DSSS系統中偽碼防錯鎖技術分析

周 侃

(1.西安電子科技大學，陜西西安 710071)

(2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

擴頻技術具有抗干擾和抗截獲能力強、信息信號隱蔽、任意選址以及易于組網等獨特優點。因此，近幾年來在世界各國的通信、導航領域得到了迅速發展和廣泛應用。

在測控領域，擴頻測控系統被廣泛采用，一方面，偽碼用作擴頻碼實現頻譜擴展，提高了系統的隱蔽性和抗干擾能力;另一方面，偽碼用作地址碼，實現單站多星、單星多站和多星多站情況下的目標區分，以及實現遙測、測量和遙控信號的區別接收;同時，偽碼還可以用作測距碼實現的距離測量;但是，擴頻測控系統在工作中如果發生偽碼的錯鎖將會給系統帶來很多的危害，如誤碼率提高和測距結果錯誤等。

1 偽碼錯鎖的原因

在直接序列擴頻系統中，m序列和Gold碼是常用的偽碼。m序列具有優良的自相關特性，但是由m序列組成的互相關特性好的互為優選的序列集很小。所以，由于多址的需要，測控系統中最常用的偽碼是Gold碼。Gold碼錯鎖的現象大致可以分為2類:

①瞬間的錯鎖，系統在錯鎖后可以在較短時間內失鎖，從而重新進入捕獲過程;

②穩定的錯鎖，系統在錯鎖后可以維持穩定的跟蹤，很難進入重新捕獲過程。

瞬間錯鎖一般是由于在噪聲環境下的虛警引起的，Tang檢測器可以大大降低噪聲情況下的虛警概率。

穩定的錯鎖產生原因大致可以分為2種:①由于偽碼的自相關特性;②由于偽碼的互相關特性(多址干擾)。在2個同族Gold碼已經具有符號位同步時，Gold碼具有三值互相關函數R(t)為:

當n為奇數時，Gold碼族中約有50%的碼序列有很低的互相關函數值－1;n為偶數但不是4的整倍數時，約有75%的碼序列有很低的互相關函數值－1。Gold碼的自相關旁瓣和互相關函數一樣，取3值，只是出現的位置不同。圖1分別給出了碼長為1023的Gold碼的自相關函數圖形和互相關函數圖形?？梢钥闯?，對于碼長為1023的Gold碼，自相關主瓣為1023，旁瓣取值有－1、－65和63，這3種情況，最大的旁瓣功率較主瓣低23.9 dB(20lg=23.9)。2個同族Gold碼的互相關取值也有 －1、－65和63這3種情況。

圖1 1023碼長GOLD碼的自相關函數和互相關函數

由于自相關旁瓣穩定存在，所以在信噪比高的情況下，噪聲電平不能淹沒Gold碼的自相關旁瓣電平，很可能錯誤的鎖定跟蹤在自身Gold的旁瓣上。例如:假設選用1023碼長的Gold碼，當信號功率與噪聲譜密度之比S/Φ為65 dBHz時，如果信號的分析帶寬B=1 kHz，則主瓣信號的檢測信噪比S/N=35 dB(65－10lg1000=35)，旁瓣信號的檢測信噪比也可以達到11 dB(35－23.9≈11)。這樣高的旁瓣信噪比完全可以實現旁瓣的高概率檢測和穩定跟蹤。

對于多用戶環境，如果其他用戶信號(干擾)電平和自身信號電平相當，那么和自相關旁瓣一樣，在較高信噪比情況下，較高的互相關值也會導致Gold碼的錯誤鎖定和跟蹤。當干擾電平比用戶有用信號電平高很多時，如對于碼長1023的Gold碼，干擾電平比有用信號電平高24 dB時，干擾信號產生的互相關值和用戶信號自相關值相當，產生錯鎖的幾率更高。

2 偽碼錯鎖產生的影響

2.1 錯鎖在自身Gold碼的旁瓣

如果錯鎖在自身Gold碼的旁瓣上，則可能會出現以下影響:

①可以實現位同步和幀同步，但是由于解擴增益降低，導致比特檢測信噪比降低，從而造成誤碼率增加;

②應用偽碼測距的場合，不論地面設備鎖定在錯誤的偽碼相位上還是應答機鎖定在錯誤的偽碼相位上，均會導致距離值錯誤。如果地面設備重新進行偽碼捕獲后，距離值正確，則錯鎖發生在地面設備;如果地面設備多次重捕后距離值仍不正常，則可以重新發射上行信號，迫使應答機進行偽碼的重新捕獲，如果應答機重捕后，距離值正常，則可以斷定應答機發生了錯鎖。

2.2 錯鎖在其他用戶的Gold碼

如果錯鎖在其他用戶的Gold碼上，則可能會出現以下影響:

①由于2個擴頻碼調制數據的數據速率、幀同步字和幀長的不盡相同，導致在偽碼和載波鎖定后無法完成位同步和幀同步，也就無法實現數據解調;

②對于利用偽碼進行測距的場合，不論是地面設備還是應答機錯鎖在了其他用戶的Gold碼上，均會導致距離值錯誤。也有的設備要求數據解調完成后才會有距離值輸出，那么這種情況下就不會有距離值輸出。這時，在接收到的己方信號功率和其他用戶功率大小相當的情況下，可人為地強制地面設備或應答機設備重新進行捕獲。當其他用戶功率遠強于己方信號功率的情況下，應提高己方信號的發射功率。

3 預防偽碼錯鎖的措施

3.1 改進偽碼的自相關特性和互相關特性

由以上分析可以看出:對于單個偽碼系統，采用完全正交的地址碼(如m序列)可以抑制偽碼錯鎖;對于碼分多址系統，采用完全正交的地址碼可以真正抑制多址干擾的影響。然而，在實際中幾乎不可以找到完全正交的地址碼，或者說數量太少了?？梢酝ㄟ^對傳統地址碼的性能進行改進來提高其互相關性能。例如采用改進型Walsh+GMW正交碼，或采用基于互補序列的周期互補序列;另外，如圖2所示，隨著Gold碼偽碼周期的增長，自相關旁瓣、互相關電平與自相關主瓣的差會越來越大。所以，選用較長的Gold碼對防止錯鎖也可以起到一定的作用。

圖2 自相關主瓣功率與旁瓣功率的比值關系曲線

3.2 功率控制技術

由上述分析知:由于不同Gold碼之間的互相性，碼分多址多用戶環境也是引起偽碼錯鎖的原因之一。對于碼分多址環境下的偽碼防錯鎖，通常采用的方法有多用戶檢測技術和功率控制技術。由于多用戶檢測技術一般需要知道除自己擴頻碼之外的干擾碼的碼參數，而且隨著多址用戶數量的增多，系統實現變得極為復雜。所以，采用功率控制技術是多用戶擴頻測控系統防止偽碼錯鎖、提高數據傳輸正確率的一項重要技術。

功率控制技術是根據接收系統接收到的信號能量從而調整發射系統的發射功率，一方面保證己方系統以盡可能小的發射功率獲得所需的信號質量;另一方面又要求避免對其他用戶信號產生不必要的干擾。在移動通信領域，功率控制技術是一項關鍵技術，并由此衍生了很多具體實施方法，如前向功率控制技術和后向功率控制技術、開環功率控制技術和閉環功率控制技術、集中式功率控制技術和分布式功率控制技術等等。

在測控領域，由于多址用戶較少，而且在空域上分布比較分散，多址問題還不是很突出，所以對功率控制問題沒有引起足夠的重視。擴頻測控系統的組成框圖如圖3所示。一般來說，地面測控站可以很方便地調整上行信號發射功率，但是對于擴頻測控應答機來說，由于設備體積的限制，基本不具備調整其發射信號功率的功能。所以，對于擴頻測控設備來說，為了保證系統的正常工作，可以通過調整地面測控設備的發射功率來調整系統的工作狀態。

圖3 DSSS系統組成

應答機一般會檢測其接收信號的信噪比，并將信噪比信息、應答機的鎖定信息下傳給地面測控站;如果應答機鎖定，也會將其獲得的測量信息傳輸給地面測控站。根據這些信息，地面測控站可以基本判斷應答機的工作狀態，如表1所示。

表1 由應答機信息判斷其工作狀態

當系統鎖定而測量信息(如多普勒頻率信息)不正常時，不論應答機檢測得到的信號信噪比是高還是低，系統很可能是發生了錯鎖，此時，如果有其他用戶也在作用范圍內，可以試著增大地面發射功率;如果是錯鎖在了Gold碼自身的旁瓣上，也可以先斷掉信號，強制應答機失鎖，然后再重新發射信號。在實際的工程應用中，曾多次利用“中斷發射信號——重新發射信號”的方法強制應答機由錯鎖狀態轉入重新捕獲狀態，進而進入正常工作狀態。此外，如果應答機檢測信號的信噪比較低并且無法入鎖，也可以試著加大發射信號功率，當然，這也可能是其他鏈路因素導致的，應綜合設備的其他狀態具體分析問題，進而采取正確的措施。

3.3 改進偽碼的捕獲跟蹤策略

偽碼捕獲最簡單也是最常采用的方法是串行搜索法，如圖4所示。先將本地碼任意置于某一相位，之后計算本地碼與接收碼的相關函數，若相關結果低于設定門限，則判斷本地碼與接收碼沒有達到期望的基本對齊，這時調整本地碼相位后，再一次進行相關運算，直到相關值高于所設定門限，判斷本地偽碼與接收偽碼基本同步，之后可進入偽碼的捕獲驗證和跟蹤階段。

圖4 串行搜索偽碼捕獲策略原理

在順序搜索捕獲策略中，如果門限設置過高，則會降低偽碼捕獲的檢測概率;門限設置太低，則增加了虛警概率，并且可能會錯鎖在旁瓣上。所以，選擇適當的偽碼捕獲門限是一個關鍵。此外，增加偽碼錯鎖判決電路不失為一種較好的策略，雖然會增加電路的復雜性，但是卻可以很好地防止偽碼錯鎖在旁瓣上。其基本思路是:增加專用的偽碼錯鎖判決電路，其參數設置與跟蹤支路相同。在偽碼跟蹤過程中，將偽碼錯鎖判決電路的本地碼相位置于與跟蹤支路不同的任一相位，之后，進行相關運算，若偽碼錯鎖判決電路的相關結果低于跟蹤支路的相關結果，則調整防錯鎖電路的本地碼相位后再進行相關運算。如果在某一相位防錯鎖判決電路的相關結果連續幾次大于鎖定支路的相關結果，則可以斷定跟蹤支路鎖定錯誤。此時，可以將跟蹤支路的本地碼相位設置為防錯鎖電路的本地碼相位后再做跟蹤。

此外，偽碼的并行捕獲技術也可以有效地防止旁瓣錯鎖現象的發生，如圖5所示。利用FFT-IFFT運算完成接收信號與本地偽碼的卷積運算，一次運算可以得到所有碼相位上的相關值。根據相關值最大值的位置，可以得到接收碼的相位，實現偽碼的捕獲。這種全相關值觀測方法，對于預防旁瓣錯鎖是很有效的。

圖5 基于FFT-IFFT方法的偽碼并行捕獲原理

4 結束語

對Gold碼的自相關特性和互相關特性進行了分析，根據產生偽碼錯鎖的原因和可能導致的后果提出了幾種防止偽碼錯鎖的措施。在目前的工程應用中，已經采用了較簡單、可行的偽碼防錯鎖措施—改進偽碼的捕獲和跟蹤策略，通過在捕獲過程中采用自適應門限技術，在偽碼進入跟蹤過程后采取偽碼錯鎖判決電路，收到了良好的防錯鎖效果。根據工程實際應用統計，在采取偽碼防錯鎖措施后，偽碼錯鎖概率由原來的5%左右降低到了1‰以下。 ■

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