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年第4期文章编号： 1001- 3X （）-0128 - 04 03
专题述评
SUMMARIZATION
直接序列扩频通信系统中PN码相位正确测量方法
胡修林，张 俊， 杨 灵
*
（华中科技大学 电信系， 湖北 武汉 430074）
摘
要：本文提出了一个正确测量当地 PN码和输入PN码相位差方法，这种方法结合了数
值分析
算法和数字信号处理技术，经过对鉴相单元输出值处理得到很高测量精度， 而且因为
这种方法为全数字方法， 能够用 FPGA、DSP等处理芯片方便地实现。文中给出了计算机仿
真结果，并依据 仿真结果分析了此方法正确度和抗噪声性能。这种方法在伪码测距、高精
度伪码捕捉跟踪、差分 定位等领域中有很大应用价值。 关键词： 扩频通信；码相位； PN
最小二乘法中图分类号： TN914.42 文件标识码：A
AMethod for Accurately Measuring the Phase of PN Code in DSSS Systems
HUXiu - Lin，ZHANGJun，YANGLing
（HuazhongUniversity of Science and Technology，Wuhan430074，China）
Abstract：methodfor accurately measuring the phase error between the local PN code
andthe received A PN code is studied. This method is a combination ofnumerical
analysisalgorithm and DSP technology. It analyses the output of phase - errorunit
togain high accuracy. Besides，itis a all - digital method which can be realized
conveniently.The accuracy and the anti - noise performance of the method areanalyzed
basedon the result of computer simulation. This method is of great valuein the fields
ofpseudorandom ranging，high- accuracy pseudorandom acquisition and tracking，
differentialorientation and so on. Key words：Spectrumspread communication；Phase
ofPN code；Leastsquares method 这个相位差是无法用数字方法直接正确测量。但是，在
一些应用中，比如卫星差分定位时， 需要正确 知道这个相位差值来提升定位精度。本文提出
了一个测量这种相位差全数字方法。
一、引
言
在直接序列扩频DSSS）（ 通信过程中， 为了使 当地 PN码和输入PN码同时，收信机
需要对输入PN码进行捕捉和跟踪，当当地 PN码和输入PN码相位差在所要求范围之内时，
我们就认为收、发两 端 PN码已经达成同时。即使当跟踪环已经达成稳定状态， 因为环路
噪声等原因，当地 PN码和输入PN码也会存在一个相位差。在通常取样频率下，
二、鉴相单元及鉴相误差曲线
方法中用到超前-延迟鉴相单元原理图如图 1。
*
收稿日期： -08 - 19
128?
年第4期
专题述评
SUMMARIZATION
图1
鉴相单元原理框图
记图1所表示鉴相单元输入信号为基带信号x（n）在不计噪声影响情况下 x（n），
表示式为BB x（n）=A k PN nT s ）-j2πΔfnTs （eB （1）
TPN 为其中 Ak 为信息码，s为系统取样周期，（ nTs ）PN码离散时域表示式，
f为下变频后残留频Δ差。， 记当地伪随机码为 PNnT s + K e ）Ke 为当地（ PN码和输入
PN码相位差值，超前当地 PN码1/ Tc + K e ）滞后于当地 ， 2Chip PN 码为PNnT
s+ （2PN 码1/ 2 Chip PN 码为PNnT s （Tc+ Ke ）。基 2
图2P（k）Ke 函数关系和 e
三、码相位测量方法 PN
收信机捕捉输入PN码，捕捉成功后当地 PN码和输入 PN码相位差小于Tc / 2。然后收
信机跟踪输入 PN码相位，使适当地 PN码和输入PN码相位差小于 Tc / 8。这时就能
够开始估量残留相位差了。 PN码相位测量方法图3所表示。
带信号分别和超前和滞后PN码相乘，每一路相 乘结果分别在一个信息码元内累加，
每一路进行相关处理后结果分别记为 R+ k）R- k）则 （ 和 （ ，
N-1
R+（k）=R -（k）=
PNB Σ x（n+ kN）（ nTsn =0
N-1
+-
Tc+ Ke ）2Tc + Ke ）2（2）
PNΣ x（n+ kN）（ nTsB n =0
式中N为每一个信息码元采样次数，=信码周N期/采样周期。（ 和 （ 模平方值，
然后分别求出R+ k）R- k）将两个平方值做差就得到所需要鉴相误差值。鉴相误差值表示
式为P（k）=| R -（k）|2 -| R +（k）|2 e Tc Tc =［R2（Ke - ）-R2 （Ke
+）（3）］ PNPN 2 2
图3相位测量实现框图
（为 其中函数 RPN τ）PN码自相关函数：RPN т）=E PN t）（ t+ т）（
［（ PN］和 P（k）Ke 函数关系近似为图2e
［1］
首先，固定 PN码码NCO步进长度即可变 （ 模计数器不再调整步长） 然后若干个鉴相
单元使， 用不一样相位 PN码，同时和输入 PN码进行提取相?129?
（4）
。
年第4期位差运算， 从而产生不一样鉴相误差值， 而这些鉴相误差值在理论上应该
组成图2所表示鉴相曲线。因为跟踪环境保护证了当地 PN码和输入PN码所以各个鉴相单
元所使用PN相位差小于Tc / 8，码相位和输入 PN码相位相差小于Tc / 2。当满足上述条件
时，由实测鉴相误差值拟和出来鉴 相误差曲线肯定是一条直线段，对应图 2中-T c / 2
到Tc / 2 那一段。然后就能够依据拟和出鉴相误差曲线过零点来测量出当地 PN码和输入
PN码相位差。记图 3中鉴相误差值1～7分别为为Pe1～Pe7。不计噪声影响，～ Pe7
就是 鉴 相 曲 线 图 Pe1（2）上点。受噪声干扰影响， Pe1～Pe7会和鉴则 相曲线有所偏
差。令各鉴相单元使用PN码相位和当地 PN码相位差值为x，令鉴相误差值为 y，以 x
为横轴、为纵轴建立坐标系， Pe1～Pe7对应y则点 座 标 分 别 为 -3Tc / 16，
Pe1）（ -Tc / 8，（ 、 Pe2）（-Tc / 16，Pe3）（0，Pe4）（Tc/ 16，Pe5）、 、
、、 （ Tc/ 8，Pe6）（3Tc/ 16，Pe7）、 。 依据这 7个坐标用最小二乘法进行直线拟和，
如图 4所表示。当地PN码相位在这个坐标系下坐标为 0，而输入 PN码相位坐标为直线和
轴交点R坐标。所以这条直线和轴交点横坐标值就表征了当地 PN码和实际接收PN码相位
差。^e = P
Mi =1 2 i
专题述评
SUMMARIZATION
注意到式中xi 是相关原点对称，Σx i = 0，即
i=1 M
所以式（5）能够深入简化为
MM
x0= -
Σy i Σ x2i i =1 i =1
M
（6）
MΣx i y i
i=1
式中，Σx是一个能够事先计算出来常因为 数， 所以这个计算式中运算量不大， 适适
用硬件实现。
四、工程实现中抗噪声方法
能够证实，本文所提出方法是对相位差一 种无偏估量方法，而且经过部分简单方法就
能够显著提升相位差测量精度和抗噪声性能。在工程实现时应该用鉴相误差平均值来拟和
曲线， 即用来拟和误差曲线相位误差值 ?e 应该取作：P
Le Σ P（k）k=1
L
（e）≈ EP（k）
（7）
比如，每个鉴相单元在一个信息码元时间内全部 会得到一个鉴相误差结果，L= 100，
100信息码取 将 元时间内得到鉴相结果进行平均， 用这个平均值来拟和曲线， 就能够有
效地提升测量抗噪声性能。
五、数值模拟及性能分析
在模拟过程中，多个关键参数以下： 数值模拟 采取采样率为 PN码频率16倍；数值模
拟用PN码为9级Gold码，用来复合出此 Gold码m序列优选正确生成多项式和初相如表
1。表1生成多项式和初相
初相二进制） （
m序列序号生成多项式 二进制） （ m1图4当地PN码和实际接收PN码时间差值m2
依据最小二乘法计算鉴相误差过零点x0，结果 以下：
MM M M
数值模拟中选择了不一样信噪比来研究噪声对
x0= -
Σy i Σ x2i - Σ x i Σ x i y i i =1 i =1 i =1 i =1
MM M
测量值影响，取 100，定义见式 LL （7）。模拟结 （5）果图 5所表示。从图5
中可知当接收信噪比极低（ 如 -25 dB）算法仍能够很正确地测量出 PN码时， 均方差为
相位，测量值平均值为 -0. 0004T c ，1.5 × 10 - 4 T2 。同时，5也说明了本算法对噪声
不图 c敏感，即动态范围大特点。
MΣx i y i i =1
Σxi Σ yi i =1 i =1
式中xi = - 3Tc / 16，Tc/ 8，Tc/ 16，Tc/ 16，0，Tc/ 8，/16，i= Pe1，
3Tcy Pe2，Pe3，Pe4，Pe5，Pe6，Pe7，M= 7。?130 ?
年第4期
专题述评
SUMMARIZATION六、结 论
由以上仿真结果能够得到以下结论：此算法具 有计算量小、 抗噪声性能优越、 易于工
程实施特点。现在此算法已经用于某卫星定位系统地面用户机中，用于实现高精度伪码跟踪
和双路伪码相位差测量，性能良好，在实际应用中精度达成 ±3 ns。
参考文件
图5不一样信噪比对测量结果影响［1］查光明， 熊贤祚.扩频通信M］西安： ［
.西安电子科技大学出版社， .142 ～152.
数值模拟中选择了不一样L值来研究噪声对测量值影响， 模拟结果图 6所表示。从图
6能够看出当 L值增大时，测量平均值正确度提升， 同时测量正确度也会提升。算法这个特
点决定了它实用价值， 即在工程实践中， 能够依据实际需要， 经过增大 L值方法取得较
高测量精度。
胡修林，华中科技大学电信系教 男， 授、 博导， 研究方向：现代通信系统和通信 网、
多媒体通信、卫星通信；
作者介绍：
张
俊，华中科技大学电信系硕 男，
士硕士，研究方向： 现代通信系统和通 信网、 卫星通信；
杨
灵，华中科技大学电信系副 男，
教授，研究方向： 数字信号处理、 通信系统 仿真、 卫星通信。
图6
不一样L值对测量结果影响
131?
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