高多普勒擴(kuò)頻通信快速捕獲技術(shù)研究

馬若飛，丁世譜

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與地面測(cè)量站之間通常存在較高的徑向速度和加速度。這使得雙方接收機(jī)接收信號(hào)的載波具有很高的多普勒頻率和多普勒頻率變化率，即存在很高的動(dòng)態(tài)。

傳統(tǒng)的捕獲方法一般采用滑動(dòng)相關(guān)法。這一方法的工作效率較低：一方面，該捕獲過(guò)程是一個(gè)二維的搜索過(guò)程，用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，約為相關(guān)器單次積分時(shí)長(zhǎng)的N倍(N為偽碼點(diǎn)數(shù))；另一方面，隨著多普勒頻移的增大，該方法性能會(huì)迅速變差，直至無(wú)法完成捕獲。[1]為改善擴(kuò)頻信號(hào)在大動(dòng)態(tài)下的捕獲跟蹤效率，本文提出了一套捕獲跟蹤實(shí)現(xiàn)方案，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步。這一方案包括時(shí)域部分匹配捕獲法、FLL環(huán)輔助PLL環(huán)的載波同步法兩部分。

1 方案設(shè)計(jì)

擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)頻碼捕獲是接收機(jī)要解決的首要問(wèn)題。為了縮短捕獲時(shí)間，將傳統(tǒng)的捕獲方法中的滑動(dòng)相關(guān)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，引入FFT譜分析。

1.1 時(shí)域部分匹配捕獲法

當(dāng)本地偽碼與輸入信號(hào)偽碼相位一致，本地偽碼與輸入信號(hào)相乘后，結(jié)果只剩下殘留的載波ej2πfdt，對(duì)其作FFT譜分析，就能得到多普勒頻移值fd。利用這種方法，在搜索到偽碼相位的同時(shí)就能得到它的多普勒頻移值，從而將原來(lái)的頻相二維搜索過(guò)程變?yōu)橐粋€(gè)一維搜索過(guò)程，大大減少了搜索時(shí)間。[2]基于FFT捕獲的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

這一方案中的本地偽碼與輸入信號(hào)偽碼之間仍然保持相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于輸入信號(hào)，每X個(gè)碼片(chip)做一次累加，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的降速，將原長(zhǎng)M的偽碼變?yōu)楝F(xiàn)在的P點(diǎn)數(shù)據(jù)(P=M/X)。使用第n個(gè)部分相關(guān)器計(jì)算偽碼的第n個(gè)X碼片，以此類推，第P個(gè)部分相關(guān)器用最后X個(gè)碼片[3]。而后利用這P點(diǎn)數(shù)據(jù)作N(N≥P)點(diǎn)FFT，并分析頻譜，選擇FFT的N個(gè)輸出端中輸出值最大的峰值作為相關(guān)器的輸出。如果頻譜峰值超過(guò)門限值，則說(shuō)明本地碼相位與輸入信號(hào)碼相位達(dá)到一致，即實(shí)現(xiàn)了用FFT對(duì)接收信號(hào)的Doppler頻移估計(jì)。

對(duì)這一方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)，將中頻信號(hào)經(jīng)A/D采樣后所得的采樣點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)分別寫(xiě)入兩個(gè)緩沖區(qū)，在捕獲時(shí)再?gòu)木彌_區(qū)中讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行部分匹配相關(guān)。所得相關(guān)結(jié)果累加后，每L個(gè)點(diǎn)作一次FFT(采樣點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)并行進(jìn)行)。在捕獲中，每作一次FFT，將最大值位置和是否滿足單音和總量的比例關(guān)系存入一個(gè)存貯器，同時(shí)從存貯器中讀出前Q個(gè)的最大值進(jìn)行比較。如果當(dāng)前最大值和總能量達(dá)到一定的比例，且最大值位置與Q個(gè)之前的位置相同，同時(shí)Q之前的單音也滿足比例關(guān)系，則認(rèn)為捕獲到擴(kuò)頻碼相位，完成粗捕，可以進(jìn)行后續(xù)校驗(yàn)。

計(jì)算FFT的過(guò)程中，其頻率分辨率取決于FFT點(diǎn)數(shù)，粗捕中仍會(huì)殘余不大于頻率分辨率的頻偏。這一殘余頻偏可以采用M&M算法進(jìn)行估計(jì)，將其消除。在接下來(lái)的若干個(gè)碼周期內(nèi)，每個(gè)碼周期作同樣的FFT，結(jié)果存入存貯器中，再作非相干累加，對(duì)累加的結(jié)果作單音判斷，如果滿足條件即通過(guò)和驗(yàn)證，如果驗(yàn)證通過(guò)則啟動(dòng)跟蹤。

1.2 FLL環(huán)輔助PLL環(huán)的載波同步法

由于多普勒和時(shí)鐘偏差的存在，載波會(huì)產(chǎn)生一定的頻偏，其同步過(guò)程也包含捕獲和跟蹤兩個(gè)步驟。載波捕獲過(guò)程是對(duì)多普勒頻移的粗略估計(jì)，而載波跟蹤則是精確跟蹤多普勒頻移和相位變化以恢復(fù)出相干載波。

在大頻偏和大多普勒變化率的條件下，本方案的載波同步主要包括以下3個(gè)步驟：

(a) 大多普勒頻差搜索：通過(guò)載波頻率與碼相位的聯(lián)合搜索，使得剩余載波頻差較??；

(b) 剩余載波頻差估計(jì)：采用基于反余弦函數(shù)的頻差估計(jì)算法進(jìn)一步減小載波頻差；

(c) 雙環(huán)載波跟蹤：通過(guò)一個(gè)鎖頻環(huán)FLL和一個(gè)鎖相環(huán)PLL，完成在高動(dòng)態(tài)條件下的載波頻率和相位的精確跟蹤。

載波跟蹤環(huán)包括鎖頻環(huán)(FLL)和鎖相環(huán)(PLL)。初始時(shí)，F(xiàn)FT模塊捕獲后載波頻差還比較大，頻率尚未鎖定，鑒相算法的輸出經(jīng)濾波器積分后輸出為零，此時(shí)FLL起主導(dǎo)作用。頻率鎖定后，鑒頻器輸出為零，鎖相環(huán)占主導(dǎo)地位[5]。

雙環(huán)載波跟蹤環(huán)路的原理框圖如圖2所示。

從圖2可以看出，雙環(huán)載波同步環(huán)路主要由1個(gè)鎖頻環(huán)FLL、1個(gè)鎖相環(huán)PLL及載波NCO組成。DLL環(huán)中輸出正確的P-N碼相位及最佳采樣點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)匹配相乘后進(jìn)行積分清除濾波，進(jìn)行平方去調(diào)制運(yùn)算，然后進(jìn)行32點(diǎn)的滑動(dòng)平均濾波，并用ATAN反正切函數(shù)鑒相得到相位誤差，相位誤差經(jīng)1個(gè)采樣周期延時(shí)后進(jìn)行差分鑒頻得到頻率誤差。相位誤差和頻率誤差送至FLL/PLL環(huán)路濾波器(積分支路要進(jìn)行飽和控制)進(jìn)行濾波，根據(jù)濾波輸出調(diào)整載波NCO，并經(jīng)比例因子相乘后輔助DLL環(huán)。

當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，滑動(dòng)平均輸出信號(hào)的I支路應(yīng)為1，Q支路應(yīng)為0，此時(shí)可用該信號(hào)進(jìn)行積分，比較I、Q支路積分輸出比值進(jìn)行環(huán)路檢測(cè)鎖定判決。

2 計(jì)算機(jī)仿真

仿真所用直擴(kuò)系統(tǒng)參數(shù)如下：

基帶信息速率：Ra=4.88 kbps；

偽碼速率：Rc=5 MHz；

偽碼形式：1 024位m序列；

調(diào)制方式：DBPSK；

采樣頻率：fs=100 MHz；

載波頻率：fc=30 MHz。

直擴(kuò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在頻偏為5 kHz時(shí)，傳統(tǒng)偽碼捕獲方法相關(guān)結(jié)果的仿真結(jié)果如圖4所示，可以看到并沒(méi)有明顯的相關(guān)峰，捕獲失敗。

圖5為同多普勒下時(shí)域部分匹配捕獲法的仿真結(jié)果。圖中同時(shí)展示了捕獲校驗(yàn)時(shí)的單次結(jié)果、16次相干累加和16次非相干累加的結(jié)果，可以看到明顯峰值，捕獲成功。

接著對(duì)高多普勒下本文所提方案的載波同步進(jìn)行仿真。圖6給出了門限信噪比條件下載波環(huán)路的校頻濾波輸出，仿真時(shí)載噪比為55 dB/Hz，多普勒頻移初始誤差為1 kHz，多普勒頻移變化率為24 kHz/s。仿真結(jié)果表明，雙環(huán)路載波跟蹤環(huán)可以實(shí)現(xiàn)載波的精確跟蹤。另外，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)環(huán)路的鎖定時(shí)間基本在0.15 s左右，遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前工程實(shí)踐中通常為1 s的指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文著重介紹了高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲和載波同步的算法，分別采用了時(shí)域部分匹配FFT方法、FLL環(huán)輔助PLL環(huán)等算法。時(shí)域部分匹配FFT法在幾乎不增加硬件復(fù)雜度的情況下彌補(bǔ)了時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)法花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的不足，載波跟蹤方法則可以在實(shí)際頻偏較大的情況下在0.2 s內(nèi)完成跟蹤，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。