多碼環架構對擴頻捕獲性能的優化

保 駿

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

在擴頻接收機中,經常會使用到PN碼跟蹤環。由于PN碼跟蹤環的鑒相特性通常僅能在一個碼元之內有效,若采用單Δ環,鑒相特性更是縮減為半個碼元寬度。因此要求PN碼捕獲電路在給出相位信息時,必須根據碼環鑒相特性精確到相應的碼元寬度范圍內。但是,由于捕獲是一個概率事件,在受到接收噪聲、信號頻率動態變化等客觀條件的影響時,不可能做到100%的捕獲成功概率。同時,由于捕獲電路中沒有鎖相環,因此其本地碼鐘相對發端碼鐘始終存在一定的偏差和漂移,因此不能保證每次捕獲都能使碼環被準確復位到鑒相范圍之內,根據測試我們發現捕獲可能偏差多個碼元寬度[1-2]。

在當前普遍的系統設計中,往往是單純采用改善捕獲電路性能的方式來進一步提高捕獲的成功概率。這種方式不但增加了捕獲電路的復雜程度,而且需要依靠資源大量消耗來換取性能改善,代價很大[2,3]。通過試驗分析,我們發現通過對接收機的碼環架構進行簡單優化也可以達到同樣目的,而且無需對捕獲提出苛刻要求。

本文提出的擴頻接收機多碼環架構,即是在接收機中采用多個碼環,以增加鑒相特性覆蓋范圍的方式,達到提高系統捕獲性能的目的。

2 接收機碼跟蹤環及PN碼捕獲原理分析

2.1 接收機碼環原理分析

在擴頻接收機當中,PN碼跟蹤一般采用非相干延時鎖定環,包括本地PN碼產生器、接收信號與本地PN碼相關器、誤差提取、環路濾波、碼鐘DCO等部分。偽碼的捕獲靠PN碼快捕模塊完成PN碼相位的快速搜索,將本地PN碼與接收信號PN碼相位對準到1個碼元之內,同時將計算得出的碼鐘頻率值預置到本地碼鐘DDS,此時環路進入快捕帶,完成鎖定。

對于采用雙Δ鑒相寬度的PN碼環,捕獲范圍寬,容易鎖定;對單Δ環,相位抖動小,測距精度高但難以鎖定,對捕獲精度要求高。雙Δ環鑒相曲線如圖1所示。利用碼環時間誤差鑒別特性,本地碼可以鎖定在鑒別曲線的零點,與輸入偽碼相位相同。

圖1 雙Δ環鑒相特性Fig.1 Double-Δ-loop characteristic of phaese detect

由于PN碼跟蹤環的鑒相特性僅在半個或一個碼元之內有效,因此要求捕獲電路在給出相位信息時,必須根據碼環鑒相特性精確到相應的碼元寬度范圍內[2]。

2.2 PN碼捕獲原理分析

長碼的捕獲過程是一個時間軸和頻域軸同時進行的二維搜索過程,一方面是時間上的不確定性帶來的碼元搜索,另一方面是衛星移動產生多普勒頻移引起的對頻率的搜索。對偽碼相位的搜索是利用碼的相關性通過大量的相關運算完成的,而對多普勒頻移的搜索往往是將整個多普勒頻率范圍分為許多個頻率槽依次搜索或者并行搜索完成[3,4]。若需要縮短捕獲時間、提高系統捕獲性能,只能通過增加并行搜索路數的方式實現,但這種方式需要成倍地消耗系統資源,并且給設計帶來更大的難度。

對于二維搜索而言,依次串行搜索時間太長,不能滿足大多數使用要求,完全并行搜索硬件資源及設備體積上又不可承受,因此可以利用FFT及IFFT在頻域上完成快速相關運算過程,并通過采用在頻域上對多普勒頻率的峰值(相關值)進行門限判決的辦法將二維搜索轉化為只有碼元搜索的一維搜索過程。采用此種方案可以在完成相位捕獲的同時得到信號的頻率信息。

在信號檢測中,我們最感興趣的兩個量是單次試驗的檢測概率和虛警概率。有了 p0( y )和p1( y ),可以計算虛警概率、檢測概率和信噪比的關系。設虛警概率為Pf,檢測概率為PD,則:

式中,ρ=S/N=CT/N0,由式(1)可知虛警概率、檢測概率僅和信噪比S/N有關,其關系如圖2所示。

圖2 虛警概率、檢測概率和信噪比的關系Fig.2 Relationship among S/N,false alarm probability and detection probability

在捕獲電路完成對碼的二維搜索之后,需要將相位和頻率信息通過一定的接口關系送給接收機的碼跟蹤環路[5-6]。

3 捕獲與接收機的接口原則及存在的問題

接收機和碼捕獲電路的接口包括碼相位接口和頻率接口兩部分。針對這兩部分的要求為:碼相位信息精度小于等于1個或0.5個碼元寬度;頻率信息精度小于等于碼跟蹤環路捕獲帶。

在這兩個原則中,頻率信息精度相對較容易達到,本文就不進行分析了,但碼相位信息的精度容易受到多種因素影響而發生超差[2,7]。

從前述分析可以看出,捕獲是一個概率事件,受到接收噪聲、多普勒頻率動態、時鐘漂移等客觀條件的影響[8],是不可能完全做到100%的捕獲成功概率的,而且很難保證每次捕獲都能使碼環被復位到準確的1個碼元之內。

為了驗證捕獲性能的變化,我們在以下條件下進行了試驗:在接收信號頻率加動態變化條件下,碼元寬度為0.33 μ s,要求當信噪比為8dB時,系統捕獲概率大于60%;信噪比為13dB時,系統捕獲概率大于99%。根據上述要求在單碼環接收機中進行試驗。

給定接收信噪比S/N=8dB,捕獲相位精度可能偏差多個碼元寬度,示波器顯示的收發碼相位關系如圖3所示,圖中上排脈沖為發端信號碼初始相位,下排脈沖為碼捕獲電路恢復的接收信號碼初始相位。在理想情況下,兩者的相對位置應當固定。通過示波器的余暉顯示功能記錄了多次捕獲的相位位置,很顯然,捕獲電路不能將每次恢復的收端相位保持在相對固定的位置上。

圖3 相位捕獲精度(S/N=8dB)Fig.3 Precision of phase acquisition(S/N=8dB)

從圖3可以看出,在此條件下,捕獲相位精度僅能保證在2.36 μ s的時間范圍內,通過試驗驗證,此時若要達到10-6的虛警概率,捕獲概率不到20%,顯然無法滿足碼環的精度要求。

保持接收信號頻率動態變化條件,將信噪比增加5dB之后,捕獲相位精度會明顯好轉,如圖4所示。碼環相位精度改善到1.13 μ s之內,此時若要達到10-6的虛警概率,捕獲概率可以達到90%,但仍然不能滿足系統99%捕獲概率的要求。

圖4 相位捕獲精度(S/N=13dB)Fig.4 Precision of phase acquisition(S/N=13dB)

從圖3和圖4可以看出,捕獲電路提供的相位精度在較為嚴苛的條件下往往不能保證接收機碼環的要求,從而使系統捕獲性能大幅下降。

下面對采用多碼環架構提高捕獲性能的方式進行分析。

4 碼相位信息誤差的多碼環解決方案

通過采用多碼環的構架可以較容易地降低接收機對相位信息精度的要求,多碼環構架如圖5所示。

圖5 多碼環擴頻接收機結構框圖Fig.5 Structural block diagram of receiver with multiple code loop

在一般的單碼環結構擴頻接收機中,圖5中的陰影部分僅由一個碼環構成[9-10];多碼環結構當中,碼環的數量擴展到了4個(根據需要可以擴展更多),同時增加了“相位信息延遲模塊”和“多碼環選擇模塊”。相位信息延遲模塊將PN碼捕獲電路送來的相位信息分別對應4路碼環依次延遲4個碼鐘周期,從而保證始終會有一個碼環接收到正確的相位信息。多碼環選擇模塊根據各個碼環的鎖定情況,選擇出最先鎖定的碼環作為接收機的碼環輸出,特別需要注意的是若當前已選擇的碼環鎖定狀態不發生變化就不進行輸出切換。

采用多碼環接收機,整個接收機的碼環鑒相特性會按照碼環的數量被擴展,如圖6所示,有效鑒相范圍會擴大單個碼環的4倍,即鑒相范圍被擴大為0.33 μ s×4=1.32 μ s。

圖6 多碼環擴展鑒相特性Fig.6 Multiple loops characteristic of phaese detection

在此條件下,前述碼捕獲電路即使不做任何修改也可以在13dB的信噪比條件下滿足系統捕獲精度要求。根據圖3所示的相位精度誤差,若將碼環數量擴展到8個,可以不修改捕獲電路而將接收機的靈敏度提高到8dB。

由于接收機采用了多碼環架構,那么必須很好地設計多碼環選擇算法。此算法的原則是:自動選擇首先鎖定的碼環;失鎖后可以自動切換;選擇正常鎖定的碼環后,接收機狀態不受其余碼環狀態變化的影響。

根據以上原則,多碼環選擇模塊算法流程圖如圖7所示。

此模塊采用Verilog硬件描述語言在FPGA中實現碼環自動選擇功能。程序運行時根據“選擇標識”、“通道標識”兩個變量的值自動對碼環作出正確選擇,程序共需考慮4種情況。

(1)情況1:全部碼環均失鎖

程序在每一個系統時鐘周期都會進行碼環鎖定指示的采樣判斷,若全部碼環均處在失鎖狀態,“選擇標識”、“通道標識”兩個變量保持初始化的0,程序跳轉至末尾,選擇缺省碼環作為選擇輸出,在程序中設定碼環A為缺省輸出。

(2)情況2:只有一路碼環正常鎖定

當程序檢測到其中一路碼環鎖定之后,“鎖定指示”變量為1,程序根據各碼環鎖定狀態進行通道判斷,根據鎖定對應環路對“通道標識”變量進行賦值,并將相應碼環作為選擇輸出。

(3)情況3:多路碼環鎖定

當程序檢測到多路碼環鎖定之后,“鎖定指示”變量為1,將按照設定的A、B、C、D優先級依次降低的順序進行通道判斷,根據最早鎖定且優先級最高的環路作為選擇輸出,并根據選擇結果對“通道標識”變量進行賦值。在完成選擇之后由于“通道標識”變量已經完成對應賦值,因此選擇輸出不會受到后鎖定環路的影響。

(4)情況4:當前選擇碼環失鎖,其余碼環正常鎖定

當程序當前選擇的碼環失鎖,程序會將“選擇標識”清零,重新進行鎖定通道判別,自動按照優先級選擇其余正常鎖定的碼環。

通過對以上4種情況的分析可知,此模塊設計符合電路需要的選擇原則。

5 試驗驗證結論

按照本文前述試驗方式,我們對單碼環接收機和多碼環接收機在 S/N=8dB的條件下進行了捕獲時間測試,測試結果如表1所示。

表1 碼環捕獲時間測試結果(S/N=8dB)Table 1 Code loop acquisition time(S/N=8dB)

由表1可知,單碼環接收機、4碼環接收機和8碼環接收機的捕獲概率分別為20%、60%和90%,而指標要求為接收機在10 s之內的捕獲概率大于90%。

由于捕獲概率需要很大的樣本點支持,我們在試驗中以10次為一組進行了超過100組試驗,限于文章篇幅,此處僅選取較有代表性的3組試驗結果。對所有數據進行計算統計,若需要達到10-6的虛警概率,在8dB、13dB、15dB的信噪比條件下,測試結果如表2所示。

表2 各類碼環捕獲概率Table 2 Acquisition probability of three code loops

從測試結果可以看出,采用多碼環架構的接收機可以在相同的條件下較大提高捕獲性能。

6 結束語

本文對擴頻接收機中碼捕獲電路原理、碼跟蹤環原理及兩者之間的接口關系進行了分析,提出了一種可以降低碼捕獲電路精度要求但不影響系統性能的多碼環架構設計方法,并通過硬件電路的實現驗證了這種設計方案的合理性和可行性。這種設計方法具有簡化捕獲電路設計,降低捕獲電路的要求,增強接收機在低信噪比、時鐘漂移等情況下的適應性的優點,具有較高的工程應用價值。但由于使用了多碼環選擇,需要增加自動選擇算法,在后續工作中可以對碼環的復用方式進行考慮。

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