利用幀頭擴(kuò)展擴(kuò)頻系統(tǒng)多普勒容限的方法*

黨群，吳廣偉

(西北工業(yè)大學(xué)365研究所，陜西西安710072)

在突發(fā)擴(kuò)頻數(shù)傳系統(tǒng)中，多普勒頻移導(dǎo)致相關(guān)峰下降并可能使解調(diào)數(shù)據(jù)極性反向，這就要求接收機(jī)在頻域和時(shí)域同時(shí)進(jìn)行捕獲。傳統(tǒng)的基于FFT[1,2]的方法或者鎖頻法均難以實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)數(shù)據(jù)碼元內(nèi)的頻率捕獲。而在數(shù)據(jù)解調(diào)支路中利用多個(gè)并行通道進(jìn)行頻率估計(jì)可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率的粗同步。但在頻率估計(jì)過程中，當(dāng)多普勒頻移超過數(shù)據(jù)速率1/4時(shí)，叉—點(diǎn)積法估計(jì)的頻率將產(chǎn)生符號反轉(zhuǎn)，從而輸出錯(cuò)誤的頻率估計(jì)。為提高叉—點(diǎn)積法的頻率鑒別范圍，可在同一個(gè)數(shù)據(jù)符號內(nèi)采樣從而擴(kuò)大多普勒鑒頻容限[3]，但該方法要求相關(guān)累加后的相鄰的I和Q采樣是在同一個(gè)數(shù)據(jù)位內(nèi)，因此僅適合類似GPS這種一個(gè)數(shù)據(jù)符號內(nèi)有多個(gè)偽碼周期的場合。本文提出了利用已知的數(shù)據(jù)幀頭作為叉—點(diǎn)積法中的符號，可有效消除普勒頻移超過數(shù)據(jù)速率1/4并且小于數(shù)據(jù)速率1/2時(shí)符號反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的錯(cuò)誤頻率估計(jì)，使頻率估計(jì)的多普勒容限擴(kuò)大一倍。

1 叉—點(diǎn)積法頻率估計(jì)原理

突發(fā)擴(kuò)頻數(shù)傳接收機(jī)內(nèi)部設(shè)置捕獲和數(shù)據(jù)解調(diào)兩個(gè)通道,捕獲通道通過匹配器實(shí)現(xiàn)偽碼的快捕。每一幀數(shù)據(jù)到來時(shí),匹配器捕獲偽碼以后,通過設(shè)置本地偽碼發(fā)生器的相位獲得同步偽碼,數(shù)據(jù)解調(diào)通道則利用同步偽碼實(shí)現(xiàn)接收信號的解擴(kuò)解調(diào)和頻率估計(jì),接收機(jī)利用頻率估計(jì)值在幾個(gè)并行的數(shù)據(jù)解調(diào)支路中選擇一路輸出,這幾路并行的數(shù)據(jù)解調(diào)支路結(jié)構(gòu)完全相同,不同的只是數(shù)字下變頻時(shí)的本振頻率不一樣。通過設(shè)置不同數(shù)據(jù)解調(diào)支路的本振頻率,實(shí)現(xiàn)不同多普勒頻移接收信號的最佳匹配。通過捕獲通道和多路并行數(shù)據(jù)解調(diào)支路,即可實(shí)現(xiàn)突發(fā)擴(kuò)頻信號的快速捕獲并克服多普勒頻移對于數(shù)據(jù)解調(diào)的影響。

圖1給出了擴(kuò)頻通信接收機(jī)捕獲通道和一路數(shù)據(jù)解調(diào)支路框圖(注：捕獲通道和這一路數(shù)據(jù)解調(diào)支路共用一路本振)。

進(jìn)入相關(guān)器的零中頻正交雙通道信號為：

圖1 數(shù)據(jù)解擴(kuò)解調(diào)通道示意圖

式中：r(t)為零中頻擴(kuò)頻信號,A為信號幅度，d(t)為調(diào)制的數(shù)據(jù)，PN(t)為偽碼，fd為多普勒頻移,θ為初相。

在第n個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)相關(guān)累加求和的結(jié)果為：

式中，R(τ)表示延遲為τ的接收偽碼與本地偽碼在一個(gè)碼片內(nèi)的相關(guān)值，T表示一個(gè)數(shù)據(jù)周期，N為偽碼長度。

將式(3)和式(4)合并為復(fù)數(shù)表達(dá)式s(t)，則有:

其中,θt∈[0,π]表示調(diào)制到相位中的數(shù)據(jù)信息,θ0=θ+π/2-πfdT,k=ANR(τ)sin(πfdT)/(πfdT)。

對于DBPSK,將前后兩個(gè)周期信號復(fù)共軛相乘進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，

同相路數(shù)據(jù)為:

式(8)中dθt=θt-θt+T∈[0,π]

正交路數(shù)據(jù)為:

根據(jù)式(8)和式(9)，利用叉—點(diǎn)積法[4,5]可以得到頻率誤差:

由于dθt∈(0,π)，所以I3≈±k2，Q3=±k2sin(2πfdT)，則頻率誤差信號為:e=k4sin(2πfdT)≈2πk4fdT。

圖2為式（10）對應(yīng)的鑒頻曲線。其中橫坐標(biāo)為頻率誤差fdT，縱坐標(biāo)為歸一化的頻率誤差e。

2 多普勒頻率估計(jì)容限擴(kuò)展原理

由式(10)和圖2可以看出傳統(tǒng)叉—點(diǎn)積法鑒頻范圍是|fd|≤1/(4T)。當(dāng)多普勒頻移絕對值大于1/(4T)時(shí)，同相路附加的相移絕對值超過π/2，從而引起數(shù)據(jù)極性判決反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頻率估計(jì)錯(cuò)誤。在利用匹配濾波器獲得偽碼同步后，為擴(kuò)大數(shù)據(jù)解調(diào)支路的多普勒容限，利用每一幀數(shù)據(jù)的前面已知幀頭數(shù)據(jù)的符號代替式(10)中的sign(I3)，即可消除同相路數(shù)據(jù)極性判決反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的不利影響，數(shù)據(jù)解調(diào)支路頻率估計(jì)的多普勒容限擴(kuò)大為1/(2T)。

圖2 符號(點(diǎn))交叉法鑒頻特性

頻率誤差表達(dá)式為：

圖3 多普勒容限擴(kuò)大后的鑒頻特性

圖3給出了式(11)對應(yīng)的多普勒容限擴(kuò)大后的鑒頻特性，其中橫坐標(biāo)為頻率誤差fdT，縱坐標(biāo)為歸一化的頻率誤差e。以上多普勒頻移容限擴(kuò)展方案利用了幀頭數(shù)據(jù)極性的先驗(yàn)知識(shí)，可有效避免數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)符號反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的頻率估計(jì)錯(cuò)誤。仿真及試驗(yàn)表明，可將傳統(tǒng)叉—點(diǎn)積法頻率估計(jì)范圍擴(kuò)大一倍。結(jié)合多路并行數(shù)據(jù)解調(diào)，可有效增強(qiáng)突發(fā)擴(kuò)頻通信中數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

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