2FSK擴頻系統(tǒng)中多普勒頻移容限擴展的一種方法

薛敏彪，王 坤，黨 群

（西北工業(yè)大學365所 陜西 西安 710065）

擴頻技術已經廣泛地應用在通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)中。高動態(tài)擴頻通信系統(tǒng)中，偽碼的捕獲[1-2]一般通過相關來實現(xiàn)，但由于接收信號中存在的多普勒頻移會導致相關性能的惡化，所以，這就要求對接收機基帶信號中的多普勒頻移容限進行擴展，以改善對相關峰的影響。

目前，關于擴頻系統(tǒng)多普勒頻移容限擴展的研究，一般只是局限在相移鍵控（PSK）擴頻信號[3]上，對于頻移鍵控（FSK）擴頻信號尚未提及，而大多數針對FSK擴頻系統(tǒng)的研究[4]也均未涉及到多普勒頻移容限擴展這方面。文中在分析2FSK擴頻通信系統(tǒng)的基礎上，提出了一種擴展多普勒頻移容限的方法。傳統(tǒng)的FSK擴頻系統(tǒng)數據解調方案中只運用了相關累加，相關累加時間為一個數據周期，對多普勒頻移容限的要求比較高。當多普勒頻移等于數據速率的整數倍時，相關峰值下降為0，這樣就無法檢測到相關峰，從而不能進行偽碼捕獲。本文根據相關峰與多普勒頻移以及數據周期之間的關系，在數據解調時適當減小相關累加時間從而達到擴展多普勒頻移容限的效果。實驗結果表明，在相關峰值衰減一定的情況下，該方法可以使FSK擴頻系統(tǒng)的多普勒頻移容限得到很大的擴展。此外，非相關累加的運用也進一步提高了系統(tǒng)的信噪比。

1 FSK擴頻信號調制及解調解擴處理流程

在傳統(tǒng)的FSK直接擴頻通信系統(tǒng)[5]的發(fā)射端，信源輸出的信號是碼元持續(xù)時間為的信息流，將信碼與偽隨機碼產生器產生的偽隨機碼進行模2加，產生速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用擴頻序列去調制載波，這樣就得到已擴頻調制的射頻信號。

在接收端，接收到的擴頻信號經高放和混頻后，用與發(fā)射端同步的偽隨機序列對中頻的擴頻調制信號進行解擴，最后經信息解調，恢復出所傳輸的信息，從而完成信息的傳輸。

2 多普勒頻移對相關峰的影響

圖1為FSK擴頻信號解調解擴處理流程圖，原始信號數據速率為20 kHz。圖中表示接收機中頻輸入信號，BPF表示帶通濾波器，信號經帶通濾波后分為a、b2條支路，NCO表示數控振蕩器，LPF表示低通濾波器。當接收信號中有多普勒頻移時，在本地偽碼和接收偽碼同步的情況下，相關峰會受到多普勒頻偏的調制。

圖1 FSK擴頻信號解調解擴處理流程圖Fig.1 Process flow chart of FSK spread spectrum signal demodulation and despread

從圖1中可以看出，信號數據解調將同時運用相關累加和非相關累加。為了擴展多普勒頻移容限，要求適當地減小相關累加的時間，這樣每個數據周期就不止進行一次相關累加。相關累加后的I、Q兩路進行求模運算，然后將每個數據周期內求模后的結果再進行非相關累加，最后送入數據判決器完成數據解調。

如圖1所示，F(xiàn)SK擴頻信號中包含2個頻率，接收端帶通濾波后分為a、b2條支路，由于2條支路的處理流程一樣，所以下面我們只針對a支路分析一下多普勒頻移對相關峰的影響：

信號低通濾波后進入相關器的表達式為：

其中：A為原始信號幅度，d（t）為 2FSK調制的數據，PN（t）為偽碼，fd為多普勒頻移，θ為初相。

相關累加后的信號為：

圖2 多普勒頻偏與衰減系數關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of Doppler shift and attenuation coeffcient

上式中，N為PN碼碼長，T為相關積累時間50 μs（按照傳統(tǒng)的數據解調方式應為一個數據周期），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。相關峰值為：

多普勒頻偏對相關峰值的影響可以用衰減系數η[6]表示：

圖2為多普勒頻偏與衰減系數之間的關系示意圖。

圖中縱坐標代表衰減系數，橫坐標為。可以看出，當橫坐標為0.5時，相關峰與最大值相比已經下降了4 dB，此時等于10 kHz；而當fd=1/T=20 kHz，即橫坐標為1時，相關峰相比最大值的衰減已將近60 dB，系統(tǒng)檢測不到相關峰，所以無法進行偽碼捕獲，這就要求必須對多普勒頻移容限進行擴展。

3 多普勒頻移容限擴展

為了降低相關峰對多普勒頻移的敏感性，在給定多普勒頻移（本文中令fd為20 kHz）情況下，提高相關峰值的途徑之一是減小相關累加時間。根據多普勒頻移與相關累加時間的關系（fd=1/T）及其對相關峰值的影響，令相關累加時間減為數據周期的一半，即T1=T/2=25 μs，而衰減系數變?yōu)椋?/p>

此時，多普勒頻偏與衰減系數關系示意圖將變?yōu)閳D3。

由圖3可知，當衰減為4 dB時，fdT為1，即等于20 kHz。可見，在相關峰值衰減一定的情況下，相對于相關累加時間為一個數據周期即50 μs的情況，此方法中的多普勒頻移容限擴大了一倍，或者說在給定的多普勒頻移下，相關累加時間縮短后，相關峰值可以得到很大的改善。

由于在每個數據周期內分別做了2次相關累加，I、Q 2路信號求模后，信號的每個數據周期都需要再進行一次非相

關累加，從而進一步提高信噪比，完成數據解調。

圖3 擴展后的多普勒頻偏與衰減系數關系示意圖Fig.3 The schematic diagram of Doppler shift and attenuation coeffcient after expansion

4 結 論

文中提出的2FSK擴頻通信系統(tǒng)擴展多普勒頻移容限的方法，可有效改善相關峰對多普勒頻移的敏感性，相比傳統(tǒng)的數據解調方式具有更大的多普勒頻移容限和更高的信噪比。

[1]王縛鵬，陳錫春.一種高動態(tài)短突發(fā)信號偽碼快速捕獲方法[J].無線電工程，2008， 38（4）：25-42.

WANG Fu-peng，CHEN Xi-chun.A pseudorandom code rapid acquisition algorithm for highly dynamic short outburst signals[J].Radio Engineering，2008，38（4）：25-42.

[2]任宇飛，程乃平.高動態(tài)擴頻信號快速捕獲技術研究[J].理論與方法，2009，28（7）：24-29.

REN Yu-fei，CHENG Nai-ping.Research on the quick acquisition method of the high dynamic spread spectrum signals[J].Theory and Method，2009，28（7）：24-29.

[3]黨群，吳廣偉.利用幀頭擴展擴頻系統(tǒng)多普勒容限的方法[J].電子技術應用，2011，37（6）：113-118.

DANG Qun，WU Guang-wei.A method of Doppler tolerance extension using frame header in spread spectrum communicationsystem[J].ApplicationofElectronicTechnology，2011，37（6）：113-118.

[4]彭紀肖，張歆，程剛.頻移鍵控調制的直序列擴頻技術在水聲遙控引信中的應用研究 [J].探測與控制學報，2006，28（3）：43-45.

PENG Ji-xiao， ZHANG Xin， CHENG Gang.Study on application of DSSS-FSK technique to underwater acoustic remote controlfuze[J].JournalofDetection and Control，2006，28（3）：43-45.

[5]曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[6]黃振，陸建華，楊士中.衛(wèi)星通信中多普勒頻移的快速捕獲[J].電子學報，2003，31（7）：1051-1056.

HUANG Zhen，LU Jian-hua，YANG Shi-zhong.Rapid acquisition of doppler shift in satellite communications[J].Acta Electronica Sinica，2003，31（7）：1051-1056.