大頻偏條件下復(fù)擴頻碼的快速捕獲算法*

黃 堯,楊伏華,吳團鋒,李洪勝(.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京0007;.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇南京0007)

大頻偏條件下復(fù)擴頻碼的快速捕獲算法*

黃 堯1,楊伏華1,吳團鋒1,李洪勝2
(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007;2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇南京210007)

目前常見的捕獲算法在系統(tǒng)復(fù)雜度和捕獲速度之間有著難以調(diào)和的矛盾,針對這一矛盾,文中提出一種新的基于復(fù)碼的二維聯(lián)合捕獲算法。該算法根據(jù)復(fù)碼特性巧妙設(shè)計全匹配濾波,以節(jié)省捕獲時間和資源。同時,在相關(guān)后進行FFT運算,實現(xiàn)時域與頻域的結(jié)合,對碼相位和多普勒頻移進行二維信號搜索的判決。理論分析和硬件實現(xiàn)驗證了該方法能夠大幅度的減小捕獲時間,節(jié)約硬件資源,并且在大頻偏情況下仍然具有較好的捕獲性能,適于S頻段星間通信。

直接序列擴頻 復(fù)碼 碼同步 快速捕獲 FPGA

0 引 言

隨著信息時代的到來,通信電子戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位日益凸顯。作為通信電子戰(zhàn)勝負(fù)的決定性因素,通信系統(tǒng)的抗干擾能力日益受到關(guān)注。直接序列擴頻是應(yīng)用最廣泛的一種抗干擾技術(shù)。

擴頻碼的同步是擴頻通信中的關(guān)鍵技術(shù)。同步分為捕獲和跟蹤兩部分。本文僅研究捕獲部分。直擴系統(tǒng)的常見擴頻碼捕獲方法有:順序搜索法[1]、滑動相關(guān)法[2]、序列估計法[3]、基于復(fù)碼的捕獲算法[4]、多駐留式搜索法[5]、雙門限判決法[6]等。還有進行綜合改進后的多種捕獲算法,如基于部分匹配相關(guān)與FFT的偽碼捕獲算法[7]。但是,它們或者大多捕獲時間長,不適用于長周期擴頻碼(如文獻[1-2]),或者對噪聲和干擾很脆弱,不適于低信噪比環(huán)境(如文獻[3-4]),或者所需硬件復(fù)雜,不適用于星載環(huán)境(如文獻[5-7])。

如何兼顧捕獲速度和系統(tǒng)復(fù)雜度是捕獲的難點。平均捕獲時間是捕獲的主要技術(shù)指標(biāo)。同時,星載環(huán)境對儀器重量和體積有嚴(yán)格要求,資源分配是需要考慮的一個重大問題。在文獻[7]的基礎(chǔ)上,本文將部分匹配改為全匹配,并利用復(fù)碼特性巧妙設(shè)計全匹配濾波。在兼顧速度與復(fù)雜度的同時,本文提出的捕獲算法可以在碼捕獲過程中,同時對載波頻偏及碼偏進行估計,且適用于長周期擴頻碼的捕獲。最突出的優(yōu)點是對碼捕獲技術(shù)硬件實現(xiàn)進行了優(yōu)化。

1 復(fù)擴頻碼的設(shè)計

1.1 擴頻序列編碼

擴頻碼性能的好壞是擴頻通信的關(guān)鍵。在擴頻通信中,抗干擾、抗多徑、同步等都與所采用的擴頻碼性能密切相關(guān)。擴頻碼周期越長,擴頻增益越高,但捕獲時間和硬件消耗也越多。本文采用復(fù)碼作為擴頻碼字,依次對各個子碼進行捕獲。復(fù)碼法的捕獲時間等于所有子碼序列周期長度之和,可以使捕獲時間較順序搜索法成數(shù)量級的降低[7]。

復(fù)碼是由兩個或者多個周期較短的短碼(子碼)通過一定的邏輯函數(shù)構(gòu)成。若n個子碼的周期分別等于ρ1,ρ2…ρn,那么,當(dāng)(ρi,ρj)=1,i屹j時,由它們構(gòu)成的復(fù)碼周期為:

本文采用二級乘積的形式構(gòu)建復(fù)碼序列。其組成如圖1所示。

圖1 復(fù)碼序列構(gòu)架Fig.1 Block diagram of complex code

不一樣的反饋寄存器系數(shù)能得到不一樣的擴頻碼序列。圖2為隨機選取的長度為255的m序列和復(fù)碼序列的自相關(guān)特性比較。由圖可見,復(fù)碼頻譜中有許多離散譜線,擴頻效果沒有m序列好。由此可知,雖然使用復(fù)碼進行相關(guān)可以節(jié)約資源和時間,但是會增大虛捕和誤捕的概率。因此,需要對復(fù)碼序列進行優(yōu)選,并制定更完備的相關(guān)值搜索策略。

圖2 m序列與復(fù)碼序列自相關(guān)特性Fig.2 Autocorrelation feature ofm sequence and complex code

1.2 擴頻碼的優(yōu)選

為更好的實現(xiàn)擴頻碼的捕獲,本文設(shè)計了一種基于m序列、M序列的復(fù)擴頻碼,并根據(jù)相關(guān)特性進行了優(yōu)選。文中采用8階移位寄存器產(chǎn)生長度為255的m序列,7階移位寄存器產(chǎn)生長度為128的M序列,將m序列進行截短為長度為200的截短序列并與M序列模二和,產(chǎn)生長度為25 600的復(fù)碼序列。隨著m序列、M序列反饋寄存器系數(shù)以及截短位置的不同,產(chǎn)生不同的復(fù)碼序列。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)次峰值和連“0”連“1”最大長度,選定最終的可用復(fù)碼序列。最終選定的復(fù)碼序列自相關(guān)特性如圖3所示。

圖3 復(fù)碼序列自相關(guān)特性Fig.3 Autocorrelation feature of complex code

2 方案的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 整體捕獲方案的設(shè)計

直擴系統(tǒng)最常見的快速捕獲算法是采用匹配濾波器的相關(guān)捕獲。在大多普勒頻移的情況下,噪聲和干擾會導(dǎo)致峰值和旁瓣的改變,這種方法虛警或者漏捕的概率很高[8]。本文采用全匹配濾波與FFT相結(jié)合的方法,能更好的對抗多普勒頻移。

設(shè)復(fù)碼長度為N,子碼1和子碼2的長度分別為N1、N2,則N=N1×N2。同時,將子碼分為M段,每段長度為L1,即有N1=M×L1。接收信號表達式為:

若第一次相關(guān)對齊,則匹配輸出后的結(jié)果為:

y2為第二次相關(guān)時各碼片與第一次相關(guān)值相乘結(jié)果,若對齊,結(jié)果與式(4)相同。對其進行傅里葉變換:

本文采用的算法如圖4所示,基本過程為:接收信號經(jīng)過下變頻,進行匹配濾波后開始碼片的捕獲。信號與本地擴頻碼相關(guān),然后送入FFT,將FFT輸出取模后進行能量的累加,比較輸出符合門限檢測的FFT峰值及其位置,將碼相位和頻偏估計值反饋給下變頻模塊。

圖4 捕獲算法框Fig.4 Block diagram of acquisition algorithm

2.2 相關(guān)檢測器的設(shè)計

相關(guān)檢測器的設(shè)計是捕獲策略的關(guān)鍵。實現(xiàn)全匹配需要大量的硬件電路,尤其當(dāng)擴頻碼周期很長,對FPGA芯片的體積、功耗和價格等方面來說都是難以實現(xiàn)的。根據(jù)復(fù)碼特性,本文在相關(guān)部分將輸入信號與復(fù)碼的各個子碼相關(guān),同時在較長子碼中,采用分段匹配的思想。該方法可以有效節(jié)省捕獲時長和硬件資源。相關(guān)部分算法框圖見圖5。

圖5 相關(guān)部分算法框Fig.5 Block diagram of relevant algorithm

在第一次相關(guān)的過程中,用分段匹配的方法,在系統(tǒng)時鐘的允許下,以處理時間換取消耗的資源。第一次相關(guān)算法框圖見圖6。

圖6 第一次相關(guān)算法框Fig.6 Block diagram of the first relevant algorithm

2.3 相關(guān)值搜索的設(shè)計

擴頻碼的捕獲另一個關(guān)鍵點是搜索相關(guān)值的方法。在本地擴頻序列與接收信號滑動相關(guān)時,如果兩個碼相位一致,在忽略載波頻偏的影響時,應(yīng)出現(xiàn)自相關(guān)的最大值。但在實際工作過程中,載波頻偏會對自相關(guān)的峰值產(chǎn)生較大影響。當(dāng)頻偏較小時,全匹配輸出幅值會降低,進而減小捕獲概率,延長捕獲時間。當(dāng)頻偏較大時,尤其接近整數(shù)倍的信息速率時,全匹配輸出幅值會大大降低,甚至達到0,此時很難正確捕獲[9]。

考慮到載波頻偏的影響,本文通過FFT對相關(guān)值進行頻譜分析,FFT所得峰值體現(xiàn)相關(guān)值大小,峰值位置體現(xiàn)頻偏大小。如圖7所示,只需記錄下滿足一定能量關(guān)系的峰值大小和位置,就能夠在碼相位的捕獲的同時,得到載波頻偏的大小。這樣方法將時域的串行搜索與頻域的并行搜索相結(jié)合,速度快、準(zhǔn)確率高、節(jié)省資源,且可以快速糾正頻偏,適合于突發(fā)通信的快速實時捕獲要求。

圖7 多普勒頻移、碼相位與FFT關(guān)系示意Fig.7 Relationship of Doppler frequency shift,code phase and FFT

3 仿真分析與下載驗證

3.1 復(fù)雜度比較

文獻[3]提出一種串并結(jié)合的FFT相關(guān)捕獲方案,采用M個長度為L的部分匹配濾波,實現(xiàn)復(fù)雜性較大。文獻[4]在它的基礎(chǔ)上,提出一種新的部分匹配濾波與FFT結(jié)合的方案,采用相鄰K段長度為D的組合得到長度為L(L=K*D)的部分匹配濾波,減小了實現(xiàn)復(fù)雜性。本文在文獻[3]的基礎(chǔ)上,針對長擴頻碼的捕獲,提出了一種以多次相關(guān)、分段匹配實現(xiàn)全匹配濾波、以FFT輔助實現(xiàn)時域與頻域相結(jié)合的復(fù)碼捕獲算法。假設(shè)擴頻碼長度為N,由長度為N1、N2的兩個子碼模二和所得,子碼全相關(guān)一次,乘累加運算次數(shù)計1,本文實現(xiàn)方案與文獻[3-4]乘累加運算次數(shù)比較結(jié)果見表1,可見本文實現(xiàn)方案可以大大降低實現(xiàn)復(fù)雜性和硬件消耗。

表1 復(fù)雜度比較Table 1 Comparison of complexity

3.2 捕獲時長比較

對于長度為N=N1*N2的擴頻碼,fb為符號速率,實際實現(xiàn)捕獲方案時,采用n個符號的能量累積。由文獻[4]可知,其理論平均捕獲時間為:

而文獻[3]則為其1/k。相對于文獻[3-4]采用的部分匹配,本文采用的是全匹配,即采用全碼片長N個符號的能量累積。因此,全匹配相關(guān)捕獲時間會大于部分匹配相關(guān)。當(dāng)?shù)谝粋€碼片輸入時,剛好與初始地址碼對齊時,捕獲時間最短。當(dāng)?shù)贜個碼片輸入時,才與初始地址碼對齊,捕獲時間最長。本文實現(xiàn)方案與文獻[3-4]平均捕獲時間比較結(jié)果見表2。

表2 平均捕獲時間的比較Table 2 Comparison of the average capture time

3.3 FPGA實現(xiàn)

本文方案已經(jīng)過modelsim仿真和硬件下載驗證。處理平臺采用Xilinx公司Virtex-4 FPGA系列產(chǎn)品中的XC4VSX55,開發(fā)軟件選擇ISE10.1。系統(tǒng)時鐘50 MHz,調(diào)制方式PSK/DS-SS,信息速率100 b/s,擴頻速率5 MHz,多普勒頻率范圍≤±5 kHz,多普勒頻率速率≤±40 Hz,本文方案完成所有碼相位的單次相關(guān)計算約需0.08 s。

4 結(jié) 語

本文主要研究了如何在低信噪比、高動態(tài)大頻偏、硬件資源緊缺條件下實現(xiàn)長周期擴頻碼的快速捕獲,以及如何降低虛警概率、增大捕獲概率。通過理論分析與硬件驗證,采用文中提出的捕獲算法,與常規(guī)捕獲算法相比,提高了捕獲精度,節(jié)省了捕獲時間和硬件資源,對于S頻段星間通信具有一定實用價值。

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HUANG Yao(1990-),female,postgraduate,majoring in satellite communications;

楊伏華(1972—),男,副教授,主要研究方向為衛(wèi)星通信,擴頻通信;

YANG Fu-hua(1972-),male,associate professor,majoring in satellite communications and spread-spectrum communication;

吳團鋒(1977—),男,講師,主要研究方向為衛(wèi)星通信,擴頻通信;

WU Tuan-feng(1977-),male,lecturer,majoring in satellite communications and spread-spectrum communication;

李洪勝(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向為衛(wèi)星通信。

LIHong-sheng(1990-),male,postgraduate,majoring in satellite communications.

A Fast Acquisition Algorithm of Com p lex Code in Large Dopp ler Shift

HUANG Yao1,YANG Fu-hua1,WU Tuan-feng1,LIHong-sheng2
(1.College of Telecommunication Engineering,PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China;2.College of Electronical Engineering and Photoelectric Technology, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)

The contradiction between system complexity and acquisition speed commonly exists in current acquisition algorithms.In light of this,the paper proposes a novel two-dimentional joint acquisition algorithm based on complex code.According to the characteristics of complex code,fully matched correlation is designed to save acquisition time and resource.Meanwhile,the combination of time and frequency domain is achieved via FFT calculation,and two-dimentional signal search is judged by matching-code phase and Doppler frequency shift.Theoretical analysis and hardware implementation verify that thismethod could greatly reduce the acquisition time,save the hardware resource andmaintain good acquisition performance in low-SNR and Doppler frequency shift,thus is suitable for S-band inter-satellite communication system.

direct sequence spread spectrum;complex code;code cynchronization;acquisition;FPGA

date：2014-09-05;Revised date：2014-12-21

TN914

A

1002-0802(2015)02-0156-05

黃 堯(1990—),女,碩士研究生,主要研究方向為衛(wèi)星通信;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.008

2014-09-05;

2014-12-21