高動態(tài)突發(fā)擴頻通信中偽碼和多普勒頻移的快速捕獲

摘 要：在高動態(tài)突發(fā)擴頻通信系統(tǒng)中，要求接收機在很短時間內實現(xiàn)偽碼和多普勒頻移的快速捕獲。目標的高速運動使接收機基帶信號中存在較大的多普勒頻移。針對偽隨機序列相關峰的多普勒頻移敏感特性，分析了多普勒頻移對偽碼捕獲和數(shù)據(jù)解調的影響，提出了采用單通道匹配濾波進行偽碼捕獲，采用三通道并行相關器搜索多普勒頻移的接收機捕獲方案。該方案可有效減少硬件資源消耗，同時縮短捕獲時間。

關鍵詞：擴頻通信； 多普勒頻移； 匹配濾波； 并行多通道

中圖分類號：TN914-34文獻標識碼：A文章編號：1004-373X(2011)19-0001-03

Fast Acquisition of PN Code and Doppler Shift in High Dynamic

Burst Spread Spectrum Communication

XUE Min-biao， LI Qin-fang， DANG Qun

(The 365 Institute of Northwest Polytechnical University， Xi’an 710065， China)

Abstract： In the high dynamic burst spread spectrum communication system， it requires the receiver to achieve the fast acquisition of PN code and Doppler shift within a few symbol periods. There is a big Doppler shift in the receiver base-band signal due to the high-speed movement of the targets. Considering the correlation peak of random sequences is sensitive to the Doppler shift， the impact of Doppler shift on the PN code acquisition and data demodulation is analyzed， the receiver acquisition scheme of using a single-channel matched filter for PN code acquisition and adopting the three-channel parallel correlators to search the Doppler shift is proposed. This program is effective in reducing the consumption of hardware resources， while greatly reducing acquisition time.

Keywords： spread spectrum communication; Doppler shift; matched filter; parallel multi-channel

收稿日期：2011-04-11

基金項目：陜西省2010年度工業(yè)攻關項目（2010K06-09）

0 引 言

在某多目標突發(fā)擴頻無線數(shù)傳系統(tǒng)中，目標的高速移動導致系統(tǒng)存在較大的多普勒頻移，從而對接收端的偽碼捕獲和數(shù)據(jù)解調產生不利影響。為了降低多址干擾和接收機的復雜度，系統(tǒng)通常采用時分多址的通信方式。通信目標數(shù)量較多時，對于同步的建立時間要求比較嚴格，接收機需要在很短時間內完成偽碼和多普勒頻移的快速捕獲，目前常見的快速捕獲方法大多是基于FFT的算法。基于FFT的時域并行搜索［1］和頻域并行搜索［2］，頻偏估計沒有利用擴頻增益，在信噪比較低的環(huán)境性能不佳。分段匹配濾波加FFT的校頻算法［3］雖然能在較短時間內實現(xiàn)同步，但捕獲時間仍然不能滿足系統(tǒng)的要求，而且只利用了部分偽碼能量，抗噪聲性能也會受到影響。

針對某多目標突發(fā)擴頻數(shù)傳通信系統(tǒng)，分析了多普勒頻移對接收端偽碼捕獲和數(shù)據(jù)解調的影響，提出了采用單通道偽碼捕獲和并行多通道搜索多普勒頻移的方案，偽碼捕獲通道采用單通道匹配濾波，多普勒頻移搜索采用三通道并行相關器，具有消耗硬件資源少，捕獲時間短等優(yōu)點。

1 多普勒頻移對接收機性能的影響

1.1 多普勒頻移對偽碼捕獲的影響

在某多目標突發(fā)擴頻數(shù)傳系統(tǒng)中，發(fā)送端采用DBPSK直接序列擴頻。根據(jù)先驗知識，目標在飛行過程中，多普勒頻移范圍為-3~-19 kHz，接收端通過設置本地振蕩器的頻率，使下變頻后的剩余頻差范圍為-8~8 kHz。偽碼捕獲采用匹配濾波器捕獲方法，判決門限采用雙滑動窗口的相對門限［4-6］，結構框圖如圖1所示。其原理為：在匹配濾波器輸出的左右兩側設置兩個滑動窗口，將當前濾波器輸出值分別除以左右兩側滑動窗口的噪聲平均功率，當兩個比值均高于設定的門限，且匹配濾波器相關峰也高于門限時，判為偽碼捕獲，這樣可以大幅度降低部分偽碼周期信號到達接收機時的虛警率。

圖1 偽碼捕獲的匹配濾波結構接收端輸入信號經過數(shù)字下變頻后成為基帶信號，經匹配濾波器后，同相和正交支路的輸出信號為：yI=sTc∑Mk=1Ck0+k+iCk0+kcos(2πfdpkTc+θ)+

∑Mk=1nI(k+i)Ck0+k

yQ=sTc∑Mk=1Ck0+k+iCk0+ksin(2πfdpkTc+θ)+

∑Mk=1nQ(k+i)Ck0+k

(2)式中:M為匹配濾波器的延遲抽頭數(shù);fdp為多普勒頻移;θ為初相;Tc為PN碼碼元時間寬度;k0是t=0時刻接收PN碼的相位偏差;nI(k)和nQ(k)為相互獨立的加性高斯白噪聲。當接收端PN序列與本地PN碼對齊時，有i=0，即Ck0+k+iCk0+k=1，得到用于捕獲判決的檢測變量為: Z2=y2I+y2Q。Z2中的非噪聲項為：E［y2I］+E［y2Q］=sT2c［∑Mk=1cos(2πfdpkTc)］2+

sT2c［∑Mk=1sin(2πfdpkTc)］2

=sT2csin(πfdpMTc)sin(πfdpTc)2

(3) 由于M1，且有πfdpTc1，故有：E［y2I］+E［y2Q］≈sT2cM2sin(πfdpMTc)πfdpMTc2

(4) 檢測變量為:Z=sTcMsin(πfdpMTc)πfdpMTc

(5) 當多普勒頻移不存在時，檢測變量：Z=y2I+y2Q=sTcM

(6) 因此，在噪聲一定的情況下，多普勒頻移帶來的信噪比損失為［7］：η=20log10sin(πfdpMTc)πfdpMTc

(7) 設匹配濾波器的抽頭個數(shù)M等于一周期PN碼碼長，則有(TPN為一周期PN碼的時間寬度)：η=20log10sin(πfdpTPN)πfdpTPN

(8) 系統(tǒng)最大多普勒頻移為8 kHz，假設TPN=40 μs，采用同周期的匹配濾波器。由Matlab仿真結果可知，當多普勒頻移為最大值8 kHz時，信噪比損失只有1.516 dB?？梢?，多普勒頻移對偽碼捕獲的影響不大，因此可以采用單通道匹配濾波器進行偽碼捕獲。

1.2 多普勒頻移對數(shù)據(jù)解調的影響

如前所述，信號發(fā)射端采用DBPSK調制，相應接收端的數(shù)據(jù)解調方法是將相關累加后的前后兩時刻采樣信號進行復共軛相乘，即可得到解調后的數(shù)據(jù)：s(t)=Bexp［j(2πfdpt+θ0+θt)］

(9)s(t+T)=Bexp［j(2πfdpt+2πfdpT+θ0+θt+T)］

(10)

式中:θ0=θ+π/2－πfdpT;B=ANR(τ)sin(πfdpT)πfdpT；A為信號幅度； θ為初相；N為PN碼碼長；T=40 μs為相關累加時間；R(τ)表示延遲為τ的接收偽碼與本地偽碼在一個碼片內的相關值。將前后兩個采樣時刻的信號s(t)和s(t+T)進行復共軛相乘，則有：R(t)=s(t)×s(t + T)*

=Bexp［j(2πfdpt + θ0+θt)×

Bexp［-j(2πfdpt+2πfdpT+θ0+θt+T)

=B2exp［-j(2πfdpT+θ′t)］

(11)式中:θ′t=θt-θt+T∈［0，π］，代表差分調制信號。解調出的同相和正交支路信號分別為：I3=B2cos［-(2πfdpT+θ′t)］

(12)

Q3=B2sin［-(2πfdpT+θ′t)］

(13) 當2πfdpT0時，多普勒頻移在一個數(shù)據(jù)碼元內引入的附加相移較小，利用同相支路數(shù)據(jù)的正負即可解調出正確的數(shù)據(jù)。某多目標擴頻系統(tǒng)中，數(shù)字下變頻后的剩余多普勒頻差范圍為-8~8 kHz，同相支路引入的最大附加相移為2πfdpT=2π×8 000/25 000=0.64π>π/2，這不僅使得數(shù)據(jù)判決量I3的信噪比下降約7.4 dB，同時也使解調數(shù)據(jù)反向。

2 偽碼和多普勒頻移的快速捕獲

為了快速捕獲頻率，可采用三個匹配濾波器并行捕獲，通過尋找三個匹配濾波器輸出相關峰值的最大值，實現(xiàn)多普勒頻移的估計。設置三個通道［8-10］中下變頻對應的本振偏移量分別為-16/3 kHz，0 kHz，16/3 kHz，則三個通道估計的多普勒頻差范圍分別為：-8~-2.67 kHz，-2.67~2.67 kHz，2.67~8 kHz，可采用擇大相關峰值法估計多普勒頻移。

考慮到匹配濾波器規(guī)模較大，使FPGA中消耗的存儲器和邏輯資源過大，并導致編譯和仿真時間高達數(shù)小時。為了降低資源消耗，偽碼捕獲采用圖1所示的匹配濾波結構，數(shù)據(jù)解調支路采用并行多路相關器進行頻率捕獲和數(shù)據(jù)解調，如圖2所示，有效簡化了接收機結構，實現(xiàn)了多普勒頻移的快速捕獲。系統(tǒng)的多普勒頻移捕獲過程為：當偽碼捕獲通道輸出偽碼捕獲標志后，立即置本地偽碼產生器的相位，從而輸出與接收信號同步的本地偽碼，三路通道中的相關器利用本地同步偽碼計算相關峰，將20個周期的相關峰值求平均，比較三路相關峰平均值的大小，最大相關峰平均值所對應通道的本振偏移量即為多普勒頻移估計值，估計誤差范圍是-2.67~2.67 Hz。 將鑒頻輸出加入到頻率跟蹤環(huán)路，可進一步減小頻率估計誤差。圖2 偽碼和多普勒頻移捕獲示意圖為了避免1.2節(jié)所述的多普勒頻移使解調數(shù)據(jù)反向和信噪比下降的問題，必須對接收機的多普勒頻移進行估計和補償。由于本方案捕獲后的多普勒頻移誤差范圍變?yōu)?2.67~2.67 kHz，引入的最大附加相移為：2πfdpT=2π×2 670/25 000=0.21π。可見，在數(shù)據(jù)解調支路引入并行的三路通道，可以避免數(shù)據(jù)解調時的極性反向，引起的信噪比惡化也較?。?0×log 10(cos(0.21π))=2 dB。相比在捕獲通道引入三路并行匹配濾波器，三路相關器所需資源很小，可以大大減少FPGA資源的消耗，保證了捕獲速度。

3 結 論

針對某多目標突發(fā)擴頻數(shù)傳系統(tǒng)，提出了采用單通道匹配濾波和并行多通道相關的方案分別捕獲偽碼和多普勒頻移，提高了偽碼和多普勒頻移的捕獲速度，解決了多普勒頻移引起的數(shù)據(jù)解調端信噪比惡化的問題，提高了系統(tǒng)的抗噪聲性能。多路相關器與并行FFT或匹配濾波器相比，有效降低了接收機的硬件實現(xiàn)代價，具有較高的工程實用價值。

參 考 文 獻

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