適用于突發通信的自適應門限解擴技術

韓 冬，張 琳

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

在時分多址(TDMA)的微波點對多點通信系統和無線自組織網絡等通信系統中，數據通信以突發的方式進行，信息傳輸是不連續的，因此很難通過反饋環路實現載波同步和定時同步，通常解決的辦法是采用擴頻技術。

擴頻技術廣泛應用于軍事通信、電子對抗以及導航、測量等各個領域。目前擴頻技術應用最廣泛的是最大似然判決算法:接收端數據與本地同步碼計算相關，將出現相關峰的位置判決為同步碼的位置，判決門限通常采用固定值，或者使用前一突發檢測到的相關峰值的1/k倍(k是整數)。這2種門限選取方法都不能實時反應信道特性，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間是同步技術努力的方向。本文主要討論采用自適應門限進行相關值判決，并使用短同步序列來提高傳輸效率。

1 同步序列的相關性

接收機利用擴頻序列具有尖銳相關峰值的特性，采用數字匹配濾波器提取相關峰，來實現位定時同步［1］。擴頻序列的相關性能直接關系到產生假同步的概率。為了提高數據傳輸效率，盡可能選取相關性能好的碼字，工程設計中，采用32位擴頻碼。采用matlab軟件進行計算機仿真［2］找到一條擴頻碼111101011100110110100111，同步序列前還應該含有部分前導碼用于接收機中AGC的快速穩定時間。

圖1是在沒有引入任何噪聲的情況下的相關峰波形。

圖1 同步序列自相關特性

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

2 解調器結構

基于可編程邏輯器件(FPGA)的軟件設計解調器結構，采用BPSK工作方式，以4倍符號時鐘工作，信號下變頻后，I、Q兩路基帶信號首先通過平方根升余弦匹配濾波器完成匹配［3］，基帶信號采用兩種不同數字匹配濾波器提取相關峰值和計算自適應門限值，解調器結構如圖2所示。

圖2 同步提取單元結構示意圖

2.1 匹配濾波器

經下變頻后，I、Q兩路基帶信號分為2路，2路數字匹配濾波器同時進行信號相關處理，匹配濾波器1輸出相關峰，經過相鄰值最大檢測電路、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，送解調單元用于數據解調。

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

R(t)為輸入信號的自相關函數，匹配濾波器的輸出信號波形是輸入信號的自相關函數的倍。而匹配濾波器在每個采樣點上都能輸出1個相關值，在1個擴頻碼周期內，就能得到1個相關值，是1種快速的相關器件。

數字匹配濾波器1的主要組成部分為移位寄存器和累加器，接收信號與本地擴頻碼進行相乘運算，乘法器系數取 ±1，由本地擴頻序列決定。信號經調制輸出，在信道中由于存在相位旋轉，因此匹配濾波器同步信息的相位搜索必須在I路與Q路同時進行，2路相關結果取平方和之后得出相關峰值［5］。

數字匹配濾波器2不同于數字匹配濾波器1，它將數字匹配濾波器1中接收信號與本地擴頻碼相乘的運算，改成取絕對值后相加，相當于對1個碼長度周期內的接收信號進行能量累加，然后再2路平方求和。

2.2 相關峰與門限的定量分析仿真

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

圖3 同步相關峰和門限的定量分析

2.3 判決輔助電路

相關峰判決輔助電路包括相關峰相鄰檢測電路和峰值冒泡選擇電路。

2.3.1 相關峰相鄰檢測電路

相關峰相鄰檢測電路的原理是:相鄰的5個相關峰采樣點，都與中間的采樣點比較，若中間點值最大，就輸出中間點值，否則輸出0，目的是使相關峰信號成為00X00X00X00的數值。因為解調器以每符號4倍采樣時鐘工作，在匹配濾波器中接收碼與本地碼相位相差前后2個采樣點時，會有與相關峰最大值相近的值輸出，經過最大值檢測電路后，與相關峰最大值相鄰的采樣點輸出為0，避免了相鄰的采樣點超過門限造成誤判。

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虛警概率，當信號信噪比較低時，會出現1個以上的相關值超過門限，會造成出現多個同步信號。冒泡選擇電路工作原理是:首先，給用于存儲峰值的寄存器reg賦一個初值0，檢測到第1個過門限相關值時，將相關值賦給reg，當檢測到第2個過門限相關值時，與reg中存的數進行比較，若大于將第2個數存入reg，否則reg保持不變。以此類推，最后保存在reg中的值認為是相關峰的最大值，產生這個相關峰的時刻認為是同步時刻。

3 自適應門限算法

3.1 自適應門限原理

自適應門限原理如下:

3.2 不同信噪比下相關峰與門限仿真曲線

在TDMA系統中，突發數據來自不同從站，信號到達主站的信噪比會有較大差別;同時接收端AGC輸出給解調器信號的波動范圍在2 dB左右。采用固定門限判決或使用前一突發數據檢測到的相關峰值的1/N(N為整數)判決的方法，都不能反應本次數據到來的實際情況。當門限取得不合適時，容易使同步的虛警或漏警概率增高。

文中采用自適應門限來解決上述問題，圖4為解調器在高斯信道下，采用自適應算法得到的相關峰和門限的仿真曲線?？梢钥吹?，尤其在低信噪比條件下，門限值隨著相關峰而波動。

圖4 相關峰和門限的仿真曲線

4 結束語

自適應門限解擴技術是針對突發通信而設計的，具有較高的傳輸效率和較好的實時性，能夠自動準確地完成同步的搜索以及判決，使系統在不增加假同步概率的基礎上降低了漏同步的產生概率，提高了系統的穩定性;并且設計簡單，實用性強，該算法已經成功應用于實際系統中。

［1］ 曾興雯.劉乃安.通信中的擴展頻譜技術［M］.陜西:西安電子科技大學出版社，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.數字微波中繼通信［M］.北京:人民郵電出版社，1981.

［4］ VITERBI A J.CDMA擴頻通信原理［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.點對多點無線局域網中直擴序列選?。跩］.無線電工程，2009，39(2):19-22.