高動(dòng)態(tài)短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲

賈　鵬，吳團(tuán)鋒，胡卓宇,，徐　衛(wèi)，譚　哲

(1.國(guó)家移動(dòng)衛(wèi)星通信工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210002;2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007;

3.空軍通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，北京 100843)

Foundation Item:National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA01A500)

摘　要：針對(duì)低信噪比和大多普勒頻移環(huán)境下,短幀突發(fā)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)要求在短時(shí)間內(nèi)以很低虛警和漏警概率捕獲信號(hào)這一難題，設(shè)計(jì)了僅使用獨(dú)特碼的短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，在接收端將擴(kuò)頻碼與獨(dú)特碼作為一個(gè)復(fù)合擴(kuò)頻碼看待，提出了基于FFT的高動(dòng)態(tài)突發(fā)信號(hào)捕獲方法，可同時(shí)快速完成突發(fā)信號(hào)檢測(cè)、擴(kuò)頻碼捕獲、頻偏估計(jì)、幀同步檢測(cè)和位定時(shí)捕獲等任務(wù)。仿真結(jié)果表明：該算法能有效消除多普勒頻移對(duì)短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)捕獲性能的影響。

關(guān)鍵詞：高動(dòng)態(tài)；短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)；FFT

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.006

高動(dòng)態(tài)短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)的快速捕獲

賈鵬1，吳團(tuán)鋒2，胡卓宇1,2，徐衛(wèi)3，譚哲1

(1.國(guó)家移動(dòng)衛(wèi)星通信工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210002;2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007;

3.空軍通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，北京 100843)

Foundation Item:National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA01A500)

摘要：針對(duì)低信噪比和大多普勒頻移環(huán)境下,短幀突發(fā)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)要求在短時(shí)間內(nèi)以很低虛警和漏警概率捕獲信號(hào)這一難題，設(shè)計(jì)了僅使用獨(dú)特碼的短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，在接收端將擴(kuò)頻碼與獨(dú)特碼作為一個(gè)復(fù)合擴(kuò)頻碼看待，提出了基于FFT的高動(dòng)態(tài)突發(fā)信號(hào)捕獲方法，可同時(shí)快速完成突發(fā)信號(hào)檢測(cè)、擴(kuò)頻碼捕獲、頻偏估計(jì)、幀同步檢測(cè)和位定時(shí)捕獲等任務(wù)。仿真結(jié)果表明：該算法能有效消除多普勒頻移對(duì)短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)捕獲性能的影響。

關(guān)鍵詞：高動(dòng)態(tài)；短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)；FFT

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.006

收稿日期：2015-01-02；修回日期：2015-04-18Received date:2015-01-02；Revised date：2015-04-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家863項(xiàng)目(No. 2012AA01A500)

中圖分類號(hào)：TN911.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：1002-0802(2015)06-0657-05

Abstract：The short term burst spread spectrum signal acquisition with very low false alarm and miss probability in a limited period of time is difficult under low SNR and high dynamic environment. The frame structure containing only unique code of short term burst spread spectrum signal is proposed and designed. The pseudo code and unique word is treated as a compound code by receiver. The burst signal reception method to deal with high dynamic signals based on FFT is provided. The algorithm is capable of completing burst signal detection, PN code acquisition, frequency offset estimation, frame synchronization,bit-timing acquisition and other tasks quickly. Simulation results indicate that the proposed algorithm can eliminate the influence of frequency offset effectively.

作者簡(jiǎn)介：

Fast Acquisition of High Dynamic and Short-Term

Burst Spread Spectrum Signal

JIA Peng1，WU Tuan-feng2，HU Zhuo-yu1,2，XU Wei3，TAN Zhe1

(1.National Mobile Satellite Communication Engineering Technology Research Center, Nanjing Jiangsu 210002,China

2.Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China；

3.Communication Network and Technology Management Center of Air Force,Beijing 100843,China)

Key words：highly dynamic; short term burst spread spectrum signal; FFT

0引言

軍事通信有兩個(gè)基本的要求：強(qiáng)抗干擾能力和通信的隱蔽性，這正是直接序列擴(kuò)頻的特點(diǎn)，因而，DS-CDMA體制特別適合軍事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]。由于作戰(zhàn)需求，要求數(shù)據(jù)傳輸終端的鏈路建立時(shí)間盡可能的短，此時(shí)信息的傳輸又多為短時(shí)突發(fā)模式，因此如何在低信噪比和大多普勒頻移環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速捕獲及解調(diào)，減少通信鏈路建立時(shí)間是衛(wèi)星通信實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻碼的快速捕獲，是實(shí)現(xiàn)快速捕獲信號(hào)的前提。低信噪比和大多普勒頻移條件下，擴(kuò)頻信號(hào)捕獲相對(duì)較難，平均捕獲時(shí)間大幅增加。

1短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

突發(fā)傳輸?shù)碾y點(diǎn)在于信號(hào)捕獲、相干載波和位定時(shí)等參數(shù)估計(jì)上，尤其對(duì)于短時(shí)突發(fā)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)而言，擴(kuò)頻碼同步和上述參數(shù)估計(jì)混合在一起，使得問題變得更為復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)快速同步和信道參數(shù)估計(jì)，常常在數(shù)據(jù)包前插入特定圖案的前導(dǎo)序列，突發(fā)解調(diào)器利用前導(dǎo)序列實(shí)現(xiàn)快速同步捕獲以及載波相位和位定時(shí)信息的估計(jì)。

前導(dǎo)同步技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)估計(jì)過程簡(jiǎn)單，性能好，同步速度快，信噪比門限低。常用的前導(dǎo)序列一般分為兩部分：輔助捕獲字段和獨(dú)特碼。輔助捕獲字段由前導(dǎo)序列的前半部分構(gòu)成，固定為全“1”或全“0”，有如下好處：根據(jù)擴(kuò)頻碼自相關(guān)性可知，調(diào)制數(shù)據(jù)是全“1”或全“0”最有利于擴(kuò)頻碼的解擴(kuò)；在已知數(shù)據(jù)是全“1”或全“0”的情況下，能直接進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。前導(dǎo)序列的后一部分用于數(shù)據(jù)檢測(cè)，確定幀起始位置，稱為獨(dú)特碼。

突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲算法主要有：基于差分檢測(cè)的擴(kuò)頻信號(hào)捕獲方案[6]，在輔助捕獲字段為全“1”時(shí)可以獲得很好的捕獲性能。基于載波信號(hào)功率譜特性的快速捕獲算法[7]，通過計(jì)算解擴(kuò)信號(hào)功率譜最大值與次大值的比值，并將該比值與判決門限進(jìn)行比較，從而判斷捕獲成功與否。針對(duì)短幀突發(fā)模式下直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)要求在有限時(shí)間內(nèi)以低虛警和漏警概率捕獲擴(kuò)頻碼相位這一難題，文獻(xiàn)[8-9]提出了一種基于數(shù)字匹配濾波器(DMF)的多碼元非相干累加單次駐留檢測(cè)的擴(kuò)頻碼快速捕獲算法。它在傳統(tǒng)單次駐留算法的基礎(chǔ)上，用多碼元累加來提高碼相位判決量的信噪比，從而大大降低了低輸入信噪比和低恒虛警約束下的平均捕獲時(shí)間。文獻(xiàn)[10]采用中頻累積和視頻累積相結(jié)合、等待式偽碼級(jí)聯(lián)相關(guān)計(jì)算的技術(shù)，較好地解決了短時(shí)突發(fā)偽隨機(jī)碼的快速捕獲問題。文獻(xiàn)[11]提出采用基于頻域的并行捕獲方法，并且采用變頻率范圍、變頻率步進(jìn)和變積分時(shí)間的搜索策略，使系統(tǒng)既能在大頻偏條件下工作，又能在低信噪比條件下工作。文獻(xiàn)[12]以快速捕獲為目標(biāo)，提出了分段匹配濾波相關(guān)法、最大選擇檢測(cè)法和多通道頻率并行搜索加FFT校頻技術(shù)的碼捕獲新方法，仿真結(jié)果表明該方法可以容忍更大的頻率動(dòng)態(tài)范圍, 在較低信噪比下快速完成碼捕獲。文獻(xiàn)[7-9]所給出的算法沒有使用突發(fā)幀的前導(dǎo)序列，文獻(xiàn)[10-12]給出的算法使用的是突發(fā)幀中前導(dǎo)序列的全“1”或全“0”部分。

上述算法并沒有考慮獨(dú)特碼的應(yīng)用，將突發(fā)信號(hào)檢測(cè)、擴(kuò)頻碼同步與幀同步割裂了開來，這使得同步過程需要的前導(dǎo)序列變長(zhǎng)，降低了傳輸效率。為了提高傳輸效率，本文考慮前導(dǎo)序列僅使用獨(dú)特碼，而不使用全“1”或全“0”序列，此時(shí)突發(fā)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。相應(yīng)地，文獻(xiàn)[6-12]給出的算法不再適用，需要研究新的算法，在突發(fā)信號(hào)檢測(cè)的同時(shí)，完成擴(kuò)頻碼捕獲、頻偏估計(jì)、幀同步檢測(cè)和位定時(shí)捕獲等任務(wù)。

圖1短時(shí)突發(fā)信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

2短時(shí)突發(fā)信號(hào)的捕獲

在接收端，經(jīng)chip匹配濾波后的擴(kuò)頻基帶接收信號(hào)為：

(1)

在這里，我們將擴(kuò)頻碼捕獲與獨(dú)特碼捕獲同時(shí)考慮，將M個(gè)獨(dú)特碼{x0,x1,…,xM-1}對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻后信息序列作為一個(gè)復(fù)合擴(kuò)頻碼看待，記為XC={Cx0,Cx1,…,CxM-1}，C是用戶擴(kuò)頻碼，其長(zhǎng)度為N。此時(shí)，我們將擴(kuò)頻碼與獨(dú)特碼的二維捕獲轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)合擴(kuò)頻碼的一維捕獲，即等效于復(fù)合擴(kuò)頻碼的幀同步。

每個(gè)chip選取一個(gè)樣本，此時(shí)令觀測(cè)窗口的長(zhǎng)度為MN，則采樣序列r={r0,r1,…,rMN-1}的條件概率密度函數(shù)為：

p(r|k,Δf,φ0)=

式中，Tc是chip周期，是采樣周期Ts的整數(shù)倍。基于ML準(zhǔn)則的聯(lián)合幀同步檢測(cè)和頻偏估計(jì)，就是確定k和Δf，使得上式的值最大。p(r|k,Δf,φ0)關(guān)于參數(shù)k和Δf的最大化等價(jià)于下列似然函數(shù)的最大化，即

Λ(k,Δf,φ′0)

(2)

(3)

將式(3)帶入式(2)可得：

(4)

注意到式(4)中rl+kxC(l)項(xiàng)可看作去調(diào)制操作，可得到去調(diào)制輸出序列X={X0,X1,…,XMN-1}。當(dāng)復(fù)合擴(kuò)頻碼同步時(shí)，輸出序列X是一個(gè)包含噪聲的頻率未知的正弦信號(hào)；而當(dāng)復(fù)合擴(kuò)頻碼不同步時(shí)，輸出序列是包含噪聲的調(diào)制信號(hào)。此時(shí)，可以采用FFT進(jìn)行未知頻率的正弦信號(hào)檢測(cè)，等效于完成突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)檢測(cè)。

Λ(k,Δf)=max(W)

(5)

W是部分匹配輸出序列的FFT變換輸出，選取幅度最高的譜線max(W)與門限值Th相比進(jìn)行幀同步判決，即

式中，H1表示捕獲事件發(fā)生，H0表示捕獲事件未發(fā)生，Th為檢測(cè)門限。可以采用自適應(yīng)門限技術(shù)改變門限大小來提高檢測(cè)性能，基于噪聲能量的信號(hào)檢測(cè)方式關(guān)鍵是要估計(jì)出噪聲的功率，并據(jù)此自適應(yīng)設(shè)置判決門限。對(duì)于突發(fā)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)尚未到達(dá)時(shí)，F(xiàn)FT輸出均為噪聲。實(shí)際中，噪聲功率往往是隨時(shí)間緩慢變化的，因此，我們可以采用滑動(dòng)平均的方法來提高估計(jì)性能。此時(shí)完成了復(fù)合擴(kuò)頻碼的捕獲(即擴(kuò)頻碼捕獲和幀同步檢測(cè))任務(wù)。

復(fù)合擴(kuò)頻碼的捕獲完成后，啟動(dòng)位定時(shí)捕獲，具體做法是將判決變量max(W)送至一個(gè)3狀態(tài)的移位寄存器{D1,D2,D3}，當(dāng)信號(hào)捕獲后，根據(jù)移位寄存器{D1,D2,D3}的狀態(tài)進(jìn)行位定時(shí)捕獲。如果D2>D1且D2>D3，則表示位定時(shí)捕獲完成，此時(shí)最佳采樣點(diǎn)為D2所對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻。

3計(jì)算機(jī)仿真

在不同多普勒頻移的情況下，仿真了短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)捕獲算法的檢測(cè)概率。仿真時(shí)擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度選為1 024，獨(dú)特碼長(zhǎng)度為64。FFT檢測(cè)時(shí)的門限值Th自適應(yīng)設(shè)置，保證虛警概率為10-4。圖2給出了不同部分相關(guān)長(zhǎng)度時(shí)FFT擴(kuò)頻碼捕獲算法歸一化判決變量，可見其容許的頻偏范圍隨著部分相關(guān)長(zhǎng)度的增加而減小，其中以信息比特周期Tb歸一化多普勒頻移。仿真時(shí)部分相關(guān)長(zhǎng)度L=8，此時(shí)FFT點(diǎn)數(shù)為1024×64/8=8192，但是現(xiàn)在FPGA器件資源很大，且開發(fā)環(huán)境提供FFT內(nèi)核，硬件實(shí)現(xiàn)難度不大。

圖3給出了不同頻偏時(shí)短時(shí)突發(fā)信號(hào)捕獲算法檢測(cè)概率，圖4給出了不同頻偏時(shí)位定時(shí)捕獲的均方差，圖5給出了不同頻偏時(shí)頻偏估計(jì)的均方差，仿真結(jié)果表明提出的算法可以獲得很好的檢測(cè)概率及很好的位定時(shí)和頻偏估計(jì)性能。

圖2　不同部分相關(guān)長(zhǎng)度時(shí)的歸一化判決變量

圖3不同頻偏時(shí)捕獲算法檢測(cè)概率

圖4　不同頻偏時(shí)位定時(shí)捕獲的均方差

圖5　不同頻偏時(shí)頻偏估計(jì)的均方差

4結(jié)語(yǔ)

為了提高傳輸效率，本文提出短時(shí)突發(fā)擴(kuò)頻信號(hào)前導(dǎo)序列僅使用獨(dú)特碼，而不使用全“1”或全“0”序列，此時(shí)已有文獻(xiàn)給出的算法不再適用，需要研究新的算法。我們將擴(kuò)頻碼與獨(dú)特碼的二維捕獲轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)合擴(kuò)頻碼的一維捕獲，并提出了基于FFT的突發(fā)信號(hào)捕獲方法，可同時(shí)快速完成突發(fā)信號(hào)檢測(cè)、擴(kuò)頻碼捕獲、頻偏估計(jì)、幀同步檢測(cè)和位定時(shí)捕獲等任務(wù)。

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賈鵬(1973—)，男，博士，高工，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

吳團(tuán)鋒(1977—)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信與移動(dòng)通信；

胡卓宇(1980—)，女，碩士，高工，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

徐衛(wèi)(1967—)，女，高工，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

譚哲(1980—)，男，碩士，高工，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。