2FSK擴(kuò)頻系統(tǒng)中多普勒頻移容限擴(kuò)展的一種方法

薛敏彪，王 坤，黨 群

（西北工業(yè)大學(xué)365所 陜西 西安 710065）

擴(kuò)頻技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中。高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，偽碼的捕獲[1-2]一般通過相關(guān)來實(shí)現(xiàn)，但由于接收信號(hào)中存在的多普勒頻移會(huì)導(dǎo)致相關(guān)性能的惡化，所以，這就要求對(duì)接收機(jī)基帶信號(hào)中的多普勒頻移容限進(jìn)行擴(kuò)展，以改善對(duì)相關(guān)峰的影響。

目前，關(guān)于擴(kuò)頻系統(tǒng)多普勒頻移容限擴(kuò)展的研究，一般只是局限在相移鍵控（PSK）擴(kuò)頻信號(hào)[3]上，對(duì)于頻移鍵控（FSK）擴(kuò)頻信號(hào)尚未提及，而大多數(shù)針對(duì)FSK擴(kuò)頻系統(tǒng)的研究[4]也均未涉及到多普勒頻移容限擴(kuò)展這方面。文中在分析2FSK擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種擴(kuò)展多普勒頻移容限的方法。傳統(tǒng)的FSK擴(kuò)頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)解調(diào)方案中只運(yùn)用了相關(guān)累加，相關(guān)累加時(shí)間為一個(gè)數(shù)據(jù)周期，對(duì)多普勒頻移容限的要求比較高。當(dāng)多普勒頻移等于數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍時(shí)，相關(guān)峰值下降為0，這樣就無法檢測(cè)到相關(guān)峰，從而不能進(jìn)行偽碼捕獲。本文根據(jù)相關(guān)峰與多普勒頻移以及數(shù)據(jù)周期之間的關(guān)系，在數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)適當(dāng)減小相關(guān)累加時(shí)間從而達(dá)到擴(kuò)展多普勒頻移容限的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相關(guān)峰值衰減一定的情況下，該方法可以使FSK擴(kuò)頻系統(tǒng)的多普勒頻移容限得到很大的擴(kuò)展。此外，非相關(guān)累加的運(yùn)用也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的信噪比。

1 FSK擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制及解調(diào)解擴(kuò)處理流程

在傳統(tǒng)的FSK直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)[5]的發(fā)射端，信源輸出的信號(hào)是碼元持續(xù)時(shí)間為的信息流，將信碼與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加，產(chǎn)生速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。

在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)射端同步的偽隨機(jī)序列對(duì)中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，最后經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔?，從而完成信息的傳輸?/p>

2 多普勒頻移對(duì)相關(guān)峰的影響

圖1為FSK擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)解擴(kuò)處理流程圖，原始信號(hào)數(shù)據(jù)速率為20 kHz。圖中表示接收機(jī)中頻輸入信號(hào)，BPF表示帶通濾波器，信號(hào)經(jīng)帶通濾波后分為a、b2條支路，NCO表示數(shù)控振蕩器，LPF表示低通濾波器。當(dāng)接收信號(hào)中有多普勒頻移時(shí)，在本地偽碼和接收偽碼同步的情況下，相關(guān)峰會(huì)受到多普勒頻偏的調(diào)制。

圖1 FSK擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)解擴(kuò)處理流程圖Fig.1 Process flow chart of FSK spread spectrum signal demodulation and despread

從圖1中可以看出，信號(hào)數(shù)據(jù)解調(diào)將同時(shí)運(yùn)用相關(guān)累加和非相關(guān)累加。為了擴(kuò)展多普勒頻移容限，要求適當(dāng)?shù)販p小相關(guān)累加的時(shí)間，這樣每個(gè)數(shù)據(jù)周期就不止進(jìn)行一次相關(guān)累加。相關(guān)累加后的I、Q兩路進(jìn)行求模運(yùn)算，然后將每個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)求模后的結(jié)果再進(jìn)行非相關(guān)累加，最后送入數(shù)據(jù)判決器完成數(shù)據(jù)解調(diào)。

如圖1所示，F(xiàn)SK擴(kuò)頻信號(hào)中包含2個(gè)頻率，接收端帶通濾波后分為a、b2條支路，由于2條支路的處理流程一樣，所以下面我們只針對(duì)a支路分析一下多普勒頻移對(duì)相關(guān)峰的影響：

信號(hào)低通濾波后進(jìn)入相關(guān)器的表達(dá)式為：

其中：A為原始信號(hào)幅度，d（t）為 2FSK調(diào)制的數(shù)據(jù)，PN（t）為偽碼，fd為多普勒頻移，θ為初相。

相關(guān)累加后的信號(hào)為：

圖2 多普勒頻偏與衰減系數(shù)關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of Doppler shift and attenuation coeffcient

上式中，N為PN碼碼長，T為相關(guān)積累時(shí)間50 μs（按照傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)解調(diào)方式應(yīng)為一個(gè)數(shù)據(jù)周期），R（τ）表示延遲為τ的接收偽碼與本地偽碼在一個(gè)碼片內(nèi)的相關(guān)值。相關(guān)峰值為：

多普勒頻偏對(duì)相關(guān)峰值的影響可以用衰減系數(shù)η[6]表示：

圖2為多普勒頻偏與衰減系數(shù)之間的關(guān)系示意圖。

圖中縱坐標(biāo)代表衰減系數(shù)，橫坐標(biāo)為?？梢钥闯觯?dāng)橫坐標(biāo)為0.5時(shí)，相關(guān)峰與最大值相比已經(jīng)下降了4 dB，此時(shí)等于10 kHz；而當(dāng)fd=1/T=20 kHz，即橫坐標(biāo)為1時(shí)，相關(guān)峰相比最大值的衰減已將近60 dB，系統(tǒng)檢測(cè)不到相關(guān)峰，所以無法進(jìn)行偽碼捕獲，這就要求必須對(duì)多普勒頻移容限進(jìn)行擴(kuò)展。

3 多普勒頻移容限擴(kuò)展

為了降低相關(guān)峰對(duì)多普勒頻移的敏感性，在給定多普勒頻移（本文中令fd為20 kHz）情況下，提高相關(guān)峰值的途徑之一是減小相關(guān)累加時(shí)間。根據(jù)多普勒頻移與相關(guān)累加時(shí)間的關(guān)系（fd=1/T）及其對(duì)相關(guān)峰值的影響，令相關(guān)累加時(shí)間減為數(shù)據(jù)周期的一半，即T1=T/2=25 μs，而衰減系數(shù)變?yōu)椋?/p>

此時(shí)，多普勒頻偏與衰減系數(shù)關(guān)系示意圖將變?yōu)閳D3。

由圖3可知，當(dāng)衰減為4 dB時(shí)，fdT為1，即等于20 kHz?？梢?，在相關(guān)峰值衰減一定的情況下，相對(duì)于相關(guān)累加時(shí)間為一個(gè)數(shù)據(jù)周期即50 μs的情況，此方法中的多普勒頻移容限擴(kuò)大了一倍，或者說在給定的多普勒頻移下，相關(guān)累加時(shí)間縮短后，相關(guān)峰值可以得到很大的改善。

由于在每個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)分別做了2次相關(guān)累加，I、Q 2路信號(hào)求模后，信號(hào)的每個(gè)數(shù)據(jù)周期都需要再進(jìn)行一次非相

關(guān)累加，從而進(jìn)一步提高信噪比，完成數(shù)據(jù)解調(diào)。

圖3 擴(kuò)展后的多普勒頻偏與衰減系數(shù)關(guān)系示意圖Fig.3 The schematic diagram of Doppler shift and attenuation coeffcient after expansion

4 結(jié) 論

文中提出的2FSK擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展多普勒頻移容限的方法，可有效改善相關(guān)峰對(duì)多普勒頻移的敏感性，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)解調(diào)方式具有更大的多普勒頻移容限和更高的信噪比。

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