適用于突發(fā)通信的自適應(yīng)門限解擴(kuò)技術(shù)

韓 冬，張 琳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

在時(shí)分多址(TDMA)的微波點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)等通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信以突發(fā)的方式進(jìn)行，信息傳輸是不連續(xù)的，因此很難通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波同步和定時(shí)同步，通常解決的辦法是采用擴(kuò)頻技術(shù)。

擴(kuò)頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對(duì)抗以及導(dǎo)航、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。目前擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用最廣泛的是最大似然判決算法:接收端數(shù)據(jù)與本地同步碼計(jì)算相關(guān)，將出現(xiàn)相關(guān)峰的位置判決為同步碼的位置，判決門限通常采用固定值，或者使用前一突發(fā)檢測(cè)到的相關(guān)峰值的1/k倍(k是整數(shù))。這2種門限選取方法都不能實(shí)時(shí)反應(yīng)信道特性，容易造成漏同步和假同步。如何降低漏同步和假同步概率，并且縮短同步建立時(shí)間是同步技術(shù)努力的方向。本文主要討論采用自適應(yīng)門限進(jìn)行相關(guān)值判決，并使用短同步序列來提高傳輸效率。

1 同步序列的相關(guān)性

接收機(jī)利用擴(kuò)頻序列具有尖銳相關(guān)峰值的特性，采用數(shù)字匹配濾波器提取相關(guān)峰，來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)同步［1］。擴(kuò)頻序列的相關(guān)性能直接關(guān)系到產(chǎn)生假同步的概率。為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，盡可能選取相關(guān)性能好的碼字，工程設(shè)計(jì)中，采用32位擴(kuò)頻碼。采用matlab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真［2］找到一條擴(kuò)頻碼111101011100110110100111，同步序列前還應(yīng)該含有部分前導(dǎo)碼用于接收機(jī)中AGC的快速穩(wěn)定時(shí)間。

圖1是在沒有引入任何噪聲的情況下的相關(guān)峰波形。

圖1 同步序列自相關(guān)特性

由圖1可以看到旁瓣最大為4，與相關(guān)峰值之比為4/32=0.125，具有很好的相關(guān)特性。

2 解調(diào)器結(jié)構(gòu)

基于可編程邏輯器件(FPGA)的軟件設(shè)計(jì)解調(diào)器結(jié)構(gòu)，采用BPSK工作方式，以4倍符號(hào)時(shí)鐘工作，信號(hào)下變頻后，I、Q兩路基帶信號(hào)首先通過平方根升余弦匹配濾波器完成匹配［3］，基帶信號(hào)采用兩種不同數(shù)字匹配濾波器提取相關(guān)峰值和計(jì)算自適應(yīng)門限值，解調(diào)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 同步提取單元結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 匹配濾波器

經(jīng)下變頻后，I、Q兩路基帶信號(hào)分為2路，2路數(shù)字匹配濾波器同時(shí)進(jìn)行信號(hào)相關(guān)處理，匹配濾波器1輸出相關(guān)峰，經(jīng)過相鄰值最大檢測(cè)電路、峰值冒泡選擇電路后輸出;匹配濾波器2輸出參考門限值;在判決器中判決出同步信號(hào)，送解調(diào)單元用于數(shù)據(jù)解調(diào)。

解調(diào)器的主要組成部分是數(shù)字匹配濾波器。匹配濾波器的傳輸特性H(w)=KS*(w)ejwt0，它的沖擊響應(yīng)h(t)表示為:h(t)=Ks(t0-t)，匹配濾波器的沖擊響應(yīng)便是信號(hào)的鏡象信號(hào)s(-t)在時(shí)間上平移匹配濾波器的輸出信號(hào)波形可表示為:

R(t)為輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，匹配濾波器的輸出信號(hào)波形是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的倍。而匹配濾波器在每個(gè)采樣點(diǎn)上都能輸出1個(gè)相關(guān)值，在1個(gè)擴(kuò)頻碼周期內(nèi)，就能得到1個(gè)相關(guān)值，是1種快速的相關(guān)器件。

數(shù)字匹配濾波器1的主要組成部分為移位寄存器和累加器，接收信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼進(jìn)行相乘運(yùn)算，乘法器系數(shù)取 ±1，由本地?cái)U(kuò)頻序列決定。信號(hào)經(jīng)調(diào)制輸出，在信道中由于存在相位旋轉(zhuǎn)，因此匹配濾波器同步信息的相位搜索必須在I路與Q路同時(shí)進(jìn)行，2路相關(guān)結(jié)果取平方和之后得出相關(guān)峰值［5］。

數(shù)字匹配濾波器2不同于數(shù)字匹配濾波器1，它將數(shù)字匹配濾波器1中接收信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼相乘的運(yùn)算，改成取絕對(duì)值后相加，相當(dāng)于對(duì)1個(gè)碼長(zhǎng)度周期內(nèi)的接收信號(hào)進(jìn)行能量累加，然后再2路平方求和。

2.2 相關(guān)峰與門限的定量分析仿真

圖3是采用本文算法計(jì)算出的同步相關(guān)峰和門限的定量分析［6］。2條曲線是在各種信噪比條件下，計(jì)算出的前后100個(gè)同步序列的相關(guān)峰和門限的平均值，可以看到2條曲線基本平行。

圖3 同步相關(guān)峰和門限的定量分析

2.3 判決輔助電路

相關(guān)峰判決輔助電路包括相關(guān)峰相鄰檢測(cè)電路和峰值冒泡選擇電路。

2.3.1 相關(guān)峰相鄰檢測(cè)電路

相關(guān)峰相鄰檢測(cè)電路的原理是:相鄰的5個(gè)相關(guān)峰采樣點(diǎn)，都與中間的采樣點(diǎn)比較，若中間點(diǎn)值最大，就輸出中間點(diǎn)值，否則輸出0，目的是使相關(guān)峰信號(hào)成為00X00X00X00的數(shù)值。因?yàn)榻庹{(diào)器以每符號(hào)4倍采樣時(shí)鐘工作，在匹配濾波器中接收碼與本地碼相位相差前后2個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，會(huì)有與相關(guān)峰最大值相近的值輸出，經(jīng)過最大值檢測(cè)電路后，與相關(guān)峰最大值相鄰的采樣點(diǎn)輸出為0，避免了相鄰的采樣點(diǎn)超過門限造成誤判。

2.3.2 峰值冒泡選擇電路

峰值冒泡選擇電路是為了降低檢測(cè)虛警概率，當(dāng)信號(hào)信噪比較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)1個(gè)以上的相關(guān)值超過門限，會(huì)造成出現(xiàn)多個(gè)同步信號(hào)。冒泡選擇電路工作原理是:首先，給用于存儲(chǔ)峰值的寄存器reg賦一個(gè)初值0，檢測(cè)到第1個(gè)過門限相關(guān)值時(shí)，將相關(guān)值賦給reg，當(dāng)檢測(cè)到第2個(gè)過門限相關(guān)值時(shí)，與reg中存的數(shù)進(jìn)行比較，若大于將第2個(gè)數(shù)存入reg，否則reg保持不變。以此類推，最后保存在reg中的值認(rèn)為是相關(guān)峰的最大值，產(chǎn)生這個(gè)相關(guān)峰的時(shí)刻認(rèn)為是同步時(shí)刻。

3 自適應(yīng)門限算法

3.1 自適應(yīng)門限原理

自適應(yīng)門限原理如下:

3.2 不同信噪比下相關(guān)峰與門限仿真曲線

在TDMA系統(tǒng)中，突發(fā)數(shù)據(jù)來自不同從站，信號(hào)到達(dá)主站的信噪比會(huì)有較大差別;同時(shí)接收端AGC輸出給解調(diào)器信號(hào)的波動(dòng)范圍在2 dB左右。采用固定門限判決或使用前一突發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)到的相關(guān)峰值的1/N(N為整數(shù))判決的方法，都不能反應(yīng)本次數(shù)據(jù)到來的實(shí)際情況。當(dāng)門限取得不合適時(shí)，容易使同步的虛警或漏警概率增高。

文中采用自適應(yīng)門限來解決上述問題，圖4為解調(diào)器在高斯信道下，采用自適應(yīng)算法得到的相關(guān)峰和門限的仿真曲線。可以看到，尤其在低信噪比條件下，門限值隨著相關(guān)峰而波動(dòng)。

圖4 相關(guān)峰和門限的仿真曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

自適應(yīng)門限解擴(kuò)技術(shù)是針對(duì)突發(fā)通信而設(shè)計(jì)的，具有較高的傳輸效率和較好的實(shí)時(shí)性，能夠自動(dòng)準(zhǔn)確地完成同步的搜索以及判決，使系統(tǒng)在不增加假同步概率的基礎(chǔ)上降低了漏同步的產(chǎn)生概率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，該算法已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。

［1］ 曾興雯.劉乃安.通信中的擴(kuò)展頻譜技術(shù)［M］.陜西:西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

［2］ 王立寧.Matlab與通信仿真［M］.北京:人民郵電出版社，1999.

［3］ 姚彥.數(shù)字微波中繼通信［M］.北京:人民郵電出版社，1981.

［4］ VITERBI A J.CDMA擴(kuò)頻通信原理［M］.北京:人民郵電出版社，1997.

［5］ OERDER M， HYER H.Digital Filter and Square Timingrecovery［J］ .IEEE Trans on Communication ，1998，36(5):605-612.

［6］ 張琳，張永杰.點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線局域網(wǎng)中直擴(kuò)序列選取［J］.無線電工程，2009，39(2):19-22.