DS/FH混合擴頻快速同步技術研究

楊光宣， 茍先太， 張 波， 吳 潛,②， 金煒東， 張明陽

（①西南交通大學，四川 成都 610031；②中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

DS/FH（Direct Sequence & Frequency Hopping）混合擴頻應用于通信領域以增強系統抗干擾能力已成為一種趨勢[1]，DS/FH混合通信系統將直接序列擴頻技術與跳頻技術相結合，是國內外公認的最富有生命力的抗干擾通信系統。DS/FH擴頻系統的處理增益等于跳頻系統的處理增益與直序擴頻系統的處理增益的乘積,具有抗截獲，可克服多徑效應和遠近效應，對工作在同頻段的系統干擾小，可獲得較高的跳頻速率，有利于通信信息的加密等優點[2]。

在 DS/FH混合擴頻系統中,同步是一個關鍵問題，也是技術上的難點[3,4]。本文針對該問題提出了一種適用于DS/FH混合擴頻的快速同步技術,可快速穩定同步，簡化同步過程。

1 DS/FH同步技術

直擴和跳頻系統各自的同步技術有較大的差異，而在混合擴頻系統中可以將兩種同步技術相互結合，根據解擴的順序，利用直擴和跳頻系統同步技術的優點，在短時間內實現整個系統的同步[5]。

因此，可以將整個同步過程劃分成兩個部分：跳頻碼同步和直擴碼同步。此外還需在同步建立之后附加必要的失步檢測以對同步狀況進行監測，保證同步穩定。

1.1 跳頻同步

跳頻系統的碼同步捕捉與 DS系統相類擬，但相對來說要簡單得多。依據提取同步信息的手段不同，可以分為幾種具體的實施方法：等待自同步、掃描法(滑動法)、匹配濾波器法[3,6-7]。為了提高縮短捕獲時間，本文采用匹配濾波器法。匹配濾波器的捕獲原理(見圖 1)是以靜止的本地序列作為累加器的系數，接收信號滑過本地序列,每一時刻產生一個相關結果當兩個序列在零相移時有一個相關峰值輸出。

圖1 匹配濾波器工作過程

設接收機收到的跳頻信號為：

而匹配濾波器的沖擊響應為：

式中，P為信號功率，d(t)為傳輸的數據信，c(t)偽碼，Wc和φ分別為載波頻率和相位，t1為時延，cr(t)為與跳頻碼同長度的逆時間序列，Δω為匹配濾波器中心頻率和輸入信號載頻的頻差。工作過程推導如下：當接收端接收到信號R(t)分成I、Q兩路信號，I、Q兩路信號分別和sinctω、cosctω混頻，經混頻后通過匹配濾波器，濾波器的輸出為：

由于偽碼在一個周期積分為 1，所以匹配濾波器的輸出為式（3），因此匹配濾波器的最大輸出為：

I、Q兩路信號經過平方環做和，將所得信號平方，與門限值進行比較，若峰值大于門限值，則捕獲成功；反之，若小于門限值，則捕獲失敗，則重復以上過程，直到捕獲為止。同步信息的跟蹤過程則采用鎖相環原理來完成 。

1.2 直擴碼同步

基于FFT的偽碼并行捕獲算法[8-9],將傳統的碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉變為多普勒頻移的一維搜索,很大程度地縮短了捕獲時間。因此在一個偽碼周期內同時搜索所有的碼相位單元，循環移動本地偽碼相位與接收碼進行相關,當本地碼與接收到的偽碼相位相同時就會產生最大相關峰。這樣就將時域碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉變為頻域多普勒頻移的一維搜索，大大簡化了運算，提高捕獲速率。示意圖如圖2所示。

圖2 FFT一維搜索過程

捕獲過程（見圖 3）為：將本地載波對準初始估計頻率dω，使產生的信號對準一個多普勒頻率步進單元，啟動FFT捕獲,比較所得的相關峰值,若最大峰值超過檢測門限，則表明信號捕獲,根據信號所在位置的碼相位和多普勒頻率，移動本地偽碼相位，進入信號跟蹤階段。如果最大峰值小于門限值，說明信號捕獲失敗，將本地載波NCO多普勒頻率步進一個單元，重復上述過程，直到捕獲為止。

圖3 FFT偽碼并行捕獲原理框

1.3 仿真分析

設混合系統的參數為：跳頻速率 5000跳/秒,偽碼速率4.9152 Mbit/s,每跳傳送2 bit信息數據，序列載波頻率范圍為225～400 MHz，選用相關性良好的Gold碼序列。發送端將調制好的同步頭前導序列經過信道仿真模型的衰減進入接收機前端。下變頻經過匹配濾波器后,進行序列的相關檢測。圖4為相關檢測所得到的相關峰值。

從圖4可以看出得到的相關峰特別尖銳，捕獲的時候捕獲概率大大增加，虛警概率較小，有利于捕獲完成，縮短捕獲時間。完成跳頻碼的同步以后轉入直擴碼的同步階段。采用FFT的偽碼并行方法所得的相關峰值如下頁圖5。

圖4 匹配濾波器門限檢測相關峰

采用載波串行時捕獲性能如下頁圖 6，相關峰值并不明顯，在捕獲的時候虛警概率較高，增加同步時間采，在積累同樣的時間內，無法得到所需要的譜峰。而采用FFT的偽碼并行算法得到的相關峰如下頁圖 5，相關峰值明顯。并且改進以后的算法可以消除數據跳變的影響，同時，基于FFT的并行捕獲算法,將傳統的碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉變為多普勒頻移的一維搜索,很大程度地縮短了捕獲時間。

圖5 采用FFT的偽碼并行法檢測相關峰

圖6 采用載波串行時相關峰

2 結語

本文介紹了一套比較完整的DS/FH同步方案，其中將整個系統同步過程根據解擴的順序分成跳頻同步和直擴碼同步兩個階段，分別利用兩個過程的優勢，對兩個過程采用較好的算法，在較短的時間內，達到了比較好的同步效果，而且大大的縮短了同步時間，簡化了同步過程。通過仿真表明，本文所提的DS/FH混合擴頻同步方案前端采用匹配濾波器快速解跳，迅速進入到直擴同步階段，而且檢測相關峰值明顯，可以減小虛警概率，可以應用于數字接收機解決同步問題。

[1] 羅霞,張平,盧滿宏.擴頻測控系統窄帶干擾抑制技術分析與研究[J].遙測遙控, 2007, 28(11):54-58.

[2] 劉煥淋,向勁松.擴展頻譜通信[M].北京:北京郵電大學出版社,2008:14-30.

[3] 皮世杰,黃登山,龔誠.部分匹配濾波器在高動態衛導信號快捕的應用[J].通信技術,2008, 41(01):6-8.

[4] 李超,徐友云.DS/FH混合擴頻通信系統雙級同步技術研究[J].移動通信,2004(03):50-53.

[5] 康榮宗,劉洛琨,張劍,等.一種差分傳輸參考系統的實現方案[J].通信技術,2007,40(12):4-6.

[6] 劉艷華,趙剛.基于PMF-FFT的PN碼捕獲方法及性能[J].通信技術,2009,42(01):24-26.

[7] 盧長曉,王黎明,韓焱.傳統數字匹配濾波器的改進及仿真[J].通信技術,2009,42(07):25-27.

[8] 賈寧寧,陳源,侯孝民.高動態條件下提高擴頻信號捕獲精度方法研究[C]//2008通信理論與技術新發展—第十三屆全國青年通信學術會議論文集(下).北京:國防工業出版社,2008:1327-1330.

[9] 韓靖,周耀強.高動態環境下的偽碼快捕方法綜述[J].現代防御技術,2007,2(35):56.