TDMA突發(fā)信號(hào)自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)方法

梁中英，張少侃，廖世文（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州　510663）

TDMA突發(fā)信號(hào)自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)方法

梁中英，張少侃，廖世文
（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663）

0　引言

時(shí)分多址（TDMA）接入方式是一種常用的衛(wèi)星通信方式，屬于突發(fā)的傳送模式。在突發(fā)通信系統(tǒng)中，信號(hào)檢測(cè)的虛警率和漏檢率直接影響解調(diào)性能。文獻(xiàn)［1］中對(duì)比了固定門(mén)限和自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)的優(yōu)劣，由于接收信號(hào)電平是未知和時(shí)變的，采用固定門(mén)限檢測(cè)方法，在信號(hào)功率發(fā)生變化、信噪比較低以及干擾功率發(fā)生變化的情況下，都會(huì)降低檢測(cè)性能。這些情況要求采用自適應(yīng)捕獲方法［2］。本文介紹的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)方法，不僅可以檢測(cè)信道是否到達(dá)，可以精確到幀頭起始位置。

1　自適應(yīng)門(mén)限捕獲方法

突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)方法有時(shí)域檢測(cè)法和頻域檢測(cè)法，其中時(shí)域檢測(cè)法包括短時(shí)能量法、短時(shí)自相關(guān)法、高階累積量法等；頻域檢測(cè)法包括幅度譜檢測(cè)法、循環(huán)譜相關(guān)法等［3］。由于本系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括前導(dǎo)序列，專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)檢測(cè)，所以選擇時(shí)域檢測(cè)法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

選擇適當(dāng)?shù)那皩?dǎo)序列，需要具有尖銳的自相關(guān)性［4］，對(duì)于具有前導(dǎo)的突發(fā)信號(hào)，通過(guò)已知前導(dǎo)序列與AD采樣的接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可以在出現(xiàn)前導(dǎo)的位置檢測(cè)到峰值，再減去檢測(cè)的處理時(shí)間，得到的就是這幀數(shù)據(jù)的起始位置。

在突發(fā)信號(hào)捕獲之前，需要對(duì)AD采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)增益控制（AGC），這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，AGC調(diào)整的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)捕獲的性能有很大的影響。捕獲的處理流程如圖1所示。經(jīng)過(guò)匹配濾波后的信號(hào)，相鄰符號(hào)進(jìn)行共軛相乘，然后與已知的本地序列（同樣也是對(duì)前導(dǎo)共軛相乘后的結(jié)果）做相關(guān)運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)門(mén)限計(jì)算和門(mén)限判斷，得到捕獲的結(jié)果。

圖1　自適應(yīng)門(mén)限捕獲方法處理流程

（1）自動(dòng)增益控制（AGC）對(duì)捕獲的影響

AGC是通過(guò)對(duì)AD采樣信號(hào)能量的檢測(cè)來(lái)控制信號(hào)輸入功率的大小，直到信號(hào)能量落入到設(shè)置的能量范圍內(nèi)，采用閉環(huán)控制，如圖2所示。圖中AD為采樣中頻信號(hào)的AD芯片，F(xiàn)PGA對(duì)AD采樣信號(hào)進(jìn)行短時(shí)能量計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果調(diào)整控制DA的數(shù)據(jù)大小，從而調(diào)整模擬電壓的大小，達(dá)到控制中頻模塊輸出的信號(hào)幅度的目的［5］。

短時(shí)能量能量值與DA輸出的模擬電壓是相對(duì)應(yīng)的，需要實(shí)際測(cè)試出信號(hào)不溢出并且不會(huì)太小以至于捕獲門(mén)限檢測(cè)不到的動(dòng)態(tài)范圍，這樣才能準(zhǔn)確地確定自適應(yīng)捕獲門(mén)限的參數(shù)。換句話說(shuō)，兩者是相輔相成的關(guān)系。AGC的動(dòng)態(tài)范圍直接影響了捕獲門(mén)限的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2　AGC控制示意圖

系統(tǒng)中利用64個(gè)符號(hào)的前導(dǎo)序列進(jìn)行捕獲，對(duì)于4M帶寬的信號(hào)，需要AGC需要在足夠短的時(shí)間內(nèi)將接收信號(hào)調(diào)整到捕獲的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。由于DA的每一次控制都需要時(shí)間，一旦AGC控制的速度不夠快，就會(huì)導(dǎo)致64個(gè)符號(hào)的前導(dǎo)序列中有一部分?jǐn)?shù)據(jù)溢出或過(guò)小，在信噪比過(guò)低或頻偏過(guò)大的條件下，就會(huì)使捕獲的起始值偏移，一旦偏移過(guò)大，就會(huì)對(duì)解調(diào)性能造成影響。AGC調(diào)整效果圖如圖3所示。

圖3　AGC調(diào)整效果圖

為了解決AGC對(duì)捕獲的影響，在開(kāi)銷(xiāo)允許的條件下，可以在前面加一段序列，專(zhuān)門(mén)用作AGC。這就需要平衡性能和開(kāi)銷(xiāo)之間的關(guān)系。

（2）自適應(yīng)門(mén)限計(jì)算及判決方法

信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理做完相關(guān)、合路后開(kāi)始進(jìn)行門(mén)限計(jì)算，設(shè)匹配濾波后的信號(hào)為R（x），首先對(duì)R（x）進(jìn)行模平方運(yùn)算，得到單點(diǎn)能量，通過(guò)滑動(dòng)窗法計(jì)算窗內(nèi)能量，每進(jìn)入一個(gè)樣點(diǎn)，計(jì)算得到一段能量的累加值［6］，再乘以一個(gè)門(mén)限系數(shù)，得到自適應(yīng)門(mén)限值Y（x）：

由于這個(gè)門(mén)限的計(jì)算需要N個(gè)樣點(diǎn)才出一個(gè)結(jié)果，所以需要將相關(guān)能量值時(shí)延N個(gè)clk再與門(mén)限比較，如圖4所示。

圖4　自適應(yīng)門(mén)限計(jì)算流程圖

門(mén)限系數(shù)ρ是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，根據(jù)不同的漏檢和虛警需求可仿真獲得。

門(mén)限的判決方法也是至關(guān)重要的，選取不適當(dāng)，在信噪比低的情況下會(huì)造成虛警。本文根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中遇到的多種虛警的情況，總結(jié)出判決條件如下：

（1）判斷相關(guān)能量值是否超過(guò)門(mén)限值，一旦出現(xiàn)，則記錄該值，如果連續(xù)多個(gè)相關(guān)能量值超過(guò)門(mén)限，則記錄最大值；

（2）這時(shí)還不能根據(jù)這個(gè)值來(lái)判定這段數(shù)據(jù)的起始，從這一時(shí)刻開(kāi)始，繼續(xù)搜鎖一幀的長(zhǎng)度，如果又出現(xiàn)（1）的情況，比較當(dāng)前時(shí)刻最大值和前一時(shí)刻最大值，判定兩者中大的一個(gè)為數(shù)據(jù)的起始依據(jù)，直到這一幀長(zhǎng)度搜索完畢。

在處理過(guò)程中，需要將輸入數(shù)據(jù)緩存，檢測(cè)到最大峰值后，需要減去處理時(shí)間，即可得到幀頭的起始位置，為了保證處理的實(shí)時(shí)性，一旦檢測(cè)到幀頭就假定捕獲到了，開(kāi)始后續(xù)處理，當(dāng)在處理的過(guò)程中，如果出現(xiàn)（2）中描述的情況，認(rèn)定前一個(gè)值為虛警，則將其他模塊復(fù)位，認(rèn)定幀頭為當(dāng)前時(shí)刻，繼續(xù)后續(xù)處理，以此類(lèi)推，直到一幀結(jié)束。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)測(cè)，增加第（2）個(gè)條件后，可以適當(dāng)?shù)慕档烷T(mén)限系數(shù)，在大大降低了虛警率的同時(shí)，又降低了漏檢率。

2　MATLAB仿真結(jié)果分析

對(duì)信號(hào)加噪后的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，信噪比越低，虛警率和漏檢率越高，這時(shí)需要對(duì)門(mén)限系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試和調(diào)整來(lái)達(dá)到一個(gè)均衡狀態(tài)。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際衛(wèi)星通信鏈路的需求，調(diào)整好門(mén)限系數(shù)值，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，Eb/N0值越小，噪聲對(duì)信號(hào)的能量計(jì)算影響越大，在幀頭處出現(xiàn)的峰值越小。這種情況是固定門(mén)限就會(huì)很容易出現(xiàn)漏檢。

圖5　不同信噪比下捕獲效果仿真圖

當(dāng)Eb/N0值大的時(shí)候容易出現(xiàn)虛警，會(huì)有多個(gè)超過(guò)門(mén)限的能量峰值出現(xiàn)，如圖6所示。但是如前面章節(jié)所述的門(mén)限條件判斷，在這種情況下，會(huì)和前面超過(guò)門(mén)限的能量峰值做比較，比前面峰值小的位置，都認(rèn)為不是幀頭，所以大大降低了虛警率。

圖6　不同信噪比下捕獲效果仿真圖

漏檢概率和虛警概率曲線圖如圖7所示，在Eb/ N0=2dB的時(shí)候，沒(méi)有漏檢且虛警為零，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

圖7　漏檢概率和虛警概率仿真圖

3　FPGA硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)AD采樣速率為符號(hào)率的8倍，即1個(gè)符號(hào)8個(gè)樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò)根升余弦匹配濾波后，通過(guò)時(shí)延，將信號(hào)分成8路并進(jìn)行8倍抽取，分別對(duì)這8路信號(hào)進(jìn)行處理，這時(shí)每路信號(hào)是以符號(hào)為單位的。

對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行相鄰符號(hào)共軛相乘，接著與已知的前導(dǎo)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。之所以分為8路進(jìn)行處理，是因?yàn)檫@樣就轉(zhuǎn)化為對(duì)符號(hào)進(jìn)行操作，那么此時(shí)的相關(guān)只需要做加法，即不需要進(jìn)行乘法運(yùn)算，在FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，就可以節(jié)省大量的乘法器資源，然后對(duì)8路相關(guān)結(jié)果進(jìn)行延時(shí)合路，進(jìn)入到門(mén)限計(jì)算的環(huán)節(jié)。

按照自適應(yīng)門(mén)限的計(jì)算方法計(jì)算門(mén)限，并根據(jù)實(shí)測(cè)中遇到的各種情況綜合考慮后的門(mén)限判決條件進(jìn)行判決，得到突發(fā)信號(hào)的起始數(shù)據(jù)位置，完成捕獲的操作。

4　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程需求，介紹了突發(fā)信號(hào)檢測(cè)的原理和改進(jìn)的自適應(yīng)檢測(cè)方法，進(jìn)行了MATLAB仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，一定范圍內(nèi)的頻偏和相偏對(duì)算法的影響較小，且兩個(gè)門(mén)限的限制大大降低了虛警率和漏檢率。最終利用FPGA較少的資源，對(duì)本算法進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了此種方法的可實(shí)現(xiàn)性。

圖8　FPGA硬件實(shí)現(xiàn)框圖

［1］劉乃安，曾興雯，郭峰等.高速突發(fā)通信中的自適應(yīng)門(mén)限技術(shù)及其性能［J］.電子學(xué)報(bào)，1998，26（1）：111-114.

［2］吳玉成，陳寧，高珊.突發(fā)通信中的自適應(yīng)門(mén)限信號(hào)檢測(cè)方法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2007，29（12）：2896-2898.

［3］吳曉東，路友榮，黃淵靈等.TDMA突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)［J］.電信技術(shù)研究，2005，2：28-33.

［4］張波，郭英，霍文俊等.一種快速的PN碼同步捕獲方法［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（3）：7-9

［5］劉艷.基于FPGA的大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字AGC的實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（8）：42-44.

［6］吳玉成，陳婷婷.在滑動(dòng)窗口中判決的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，10（20）：2770-2773.

Burst Signal；Adaptive Threshold；FPGA

Adaptive Threshold Acquisition Method for TDMA Burst Signals

LIANG Zhong-ying，ZHANG Shao-kan，LIAO Shi-wen
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）23-0020-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.004

梁中英（1985-），女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域工作

張少侃（1988-），男，陜西西安人，碩士研究生，助理工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域工作

廖世文（1985-），男，廣西柳州人，碩士研究生，工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域工作

2015-06-26

2015-07-31

基于提高TDMA突發(fā)信號(hào)檢測(cè)性能的目的，對(duì)現(xiàn)有的自適應(yīng)檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化相關(guān)器且改善門(mén)限判決方式，在簡(jiǎn)化算法的同時(shí)降低檢測(cè)的虛警率和漏檢率，給出MATLAB仿真結(jié)果。利用Altera公司的CycloneIII系列FPGA對(duì)該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方法的可行。

突發(fā)信號(hào)；自適應(yīng)門(mén)限；FPGA

發(fā)改辦高技［2012］2083號(hào)

For the purpose of improving TDMA burst signal detection performance，according to existing adaptive detection method，optimizes the correlator and threshold decision method，reduces the false alarm probability and false dismissal probability，and simplifies the algorithm at the same time，shows the result of MATLAB simulation.Realizes the design by CycloneIII FPGA of Altera corporation，and the system experiments illustrate the effectiveness of this design.