高動態短時突發擴頻信號的快速捕獲

賈　鵬，吳團鋒，胡卓宇,，徐　衛，譚　哲

(1.國家移動衛星通信工程技術研究中心,江蘇 南京 210002;2.解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007;

3.空軍通信網絡技術管理中心，北京 100843)

Foundation Item:National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA01A500)

摘　要：針對低信噪比和大多普勒頻移環境下,短幀突發直接序列擴頻通信系統要求在短時間內以很低虛警和漏警概率捕獲信號這一難題，設計了僅使用獨特碼的短時突發擴頻信號幀結構，在接收端將擴頻碼與獨特碼作為一個復合擴頻碼看待，提出了基于FFT的高動態突發信號捕獲方法，可同時快速完成突發信號檢測、擴頻碼捕獲、頻偏估計、幀同步檢測和位定時捕獲等任務。仿真結果表明：該算法能有效消除多普勒頻移對短時突發擴頻信號捕獲性能的影響。

關鍵詞：高動態；短時突發擴頻信號；FFT

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.006

高動態短時突發擴頻信號的快速捕獲

賈鵬1，吳團鋒2，胡卓宇1,2，徐衛3，譚哲1

(1.國家移動衛星通信工程技術研究中心,江蘇 南京 210002;2.解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007;

3.空軍通信網絡技術管理中心，北京 100843)

Foundation Item:National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA01A500)

摘要：針對低信噪比和大多普勒頻移環境下,短幀突發直接序列擴頻通信系統要求在短時間內以很低虛警和漏警概率捕獲信號這一難題，設計了僅使用獨特碼的短時突發擴頻信號幀結構，在接收端將擴頻碼與獨特碼作為一個復合擴頻碼看待，提出了基于FFT的高動態突發信號捕獲方法，可同時快速完成突發信號檢測、擴頻碼捕獲、頻偏估計、幀同步檢測和位定時捕獲等任務。仿真結果表明：該算法能有效消除多普勒頻移對短時突發擴頻信號捕獲性能的影響。

關鍵詞：高動態；短時突發擴頻信號；FFT

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.006

收稿日期：2015-01-02；修回日期：2015-04-18Received date:2015-01-02；Revised date：2015-04-18

基金項目：國家863項目(No. 2012AA01A500)

中圖分類號：TN911.3

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：1002-0802(2015)06-0657-05

Abstract：The short term burst spread spectrum signal acquisition with very low false alarm and miss probability in a limited period of time is difficult under low SNR and high dynamic environment. The frame structure containing only unique code of short term burst spread spectrum signal is proposed and designed. The pseudo code and unique word is treated as a compound code by receiver. The burst signal reception method to deal with high dynamic signals based on FFT is provided. The algorithm is capable of completing burst signal detection, PN code acquisition, frequency offset estimation, frame synchronization,bit-timing acquisition and other tasks quickly. Simulation results indicate that the proposed algorithm can eliminate the influence of frequency offset effectively.

作者簡介：

Fast Acquisition of High Dynamic and Short-Term

Burst Spread Spectrum Signal

JIA Peng1，WU Tuan-feng2，HU Zhuo-yu1,2，XU Wei3，TAN Zhe1

(1.National Mobile Satellite Communication Engineering Technology Research Center, Nanjing Jiangsu 210002,China

2.Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China；

3.Communication Network and Technology Management Center of Air Force,Beijing 100843,China)

Key words：highly dynamic; short term burst spread spectrum signal; FFT

0引言

軍事通信有兩個基本的要求：強抗干擾能力和通信的隱蔽性，這正是直接序列擴頻的特點，因而，DS-CDMA體制特別適合軍事衛星移動通信系統[1]。由于作戰需求，要求數據傳輸終端的鏈路建立時間盡可能的短，此時信息的傳輸又多為短時突發模式，因此如何在低信噪比和大多普勒頻移環境下實現信號的快速捕獲及解調，減少通信鏈路建立時間是衛星通信實施的關鍵技術。

對于擴頻系統，實現擴頻碼的快速捕獲，是實現快速捕獲信號的前提。低信噪比和大多普勒頻移條件下，擴頻信號捕獲相對較難，平均捕獲時間大幅增加。

1短時突發擴頻信號幀結構設計

突發傳輸的難點在于信號捕獲、相干載波和位定時等參數估計上，尤其對于短時突發直接序列擴頻信號而言，擴頻碼同步和上述參數估計混合在一起，使得問題變得更為復雜。為了實現快速同步和信道參數估計，常常在數據包前插入特定圖案的前導序列，突發解調器利用前導序列實現快速同步捕獲以及載波相位和位定時信息的估計。

前導同步技術有以下優點：參數估計過程簡單，性能好，同步速度快，信噪比門限低。常用的前導序列一般分為兩部分：輔助捕獲字段和獨特碼。輔助捕獲字段由前導序列的前半部分構成，固定為全“1”或全“0”，有如下好處：根據擴頻碼自相關性可知，調制數據是全“1”或全“0”最有利于擴頻碼的解擴；在已知數據是全“1”或全“0”的情況下，能直接進行參數估計。前導序列的后一部分用于數據檢測，確定幀起始位置，稱為獨特碼。

突發擴頻信號的捕獲算法主要有：基于差分檢測的擴頻信號捕獲方案[6]，在輔助捕獲字段為全“1”時可以獲得很好的捕獲性能。基于載波信號功率譜特性的快速捕獲算法[7]，通過計算解擴信號功率譜最大值與次大值的比值，并將該比值與判決門限進行比較，從而判斷捕獲成功與否。針對短幀突發模式下直接序列擴頻通信系統要求在有限時間內以低虛警和漏警概率捕獲擴頻碼相位這一難題，文獻[8-9]提出了一種基于數字匹配濾波器(DMF)的多碼元非相干累加單次駐留檢測的擴頻碼快速捕獲算法。它在傳統單次駐留算法的基礎上，用多碼元累加來提高碼相位判決量的信噪比，從而大大降低了低輸入信噪比和低恒虛警約束下的平均捕獲時間。文獻[10]采用中頻累積和視頻累積相結合、等待式偽碼級聯相關計算的技術，較好地解決了短時突發偽隨機碼的快速捕獲問題。文獻[11]提出采用基于頻域的并行捕獲方法，并且采用變頻率范圍、變頻率步進和變積分時間的搜索策略，使系統既能在大頻偏條件下工作，又能在低信噪比條件下工作。文獻[12]以快速捕獲為目標，提出了分段匹配濾波相關法、最大選擇檢測法和多通道頻率并行搜索加FFT校頻技術的碼捕獲新方法，仿真結果表明該方法可以容忍更大的頻率動態范圍, 在較低信噪比下快速完成碼捕獲。文獻[7-9]所給出的算法沒有使用突發幀的前導序列，文獻[10-12]給出的算法使用的是突發幀中前導序列的全“1”或全“0”部分。

上述算法并沒有考慮獨特碼的應用，將突發信號檢測、擴頻碼同步與幀同步割裂了開來，這使得同步過程需要的前導序列變長，降低了傳輸效率。為了提高傳輸效率，本文考慮前導序列僅使用獨特碼，而不使用全“1”或全“0”序列，此時突發數據幀結構如圖1所示。相應地，文獻[6-12]給出的算法不再適用，需要研究新的算法，在突發信號檢測的同時，完成擴頻碼捕獲、頻偏估計、幀同步檢測和位定時捕獲等任務。

圖1短時突發信號幀結構

2短時突發信號的捕獲

在接收端，經chip匹配濾波后的擴頻基帶接收信號為：

(1)

在這里，我們將擴頻碼捕獲與獨特碼捕獲同時考慮，將M個獨特碼{x0,x1,…,xM-1}對應的擴頻后信息序列作為一個復合擴頻碼看待，記為XC={Cx0,Cx1,…,CxM-1}，C是用戶擴頻碼，其長度為N。此時，我們將擴頻碼與獨特碼的二維捕獲轉化為一個復合擴頻碼的一維捕獲，即等效于復合擴頻碼的幀同步。

每個chip選取一個樣本，此時令觀測窗口的長度為MN，則采樣序列r={r0,r1,…,rMN-1}的條件概率密度函數為：

p(r|k,Δf,φ0)=

式中，Tc是chip周期，是采樣周期Ts的整數倍。基于ML準則的聯合幀同步檢測和頻偏估計，就是確定k和Δf，使得上式的值最大。p(r|k,Δf,φ0)關于參數k和Δf的最大化等價于下列似然函數的最大化，即

Λ(k,Δf,φ′0)

(2)

(3)

將式(3)帶入式(2)可得：

(4)

注意到式(4)中rl+kxC(l)項可看作去調制操作，可得到去調制輸出序列X={X0,X1,…,XMN-1}。當復合擴頻碼同步時，輸出序列X是一個包含噪聲的頻率未知的正弦信號；而當復合擴頻碼不同步時，輸出序列是包含噪聲的調制信號。此時，可以采用FFT進行未知頻率的正弦信號檢測，等效于完成突發擴頻信號檢測。

Λ(k,Δf)=max(W)

(5)

W是部分匹配輸出序列的FFT變換輸出，選取幅度最高的譜線max(W)與門限值Th相比進行幀同步判決，即

式中，H1表示捕獲事件發生，H0表示捕獲事件未發生，Th為檢測門限。可以采用自適應門限技術改變門限大小來提高檢測性能，基于噪聲能量的信號檢測方式關鍵是要估計出噪聲的功率，并據此自適應設置判決門限。對于突發信號，當信號尚未到達時，FFT輸出均為噪聲。實際中，噪聲功率往往是隨時間緩慢變化的，因此，我們可以采用滑動平均的方法來提高估計性能。此時完成了復合擴頻碼的捕獲(即擴頻碼捕獲和幀同步檢測)任務。

復合擴頻碼的捕獲完成后，啟動位定時捕獲，具體做法是將判決變量max(W)送至一個3狀態的移位寄存器{D1,D2,D3}，當信號捕獲后，根據移位寄存器{D1,D2,D3}的狀態進行位定時捕獲。如果D2>D1且D2>D3，則表示位定時捕獲完成，此時最佳采樣點為D2所對應的采樣時刻。

3計算機仿真

在不同多普勒頻移的情況下，仿真了短時突發擴頻信號捕獲算法的檢測概率。仿真時擴頻碼長度選為1 024，獨特碼長度為64。FFT檢測時的門限值Th自適應設置，保證虛警概率為10-4。圖2給出了不同部分相關長度時FFT擴頻碼捕獲算法歸一化判決變量，可見其容許的頻偏范圍隨著部分相關長度的增加而減小，其中以信息比特周期Tb歸一化多普勒頻移。仿真時部分相關長度L=8，此時FFT點數為1024×64/8=8192，但是現在FPGA器件資源很大，且開發環境提供FFT內核，硬件實現難度不大。

圖3給出了不同頻偏時短時突發信號捕獲算法檢測概率，圖4給出了不同頻偏時位定時捕獲的均方差，圖5給出了不同頻偏時頻偏估計的均方差，仿真結果表明提出的算法可以獲得很好的檢測概率及很好的位定時和頻偏估計性能。

圖2　不同部分相關長度時的歸一化判決變量

圖3不同頻偏時捕獲算法檢測概率

圖4　不同頻偏時位定時捕獲的均方差

圖5　不同頻偏時頻偏估計的均方差

4結語

為了提高傳輸效率，本文提出短時突發擴頻信號前導序列僅使用獨特碼，而不使用全“1”或全“0”序列，此時已有文獻給出的算法不再適用，需要研究新的算法。我們將擴頻碼與獨特碼的二維捕獲轉化為一個復合擴頻碼的一維捕獲，并提出了基于FFT的突發信號捕獲方法，可同時快速完成突發信號檢測、擴頻碼捕獲、頻偏估計、幀同步檢測和位定時捕獲等任務。

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賈鵬(1973—)，男，博士，高工，主要研究方向為衛星通信；

吳團鋒(1977—)，男，博士，講師，主要研究方向為衛星通信與移動通信；

胡卓宇(1980—)，女，碩士，高工，主要研究方向為衛星通信；

徐衛(1967—)，女，高工，主要研究方向為衛星通信；

譚哲(1980—)，男，碩士，高工，主要研究方向為衛星通信。