猝發(fā)信號載波同步技術研究及實現(xiàn)＊

王杰英 張永鑫 李 軍

（1.92330部隊 青島 266102）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

由于擴頻通信技術具有抗干擾能力強、截獲概率低、多址性好和距離分辨率高等特點，近年來成為軍事領域研究的熱點[1～3]。在高動態(tài)、低信噪比環(huán)境下的突發(fā)通信中，為了實現(xiàn)對一幀突發(fā)信號的正確解調(diào)，要在解擴出符號數(shù)據(jù)后，在規(guī)定的導頻序列長度內(nèi)通過有限次調(diào)整完成載波同步，否則將造成后續(xù)用戶數(shù)據(jù)的丟失，導致解調(diào)失敗。

隨著現(xiàn)代通信技術的飛速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路和高速信號處理器高效的處理能力和處理速度也為實現(xiàn)猝發(fā)式直擴信號載波同步技術提供了良好的硬件平臺[4]。通過對載波同步捕獲技術的研究，采用快速數(shù)字捕獲和基于FFT輔助的科斯塔斯（Costas）載波跟蹤算法，僅需有限次調(diào)整就可以完成載波同步?？焖佥d波同步設計采用ALTERA公司的StratixⅡ系列FPGA技術對載波同步方案進行硬件實現(xiàn)。

2 快速載波同步設計

在短時猝發(fā)式擴頻通信系統(tǒng)中幀前導字長度有限，且為提高擴頻增益，猝發(fā)信號被高速長擴頻序列擴頻調(diào)制后，在極短時間內(nèi)以猝發(fā)形式被高速發(fā)送，對序列載波同步提出了更高的要求[5～6]。由于解擴前系統(tǒng)的載噪比很低，并且偽碼同步對頻偏敏感，因此偽碼捕獲必須以載波捕獲為基礎，偽碼捕獲伴隨著載波捕獲完成。當載波偏差較大時（超過符號速率的1／2），同步參數(shù)的直接參數(shù)估計主要針對載波頻差，將估計得到的頻差值預置到以符號率工作的鎖相環(huán)中來跟蹤載波相位以及很小的載波偏差抖動。而剩余的定時誤差即偽碼相差的糾正可以通過遲與門結構的延遲鎖定環(huán)來是實現(xiàn)。

猝發(fā)式直擴接收機信號捕獲和載波跟蹤兩部分可以在FPGA硬件實現(xiàn)，通常是在猝發(fā)幀的導頻符字段內(nèi)，用開環(huán)參數(shù)估計技術直接估計出待估參數(shù)的大致范圍，此步驟稱為同步參數(shù)的捕獲或粗估計。被估計出的同步參數(shù)預置入鎖相環(huán)中，利用鎖相環(huán)對同步參數(shù)進行精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤，此步驟被稱為同步參數(shù)的跟蹤或精估計。該系統(tǒng)既能滿足快速捕獲載波頻率的要求又能實現(xiàn)對載波的精確跟蹤，如圖1所示。

圖1 載波同步組成框圖

3 信號快速捕獲技術

在猝發(fā)式擴頻通信系統(tǒng)中設計基于前導字技術實現(xiàn)信號同步[7]，導頻符號長度預設200個左右。系統(tǒng)信號捕獲采用擴頻碼分別對I、Q兩路數(shù)據(jù)進行解擴，將解擴數(shù)據(jù)求平方和作為捕獲判決量。

信號捕獲過程，即頻率捕獲和偽碼捕獲都在導頻符長度內(nèi)完成。信號捕獲以相關峰值作為捕獲檢測標志，根據(jù)捕獲時間的限制和硬件規(guī)模的要求，先用恰當?shù)念l偏估計方法將多普勒頻偏減小到合適的頻差范圍以內(nèi)而實現(xiàn)頻率粗捕，為后續(xù)載波同步模塊進一步對頻偏進行精捕和相位跟蹤減輕實現(xiàn)壓力；同時頻差的減小降低了其對捕獲檢測量造成的衰減，再以一定的偽碼相位搜索步進可使定時偏差減小到一個碼片寬度以內(nèi)而實現(xiàn)偽碼捕獲。系統(tǒng)采用對調(diào)制數(shù)據(jù)和初始載波相位都不敏感的平方和檢測結構，如圖2所示。

圖2 平方和檢測結構框圖

4 載波跟蹤技術

猝發(fā)式擴頻通信系統(tǒng)中采用QPSK調(diào)制方式，并且工作在負信噪比環(huán)境中。這樣，Costas環(huán)對于載波頻率偏移的跟蹤具有一定的局限性[8～10]，而如果通過增加環(huán)路的噪聲帶寬來獲得對大頻偏的跟蹤能力，那么其跟蹤精度又不能滿足系統(tǒng)性能的要求，并且Costas環(huán)的捕獲時間也會很長。這樣Costas環(huán)對于載波頻率偏移的跟蹤不適合猝發(fā)式擴頻通信的動態(tài)要求。因此，采用FFT＋Costas基于數(shù)據(jù)輔助的載波跟蹤算法。FFT＋Costas跟蹤算法在低信噪比條件下，通過開銷一定數(shù)目的導頻符號，能快速地對信號捕獲后殘余的較大頻差進行精捕，使之滿足Costas環(huán)快捕帶寬要求，而后啟動Costas環(huán)對載波相位進行穩(wěn)態(tài)跟蹤。

FFT＋Costas基于數(shù)據(jù)輔助的載波跟蹤算法首先用FFT實時計算偏差信號的頻譜，然后把計算出的頻譜的峰值頻率作為所查找的信號頻率的最佳估值，通過計算出的接收信號載波與參考載波的頻差，調(diào)整載波VCO，閉合Costas環(huán)。在調(diào)整過程中，如果環(huán)路鎖定檢測器檢測出Costas環(huán)并未進入鎖定，則斷開Costas環(huán)，重新進行FFT變換，捕獲信號頻率；如果環(huán)路鎖定檢測器檢測出Costas環(huán)處于鎖定狀態(tài)，則進行載波的相位捕獲和相位跟蹤。如圖3所示。

圖3 FFT＋Costas載波跟蹤框圖

對FFT＋Costas跟蹤算法進行仿真，顯示了對信號的頻率變化率成分進行校正后跟蹤誤差變得更小且跟蹤精度更高。加入FFT變換后達到的跟蹤精度更高且跟蹤速度更快，0.2s的跟蹤情況顯示最后的跟蹤誤差在4Hz以內(nèi)，如圖4（a）所示；而未加入FFT變換在0.25s的跟蹤情況顯示跟蹤誤差為40Hz左右，如圖4（b）所示。

圖4 鎖頻鎖相跟蹤誤差

5 結語

采用快速數(shù)字捕獲算法可以快速對接收信號的載波頻率和偽碼相位進行二維聯(lián)合捕獲，再通過基于FFT的Costas環(huán)載波相位跟蹤算法實現(xiàn)頻率精捕，并對載波相位進行穩(wěn)態(tài)跟蹤，使本地載波頻率和相位與接收信號的頻率和相位實現(xiàn)精確同步。系統(tǒng)的實現(xiàn)采用基于ALTERA公司StratixⅡ系列中的FPGA硬件電路來完成，該電路具有占用的硬件資源少、功耗低、捕獲時間短和精度高等優(yōu)點。

[1]丁玲，等.短波猝發(fā)擴頻系統(tǒng)關鍵技術研究[J].無線電通信，2003，9（3）：1－3.

[2]向冰，等.高動態(tài)猝發(fā)擴頻信號的快速捕獲[J].航空兵器，2010，6（3）：26－29.

[3]胡永福，等.直擴偵察系統(tǒng)中的全數(shù)字載波同步技術[J].雷達通信技術，2005，31（5）：48－50.

[4]杜勇，等.直擴信號數(shù)字載波環(huán)的FPGA設計與實現(xiàn)[J].微處理機，2008，8（4）：8－14.

[5]羅云光，等.基于FFT實現(xiàn)短波擴頻系統(tǒng)載波頻差估計[J].電子信息對抗技術，2008，23：22－25.

[6]李世鵬，等.短波突發(fā)通信中盲載波恢復及符號檢測技術[J].計算機工程與應用，2013，49（16）：209－212.

[7]樊昌信，曹麗娜.通信原理教程[M].第6版.北京：國防工業(yè)出版社，2007：243－244.

[8]張福洪，等.基于FPGA的猝發(fā)式直擴載波同步技術研究與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2013，39（3）：115－118.

[9]朱凱里，等.一種突發(fā)直擴接收機的快速載波同步方案[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（9）：100－102.

[10]張安安，等.全數(shù)字Costas環(huán)在FPGA上的設計與實現(xiàn)[J].電子工程師，2006，32（1）：19－24.