以完成信号的时间同步;完成时间同步
后对不同 FFT 结果之间固定的相位差进行处理以实现信号频率捕获。理论分析将指出与经
典算法相比,所提算法的捕获性能与频偏大小无关,仅与采样率有关,并且计算复杂度也
没有明显增加。为了客观评估和比较所提算法和经典算法的性能,本文对存在频偏的条件
下,MS-FFT 与 PMF-FFT 算法的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR)进行了理论
推导,并通过仿真验证了理论推导的正确性。仿真表明在不增加复杂度,略微降低 SNR 性
能的条件下,所提算法具有远大于 PMF-FFT 算法的频率适应范围。
2. 系统模型和 PMF-FFT 算法
2.1 系统模型