多碼環(huán)架構(gòu)對(duì)擴(kuò)頻捕獲性能的優(yōu)化

保 駿

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在擴(kuò)頻接收機(jī)中,經(jīng)常會(huì)使用到PN碼跟蹤環(huán)。由于PN碼跟蹤環(huán)的鑒相特性通常僅能在一個(gè)碼元之內(nèi)有效,若采用單Δ環(huán),鑒相特性更是縮減為半個(gè)碼元寬度。因此要求PN碼捕獲電路在給出相位信息時(shí),必須根據(jù)碼環(huán)鑒相特性精確到相應(yīng)的碼元寬度范圍內(nèi)。但是,由于捕獲是一個(gè)概率事件,在受到接收噪聲、信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)變化等客觀條件的影響時(shí),不可能做到100%的捕獲成功概率。同時(shí),由于捕獲電路中沒(méi)有鎖相環(huán),因此其本地碼鐘相對(duì)發(fā)端碼鐘始終存在一定的偏差和漂移,因此不能保證每次捕獲都能使碼環(huán)被準(zhǔn)確復(fù)位到鑒相范圍之內(nèi),根據(jù)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)捕獲可能偏差多個(gè)碼元寬度[1-2]。

在當(dāng)前普遍的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,往往是單純采用改善捕獲電路性能的方式來(lái)進(jìn)一步提高捕獲的成功概率。這種方式不但增加了捕獲電路的復(fù)雜程度,而且需要依靠資源大量消耗來(lái)?yè)Q取性能改善,代價(jià)很大[2,3]。通過(guò)試驗(yàn)分析,我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)接收機(jī)的碼環(huán)架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化也可以達(dá)到同樣目的,而且無(wú)需對(duì)捕獲提出苛刻要求。

本文提出的擴(kuò)頻接收機(jī)多碼環(huán)架構(gòu),即是在接收機(jī)中采用多個(gè)碼環(huán),以增加鑒相特性覆蓋范圍的方式,達(dá)到提高系統(tǒng)捕獲性能的目的。

2 接收機(jī)碼跟蹤環(huán)及PN碼捕獲原理分析

2.1 接收機(jī)碼環(huán)原理分析

在擴(kuò)頻接收機(jī)當(dāng)中,PN碼跟蹤一般采用非相干延時(shí)鎖定環(huán),包括本地PN碼產(chǎn)生器、接收信號(hào)與本地PN碼相關(guān)器、誤差提取、環(huán)路濾波、碼鐘DCO等部分。偽碼的捕獲靠PN碼快捕模塊完成PN碼相位的快速搜索,將本地PN碼與接收信號(hào)PN碼相位對(duì)準(zhǔn)到1個(gè)碼元之內(nèi),同時(shí)將計(jì)算得出的碼鐘頻率值預(yù)置到本地碼鐘DDS,此時(shí)環(huán)路進(jìn)入快捕帶,完成鎖定。

對(duì)于采用雙Δ鑒相寬度的PN碼環(huán),捕獲范圍寬,容易鎖定;對(duì)單Δ環(huán),相位抖動(dòng)小,測(cè)距精度高但難以鎖定,對(duì)捕獲精度要求高。雙Δ環(huán)鑒相曲線如圖1所示。利用碼環(huán)時(shí)間誤差鑒別特性,本地碼可以鎖定在鑒別曲線的零點(diǎn),與輸入偽碼相位相同。

圖1 雙Δ環(huán)鑒相特性Fig.1 Double-Δ-loop characteristic of phaese detect

由于PN碼跟蹤環(huán)的鑒相特性僅在半個(gè)或一個(gè)碼元之內(nèi)有效,因此要求捕獲電路在給出相位信息時(shí),必須根據(jù)碼環(huán)鑒相特性精確到相應(yīng)的碼元寬度范圍內(nèi)[2]。

2.2 PN碼捕獲原理分析

長(zhǎng)碼的捕獲過(guò)程是一個(gè)時(shí)間軸和頻域軸同時(shí)進(jìn)行的二維搜索過(guò)程,一方面是時(shí)間上的不確定性帶來(lái)的碼元搜索,另一方面是衛(wèi)星移動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移引起的對(duì)頻率的搜索。對(duì)偽碼相位的搜索是利用碼的相關(guān)性通過(guò)大量的相關(guān)運(yùn)算完成的,而對(duì)多普勒頻移的搜索往往是將整個(gè)多普勒頻率范圍分為許多個(gè)頻率槽依次搜索或者并行搜索完成[3,4]。若需要縮短捕獲時(shí)間、提高系統(tǒng)捕獲性能,只能通過(guò)增加并行搜索路數(shù)的方式實(shí)現(xiàn),但這種方式需要成倍地消耗系統(tǒng)資源,并且給設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的難度。

對(duì)于二維搜索而言,依次串行搜索時(shí)間太長(zhǎng),不能滿足大多數(shù)使用要求,完全并行搜索硬件資源及設(shè)備體積上又不可承受,因此可以利用FFT及IFFT在頻域上完成快速相關(guān)運(yùn)算過(guò)程,并通過(guò)采用在頻域上對(duì)多普勒頻率的峰值(相關(guān)值)進(jìn)行門限判決的辦法將二維搜索轉(zhuǎn)化為只有碼元搜索的一維搜索過(guò)程。采用此種方案可以在完成相位捕獲的同時(shí)得到信號(hào)的頻率信息。

在信號(hào)檢測(cè)中,我們最感興趣的兩個(gè)量是單次試驗(yàn)的檢測(cè)概率和虛警概率。有了 p0( y )和p1( y ),可以計(jì)算虛警概率、檢測(cè)概率和信噪比的關(guān)系。設(shè)虛警概率為Pf,檢測(cè)概率為PD,則:

式中,ρ=S/N=CT/N0,由式(1)可知虛警概率、檢測(cè)概率僅和信噪比S/N有關(guān),其關(guān)系如圖2所示。

圖2 虛警概率、檢測(cè)概率和信噪比的關(guān)系Fig.2 Relationship among S/N,false alarm probability and detection probability

在捕獲電路完成對(duì)碼的二維搜索之后,需要將相位和頻率信息通過(guò)一定的接口關(guān)系送給接收機(jī)的碼跟蹤環(huán)路[5-6]。

3 捕獲與接收機(jī)的接口原則及存在的問(wèn)題

接收機(jī)和碼捕獲電路的接口包括碼相位接口和頻率接口兩部分。針對(duì)這兩部分的要求為:碼相位信息精度小于等于1個(gè)或0.5個(gè)碼元寬度;頻率信息精度小于等于碼跟蹤環(huán)路捕獲帶。

在這兩個(gè)原則中,頻率信息精度相對(duì)較容易達(dá)到,本文就不進(jìn)行分析了,但碼相位信息的精度容易受到多種因素影響而發(fā)生超差[2,7]。

從前述分析可以看出,捕獲是一個(gè)概率事件,受到接收噪聲、多普勒頻率動(dòng)態(tài)、時(shí)鐘漂移等客觀條件的影響[8],是不可能完全做到100%的捕獲成功概率的,而且很難保證每次捕獲都能使碼環(huán)被復(fù)位到準(zhǔn)確的1個(gè)碼元之內(nèi)。

為了驗(yàn)證捕獲性能的變化,我們?cè)谝韵聴l件下進(jìn)行了試驗(yàn):在接收信號(hào)頻率加動(dòng)態(tài)變化條件下,碼元寬度為0.33 μ s,要求當(dāng)信噪比為8dB時(shí),系統(tǒng)捕獲概率大于60%;信噪比為13dB時(shí),系統(tǒng)捕獲概率大于99%。根據(jù)上述要求在單碼環(huán)接收機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)。

給定接收信噪比S/N=8dB,捕獲相位精度可能偏差多個(gè)碼元寬度,示波器顯示的收發(fā)碼相位關(guān)系如圖3所示,圖中上排脈沖為發(fā)端信號(hào)碼初始相位,下排脈沖為碼捕獲電路恢復(fù)的接收信號(hào)碼初始相位。在理想情況下,兩者的相對(duì)位置應(yīng)當(dāng)固定。通過(guò)示波器的余暉顯示功能記錄了多次捕獲的相位位置,很顯然,捕獲電路不能將每次恢復(fù)的收端相位保持在相對(duì)固定的位置上。

圖3 相位捕獲精度(S/N=8dB)Fig.3 Precision of phase acquisition(S/N=8dB)

從圖3可以看出,在此條件下,捕獲相位精度僅能保證在2.36 μ s的時(shí)間范圍內(nèi),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,此時(shí)若要達(dá)到10-6的虛警概率,捕獲概率不到20%,顯然無(wú)法滿足碼環(huán)的精度要求。

保持接收信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)變化條件,將信噪比增加5dB之后,捕獲相位精度會(huì)明顯好轉(zhuǎn),如圖4所示。碼環(huán)相位精度改善到1.13 μ s之內(nèi),此時(shí)若要達(dá)到10-6的虛警概率,捕獲概率可以達(dá)到90%,但仍然不能滿足系統(tǒng)99%捕獲概率的要求。

圖4 相位捕獲精度(S/N=13dB)Fig.4 Precision of phase acquisition(S/N=13dB)

從圖3和圖4可以看出,捕獲電路提供的相位精度在較為嚴(yán)苛的條件下往往不能保證接收機(jī)碼環(huán)的要求,從而使系統(tǒng)捕獲性能大幅下降。

下面對(duì)采用多碼環(huán)架構(gòu)提高捕獲性能的方式進(jìn)行分析。

4 碼相位信息誤差的多碼環(huán)解決方案

通過(guò)采用多碼環(huán)的構(gòu)架可以較容易地降低接收機(jī)對(duì)相位信息精度的要求,多碼環(huán)構(gòu)架如圖5所示。

圖5 多碼環(huán)擴(kuò)頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structural block diagram of receiver with multiple code loop

在一般的單碼環(huán)結(jié)構(gòu)擴(kuò)頻接收機(jī)中,圖5中的陰影部分僅由一個(gè)碼環(huán)構(gòu)成[9-10];多碼環(huán)結(jié)構(gòu)當(dāng)中,碼環(huán)的數(shù)量擴(kuò)展到了4個(gè)(根據(jù)需要可以擴(kuò)展更多),同時(shí)增加了“相位信息延遲模塊”和“多碼環(huán)選擇模塊”。相位信息延遲模塊將PN碼捕獲電路送來(lái)的相位信息分別對(duì)應(yīng)4路碼環(huán)依次延遲4個(gè)碼鐘周期,從而保證始終會(huì)有一個(gè)碼環(huán)接收到正確的相位信息。多碼環(huán)選擇模塊根據(jù)各個(gè)碼環(huán)的鎖定情況,選擇出最先鎖定的碼環(huán)作為接收機(jī)的碼環(huán)輸出,特別需要注意的是若當(dāng)前已選擇的碼環(huán)鎖定狀態(tài)不發(fā)生變化就不進(jìn)行輸出切換。

采用多碼環(huán)接收機(jī),整個(gè)接收機(jī)的碼環(huán)鑒相特性會(huì)按照碼環(huán)的數(shù)量被擴(kuò)展,如圖6所示,有效鑒相范圍會(huì)擴(kuò)大單個(gè)碼環(huán)的4倍,即鑒相范圍被擴(kuò)大為0.33 μ s×4=1.32 μ s。

圖6 多碼環(huán)擴(kuò)展鑒相特性Fig.6 Multiple loops characteristic of phaese detection

在此條件下,前述碼捕獲電路即使不做任何修改也可以在13dB的信噪比條件下滿足系統(tǒng)捕獲精度要求。根據(jù)圖3所示的相位精度誤差,若將碼環(huán)數(shù)量擴(kuò)展到8個(gè),可以不修改捕獲電路而將接收機(jī)的靈敏度提高到8dB。

由于接收機(jī)采用了多碼環(huán)架構(gòu),那么必須很好地設(shè)計(jì)多碼環(huán)選擇算法。此算法的原則是:自動(dòng)選擇首先鎖定的碼環(huán);失鎖后可以自動(dòng)切換;選擇正常鎖定的碼環(huán)后,接收機(jī)狀態(tài)不受其余碼環(huán)狀態(tài)變化的影響。

根據(jù)以上原則,多碼環(huán)選擇模塊算法流程圖如圖7所示。

此模塊采用Verilog硬件描述語(yǔ)言在FPGA中實(shí)現(xiàn)碼環(huán)自動(dòng)選擇功能。程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)“選擇標(biāo)識(shí)”、“通道標(biāo)識(shí)”兩個(gè)變量的值自動(dòng)對(duì)碼環(huán)作出正確選擇,程序共需考慮4種情況。

(1)情況1:全部碼環(huán)均失鎖

程序在每一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期都會(huì)進(jìn)行碼環(huán)鎖定指示的采樣判斷,若全部碼環(huán)均處在失鎖狀態(tài),“選擇標(biāo)識(shí)”、“通道標(biāo)識(shí)”兩個(gè)變量保持初始化的0,程序跳轉(zhuǎn)至末尾,選擇缺省碼環(huán)作為選擇輸出,在程序中設(shè)定碼環(huán)A為缺省輸出。

(2)情況2:只有一路碼環(huán)正常鎖定

當(dāng)程序檢測(cè)到其中一路碼環(huán)鎖定之后,“鎖定指示”變量為1,程序根據(jù)各碼環(huán)鎖定狀態(tài)進(jìn)行通道判斷,根據(jù)鎖定對(duì)應(yīng)環(huán)路對(duì)“通道標(biāo)識(shí)”變量進(jìn)行賦值,并將相應(yīng)碼環(huán)作為選擇輸出。

(3)情況3:多路碼環(huán)鎖定

當(dāng)程序檢測(cè)到多路碼環(huán)鎖定之后,“鎖定指示”變量為1,將按照設(shè)定的A、B、C、D優(yōu)先級(jí)依次降低的順序進(jìn)行通道判斷,根據(jù)最早鎖定且優(yōu)先級(jí)最高的環(huán)路作為選擇輸出,并根據(jù)選擇結(jié)果對(duì)“通道標(biāo)識(shí)”變量進(jìn)行賦值。在完成選擇之后由于“通道標(biāo)識(shí)”變量已經(jīng)完成對(duì)應(yīng)賦值,因此選擇輸出不會(huì)受到后鎖定環(huán)路的影響。

(4)情況4:當(dāng)前選擇碼環(huán)失鎖,其余碼環(huán)正常鎖定

當(dāng)程序當(dāng)前選擇的碼環(huán)失鎖,程序會(huì)將“選擇標(biāo)識(shí)”清零,重新進(jìn)行鎖定通道判別,自動(dòng)按照優(yōu)先級(jí)選擇其余正常鎖定的碼環(huán)。

通過(guò)對(duì)以上4種情況的分析可知,此模塊設(shè)計(jì)符合電路需要的選擇原則。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論

按照本文前述試驗(yàn)方式,我們對(duì)單碼環(huán)接收機(jī)和多碼環(huán)接收機(jī)在 S/N=8dB的條件下進(jìn)行了捕獲時(shí)間測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 碼環(huán)捕獲時(shí)間測(cè)試結(jié)果(S/N=8dB)Table 1 Code loop acquisition time(S/N=8dB)

由表1可知,單碼環(huán)接收機(jī)、4碼環(huán)接收機(jī)和8碼環(huán)接收機(jī)的捕獲概率分別為20%、60%和90%,而指標(biāo)要求為接收機(jī)在10 s之內(nèi)的捕獲概率大于90%。

由于捕獲概率需要很大的樣本點(diǎn)支持,我們?cè)谠囼?yàn)中以10次為一組進(jìn)行了超過(guò)100組試驗(yàn),限于文章篇幅,此處僅選取較有代表性的3組試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì),若需要達(dá)到10-6的虛警概率,在8dB、13dB、15dB的信噪比條件下,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 各類碼環(huán)捕獲概率Table 2 Acquisition probability of three code loops

從測(cè)試結(jié)果可以看出,采用多碼環(huán)架構(gòu)的接收機(jī)可以在相同的條件下較大提高捕獲性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)擴(kuò)頻接收機(jī)中碼捕獲電路原理、碼跟蹤環(huán)原理及兩者之間的接口關(guān)系進(jìn)行了分析,提出了一種可以降低碼捕獲電路精度要求但不影響系統(tǒng)性能的多碼環(huán)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)硬件電路的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。這種設(shè)計(jì)方法具有簡(jiǎn)化捕獲電路設(shè)計(jì),降低捕獲電路的要求,增強(qiáng)接收機(jī)在低信噪比、時(shí)鐘漂移等情況下的適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn),具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。但由于使用了多碼環(huán)選擇,需要增加自動(dòng)選擇算法,在后續(xù)工作中可以對(duì)碼環(huán)的復(fù)用方式進(jìn)行考慮。

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