TDMA突發信號自適應門限檢測方法

梁中英，張少侃，廖世文（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州　510663）

TDMA突發信號自適應門限檢測方法

梁中英，張少侃，廖世文
（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663）

0　引言

時分多址（TDMA）接入方式是一種常用的衛星通信方式，屬于突發的傳送模式。在突發通信系統中，信號檢測的虛警率和漏檢率直接影響解調性能。文獻［1］中對比了固定門限和自適應門限檢測的優劣，由于接收信號電平是未知和時變的，采用固定門限檢測方法，在信號功率發生變化、信噪比較低以及干擾功率發生變化的情況下，都會降低檢測性能。這些情況要求采用自適應捕獲方法［2］。本文介紹的自適應門限檢測方法，不僅可以檢測信道是否到達，可以精確到幀頭起始位置。

1　自適應門限捕獲方法

突發信號的檢測方法有時域檢測法和頻域檢測法，其中時域檢測法包括短時能量法、短時自相關法、高階累積量法等；頻域檢測法包括幅度譜檢測法、循環譜相關法等［3］。由于本系統幀結構的設計包括前導序列，專門用于信號檢測，所以選擇時域檢測法，實現簡單。

選擇適當的前導序列，需要具有尖銳的自相關性［4］，對于具有前導的突發信號，通過已知前導序列與AD采樣的接收信號進行相關運算，就可以在出現前導的位置檢測到峰值，再減去檢測的處理時間，得到的就是這幀數據的起始位置。

在突發信號捕獲之前，需要對AD采樣的數據進行自動增益控制（AGC），這一環節至關重要，AGC調整的動態范圍對捕獲的性能有很大的影響。捕獲的處理流程如圖1所示。經過匹配濾波后的信號，相鄰符號進行共軛相乘，然后與已知的本地序列（同樣也是對前導共軛相乘后的結果）做相關運算，再經過門限計算和門限判斷，得到捕獲的結果。

圖1　自適應門限捕獲方法處理流程

（1）自動增益控制（AGC）對捕獲的影響

AGC是通過對AD采樣信號能量的檢測來控制信號輸入功率的大小，直到信號能量落入到設置的能量范圍內，采用閉環控制，如圖2所示。圖中AD為采樣中頻信號的AD芯片，FPGA對AD采樣信號進行短時能量計算，根據計算的結果調整控制DA的數據大小，從而調整模擬電壓的大小，達到控制中頻模塊輸出的信號幅度的目的［5］。

短時能量能量值與DA輸出的模擬電壓是相對應的，需要實際測試出信號不溢出并且不會太小以至于捕獲門限檢測不到的動態范圍，這樣才能準確地確定自適應捕獲門限的參數。換句話說，兩者是相輔相成的關系。AGC的動態范圍直接影響了捕獲門限的動態范圍。

圖2　AGC控制示意圖

系統中利用64個符號的前導序列進行捕獲，對于4M帶寬的信號，需要AGC需要在足夠短的時間內將接收信號調整到捕獲的動態范圍內。由于DA的每一次控制都需要時間，一旦AGC控制的速度不夠快，就會導致64個符號的前導序列中有一部分數據溢出或過小，在信噪比過低或頻偏過大的條件下，就會使捕獲的起始值偏移，一旦偏移過大，就會對解調性能造成影響。AGC調整效果圖如圖3所示。

圖3　AGC調整效果圖

為了解決AGC對捕獲的影響，在開銷允許的條件下，可以在前面加一段序列，專門用作AGC。這就需要平衡性能和開銷之間的關系。

（2）自適應門限計算及判決方法

信號經過預處理做完相關、合路后開始進行門限計算，設匹配濾波后的信號為R（x），首先對R（x）進行模平方運算，得到單點能量，通過滑動窗法計算窗內能量，每進入一個樣點，計算得到一段能量的累加值［6］，再乘以一個門限系數，得到自適應門限值Y（x）：

由于這個門限的計算需要N個樣點才出一個結果，所以需要將相關能量值時延N個clk再與門限比較，如圖4所示。

圖4　自適應門限計算流程圖

門限系數ρ是一個可調參數，根據不同的漏檢和虛警需求可仿真獲得。

門限的判決方法也是至關重要的，選取不適當，在信噪比低的情況下會造成虛警。本文根據實際系統中遇到的多種虛警的情況，總結出判決條件如下：

（1）判斷相關能量值是否超過門限值，一旦出現，則記錄該值，如果連續多個相關能量值超過門限，則記錄最大值；

（2）這時還不能根據這個值來判定這段數據的起始，從這一時刻開始，繼續搜鎖一幀的長度，如果又出現（1）的情況，比較當前時刻最大值和前一時刻最大值，判定兩者中大的一個為數據的起始依據，直到這一幀長度搜索完畢。

在處理過程中，需要將輸入數據緩存，檢測到最大峰值后，需要減去處理時間，即可得到幀頭的起始位置，為了保證處理的實時性，一旦檢測到幀頭就假定捕獲到了，開始后續處理，當在處理的過程中，如果出現（2）中描述的情況，認定前一個值為虛警，則將其他模塊復位，認定幀頭為當前時刻，繼續后續處理，以此類推，直到一幀結束。經過仿真和實測，增加第（2）個條件后，可以適當的降低門限系數，在大大降低了虛警率的同時，又降低了漏檢率。

2　MATLAB仿真結果分析

對信號加噪后的仿真結果進行分析，信噪比越低，虛警率和漏檢率越高，這時需要對門限系數進行詳細的測試和調整來達到一個均衡狀態。本系統根據實際衛星通信鏈路的需求，調整好門限系數值，仿真結果如圖5所示。從圖中可以看出，Eb/N0值越小，噪聲對信號的能量計算影響越大，在幀頭處出現的峰值越小。這種情況是固定門限就會很容易出現漏檢。

圖5　不同信噪比下捕獲效果仿真圖

當Eb/N0值大的時候容易出現虛警，會有多個超過門限的能量峰值出現，如圖6所示。但是如前面章節所述的門限條件判斷，在這種情況下，會和前面超過門限的能量峰值做比較，比前面峰值小的位置，都認為不是幀頭，所以大大降低了虛警率。

圖6　不同信噪比下捕獲效果仿真圖

漏檢概率和虛警概率曲線圖如圖7所示，在Eb/ N0=2dB的時候，沒有漏檢且虛警為零，可以滿足系統的設計需求。

圖7　漏檢概率和虛警概率仿真圖

3　FPGA硬件實現驗證

系統AD采樣速率為符號率的8倍，即1個符號8個樣點，經過根升余弦匹配濾波后，通過時延，將信號分成8路并進行8倍抽取，分別對這8路信號進行處理，這時每路信號是以符號為單位的。

對每路信號進行相鄰符號共軛相乘，接著與已知的前導序列進行相關運算。之所以分為8路進行處理，是因為這樣就轉化為對符號進行操作，那么此時的相關只需要做加法，即不需要進行乘法運算，在FPGA實現的時候，就可以節省大量的乘法器資源，然后對8路相關結果進行延時合路，進入到門限計算的環節。

按照自適應門限的計算方法計算門限，并根據實測中遇到的各種情況綜合考慮后的門限判決條件進行判決，得到突發信號的起始數據位置，完成捕獲的操作。

4　結語

本文結合實際工程需求，介紹了突發信號檢測的原理和改進的自適應檢測方法，進行了MATLAB仿真并對仿真結果進行分析，一定范圍內的頻偏和相偏對算法的影響較小，且兩個門限的限制大大降低了虛警率和漏檢率。最終利用FPGA較少的資源，對本算法進行了工程實現，驗證了此種方法的可實現性。

圖8　FPGA硬件實現框圖

［1］劉乃安，曾興雯，郭峰等.高速突發通信中的自適應門限技術及其性能［J］.電子學報，1998，26（1）：111-114.

［2］吳玉成，陳寧，高珊.突發通信中的自適應門限信號檢測方法［J］.電子與信息學報，2007，29（12）：2896-2898.

［3］吳曉東，路友榮，黃淵靈等.TDMA突發信號的檢測［J］.電信技術研究，2005，2：28-33.

［4］張波，郭英，霍文俊等.一種快速的PN碼同步捕獲方法［J］.電子設計工程，2011，19（3）：7-9

［5］劉艷.基于FPGA的大動態范圍數字AGC的實現［J］.電子設計工程，2009，17（8）：42-44.

［6］吳玉成，陳婷婷.在滑動窗口中判決的自適應門限檢測方法［J］.系統仿真學報，2008，10（20）：2770-2773.

Burst Signal；Adaptive Threshold；FPGA

Adaptive Threshold Acquisition Method for TDMA Burst Signals

LIANG Zhong-ying，ZHANG Shao-kan，LIAO Shi-wen
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）23-0020-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.004

梁中英（1985-），女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，工程師，從事領域為衛星通信數字信號處理領域工作

張少侃（1988-），男，陜西西安人，碩士研究生，助理工程師，從事領域為衛星通信數字信號處理領域工作

廖世文（1985-），男，廣西柳州人，碩士研究生，工程師，從事領域為衛星通信數字信號處理領域工作

2015-06-26

2015-07-31

基于提高TDMA突發信號檢測性能的目的，對現有的自適應檢測方法進行改進，優化相關器且改善門限判決方式，在簡化算法的同時降低檢測的虛警率和漏檢率，給出MATLAB仿真結果。利用Altera公司的CycloneIII系列FPGA對該設計方法進行實現，通過系統測試驗證此設計方法的可行。

突發信號；自適應門限；FPGA

發改辦高技［2012］2083號

For the purpose of improving TDMA burst signal detection performance，according to existing adaptive detection method，optimizes the correlator and threshold decision method，reduces the false alarm probability and false dismissal probability，and simplifies the algorithm at the same time，shows the result of MATLAB simulation.Realizes the design by CycloneIII FPGA of Altera corporation，and the system experiments illustrate the effectiveness of this design.