一種多徑條件下的捕獲算法

梁保衛，吳 丹，劉志軒

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

無人機上行數據鏈在解擴中通常采用滑動相關法，它是串行捕獲算法;位同步環路常采用延遲鎖定環。串行捕獲算法節省資源，延遲鎖定環工作穩定且跟蹤精度高;但是在實際飛行中，常會遇到無人機飛到某一區域后，出現數據鏈路誤碼率增大甚至失鎖的現象，這種現象嚴重影響了無人機數據鏈的通信可靠度［1，2］。文獻［1］認為造成這種現象的原因是多徑衰落，由于無人機是在通視條件下且低仰角飛行，直射徑和反射徑疊加造成信號的2徑衰落，且深衰落強度與飛機的飛行高度和距離及工作頻率有關。在多徑環境下延遲鎖定環的鑒相曲線會嚴重畸變，造成環路失鎖，且串行捕獲算法重新捕獲時間長;而基于數字匹配濾波器(DMF)結構的時間窗捕獲算法是并行捕獲算法，捕獲時間快;同時開環結構的時間窗定時同步能夠適應信號的快衰落，對多徑有一定的抵抗作用。

1 DMF結構的捕獲算法

1.1 DMF的結構

在無人機和航天測控系統中，由于擴頻增益較高，因此利用DMF［3－6］實現長碼的快捕受到了硬件條件的限制，難以達到要求。近幾年隨著大規模集成芯片的誕生，為利用DMF實現長碼的快捕提供了硬件支持，DMF具有FIR濾波器結構，I、Q兩路數據通過DMF結構濾波器的輸出如式(1)所示:

式中，N為PN碼的長度，I、Q兩路的DMF結構如圖1所示。若輸入I、Q兩路樣值序列的速率為Ns/chip，由于DMF僅對相互間隔一個chip的樣值序列進行相關運算，因此每個抽頭之間的時間延遲為一個碼片的時間寬度TC，延遲寄存器的數目為N。圖1中乘法器的參數取值為+1或－1，由本地PN碼確定。

圖1 DMF結構

1.2 DMF的參數選取

量化比特數是DMF設計中一個非常重要的參數，量化比特數越高，DMF的性能越好，但硬件代價也越大。在實際中量化比特數總是有限的，文獻［6］提出在1 bit量化DS/CDMA系統中，在一定的處理增益下采用與數據幀格式相結合的擴頻方式即能保證可靠的同步捕獲又能滿足一定的誤碼率要求;文獻［6］表明當量化比特數為6時，系統的誤碼率曲線幾乎與模擬相關時的曲線一致;當量化比特數為3時，系統損失＜2 dB。考慮到長碼擴頻需要的DMF長度較長，避免硬件資源太大采用3 bit量化方案。

取樣間隔是DMF設計中另一個非常重要的參數，取樣間隔越多，DMF的性能越好，但需要的DMF的長度越長，硬件代價也越大，特別是在高增益直擴系統中甚至難以實現，設計時必須根據系統要求折中處理。按照采樣定理要求，確保信號無失真的最小采樣倍數為2倍采樣，若每個碼元2倍取樣后送入DMF電路，DMF在每個PN碼周期內將會有2個相關峰輸出，使得相關峰變得模糊，導致同步電路性能變差。文獻［7］提出在2倍抽樣率時，通過在DMF前邊增加前端處理電路，可使系統誤碼率與10倍取樣間隔的效果一致，前端處理算法為:

前端處理算法等效于低通濾波器，使得在2倍采樣時2個相關峰變成一個更加尖銳的相關峰，利于環路的捕獲和時鐘同步。

1.3 時間窗時鐘同步提取算法

時間窗時鐘同步提取法基于匹配濾波器輸出信號提取同步，DMF輸出信號為偽碼的自相關函數值，將其I和Q路信號取絕對值再相加，則和信號為功率值，通過對自相關峰值捕獲后從而提取時鐘同步的起始相位，由于收發時鐘的差異及多普勒頻移的影響，必須對頻差進行修正，DMF每個數據比特輸出一個相關峰，只要提取出2個相關峰值時間間隔的變化，就能夠修正時鐘的變化。基于這個思路，提出如下的時間窗時鐘同步提取算法，如圖2所示。

圖2 時間窗同步提出流程

具體流程為:

①首先由搜索電路確定DMF輸出相關峰的初始位置，為降低漏檢概率可以連續搜索N圈;

②如果連續N圈的最大值位置不一致，則返回①，重新搜索;反之則認為搜索到了相關峰的初始位置，并將此位置記為零時刻，并距此一個數據比特間隔生成第一個時間窗，以期待能夠檢測到下一個相關峰;

③在每個周期的零時刻利用⑤返回的誤差修正最大值位置;

④在時間窗內找最大值并與噪聲門限比較，若小于噪聲門限，失鎖計數器加1，否則，失所技術器清零。若失鎖計數器大于設定值M則認為失鎖返回①;若失鎖計數器小于設定值則進入⑤;

⑤將時間窗中最大值時刻對應的DMF輸出樣值送往解調及譯碼電路，并計算時間窗中最大值時刻和時間窗中點的時間差，對誤差進行N次統計平均，然后把誤差返回給③，以零時刻為周期輸出同步時鐘。

圖2算法中第①步的搜索N圈是為了提高捕獲概率，降低漏檢概率，但是N值不能太大，太大會造成低信噪比下捕獲困難，N一般取3合適。第④步中的M次統計失鎖值是為了降低誤判概率，防止由于多徑或衰落造成捕獲電路誤判出鎖。當時鐘無偏差時，時間窗內的相關峰的最大值將出現時間窗的中點，時間窗之間的間隔固定為一個數據比特寬度T;若本地頻率大于發射頻率，即時鐘頻差增大，則第⑤步計算出的誤差為正值，其值為T－T’;在第③步時應使最大值位置向前調整，確保下一個相關峰不會跑出時間窗。時間窗寬度越小恢復出時鐘的性能越好。但抗時鐘頻偏能力及抗多徑能量降低，所以時間窗寬度的選取應考慮時鐘頻偏及多徑因素。

2 解擴解調器實現

采用基于DMF結構的時間窗捕獲算法的解擴解調器實現框圖如圖3所示。解擴解調器中，輸入中頻為140 MHz，PN 碼速率為16.384 Mbps，ADC 以5 倍PN碼速率對輸入中頻信號采樣，經過數字下變頻低通濾波后濾除鏡像頻率，得到5倍PN碼速率的基帶信號，經過2倍內插5倍抽取后，送給DMF兩倍采樣的信息，PN碼為1 023位m序列，DMF長度為2 046位，PN碼存放在寄存器中，DMF輸出數據經功率檢測、時間窗時鐘同步提取和差分解調后輸出。

3 抗多徑性能測試及結果分析

根據無人機飛行過程中2徑模型［8－11］的分析，飛行過程和起降階段的信道分別選擇萊斯因子為10 dB和6 dB的萊斯信道。用信道模擬器對該算法在不同信噪比條件下進行誤碼性能測試。經測試，該算法在萊斯信道中捕獲速度快且工作穩定，誤碼率曲線如圖4所示，從圖4可以看出該算法解調損失＜2 dB，而串行捕獲算法在此條件下頻繁失鎖，已不能正常工作。

圖4 萊斯信道誤碼率曲線

4 結束語

無人機在低仰角條件下飛行時，傳統的延遲鎖定環受多徑衰落影響容易失鎖，而串行捕獲的滑動相關法導致重新捕獲時間較長。利用基于數字匹配濾波器(DMF)結構的時間窗捕獲算法，結合開環結構的時間窗定時同步方法，可顯著增強無人機數據鏈在衰落信道下通信的可靠性，在無人機通信領域具有廣闊的應用前景。

［1］梁保衛，高紅濤.無人機飛行過程信號弱區的分析［J］.無線電工程，2006，36(7):36 －38.

［2］王 東，李志勇，白立鋒，等.地空信道特性研究［J］.無線電通信技術，2009，35(3):32 －35.

［3］LEE Sung-won.Low-power Hybrid Structure of Digital Matched Filters for Direct Sequence Spread Spectrum Systems［J］.Department of Electrical Engineering and Computer Science，2003:685 －688.

［4］項家偉，韋志棉，熊小軍，等.一種基于數字匹配濾波器的偽碼捕獲方法［J］.無線電工程，2011，41(11):28－30.

［5］劉會紅.并行數字匹配濾波器的設計［J］.無線電工程，2011，41(7):62 －64.

［6］胡捍英，鄔江興，樊昌信，等.1bit量化相關接收 DS/CDMA通信方式及性能［J］.西安電子科技大學學報，2002，29(4):439 －443.

［7］曾興雯，賀彥國，李 棟，等.DS_CDMA多比特量化相關接收性能分析［J］.西安電子科技大學學報，2002，29(4):439－443.

［8］高保生，朱良彬.無人機低空鏈路信道特性與寬帶數據傳輸［J］.系統工程與電子技術，2005(2):1－3.

［9］白 洋，梁 俊，張 強，等.基于二維擴頻技術的無人機控制鏈路抗衰落技術研究［J］.空間電子技術，2011(1):42－45.

［10］黃 振，楊士中.直擴系統數字匹配濾波器的設計仿真［J］.電訊技術，2002，27(12):8 －13.

［11］SHEN Ye-bing，WANG Yu-xi.Optimized FPGA Realization of Digital Matched Filter in Spread Spectrum Communication Systems［J］.Computer and Information Technology Workshop，2008:173－176.