基于自適應(yīng)門限的快速分組同步技術(shù)

張 琳,張永杰

（中國電子科技集團(tuán)電子第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

突發(fā)通信廣泛應(yīng)用于采用時(shí)分多址（TDMA）的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)等通信系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)通信以突發(fā)的方式進(jìn)行,信息傳輸是不連續(xù)的,因此很難通過反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波同步和定時(shí)同步。通常解決的辦法是在每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包前插入一個(gè)特定圖案的前導(dǎo)字用于時(shí)鐘和載波同步,前導(dǎo)字作為系統(tǒng)開銷,降低了數(shù)據(jù)傳輸效率。

前向結(jié)構(gòu)的高速突發(fā)解調(diào)器成為了發(fā)展的趨勢,時(shí)鐘恢復(fù)和載波恢復(fù)都采用前向結(jié)構(gòu)算法,不會(huì)出現(xiàn)反饋環(huán)結(jié)構(gòu)算法中的“掛起”問題,但是這種前向突發(fā)解調(diào)器需要準(zhǔn)確知道每分組數(shù)據(jù)的起始時(shí)刻。分組同步檢測的任務(wù)就是要判斷分組的到來,并尋找分組的起止時(shí)刻。一旦分組同步?jīng)]有及時(shí)建立,這一分組數(shù)據(jù)就將無法獲取和恢復(fù),所以捕獲突發(fā)分組同步是實(shí)現(xiàn)突發(fā)定時(shí)同步和載波同步的前提。

1 突發(fā)分組同步

目前突發(fā)分組同步技術(shù)應(yīng)用最廣泛的是最大似然的判決算法:在每一分組前面插入一個(gè)具有良好自相關(guān)性能的同步碼,然后接收端數(shù)據(jù)與本地同步碼計(jì)算相關(guān),將出現(xiàn)相關(guān)峰的位置判決為同步碼的位置,判決門限通常采用固定值,或者使用前一分組檢測到的相關(guān)峰值的1/k倍（k是整數(shù)）。這2種門限選取方法都不能實(shí)時(shí)反應(yīng)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(shí)間是同步技術(shù)努力的方向。該文主要討論采用自適應(yīng)門限進(jìn)行相關(guān)值判決,并使用短同步序列來提高傳輸效率。

分組同步序列采用擴(kuò)頻序列,利用擴(kuò)頻序列具有尖銳相關(guān)峰值的特性,在接收端采用數(shù)字匹配濾波器提取相關(guān)峰,來實(shí)現(xiàn)分組同步。擴(kuò)頻序列的相關(guān)性能直接關(guān)系到產(chǎn)生假同步的概率。為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率,盡可能選取相關(guān)性能好且短的碼字,工程設(shè)計(jì)中,采用32位擴(kuò)頻碼。采用matlab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真找到一條擴(kuò)頻碼111101011100110110100111,同步序列前還應(yīng)該含有部分前導(dǎo)碼用于接收機(jī)中AGC的快速穩(wěn)定時(shí)間。

圖1是在沒有引入任何噪聲的情況下的相關(guān)峰波形。可以看到旁瓣最大為4,與相關(guān)峰值之比為4/32=0.125,具有很好的相關(guān)特性。

圖1 分組同步序列自相關(guān)特性

突發(fā)解調(diào)器采用BPSK工作方式,以4倍符號(hào)時(shí)鐘工作,信號(hào)下變頻后,I,Q兩路基帶信號(hào)首先通過平方根升余弦匹配濾波器完成匹配,基帶信號(hào)采用2種不同數(shù)字匹配濾波器提取相關(guān)峰值和計(jì)算自適應(yīng)門限值。圖2是采用該算法計(jì)算出的分組同步相關(guān)峰和門限的定量分析。2條曲線是在各種信噪比條件下,計(jì)算出的前后100個(gè)分組的相關(guān)峰和門限的平均值,可以看到2條曲線基本平行。

圖2 分組同步相關(guān)峰和門限的定量分析

2 分組同步器結(jié)構(gòu)

在解調(diào)器中基帶信號(hào)分為2路,一路以一個(gè)突發(fā)為單位存儲(chǔ)數(shù)I,Q兩路基帶信號(hào),用于數(shù)據(jù)解調(diào);另一路進(jìn)入分組同步提取單元,結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理如下:2路數(shù)字匹配濾波器同時(shí)進(jìn)行信號(hào)相關(guān)處理,匹配濾波器1輸出相關(guān)峰,經(jīng)過相鄰值最大檢測電路和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(hào),送解調(diào)單元用于數(shù)據(jù)解調(diào)。分組同步器的主要組成部分是數(shù)字匹配濾波器。匹配濾波器的傳輸特性H（w）=KS*（w）ejwt0,用它的沖擊響應(yīng)h（t）表示為:h（t）=Ks（t0-t）,匹配濾波器的沖擊響應(yīng)便是信號(hào)的鏡象信號(hào)s（-t）在時(shí)間上平移t0,而匹配濾波器的輸出信號(hào)波形可表示為:

圖3 分組同步提取單元結(jié)構(gòu)示意圖

R（t）為輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù),匹配濾波器的輸出信號(hào)波形是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的K倍。而匹配濾波器在每個(gè)采樣點(diǎn)上都能輸出一個(gè)相關(guān)值,在一個(gè)擴(kuò)頻碼周期內(nèi),就能得到一個(gè)相關(guān)值,是一種快速的相關(guān)器件。當(dāng)接收碼與本地碼相位相同時(shí),會(huì)有最大的相關(guān)值輸出。

數(shù)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(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼進(jìn)行相乘運(yùn)算,乘法器系數(shù)取±1,由本地?cái)U(kuò)頻序列決定。匹配濾波器實(shí)質(zhì)為實(shí)序列對(duì)輸入的復(fù)序列的相關(guān)。信號(hào)經(jīng)調(diào)制輸出,在信道中由于存在相位旋轉(zhuǎn),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(shí)進(jìn)行,2路相關(guān)結(jié)果取平方和之后得出相關(guān)峰值。

數(shù)字匹配濾波器2不同于數(shù)字匹配濾波器1,它將數(shù)字匹配濾波器1中接收信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼相乘的運(yùn)算,改成取絕對(duì)值后相加,相當(dāng)于對(duì)一個(gè)碼長度周期內(nèi)的接收信號(hào)進(jìn)行能量累加,然后再2路平方求和。

相關(guān)峰判決輔助電路包括相關(guān)峰相鄰檢測電路和峰值冒泡選擇電路。相關(guān)峰相鄰檢測電路的原理是:相鄰的5個(gè)相關(guān)峰采樣點(diǎn),都與中間的采樣點(diǎn)比較,若中間點(diǎn)值最大,就輸出中間點(diǎn)值,否則輸出0,目的是使相關(guān)峰信號(hào)成為00X00X00X00的數(shù)值。因?yàn)榻庹{(diào)器以每符號(hào)4倍采樣時(shí)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(gè)采樣點(diǎn)時(shí),會(huì)有與相關(guān)峰最大值相近的值輸出,經(jīng)過最大值檢測電路后,與相關(guān)峰最大值相鄰的采樣點(diǎn)輸出為0,避免了相鄰的采樣點(diǎn)超過門限造成誤判。

峰值冒泡選擇電路是為了降低檢測虛警概率,當(dāng)信號(hào)信噪比較低時(shí),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)以上的相關(guān)值超過門限,會(huì)造成出現(xiàn)多個(gè)同步信號(hào)。冒泡選擇電路工作原理是:首先,給用于存儲(chǔ)峰值的寄存器reg賦一個(gè)初值0,檢測到第1個(gè)過門限相關(guān)值時(shí),將相關(guān)值賦給reg,當(dāng)檢測到第2個(gè)過門限相關(guān)值時(shí),與reg中存的數(shù)進(jìn)行比較,若大于則將第2個(gè)數(shù)存入reg,否則reg保持不變。以此類推,最后保存在reg中的值認(rèn)為是相關(guān)峰的最大值,產(chǎn)生這個(gè)相關(guān)峰的時(shí)刻認(rèn)為是分組同步時(shí)刻。

為了降低產(chǎn)生虛警的概率,系統(tǒng)采用解調(diào)器與復(fù)分接器聯(lián)合設(shè)計(jì)。分組同步序列后面跟的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的,有可能會(huì)出現(xiàn)與分組同步序列相似的序列,產(chǎn)生假同步。復(fù)分接器在分組同步序列到來時(shí)刻,給解調(diào)器一個(gè)開窗信號(hào),解調(diào)器則認(rèn)為只有在窗內(nèi)出現(xiàn)的相關(guān)峰才能作為同步信號(hào)。

3 自適應(yīng)算法

在TDMA系統(tǒng)中,突發(fā)數(shù)據(jù)來自不同從站,信號(hào)到達(dá)主站的信噪比會(huì)有較大差別;同時(shí)接收端AGC輸出給解調(diào)器信號(hào)的波動(dòng)范圍在2dB左右。采用固定門限判決或著使用前一分組檢測到的相關(guān)峰值的1/N（N為整數(shù)）判決的方法,都不能反應(yīng)分組數(shù)據(jù)到來的實(shí)際情況。當(dāng)門限取得不合適時(shí),容易使同步的虛警或漏警概率增高。

該文采用自適應(yīng)門限來解決上述問題。自適應(yīng)門限原理如下:

當(dāng)a,b,c都是正數(shù)時(shí),等號(hào)成立。

圖3中,匹配濾波器1輸出的相關(guān)值為:Rp1=,為濾波器匹配系數(shù)。

在高信噪比,信道不存在誤碼的條件下,只有當(dāng)收數(shù)據(jù)與本地碼相位對(duì)齊時(shí),Rp1=Rp2;其余時(shí)刻由式（1）得出且由圖1可以看出,當(dāng)收數(shù)據(jù)與本地碼相位不同時(shí),在低信噪比條件下,因?yàn)樾诺来嬖谡`碼,即使收數(shù)據(jù)與本地碼相位對(duì)齊時(shí),Rp1也會(huì)小于Rp2。因此,選kRp2作為判決Rp1的門限值的選取通過計(jì)算機(jī)仿真并結(jié)合工程實(shí)踐取

圖4為解調(diào)器在高斯信道下,采用自適應(yīng)算法得到的分組同步相關(guān)峰和門限的仿真曲線。可以看到,尤其在低信噪比條件下,門限值隨著相關(guān)峰而波動(dòng)。

圖4 相關(guān)峰和門限的仿真曲線

4 結(jié)束語

基于自適應(yīng)門限的快速分組同步技術(shù)是針對(duì)大容量突發(fā)調(diào)制解調(diào)器而設(shè)計(jì)的,具有較高的傳輸效率和較好的實(shí)時(shí)性,能夠自動(dòng)準(zhǔn)確地完成分組同步的搜索以及判決,使系統(tǒng)在不增加假同步概率的基礎(chǔ)上降低了漏同步的產(chǎn)生概率,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且設(shè)計(jì)簡單,實(shí)用性強(qiáng),該算法已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。

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[2]張永杰.高速突發(fā)解調(diào)器的快速同步技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2009,35（5）:29-30,61.

[3]王立寧.Matlab與通信仿真[M].北京:人民郵電出版社,1999.