一種高動態(tài)微弱擴(kuò)頻信號捕獲方法

董國英, 芮正雄, 葛志閃, 徐 逸, 周波華, 康美玲

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109;3.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

0 引言

天基信息系統(tǒng)以及天地一體化網(wǎng)絡(luò)信息體系的建設(shè),促進(jìn)了高、低軌道飛行器之間高動態(tài)超遠(yuǎn)距通信技術(shù)的發(fā)展。飛行器之間通信距離遠(yuǎn)、信號衰減大且功率資源受限,因此通信系統(tǒng)具有通信速率低、接收信號弱的特性。飛行器之間較高的相對運(yùn)動速度和加速度,以及較高的通信載頻,會產(chǎn)生較大的多普勒頻率和多普勒頻率變化率,這就要求通信系統(tǒng)具有高動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力。因此通信接收設(shè)備必須實現(xiàn)高動態(tài)環(huán)境下微弱信號的快速捕獲。

針對動態(tài)信號頻率和相位變化快的問題,頻域并行碼相位搜索法[1-2]和頻域并行頻率快速傅里葉變換(FFT)搜索法[3-5]分別采用并行碼相位搜索和并行頻率搜索,將碼相位和頻率的二維搜索降低為一維搜索,并行捕獲算法的捕獲速度得到很大提升。但在高動態(tài)低速率情況下存在的累積增益低、捕獲靈敏度低的問題并沒有得到有效解決。

本文提出了一種動態(tài)碼序列匹配捕獲方法,在本地產(chǎn)生按照相同規(guī)律變化的動態(tài)匹配序列,實現(xiàn)接收信號和本地序列的匹配濾波,并進(jìn)行多比特非相干累積,提高接收設(shè)備的捕獲靈敏度。

1 多比特累積動態(tài)碼序列匹配方法

1.1 非相干累積捕獲算法

為了實現(xiàn)弱信號環(huán)境下的信號捕獲,相干累積、非相干累積以及差分相干累積等方法相繼被應(yīng)用[6-7]。由于存在比特跳變,相干累積方法的累積時間受到限制,而差分相干累積方法實現(xiàn)復(fù)雜,因此典型的高靈敏度捕獲技術(shù)通常是采用非相干累積方法獲得處理增益的。

實現(xiàn)信號捕獲時,在本地生成對應(yīng)的擴(kuò)頻序列,與下變頻后的基帶信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,相關(guān)處理后的基帶信號可表示為[8]

式中:tn表示采樣時間序列;A為信號幅度;D(tn)表示取值為±1的基帶數(shù)據(jù);R(·)為擴(kuò)頻序列的自相關(guān)函數(shù);Δτ為本地復(fù)制擴(kuò)頻序列與接收擴(kuò)頻序列的碼相位偏差;sinc(·)為辛格函數(shù);ΔωD為本地復(fù)制信號與接收信號的多普勒頻差;φ為載波的初始相位;w(tn)為相關(guān)運(yùn)算后的噪聲。當(dāng)Δτ和ΔωD等于0時,z(tn)取得最大值。

非相干累積是指去除信號的相位信息,僅對信號的幅度信息進(jìn)行累積。處理方法是將相關(guān)處理后基帶信號z(tn)的同相分量zI(tn)和正交分量zQ(tn)求平方和后再累加。信號非相干累積檢測統(tǒng)計量P(tn)表達(dá)式為[6]

式中:M為非相干累積的次數(shù)。可以看出,非相干累積在求平方過程中消除了比特跳變的影響,對多普勒頻差ΔωD的容忍度也較高。

1.2 大多普勒對非相干累積的影響

在高動態(tài)低速率通信環(huán)境下,一方面高動態(tài)信號的多普勒頻率和碼速率的變化較大,也就是信號的頻率特性和碼相位特性變化快;另一方面為了提高擴(kuò)頻序列捕獲靈敏度,采用多比特非相干累積,導(dǎo)致低速率數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)周期變長。因此在進(jìn)行高動態(tài)低速率信號捕獲時,多比特累積的后幾個比特較前幾個比特的頻率特性和碼相位特性已經(jīng)發(fā)生變化。Δτ,ΔωD增大,使自相關(guān)損耗R(Δτ)變大。多比特分別相關(guān)后的相關(guān)峰發(fā)生偏移,導(dǎo)致非相干累積增益減小,捕獲靈敏度降低。多比特累積碼相位變化情況如圖1所示。

圖1 多比特累積碼相位特性變化示意圖

1.3 動態(tài)碼序列匹配捕獲方法

采用動態(tài)碼序列匹配技術(shù),參與匹配的本地碼序列不再是一個靜態(tài)的擴(kuò)頻碼序列,而是一個和接收信號具有相同多普勒頻率特性的動態(tài)碼序列。當(dāng)接收信號多普勒特性隨著運(yùn)動特性實時變化時,本地匹配序列具有相同的變化特性。采樣時刻tn接收信號瞬時多普勒頻率表達(dá)式為

本地擴(kuò)頻碼具有相同的多普勒頻率動態(tài)特性,則采樣時刻瞬時擴(kuò)頻碼速率計算公式為

式中:fCA為初始擴(kuò)頻碼速率;fc為載波頻率?？梢钥闯?動態(tài)條件下擴(kuò)頻碼速率是一個按照信號多普勒頻率動態(tài)特性變化的量。

在信號捕獲過程中,進(jìn)行擴(kuò)頻序列的匹配相關(guān)和多比特非相干累積時,本地擴(kuò)頻序列的速率按照式(4)生成。多比特非相干累積時,本地擴(kuò)頻序列和接收信號間的Δτ和ΔωD幾乎為零,自相關(guān)損耗小,對相關(guān)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行多比特非相干累積,捕獲靈敏度提高。動態(tài)碼序列匹配情況如圖2所示。

圖2 動態(tài)碼序列匹配示意圖

2 動態(tài)碼序列匹配硬件實現(xiàn)

對基帶信號進(jìn)行采樣,并將多比特采樣數(shù)據(jù)存儲在RAM中。利用RAM的緩存作用,運(yùn)算可以在比較高的時鐘域進(jìn)行,從而縮短捕獲時間。動態(tài)碼序列匹配捕獲方法的快速實現(xiàn)是基于FPGA平臺,采用流水線處理的形式進(jìn)行的。以多普勒頻率為正偏移、累積16 bit為例,進(jìn)行處理時序設(shè)計,常規(guī)處理和動態(tài)碼序列匹配處理時序如圖3所示。從圖中可以看出:采用常規(guī)處理方法,第16 bit對應(yīng)擴(kuò)頻序列的碼相位已經(jīng)產(chǎn)生2個樣點的位移;而采用動態(tài)碼序列匹配方法可以保證生成的本地序列產(chǎn)生相同的位移,從而實現(xiàn)接收信號和本地擴(kuò)頻序列的相位匹配。

圖3 常規(guī)處理和動態(tài)碼序列匹配處理時序圖

綜上所述,本方法通過對每比特采樣點數(shù)及本地擴(kuò)頻碼生成進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,采用常規(guī)處理的硬件和軟件架構(gòu),可在硬件資源消耗量不變的前提下實現(xiàn)動態(tài)碼序列匹配。

3 仿真性能分析

3.1 多普勒對非相干累積的影響

以16 bit數(shù)據(jù)的非相干累積為例,驗證信號多普勒特性對非相干累積性能的影響。仿真條件為:通信速率4 kbps,擴(kuò)頻碼速率10.23 Mcps,擴(kuò)頻碼周期長度1 023,多普勒頻率80 k Hz,多普勒頻率變化率2.5 k Hz/s,采樣率40.92 MHz。

采用常規(guī)處理方法進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,在信噪比(Eb/N0)為7 dB條件下,多個比特累積運(yùn)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,由于信號多普勒特性,多比特累積運(yùn)算后相關(guān)峰位置發(fā)生偏移。

圖4 常規(guī)處理方法的多比特非相干累積增益

在Eb/N0為7 dB條件下,分別采用常規(guī)處理方法和動態(tài)碼序列匹配方法進(jìn)行多比特非相干累積,結(jié)果如圖5所示。

圖5 常規(guī)處理和動態(tài)碼序列匹配方法非相干累積增益

從圖5中可以看出,常規(guī)處理方法相關(guān)峰主瓣被展寬,相關(guān)峰位置發(fā)生偏移;動態(tài)碼序列匹配方法處理后峰均比性能較好,非相干累積增益顯著提高。

3.2 動態(tài)信號的捕獲性能

設(shè)多普勒頻率64 520 Hz,多普勒頻率變化率2.5 k Hz/s,碼位移625 chip。采用8 bit非相干累積,Eb/N0為5 d B時,動態(tài)信號捕獲性能如圖6所示。

圖6 動態(tài)信號捕獲性能

從圖6中可以看出,在4倍采樣條件下,搜索到的相關(guān)峰主瓣在2 500樣點位置,對應(yīng)碼位移是625 chip,即正確捕獲到碼位移。搜索算法中頻率搜索步長為500 Hz,本例中捕獲到的多普勒頻率為64 500 Hz,即正確捕獲到多普勒頻率?？芍?在大多普勒頻率、高動態(tài)環(huán)境下,當(dāng)Eb/N0為5 dB時,動態(tài)碼序列匹配方法依然可以實現(xiàn)信號頻率和碼相位的準(zhǔn)確捕獲。

3.3 靜態(tài)和動態(tài)信號的捕獲性能比較

將靜態(tài)信號和動態(tài)信號的捕獲性能進(jìn)行比較。設(shè)靜態(tài)信號的多普勒頻率和多普勒變化率均為0,動態(tài)信號多普勒頻率為80 k Hz,多普勒頻率變化率為2.5 k Hz/s。分別進(jìn)行200次捕獲仿真并統(tǒng)計仿真結(jié)果,靜態(tài)和動態(tài)信號的捕獲性能見表1。

表1 靜態(tài)和動態(tài)信號捕獲性能比較

從表1中可以看出,靜態(tài)信號在Eb/N0為5.7 d B時,捕獲概率可以達(dá)到99%;高動態(tài)信號采用動態(tài)碼序列匹配方法進(jìn)行捕獲,在信噪比Eb/N0為6.1 d B時捕獲概率可以達(dá)到99%,動態(tài)信號捕獲靈敏度性能損失0.4 dB。因此采用動態(tài)碼序列匹配方法捕獲靈敏度性能損失可以控制在較小范圍內(nèi),能夠滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

針對常規(guī)擴(kuò)頻系統(tǒng)高動態(tài)微弱信號捕獲靈敏度低的問題,提出一種動態(tài)碼序列匹配方法。在本地產(chǎn)生具有相同動態(tài)多普勒頻率和多普勒頻率變化率特性的載頻和擴(kuò)頻碼序列,對接收信號進(jìn)行混頻,并對混頻后的基帶信號進(jìn)行碼序列匹配,將匹配結(jié)果進(jìn)行多次非相干累積,提高接收設(shè)備的捕獲靈敏度。在消耗硬件資源不變的前提下,動態(tài)碼序列匹配方法解決了高動態(tài)信號多比特累積時前后比特間頻率和相位特性發(fā)生變化導(dǎo)致的累積增益降低的問題,且可以兼容原有的軟件架構(gòu),因此特別適用于高速超遠(yuǎn)距通信系統(tǒng)。