猝發信號載波同步技術研究及實現＊

王杰英 張永鑫 李 軍

（1.92330部隊 青島 266102）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

由于擴頻通信技術具有抗干擾能力強、截獲概率低、多址性好和距離分辨率高等特點，近年來成為軍事領域研究的熱點[1～3]。在高動態、低信噪比環境下的突發通信中，為了實現對一幀突發信號的正確解調，要在解擴出符號數據后，在規定的導頻序列長度內通過有限次調整完成載波同步，否則將造成后續用戶數據的丟失，導致解調失敗。

隨著現代通信技術的飛速發展，超大規模集成電路和高速信號處理器高效的處理能力和處理速度也為實現猝發式直擴信號載波同步技術提供了良好的硬件平臺[4]。通過對載波同步捕獲技術的研究，采用快速數字捕獲和基于FFT輔助的科斯塔斯（Costas）載波跟蹤算法，僅需有限次調整就可以完成載波同步。快速載波同步設計采用ALTERA公司的StratixⅡ系列FPGA技術對載波同步方案進行硬件實現。

2 快速載波同步設計

在短時猝發式擴頻通信系統中幀前導字長度有限，且為提高擴頻增益，猝發信號被高速長擴頻序列擴頻調制后，在極短時間內以猝發形式被高速發送，對序列載波同步提出了更高的要求[5～6]。由于解擴前系統的載噪比很低，并且偽碼同步對頻偏敏感，因此偽碼捕獲必須以載波捕獲為基礎，偽碼捕獲伴隨著載波捕獲完成。當載波偏差較大時（超過符號速率的1／2），同步參數的直接參數估計主要針對載波頻差，將估計得到的頻差值預置到以符號率工作的鎖相環中來跟蹤載波相位以及很小的載波偏差抖動。而剩余的定時誤差即偽碼相差的糾正可以通過遲與門結構的延遲鎖定環來是實現。

猝發式直擴接收機信號捕獲和載波跟蹤兩部分可以在FPGA硬件實現，通常是在猝發幀的導頻符字段內，用開環參數估計技術直接估計出待估參數的大致范圍，此步驟稱為同步參數的捕獲或粗估計。被估計出的同步參數預置入鎖相環中，利用鎖相環對同步參數進行精確的穩態跟蹤，此步驟被稱為同步參數的跟蹤或精估計。該系統既能滿足快速捕獲載波頻率的要求又能實現對載波的精確跟蹤，如圖1所示。

圖1 載波同步組成框圖

3 信號快速捕獲技術

在猝發式擴頻通信系統中設計基于前導字技術實現信號同步[7]，導頻符號長度預設200個左右。系統信號捕獲采用擴頻碼分別對I、Q兩路數據進行解擴，將解擴數據求平方和作為捕獲判決量。

信號捕獲過程，即頻率捕獲和偽碼捕獲都在導頻符長度內完成。信號捕獲以相關峰值作為捕獲檢測標志，根據捕獲時間的限制和硬件規模的要求，先用恰當的頻偏估計方法將多普勒頻偏減小到合適的頻差范圍以內而實現頻率粗捕，為后續載波同步模塊進一步對頻偏進行精捕和相位跟蹤減輕實現壓力；同時頻差的減小降低了其對捕獲檢測量造成的衰減，再以一定的偽碼相位搜索步進可使定時偏差減小到一個碼片寬度以內而實現偽碼捕獲。系統采用對調制數據和初始載波相位都不敏感的平方和檢測結構，如圖2所示。

圖2 平方和檢測結構框圖

4 載波跟蹤技術

猝發式擴頻通信系統中采用QPSK調制方式，并且工作在負信噪比環境中。這樣，Costas環對于載波頻率偏移的跟蹤具有一定的局限性[8～10]，而如果通過增加環路的噪聲帶寬來獲得對大頻偏的跟蹤能力，那么其跟蹤精度又不能滿足系統性能的要求，并且Costas環的捕獲時間也會很長。這樣Costas環對于載波頻率偏移的跟蹤不適合猝發式擴頻通信的動態要求。因此，采用FFT＋Costas基于數據輔助的載波跟蹤算法。FFT＋Costas跟蹤算法在低信噪比條件下，通過開銷一定數目的導頻符號，能快速地對信號捕獲后殘余的較大頻差進行精捕，使之滿足Costas環快捕帶寬要求，而后啟動Costas環對載波相位進行穩態跟蹤。

FFT＋Costas基于數據輔助的載波跟蹤算法首先用FFT實時計算偏差信號的頻譜，然后把計算出的頻譜的峰值頻率作為所查找的信號頻率的最佳估值，通過計算出的接收信號載波與參考載波的頻差，調整載波VCO，閉合Costas環。在調整過程中，如果環路鎖定檢測器檢測出Costas環并未進入鎖定，則斷開Costas環，重新進行FFT變換，捕獲信號頻率；如果環路鎖定檢測器檢測出Costas環處于鎖定狀態，則進行載波的相位捕獲和相位跟蹤。如圖3所示。

圖3 FFT＋Costas載波跟蹤框圖

對FFT＋Costas跟蹤算法進行仿真，顯示了對信號的頻率變化率成分進行校正后跟蹤誤差變得更小且跟蹤精度更高。加入FFT變換后達到的跟蹤精度更高且跟蹤速度更快，0.2s的跟蹤情況顯示最后的跟蹤誤差在4Hz以內，如圖4（a）所示；而未加入FFT變換在0.25s的跟蹤情況顯示跟蹤誤差為40Hz左右，如圖4（b）所示。

圖4 鎖頻鎖相跟蹤誤差

5 結語

采用快速數字捕獲算法可以快速對接收信號的載波頻率和偽碼相位進行二維聯合捕獲，再通過基于FFT的Costas環載波相位跟蹤算法實現頻率精捕，并對載波相位進行穩態跟蹤，使本地載波頻率和相位與接收信號的頻率和相位實現精確同步。系統的實現采用基于ALTERA公司StratixⅡ系列中的FPGA硬件電路來完成，該電路具有占用的硬件資源少、功耗低、捕獲時間短和精度高等優點。

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