DS/FH混合擴頻快速同步技術研究

楊光宣， 茍先太， 張 波， 吳 潛,②， 金煒東， 張明陽

（①西南交通大學，四川 成都 610031；②中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

DS/FH（Direct Sequence & Frequency Hopping）混合擴頻應用于通信領域以增強系統(tǒng)抗干擾能力已成為一種趨勢[1]，DS/FH混合通信系統(tǒng)將直接序列擴頻技術與跳頻技術相結合，是國內(nèi)外公認的最富有生命力的抗干擾通信系統(tǒng)。DS/FH擴頻系統(tǒng)的處理增益等于跳頻系統(tǒng)的處理增益與直序擴頻系統(tǒng)的處理增益的乘積,具有抗截獲，可克服多徑效應和遠近效應，對工作在同頻段的系統(tǒng)干擾小，可獲得較高的跳頻速率，有利于通信信息的加密等優(yōu)點[2]。

在 DS/FH混合擴頻系統(tǒng)中,同步是一個關鍵問題，也是技術上的難點[3,4]。本文針對該問題提出了一種適用于DS/FH混合擴頻的快速同步技術,可快速穩(wěn)定同步，簡化同步過程。

1 DS/FH同步技術

直擴和跳頻系統(tǒng)各自的同步技術有較大的差異，而在混合擴頻系統(tǒng)中可以將兩種同步技術相互結合，根據(jù)解擴的順序，利用直擴和跳頻系統(tǒng)同步技術的優(yōu)點，在短時間內(nèi)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步[5]。

因此，可以將整個同步過程劃分成兩個部分：跳頻碼同步和直擴碼同步。此外還需在同步建立之后附加必要的失步檢測以對同步狀況進行監(jiān)測，保證同步穩(wěn)定。

1.1 跳頻同步

跳頻系統(tǒng)的碼同步捕捉與 DS系統(tǒng)相類擬，但相對來說要簡單得多。依據(jù)提取同步信息的手段不同，可以分為幾種具體的實施方法：等待自同步、掃描法(滑動法)、匹配濾波器法[3,6-7]。為了提高縮短捕獲時間，本文采用匹配濾波器法。匹配濾波器的捕獲原理(見圖 1)是以靜止的本地序列作為累加器的系數(shù)，接收信號滑過本地序列,每一時刻產(chǎn)生一個相關結果當兩個序列在零相移時有一個相關峰值輸出。

圖1 匹配濾波器工作過程

設接收機收到的跳頻信號為：

而匹配濾波器的沖擊響應為：

式中，P為信號功率，d(t)為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信，c(t)偽碼，Wc和φ分別為載波頻率和相位，t1為時延，cr(t)為與跳頻碼同長度的逆時間序列，Δω為匹配濾波器中心頻率和輸入信號載頻的頻差。工作過程推導如下：當接收端接收到信號R(t)分成I、Q兩路信號，I、Q兩路信號分別和sinctω、cosctω混頻，經(jīng)混頻后通過匹配濾波器，濾波器的輸出為：

由于偽碼在一個周期積分為 1，所以匹配濾波器的輸出為式（3），因此匹配濾波器的最大輸出為：

I、Q兩路信號經(jīng)過平方環(huán)做和，將所得信號平方，與門限值進行比較，若峰值大于門限值，則捕獲成功；反之，若小于門限值，則捕獲失敗，則重復以上過程，直到捕獲為止。同步信息的跟蹤過程則采用鎖相環(huán)原理來完成 。

1.2 直擴碼同步

基于FFT的偽碼并行捕獲算法[8-9],將傳統(tǒng)的碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉變?yōu)槎嗥绽疹l移的一維搜索,很大程度地縮短了捕獲時間。因此在一個偽碼周期內(nèi)同時搜索所有的碼相位單元，循環(huán)移動本地偽碼相位與接收碼進行相關,當本地碼與接收到的偽碼相位相同時就會產(chǎn)生最大相關峰。這樣就將時域碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉變?yōu)轭l域多普勒頻移的一維搜索，大大簡化了運算，提高捕獲速率。示意圖如圖2所示。

圖2 FFT一維搜索過程

捕獲過程（見圖 3）為：將本地載波對準初始估計頻率dω，使產(chǎn)生的信號對準一個多普勒頻率步進單元，啟動FFT捕獲,比較所得的相關峰值,若最大峰值超過檢測門限，則表明信號捕獲,根據(jù)信號所在位置的碼相位和多普勒頻率，移動本地偽碼相位，進入信號跟蹤階段。如果最大峰值小于門限值，說明信號捕獲失敗，將本地載波NCO多普勒頻率步進一個單元，重復上述過程，直到捕獲為止。

圖3 FFT偽碼并行捕獲原理框

1.3 仿真分析

設混合系統(tǒng)的參數(shù)為：跳頻速率 5000跳/秒,偽碼速率4.9152 Mbit/s,每跳傳送2 bit信息數(shù)據(jù)，序列載波頻率范圍為225～400 MHz，選用相關性良好的Gold碼序列。發(fā)送端將調制好的同步頭前導序列經(jīng)過信道仿真模型的衰減進入接收機前端。下變頻經(jīng)過匹配濾波器后,進行序列的相關檢測。圖4為相關檢測所得到的相關峰值。

從圖4可以看出得到的相關峰特別尖銳，捕獲的時候捕獲概率大大增加，虛警概率較小，有利于捕獲完成，縮短捕獲時間。完成跳頻碼的同步以后轉入直擴碼的同步階段。采用FFT的偽碼并行方法所得的相關峰值如下頁圖5。

圖4 匹配濾波器門限檢測相關峰

采用載波串行時捕獲性能如下頁圖 6，相關峰值并不明顯，在捕獲的時候虛警概率較高，增加同步時間采，在積累同樣的時間內(nèi)，無法得到所需要的譜峰。而采用FFT的偽碼并行算法得到的相關峰如下頁圖 5，相關峰值明顯。并且改進以后的算法可以消除數(shù)據(jù)跳變的影響，同時，基于FFT的并行捕獲算法,將傳統(tǒng)的碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉變?yōu)槎嗥绽疹l移的一維搜索,很大程度地縮短了捕獲時間。

圖5 采用FFT的偽碼并行法檢測相關峰

圖6 采用載波串行時相關峰

2 結語

本文介紹了一套比較完整的DS/FH同步方案，其中將整個系統(tǒng)同步過程根據(jù)解擴的順序分成跳頻同步和直擴碼同步兩個階段，分別利用兩個過程的優(yōu)勢，對兩個過程采用較好的算法，在較短的時間內(nèi)，達到了比較好的同步效果，而且大大的縮短了同步時間，簡化了同步過程。通過仿真表明，本文所提的DS/FH混合擴頻同步方案前端采用匹配濾波器快速解跳，迅速進入到直擴同步階段，而且檢測相關峰值明顯，可以減小虛警概率，可以應用于數(shù)字接收機解決同步問題。

[1] 羅霞,張平,盧滿宏.擴頻測控系統(tǒng)窄帶干擾抑制技術分析與研究[J].遙測遙控, 2007, 28(11):54-58.

[2] 劉煥淋,向勁松.擴展頻譜通信[M].北京:北京郵電大學出版社,2008:14-30.

[3] 皮世杰,黃登山,龔誠.部分匹配濾波器在高動態(tài)衛(wèi)導信號快捕的應用[J].通信技術,2008, 41(01):6-8.

[4] 李超,徐友云.DS/FH混合擴頻通信系統(tǒng)雙級同步技術研究[J].移動通信,2004(03):50-53.

[5] 康榮宗,劉洛琨,張劍,等.一種差分傳輸參考系統(tǒng)的實現(xiàn)方案[J].通信技術,2007,40(12):4-6.

[6] 劉艷華,趙剛.基于PMF-FFT的PN碼捕獲方法及性能[J].通信技術,2009,42(01):24-26.

[7] 盧長曉,王黎明,韓焱.傳統(tǒng)數(shù)字匹配濾波器的改進及仿真[J].通信技術,2009,42(07):25-27.

[8] 賈寧寧,陳源,侯孝民.高動態(tài)條件下提高擴頻信號捕獲精度方法研究[C]//2008通信理論與技術新發(fā)展—第十三屆全國青年通信學術會議論文集(下).北京:國防工業(yè)出版社,2008:1327-1330.

[9] 韓靖,周耀強.高動態(tài)環(huán)境下的偽碼快捕方法綜述[J].現(xiàn)代防御技術,2007,2(35):56.