低速非相干擴(kuò)頻信號(hào)的快速同步方法研究

馮超英，鄧曉平，馬路娟

(1．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081; 2．河北師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊050043)

低速非相干擴(kuò)頻信號(hào)的快速同步方法研究

馮超英1，鄧曉平1，馬路娟2

(1．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081; 2．河北師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊050043)

為了降低低速非相干擴(kuò)頻信號(hào)的同步時(shí)間，提出了一種分階段的同步方法。該方法將整個(gè)同步過程分為偽碼搜索與捕獲、頻率細(xì)估計(jì)、偽碼跟蹤、定時(shí)和載波相位跟蹤幾個(gè)階段。其中前2個(gè)階段采取了并行處理方法，在降低處理時(shí)間的同時(shí)提高了可接收的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍;后續(xù)各個(gè)階段的處理充分利用了前面處理已經(jīng)獲知的同步信息，進(jìn)一步減少了信號(hào)的同步時(shí)間。仿真和FPGA實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該同步方法可實(shí)現(xiàn)低速非相干擴(kuò)頻信號(hào)的快速同步，與傳統(tǒng)同步方法相比，同步速度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

非相干擴(kuò)頻;偽碼捕獲;頻率估計(jì);定時(shí)同步

0 引言

由于具有抗干擾性、保密性和頻譜密度低等特點(diǎn)，直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)在軍事通信和民用通信領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用［1］。根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)鐘與偽碼時(shí)鐘是否同源，可將 DSSS信號(hào)分成相干DSSS和非相干DSSS。對(duì)于相干DSSS，偽碼速率是數(shù)據(jù)符號(hào)速率的整數(shù)倍，而非相干DSSS信號(hào)中，數(shù)據(jù)符號(hào)的跳變沿與偽碼相位不存在確定關(guān)系［2］。這種非相干特性使得擴(kuò)頻信號(hào)的抗干擾性和保密性進(jìn)一步提升，同時(shí)也使得信號(hào)的接收處理變得更為復(fù)雜。例如，偽碼相位的搜索會(huì)受隨機(jī)數(shù)據(jù)符號(hào)跳變的影響，并且即使偽碼相位捕獲成功，數(shù)據(jù)符號(hào)的起始位置仍然未知，還需進(jìn)行符號(hào)定時(shí)處理［3］。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾、抗截獲能力，擴(kuò)頻系統(tǒng)通常會(huì)采用大的擴(kuò)頻比對(duì)低速數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理［4］。低符號(hào)率下多普勒對(duì)接收性能影響將變得更為明顯［5］。文獻(xiàn)［6－8］論述了基于部分匹配濾波+FFT的處理方法，該方法可以有效地提高載波捕獲范圍，但其有效的估計(jì)頻率分辨率只能達(dá)到符號(hào)速率的一半，無法滿足后續(xù)跟蹤環(huán)路所需的小于1/10符號(hào)速率的頻偏要求。

在擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，捕獲和同步時(shí)間應(yīng)盡可能小。本文針對(duì)前述設(shè)計(jì)約束，提出了一種分階段的同步方法。該方法在偽碼搜索與捕獲階段采用并行部分相關(guān)+FFT+非相干累積的處理方式，在有效縮短搜索捕獲時(shí)間的同時(shí)提高了可接收的載波頻偏范圍，并且初步估計(jì)出數(shù)據(jù)符號(hào)的起始位置;在頻率細(xì)估計(jì)階段采用并行相關(guān)+非線性處理+FFT+非相干累積的方式進(jìn)行對(duì)殘余頻偏進(jìn)行細(xì)估計(jì);在偽碼跟蹤階段使用能量歸一化的延遲鎖定跟蹤環(huán)，并通過對(duì)非相干累積參數(shù)的設(shè)定，減小了定時(shí)偏差對(duì)碼環(huán)的影響;在定時(shí)和載波跟蹤階段，首先采用相關(guān)+非線性處理+FFT+非相干累積的方式對(duì)定時(shí)和頻偏進(jìn)行前饋估計(jì)，使得定時(shí)和載波落入定時(shí)和載波環(huán)路的快速入鎖范圍，然后分別進(jìn)行反饋形式的定時(shí)和載波跟蹤。

1 偽碼搜索與捕獲

只有當(dāng)本地產(chǎn)生的偽碼序列速率和相位與接收的偽碼速率和相位相匹配，本地的載波頻率跟蹤上多普勒頻移時(shí)，I/Q兩路信號(hào)的幅值才能達(dá)到最大，所以偽碼的搜索與捕獲包括偽碼相位的初始同步和多普勒頻移的初始估計(jì)。在搜索過程中，設(shè)碼相位步進(jìn)量為半個(gè)碼相位單元，多普勒頻移步進(jìn)量為一個(gè)多普勒頻移單元，則半個(gè)碼相位單元和一個(gè)多普勒頻移單元就構(gòu)成了二維搜索空間的一個(gè)搜索單元。當(dāng)相關(guān)結(jié)果高于預(yù)設(shè)信號(hào)檢測(cè)門限時(shí)偽碼捕獲完成。對(duì)于長(zhǎng)度較大的偽碼，搜索單元的數(shù)量將變得很大，如果采用串行搜索的處理方式，捕獲所需的時(shí)間將變得很長(zhǎng)。常用的方法是匹配濾波器，其在一個(gè)偽碼周期內(nèi)可以確定偽碼相位，但所需的硬件規(guī)模太大。

為了在有限的資源條件下提高捕獲速度同時(shí)擴(kuò)大可處理的多普勒范圍，常用的偽碼捕獲方式是部分匹配濾波+FFT或并行部分相關(guān)+FFT，2種方式下的處理結(jié)果一致，但后者的靈活性更強(qiáng)，所以這里采用并行部分相關(guān)+FFT+非相干累積的處理方式，如圖1所示。

圖1 偽碼搜索與捕獲階段處理

由于符號(hào)邊沿位置未知，將上述處理過程從符號(hào)的不同位置進(jìn)行重疊處理。然后從不同位置的處理結(jié)果中選擇最大值，以減小數(shù)據(jù)符號(hào)邊沿對(duì)處理結(jié)果的影響，如圖2所示。最后，根據(jù)這一最大值對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位置確定偽碼相位與頻偏。

圖2 重疊處理示意

FFT處理使得搜索的頻率范圍得到有效擴(kuò)展。若采用了128點(diǎn)的FFT處理(64點(diǎn)有效數(shù)據(jù)+64點(diǎn)補(bǔ)零)，由于FFT輸入的數(shù)據(jù)采樣率為64倍的符號(hào)速率(積分清洗長(zhǎng)度為 1/64符號(hào)長(zhǎng)度)，所以 FFT輸出能夠表示的最大頻率范圍－32*fsym～32*fsym，分析精度為0．5* fsym。

假設(shè)偽碼周期為 2 047，符號(hào)速率 fsym為3 kbaud，相關(guān)處理的并行度設(shè)置為64，即每次同時(shí)搜索64個(gè)偽碼相位(記為1個(gè)偽碼分段)，總共需要搜索的偽碼相位是4 094，所以完成全部偽碼搜索需要執(zhí)行64個(gè)偽碼分段的搜索，各個(gè)分段的搜索在時(shí)間上串行執(zhí)行。該階段處理所需的時(shí)間縮短為傳統(tǒng)串行搜索的1/64，而所占用的處理資源約為全匹配濾波方式的1/64。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中可以通過調(diào)整并行度，在滿足處理資源約束的情況下達(dá)到捕獲時(shí)間要求。

為提高捕獲靈敏度，采用了非相干累加的方法。要達(dá)到一定的虛警和檢測(cè)概率需要相干+非相干輸出的信噪比不小于17 dB，結(jié)合捕獲的載噪比指標(biāo)可以得出所需的非相干累加次數(shù)。非相干累加的信噪比增益等于相同累加次數(shù)的相干累加信噪比增益減去非相干累加的損失。由于非相干累加損失的計(jì)算公式較為復(fù)雜，這里選取經(jīng)驗(yàn)值0．7作為非相干累加與相關(guān)累積的增益比例，即非相干累加的信噪比增益為7* log10(nca_num)。所以，非相干累加次數(shù)nca_num的計(jì)算公式為:

式中，c/N0為載噪比。若捕獲門限要求的載噪比為45 dBHz，則根據(jù)上述計(jì)算可得所需的非相干累加次數(shù)約為10。

對(duì)該部分進(jìn)行仿真。設(shè)定頻偏為 5 kHz，比特信噪比為6 dB，用于估計(jì)符號(hào)跳變沿的重疊次數(shù)為4，即符號(hào)跳變沿估計(jì)精度為1/4符號(hào)。數(shù)據(jù)接收的參考符號(hào)位置與信號(hào)中符號(hào)跳變沿相差0．4符號(hào)周期。仿真結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，該方法可以正確地確定接收信號(hào)中的符號(hào)跳變沿。

圖3 仿真結(jié)果

2 頻率細(xì)估計(jì)

頻率細(xì)估計(jì)部分的目標(biāo)是將頻率的不確定范圍縮小到符號(hào)速率的1/10之下，以便后續(xù)的環(huán)路可以快速入鎖。由于經(jīng)過偽碼搜索與捕獲階段，雖然可以確定偽碼相位的大致位置，但由于多普勒的存在，頻率細(xì)估計(jì)階段載波和碼多普勒仍然存在［9］。所以，頻率細(xì)估計(jì)階段仍需要在一定的碼相位范圍內(nèi)進(jìn)行搜索處理，這里采用并行相關(guān)+非線性處理(V＆V算法)+FFT+非相干累積的方式，其處理框圖如圖4所示。

圖4 頻率細(xì)估計(jì)階段處理

由偽碼搜索與捕獲階段可以得到符號(hào)邊沿的大概位置，頻率細(xì)估計(jì)部分根據(jù)這一信息確定相關(guān)累積處理(即積分清洗)的起點(diǎn)，積分時(shí)間為1個(gè)符號(hào)周期，然后對(duì)每一個(gè)積分清洗結(jié)果進(jìn)行基于V＆V算法的非線性處理，即將積分清洗結(jié)果由直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至極坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)的角度乘2，再轉(zhuǎn)換回直角坐標(biāo)系［10］。非線性處理去除了調(diào)制數(shù)據(jù)的影響，但對(duì)應(yīng)的頻率偏移量擴(kuò)大了1倍。由于偽碼搜索與捕獲階段后信號(hào)的頻率不確定范圍限定在－fsym/4～+fsym/4，所以非線性處理后FFT需要估計(jì)的頻率范圍是－fsym/2～+fsym/2，而此處 FFT實(shí)際的估計(jì)范圍也是－fsym/2～+fsym/2。若 FFT規(guī)模為32(16點(diǎn)有效數(shù)據(jù)+16點(diǎn)補(bǔ)零值)，則最終的頻率估計(jì)精度為fsym/64。非相干累積次數(shù)與頻率粗估計(jì)部分一致。

3 偽碼跟蹤

通過前2個(gè)階段的處理，已經(jīng)獲知的同步信息有:偽碼相位(精度:1/2碼片)、載波多普勒(1/64符號(hào)速率)和定時(shí)位置(1/4符號(hào)周期)。這些同步信息確定后已經(jīng)可以進(jìn)行偽碼相位的跟蹤。偽碼跟蹤環(huán)路采用常規(guī)的延遲鎖定環(huán)(DLL)，其中相位誤差鑒別器選用被超前加滯后包絡(luò)所歸一化的非相干超前減滯后包絡(luò)(從而去掉了幅度敏感性)，信號(hào)包絡(luò)的計(jì)算采用Robertson近似［11］。DLL鎖定檢測(cè)通過在DLL穩(wěn)定后不間斷地監(jiān)測(cè)對(duì)準(zhǔn)支路與超前/滯后支路的能量比值進(jìn)行判定。

由于信號(hào)中偽碼與數(shù)據(jù)符號(hào)非同源，用于生成超前/滯后包絡(luò)的處理的有關(guān)參數(shù)需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。否則，鑒相輸出的起伏會(huì)影響環(huán)路的穩(wěn)定性。這對(duì)最差情況下(符號(hào)+1和－1交替)，不同的積分清洗起始位置、積分清洗長(zhǎng)度及非相干累積次數(shù)對(duì)最終輸出包絡(luò)的起伏情況進(jìn)行考察［12］，可以得出如下結(jié)論:

① 最差情況下，積分清洗長(zhǎng)度為0．9符號(hào)時(shí)，非相干累加次數(shù)的增加可以提高最終包絡(luò)的平均能量;且多數(shù)情況下，不同積分起始對(duì)應(yīng)的包絡(luò)都存在起伏，只在非相干累積次數(shù)為10(或10的整數(shù)倍)時(shí)，不同積分起始造成的包絡(luò)起伏最小。

② 最差情況下，非相干累加次數(shù)為10時(shí)，同樣只有積分清洗長(zhǎng)度為0．9符號(hào)的情況下，不同積分起始造成的包絡(luò)起伏最小。

根據(jù)上述結(jié)論，為保證最差情況下輸出包絡(luò)起伏最小，積分清洗的長(zhǎng)度選用0．9符號(hào)長(zhǎng)度，非相干累積次數(shù)設(shè)置為10。

4 定時(shí)與載波同步

偽碼跟蹤階段后，偽碼相位已經(jīng)完全已知，可以將信號(hào)上的偽碼剝離，然后便可以按照非擴(kuò)頻信號(hào)的同步方式進(jìn)行后續(xù)的定時(shí)與載波同步處理。這里采用Gardner算法進(jìn)行定時(shí)誤差估計(jì)，估計(jì)結(jié)果通過環(huán)路濾波后控制用于生成符號(hào)時(shí)鐘的DDS，進(jìn)而控制積分清洗處理的起點(diǎn)［13－14］。

載波跟蹤環(huán)路采用COSTAS環(huán)，相位鑒別器采用面向判決的COSTAS，載波相位的跟蹤采用經(jīng)典的復(fù)數(shù)對(duì)相位解旋方案。

由于初始(定時(shí)/載波)偏移較大時(shí)，環(huán)路進(jìn)入鎖定過程時(shí)間較長(zhǎng)，這里在環(huán)路之前先采用相關(guān)+非線性處理+FFT+非相干累積的方式對(duì)定時(shí)和頻偏進(jìn)行前饋估計(jì)，使得定時(shí)和載波同步信息的歸一化偏差進(jìn)一步減小，使得定時(shí)和頻率落入定時(shí)和載波環(huán)路的快速入鎖范圍。其中定時(shí)前饋估計(jì)的思路與偽碼搜索與捕獲階段一致，載波估計(jì)的思路與頻率細(xì)估計(jì)階段一致。

5 結(jié)束語

針對(duì)低速非相干擴(kuò)頻信號(hào)接收處理所面臨的同步時(shí)間及處理硬件資源等約束，本文提出一種分階段的同步處理方法，該方法在偽碼搜索與捕獲階段采用并行部分相關(guān)+FFT+非相干累積的處理方式，在有效地縮短搜索捕獲時(shí)間的同時(shí)，提高了可接收的載波頻偏范圍，并且初步估計(jì)出數(shù)據(jù)符號(hào)的起始位置;在頻率細(xì)搜索階段采用并行相關(guān)+非線性處理+FFT+非相干累積的方式進(jìn)行對(duì)殘余頻偏進(jìn)行細(xì)估計(jì);在偽碼跟蹤階段使用能量歸一化的延遲鎖定跟蹤環(huán)，并通過對(duì)非相干累積參數(shù)的設(shè)定，減小了定時(shí)偏差對(duì)碼環(huán)的影響;在定時(shí)和載波跟蹤階段，首先采用相關(guān)+非線性處理+FFT+非相干累積的方式對(duì)定時(shí)和頻偏進(jìn)行前饋估計(jì)，使得定時(shí)和頻率落入定時(shí)和載波環(huán)路的快速入鎖范圍，然后分別進(jìn)行反饋形式的定時(shí)和載波跟蹤。在基于 Kintex7系列FPGA的硬件處理平臺(tái)上對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，硬件實(shí)測(cè)結(jié)果表明，針對(duì)本文給出的參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)可在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲，在4 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步，這一同步速度較以往的同步方法提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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Research on Fast Synchronization Methods of Low-symbol-rate Non-coherent DSSS Signals

FENG Chao-ying1，DENG Xiao-ping1，MA Lu-juan2

(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．College of Career Technology，Hebei Normal University，Shijiazhuang Hebei 050043，China)

A synchronization method with several stages is proposed to reduce synchronization time of low-symbol-rate noncoherent DSSS signals．The synchronization process consists of following stages:search and acquisition of PN code，carrier frequency fine estimation，PN code tracking，timing and carrier phase tracking．In this method，the first two stages adopt parallel processing，which reduces process time and expands the dynamic range of receive signals．And，the following stages fully use the synchronization information already obtained，which reduces the synchronization time further．Simulation results and FPGA measure results indicate that this synchronization method can realize fast synchronization of low-symbol-rate non-coherent DSSS signals，synchronization speed can be improved one order compared with the traditional synchronization methods．

non-coh-erent DSSS;acquisition of PN code;frequency estimation;timing synchronization

TN911

A

1003－3106(2017)02－0020－03

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．05

馮超英，鄧曉平，馬路娟．低速非相干擴(kuò)頻信號(hào)的快速同步方法研究［J］．無線電工程，2017，47(2):20－22，27．

2016-11-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2013AA122105);河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2016108)。

馮超英男，(1965—)，高級(jí)工程師。主要研究方向:無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。

鄧曉平男，(1985—)，工程師。主要研究方向:信道估計(jì)與均衡技術(shù)。