跳擴(kuò)結(jié)合通信系統(tǒng)接收同步算法設(shè)計(jì)

洪 偉，孫 斌，胡萬(wàn)坤,許 菁

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

擴(kuò)展頻譜在現(xiàn)代電子信息技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。目前，軍事領(lǐng)域通信、數(shù)據(jù)鏈面臨的危險(xiǎn)越來越多。將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域如通信上可以提高通信設(shè)備抗干擾性能，減小被干擾和截獲、摧毀的概率，提高通信設(shè)備的生存能力。

擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信系統(tǒng))是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特性的擴(kuò)展函數(shù)擴(kuò)展后成為寬帶信號(hào)，送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。[1]擴(kuò)展函數(shù)常選用具有良好自相關(guān)性的偽隨機(jī)編碼序列。當(dāng)接收信號(hào)與本地偽碼序列的碼相位完全相同時(shí)得到最大相關(guān)峰值；而當(dāng)二者碼相位差超過一個(gè)碼片時(shí)相關(guān)能量近似于噪聲能量，因此擴(kuò)頻系統(tǒng)比常規(guī)通信系統(tǒng)具有強(qiáng)抗干擾能力。擴(kuò)頻系統(tǒng)按其工作方式可以分為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)(DS-SS)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)(FH-SS)、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)(TH-SS)及混合式(FH/DS，DS/TH，F(xiàn)H/TH)。其中，直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軍事通信領(lǐng)域[2]，以提高通信鏈路的抗干擾、抗截獲和抗偵破能力。直接擴(kuò)頻系統(tǒng)將信息信號(hào)與高速率的偽碼序列相乘后直接擴(kuò)展了基帶信號(hào)頻譜。隨著偽碼長(zhǎng)度的增加，直接擴(kuò)頻系統(tǒng)具有對(duì)數(shù)增益、有效提高通信鏈路[3]的接收靈敏度和抗多路徑干擾的能力。在現(xiàn)代軍事通信領(lǐng)域中也常將采用FH/DS混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)來提高數(shù)據(jù)鏈路的綜合抗干擾能力。

1 擴(kuò)頻系統(tǒng)同步技術(shù)

電磁波在空間傳輸時(shí)存在時(shí)延效應(yīng)，距離發(fā)射機(jī)越遠(yuǎn)時(shí)延越大。同時(shí)，由于目標(biāo)和發(fā)射機(jī)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)存在多普勒效應(yīng)。電磁波信號(hào)在無線電信號(hào)被接收時(shí)需進(jìn)行載波和定時(shí)同步。在跳擴(kuò)和直擴(kuò)通信系統(tǒng)中，定時(shí)同步分別體現(xiàn)為跳頻圖案和偽碼相位同步。而載波同步主要是指本地載波與接收信號(hào)載波間的頻差估計(jì)和補(bǔ)償。本章將分別介紹直擴(kuò)和跳擴(kuò)系統(tǒng)中常用的同步技術(shù)及原理。

1.1 跳頻圖案同步

按信息速率和跳頻速率互相對(duì)比進(jìn)行劃分，跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)可以區(qū)分成慢跳頻(SFH)[3]與快跳頻(FFH)。如果信息調(diào)制器輸出符號(hào)速率低于跳頻速率，則一個(gè)信息符號(hào)需占據(jù)多個(gè)跳頻時(shí)隙，那么在這種情況下的跳頻圖案同步稱之為快跳頻；如果信息調(diào)制器輸出符號(hào)速率高于跳頻速率，則一個(gè)跳頻時(shí)隙里可傳輸多個(gè)信息符號(hào)，那么在這種情況下的跳頻圖案同步稱之為慢跳頻。跳頻圖案同步是指接收與發(fā)送雙方的跳頻頻率和時(shí)間的跟蹤與捕捉，所以時(shí)間和跳頻頻率上對(duì)接收和發(fā)送雙方進(jìn)行嚴(yán)格的同步是非常必要的。跳速越快，跳頻圖案所對(duì)應(yīng)的偽碼周期越長(zhǎng)，跳頻圖案同步的難度越大。

由于相關(guān)峰能量隨載波多普勒頻偏增大成衰減趨勢(shì)，擴(kuò)頻接收機(jī)需要在解調(diào)前進(jìn)行載波同步。與偽碼相位同步的處理方法類似，載波同步也可分為捕獲和跟蹤兩個(gè)環(huán)節(jié)。在直接擴(kuò)頻系統(tǒng)中，頻偏捕獲通常與偽碼相位捕獲同步進(jìn)行。當(dāng)采用滑動(dòng)相關(guān)法時(shí)，可在載波頻率和相位上進(jìn)行二維搜索，即載波和相位均為串行搜索。載波搜索的步進(jìn)量由一個(gè)多普勒頻率單元構(gòu)成，碼相位搜索步進(jìn)量由一個(gè)碼相位單元構(gòu)成，則一個(gè)二維信號(hào)搜索單元?jiǎng)t由一個(gè)多普勒頻移單元與一個(gè)碼單元共同構(gòu)成。接收機(jī)的本地碼發(fā)生器調(diào)整碼相位多普勒頻移，某一搜索單元被其所產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)準(zhǔn)，如果信號(hào)被捕獲成功則搜索停止并切換到跟蹤環(huán)路，如果搜索失敗則碼相位自動(dòng)步進(jìn)一個(gè)單元，直到完成整個(gè)碼域的搜索。

1.2 偽碼相位同步

直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的偽碼相位同步包括偽碼捕獲和偽碼跟蹤兩方面內(nèi)容。首先，由于電磁波空間傳輸存在時(shí)延，接收機(jī)無法預(yù)知接收信號(hào)的偽碼相位，因此需要通過調(diào)整本地偽碼序列的相位，使其間的相位差足夠小，此過程即為偽碼捕獲。其次，由于頻率多普勒效應(yīng)反映在時(shí)域上為碼元間隔的壓縮或展寬現(xiàn)象，需要在捕獲后對(duì)偽碼相位進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，此過程即為偽碼跟蹤。利用偽碼序列良好的自相關(guān)特性，偽碼相位同步的本質(zhì)是對(duì)接收信號(hào)的匹配濾波處理。因此，偽碼周期越長(zhǎng)，碼速率越高(對(duì)應(yīng)碼片持續(xù)時(shí)間越小)，偽碼相位同步的系統(tǒng)開銷越大，實(shí)現(xiàn)難度也越大。

成熟的偽碼捕獲方法包括匹配濾波法[4]和滑動(dòng)相關(guān)法[5-6]。滑動(dòng)相關(guān)算法是指在同步搜索過程中讓本地碼序列發(fā)生器以不同于接收信號(hào)偽碼的速率進(jìn)行工作，那么這就相當(dāng)于兩個(gè)碼互相滑動(dòng)。如果發(fā)射機(jī)碼速率比接收機(jī)碼速率小，也就是接收機(jī)碼速率比發(fā)射機(jī)碼速率大，則接收機(jī)碼滑動(dòng)超前，反之則為滯后。如果兩個(gè)碼序列完全重合時(shí)，則停止滑動(dòng)，完成捕獲，轉(zhuǎn)正常碼速率的同時(shí)進(jìn)入到跟蹤狀態(tài)。由于滑動(dòng)相關(guān)算法屬于對(duì)偽碼相位的串行搜索，捕獲時(shí)間長(zhǎng)，不適于突發(fā)通信特點(diǎn)，因此在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路中普遍采用匹配濾波算法進(jìn)行偽碼捕獲。從實(shí)現(xiàn)形式上劃分，匹配濾波算法又可分為時(shí)域匹配濾波和頻域匹配濾波算法。時(shí)域匹配濾波法框圖如圖1所示，其捕獲思想是把接收機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)濾波處理，并以本地偽碼序列為參照對(duì)象作為數(shù)字 FIR 濾波器的抽頭系數(shù)。根據(jù)濾波后的輸出結(jié)果，判斷其是否通過預(yù)先設(shè)定的門限值。如果濾波后的輸出結(jié)果超過了預(yù)先設(shè)定的門限值，則表示此刻本地與接收到的擴(kuò)頻序列碼相位同步。如果沒有超出預(yù)先設(shè)定的門限值，則表示此刻本地與接收到的擴(kuò)頻序列碼相位不同步。

圖1 時(shí)域匹配濾波器捕獲方法原理示意圖

時(shí)域匹配濾波器捕獲技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，最重要的一點(diǎn)也是應(yīng)用最廣泛的一點(diǎn)是具有能大幅縮短捕獲時(shí)間。它搜索每個(gè)相位的時(shí)間節(jié)點(diǎn)僅為1/N個(gè)數(shù)據(jù)碼元。在數(shù)據(jù)碼元捕獲的過程中，本地的偽隨機(jī)序列與接收機(jī)收到的碼元序列同時(shí)進(jìn)行作相關(guān)處理運(yùn)算。任意時(shí)刻所產(chǎn)出的相關(guān)處理運(yùn)算結(jié)果都會(huì)拿來與一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的門限值進(jìn)行比較，如果得出的結(jié)果超出了預(yù)先設(shè)定的門限值，則表明此刻本地與接收的序列的相位同步。但是，時(shí)域匹配濾波法的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，不適于低信噪比和碼周期較長(zhǎng)的場(chǎng)合。

2 FFH/DS擴(kuò)頻系統(tǒng)同步方案

2.1 FFH/DS擴(kuò)頻同步設(shè)計(jì)方案

工程中常用的跳頻圖案同步方法有以下幾種：獨(dú)立信道法、自同步法和同步字頭法[7]。由于前兩種方法或需要獨(dú)立信道，或攜帶的同步信息量有限，均不適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下快速突發(fā)通信特點(diǎn)，因此戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈常采用同步字頭法。帶生成跳頻序列的同步字被發(fā)射機(jī)置于跳頻信號(hào)的最前端，或離散插入這種同步字。根據(jù)同步字的特點(diǎn)，同步信息被接收機(jī)解調(diào)出來，達(dá)到跳頻同步的目的。同時(shí)，為了提高跳頻圖案的抗截獲能力，通常收發(fā)雙方會(huì)約定跳頻圖案與系統(tǒng)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣發(fā)射機(jī)只需在前置信息內(nèi)攜帶時(shí)間信息即可。常采用的時(shí)間信息描述方法是TOD(Time of Day)[8]格式信息。TOD是由高精度時(shí)鐘提供的時(shí)間變量，收發(fā)端的TOD使跳頻圖案同步的關(guān)鍵是保持信息的一致性。TOD為64bit，由TODH、TODM和TODL這3個(gè)部分組成。以跳頻系統(tǒng)1 000跳/s來舉例說明。TODL每跳1 ms計(jì)一次數(shù)，TODL每300 ms向TODM進(jìn)一次位，TODM向TODH進(jìn)位的時(shí)間為1 min。因此,計(jì)算下來,TODL需9 bit，TODM需8 bit，TODH為剩下的47 bit。TODH的計(jì)數(shù)單位為1 min，換算成日、時(shí)、分計(jì)算，則需要均折算成1 min的整數(shù)倍。

使用“同步字頭+TOD信息”方法進(jìn)行跳頻圖案初始同步的一般步驟如下：

? 將跳頻頻率分為兩個(gè)頻率集：同步頭頻率和數(shù)據(jù)頻率，一般地同步頭頻率為數(shù)據(jù)頻率的子集，頻點(diǎn)數(shù)量在10個(gè)以內(nèi)。同時(shí)，將跳頻速率分為慢速和快速兩個(gè)量級(jí)，一般地快速率為慢速率的3～5倍。

? 在發(fā)送同步頭時(shí)，發(fā)射機(jī)選用同步頭頻率集，按快速率周期性發(fā)送TOD信息。

? 在接收同步頭時(shí)，接收機(jī)首先利用先驗(yàn)信息確定同步頭頻率集狀態(tài)，然后按慢速率周期切換頻點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的“快發(fā)慢收”。接收機(jī)每個(gè)頻點(diǎn)上滯留大于一個(gè)快速跳頻周期的時(shí)間，在多個(gè)周期循環(huán)時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)累加運(yùn)算，從而提取TOD時(shí)間信息。

? 接收機(jī)根據(jù)提取的TOD時(shí)間，按系統(tǒng)時(shí)間與跳頻圖案間的約定關(guān)系推算出接收機(jī)本地的跳頻圖案，最終完成初始同步。

本文提出的FFH/DS擴(kuò)頻同步方案包括跳頻圖案初始同步、跳頻圖案精確同步、直擴(kuò)偽碼相位捕獲和跟蹤。FFH/DS擴(kuò)頻同步方案如圖2所示。偽碼捕獲過程應(yīng)建立在TOD跳頻圖案初始同步的基礎(chǔ)上，而偽碼相位估計(jì)值又可輔助完成跳頻圖案的精確同步。本方案的跳頻圖案同步過程分為兩個(gè)階段：初始同步和精確同步。在初始同步階段，采用TOD授時(shí)方式估計(jì)當(dāng)前跳頻頻率，確定跳頻頻點(diǎn)搜索范圍。在精確同步階段，根據(jù)偽碼相位與跳頻周期間的固有關(guān)系，利用偽碼相位估計(jì)值進(jìn)一步對(duì)跳頻頻點(diǎn)及其切換時(shí)間進(jìn)行修正。由于偽碼跟蹤精度為1/8 chip(碼片)，跳頻同步精度最終可達(dá)到99.98%跳頻間隔。此外，受TOD時(shí)間信息±1 ms誤差影響，需采用多路并行偽碼捕獲方案。由于跳頻間隔為320 μs，±1 ms將產(chǎn)生±3跳頻點(diǎn)誤差。以0.5跳頻間隔為搜索單元單位，設(shè)計(jì)采用15路并行捕獲結(jié)構(gòu)。

圖2 FFH/DS擴(kuò)頻同步總體方案原理框圖

頻域匹配濾波算法又稱為FFT頻域并行捕獲算法，并行捕獲的數(shù)學(xué)原理如式(1)所示。

=S(i)?PN(-i)

=IFFT(FFT(S(k))·FFT·(PN(k))

(1)

其中，?代表卷積，IFFT代表傅里葉逆變換，F(xiàn)FT*代表傅里葉變換的共軛，F(xiàn)FT(S(k))為輸入信號(hào)S(i)的頻頻，F(xiàn)FT(PN(k))為本地偽碼序列PN(k)的頻譜。

根據(jù)式(1)推導(dǎo)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。由于離散傅里葉變換中時(shí)域循環(huán)卷積等于頻域相乘，可以通過計(jì)算接收信號(hào)和本地偽碼的頻域表示，并使其相乘，來代替兩者時(shí)域信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算。在共軛相乘后，通過IFFT變換獲得其時(shí)域表示，則相關(guān)峰最大值所對(duì)應(yīng)的相位索引即為當(dāng)前偽碼相位估計(jì)值。因此，從數(shù)學(xué)意義上講時(shí)域和頻域匹配濾波法是等效的。但是，由于頻域匹配濾波可通過調(diào)用FFT運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)，且可并行實(shí)現(xiàn)偽碼相位捕獲，便于工程實(shí)現(xiàn)，符合突發(fā)通信快速捕獲的需要。

圖3 基于FFT的并行捕獲原理框圖

2.2 跳頻圖案同步補(bǔ)償

由圖4可以得出以下結(jié)論：在本地偽碼和輸入偽碼在各個(gè)狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的歸一化的峰值：對(duì)齊時(shí)峰值為1，相差1/2碼片時(shí)峰值大約為1/2，相差1個(gè)碼片時(shí)峰值接近于0。本地碼如果對(duì)準(zhǔn)則超前和滯后的包絡(luò)幅度相同，同時(shí)鑒別器不會(huì)有誤差信號(hào)產(chǎn)生。相反，本地碼如果不對(duì)準(zhǔn)，相對(duì)應(yīng)時(shí)段限制范圍里幅度差的大小與誤差的大小是成正比的，并且超前和滯后的包絡(luò)幅度也不盡相同。單位碼元間隔內(nèi)所能獲得的采樣點(diǎn)數(shù)量越多，可調(diào)碼相位精度就越高。

為了精確補(bǔ)償傳輸延時(shí)，需根據(jù)偽碼捕獲和跟蹤結(jié)果對(duì)接收機(jī)本地時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，即偽碼捕獲輔助調(diào)頻同步。圖5是以0.5 hop為間隔的并行偽碼捕獲在接收信號(hào)與本地信號(hào)存在最大跳頻頻點(diǎn)相位差時(shí)的延時(shí)補(bǔ)償示意圖。圖中， 斜線方框表示頻點(diǎn)對(duì)齊的

圖4 偽碼相位相關(guān)運(yùn)算結(jié)果

偽碼周期，井字線方框?yàn)槲磳?duì)齊的偽碼周期。最大相位差出現(xiàn)在接收信號(hào)相位恰好在超前和滯后路相位的中間，即相差±1.25周期時(shí)。以接收信號(hào)相位為基準(zhǔn)，Tinte為相位差的偽碼周期L整數(shù)部分，Tdec為小數(shù)部分(0.5 chip的整數(shù)倍)。因此，跳頻圖案精確同步的主要任務(wù)在于利用偽碼捕獲結(jié)果精確補(bǔ)償收發(fā)機(jī)跳頻頻點(diǎn)的相位差。

圖5 最大相位差時(shí)的延時(shí)補(bǔ)償示意圖

跳頻圖案精確同步的步驟如下：

? 以1 hop持續(xù)時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)量為周期進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，建立樣值與偽碼相位估計(jì)值間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

? 根據(jù)偽碼相位粗捕獲得的偽碼相位估計(jì)值(Tdec)，調(diào)整15路并行捕獲支路上的跳頻頻點(diǎn)切換時(shí)間，使其小數(shù)部分誤差縮小至±0.5 chip(碼片)以內(nèi)；

? 以偽碼相位精塊判決獲得的最佳支路為準(zhǔn)，等效補(bǔ)償跳頻頻點(diǎn)切換時(shí)間誤差的整數(shù)部分；

? 以開環(huán)跟蹤判決獲得的最佳支路為準(zhǔn)，進(jìn)一步補(bǔ)償跳頻頻點(diǎn)切換時(shí)間誤差的小數(shù)部分，并最終把誤差控制在±1/8 chip(碼片)以內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種適于FFH/DS擴(kuò)頻系統(tǒng)的接收同步方法。首先，利用參考時(shí)鐘和TOD信息完成跳頻初始同步；然后，利用頻域匹配濾波法和PMF-FFT頻率估計(jì)法進(jìn)行偽碼相位捕獲，并采用開環(huán)跟蹤結(jié)構(gòu)進(jìn)行偽碼相位跟蹤；最后，根據(jù)偽碼相位與跳頻圖案切換時(shí)間間的固有關(guān)系，利用偽碼相位同步結(jié)果輔助完成跳頻圖案的精確同步。本方案的跳頻圖案同步精度等同于偽碼相位同步精度，為±1/8碼元間隔。