一種雙偽碼MSK擴(kuò)頻同步方案的設(shè)計(jì)

呂衛(wèi)華，李 陟，張定云

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)471009;2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京210016)

MSK信號(hào)具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、帶寬較窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰落快、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn).雙偽隨機(jī)碼直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲概率低、多址性好和頻帶利用率相對(duì)較高、解調(diào)方便等特點(diǎn)，因此雙偽隨機(jī)碼MSK直序擴(kuò)頻通信在軍用通信系統(tǒng)、武器制導(dǎo)系統(tǒng)等軍事技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1－2].

在高動(dòng)態(tài)猝發(fā)式直擴(kuò)通信中，偽碼快捕和實(shí)時(shí)跟蹤是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一.本文設(shè)計(jì)了一種采用全并行二維搜索和差分峰值判決算法實(shí)現(xiàn)偽碼的快速捕獲、采用一階鎖頻輔助二階鎖相實(shí)現(xiàn)載波跟蹤的同步方案，較好地解決了高動(dòng)態(tài)、低信噪比條件下雙偽隨機(jī)碼MSK直擴(kuò)信號(hào)的同步問(wèn)題.

1 雙偽碼MSK直擴(kuò)系統(tǒng)模型

雙偽碼MSK直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)送模型如圖1所示，其中:發(fā)送信號(hào)TMSK(t)為:

其中:DI(t)和DQ(t－Tc)分別表示信源奇偶序列經(jīng)差分編碼后形成的數(shù)據(jù)，PNI(t)和PNQ(t－Tc)分別表示I路和Q路正交擴(kuò)頻碼序列，Tc為偽碼周期，f0為載波頻率.

圖1 雙偽碼MSK直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)送模型

雙偽碼MSK直擴(kuò)系統(tǒng)接收模型如圖2所示.在接收端，假設(shè)信道理想，接收信號(hào)RMSK(t)=TMSK(t)，射頻接收機(jī)接收到信號(hào)后作下變頻得到基帶I、Q兩路信號(hào).基帶接收機(jī)將模擬基帶I、Q信號(hào)數(shù)字化后通過(guò)解擴(kuò)、解調(diào)得到有用數(shù)據(jù).本文的研究重點(diǎn)是其中解擴(kuò)部分的算法及其在FPGA中的實(shí)現(xiàn)方法.

圖2 雙偽碼MSK直擴(kuò)系統(tǒng)接收模型

接收信號(hào)經(jīng)下變頻后得到基帶I、Q兩路信號(hào)，分別為:

其中:fd和θd分別為本地載波與發(fā)射載波之間的頻差和相差.直擴(kuò)系統(tǒng)的同步包括了偽碼同步和載波同步兩個(gè)方面.

2 雙偽碼MSK直擴(kuò)信號(hào)捕獲

偽碼捕獲的目的是使本地偽碼與接收信號(hào)的偽碼相位差縮小到一個(gè)碼元周期內(nèi).在高動(dòng)態(tài)、猝發(fā)通信系統(tǒng)中往往要求在幾個(gè)信息符號(hào)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)偽碼捕獲.由于收、發(fā)兩端鐘振頻差和多普勒效應(yīng)等因素引起的載波頻偏將使偽碼相關(guān)峰下降，從而影響偽碼的捕獲[3].如果采用單路匹配濾波器，雖然可以實(shí)現(xiàn)偽碼相位的并行搜捕，但仍需要在一定寬度的頻偏范圍內(nèi)對(duì)載波頻偏進(jìn)行串行搜索.特別是在高動(dòng)態(tài)、猝發(fā)通信中，這將大大增加偽碼捕獲的時(shí)間.鑒于此，本文提出了全并行偽碼搜捕方案.全并行偽碼搜捕方案使用N路頻率間隔為Δf的并行正交混頻通道覆蓋寬度為N×Δf載波頻偏，并對(duì)下變頻后的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行分時(shí)匹配濾波，通過(guò)對(duì)各通道相關(guān)峰值比較得出捕獲判斷.

2.1 并行正交混頻器設(shè)計(jì)

并行正交混頻器結(jié)構(gòu)如圖3所示，帶有頻偏fd的基帶擴(kuò)頻信號(hào)與并行正交混頻器頻率中Δf間隔為Δf的N路本地載波混頻得到N路殘留頻偏不同輸出信號(hào).并行混頻模塊由NCO、頻率合成、正交混頻器組成.假設(shè)MSK的符號(hào)速率為Rs，綜合考慮載波跟蹤的快捕帶寬、收斂速度、由頻偏帶來(lái)的直擴(kuò)相關(guān)峰值降低量、通道間相關(guān)峰值分辨力等因素，通道間的頻偏間隔可選擇Rs/2.則系統(tǒng)對(duì)頻偏的單次搜索寬度可以達(dá)到N×Rs/2.

圖3 并行正交混頻器結(jié)構(gòu)

并行正交混頻器使用2個(gè)NCO輸出2個(gè)頻率分別為f0和Δf的正、余弦信號(hào)通過(guò)三角運(yùn)算得到N個(gè)通道的本地載波.輸入基帶信號(hào)與頻率分別為f0+nΔf的第n路本地載波進(jìn)行正交混頻，得到N路頻偏不同的信號(hào)In和Qn，其中

其中:θ'為NCO的初始相位，θ'd為本地 NCO與輸入基帶信號(hào)之間的相差，f0+nΔf－fd為第n路信號(hào)的頻偏殘差，記為fnd.N路信號(hào)分別進(jìn)入匹配濾波器產(chǎn)生各自的相關(guān)峰.由于每個(gè)通道經(jīng)頻譜搬移后的頻偏殘差不同，產(chǎn)生的相關(guān)峰值大小也不同.頻偏殘差最小的一路信號(hào)其相關(guān)峰值最大.一旦N路峰值中的最大值超過(guò)捕獲門限并通過(guò)校核即可實(shí)現(xiàn)偽碼的初步捕獲.

2.2 匹配濾波器設(shè)計(jì)

由于雙偽碼MSK的同相和正交支路所使用的偽碼不同，為了減少能量損失，使用正交四通道相關(guān)處理，即使用四路匹配濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)偽碼相關(guān)運(yùn)算[4－5]，如圖4 所示.

圖4 正交四通道相關(guān)原理框圖

In和Qn經(jīng)匹配濾波器后的輸出可近似表達(dá)為:

其中:ξTc為接收信號(hào)與本地信號(hào)的偽碼相位差，0A代表信號(hào)幅度經(jīng)運(yùn)算后的結(jié)果，Tb為信息符號(hào)周期，RIQ、RI和RQ分別為I路和Q路偽碼的互相關(guān)函數(shù)和自相關(guān)函數(shù).式中[2R2IQ(ξTc)+(ξTc)+(ξTc)]代表由于接收偽碼相位與本地偽碼相位差對(duì)相關(guān)峰值的影響，RIQ是由于I路和Q路偽碼不同而引入相關(guān)峰的自干擾代表頻偏對(duì)相關(guān)峰的影響.

如果使用N×4路匹配濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)N路偽碼捕獲，將會(huì)占用大量硬件資源.在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可使用速度換面積的思想，通過(guò)提高匹配濾波器的運(yùn)算速度，使N路信號(hào)分時(shí)復(fù)用一套匹配濾波器.匹配濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 匹配濾波器結(jié)構(gòu)

2.3 捕獲判決策略的改進(jìn)

由于頻偏對(duì)相關(guān)峰幅值的影響表現(xiàn)為Sinc函數(shù)的平方，當(dāng)各路信號(hào)之間頻率間隔較小時(shí)，相關(guān)峰在噪聲條件下難以分辨.所以在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要對(duì)偽碼捕獲判決變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).由于系統(tǒng)工作于猝發(fā)模式，在猝發(fā)初期，可提供少量全“0”或全“1”導(dǎo)引信息用于直擴(kuò)捕獲，所以可使用下式作為改進(jìn)的捕獲判決變量.其中:yIIyIQyQI如圖4所示，分別為4路匹配濾波器輸出，化簡(jiǎn)可得捕獲判決變量為:頻偏對(duì)和峰值影響如圖6所示.可見(jiàn)使用判決變量的相關(guān)峰值對(duì)頻偏的敏感性遠(yuǎn)大于特別在低信噪比條件下頻偏不同的通道相關(guān)峰值也相差較大.在設(shè)計(jì)時(shí)，可將頻偏搜索分為粗搜和細(xì)搜兩個(gè)階段.在粗搜階段各路信號(hào)之間頻差設(shè)置為Rs/2，捕獲判決變量使用細(xì)搜階段各路信號(hào)之間頻差設(shè)置為Rs/4或更小，捕獲判決變量使用峰值最高的通道表示其頻偏最小.

3 載波跟蹤

由于載波并行搜索使得頻偏減小到Rs/8之內(nèi)，理論上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)，但為了提高解調(diào)信噪比，并在載波跟蹤速度和精度上取得平衡，本文使用一階AFC輔助二階PLL的方案實(shí)現(xiàn)載波的跟蹤.載波跟蹤的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示.環(huán)路濾波器系數(shù)，K0=的控制靈敏度，Kd為檢相器增益，ωn為環(huán)路自然角頻率，ζ為環(huán)路阻尼因子.C3為FLL環(huán)路濾波器系數(shù)，根據(jù)信號(hào)滿程能量值和實(shí)際信號(hào)能量值的關(guān)系確定.

圖6 兩種不同的捕獲判決變量幅度隨頻偏變化曲線

圖7 載波跟蹤結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種用于高動(dòng)態(tài)、猝發(fā)式通信、可通過(guò)數(shù)字實(shí)現(xiàn)的雙偽隨機(jī)碼MSK直接序列擴(kuò)頻的同步方案.通過(guò)對(duì)以Altera EP2S60 FPGA為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的原理樣機(jī)測(cè)試表明，該方案可以大大提高直擴(kuò)同步速度，且具有較好的抗噪聲性能.

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[2] 高 凱，王世練，劉毅堅(jiān)，等.直擴(kuò)MSK中頻數(shù)字化相干接收的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2002(9):21－23.

[3] [美]BERNARD S.數(shù)字通信－基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].2版.徐平平，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

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[5] 李 煒，趙旦峰，錢晉希.MSK系統(tǒng)中迭代相位同步補(bǔ)償方法[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，27(4):602－604，608.