低速非相干擴頻信號的快速同步方法研究

馮超英，鄧曉平，馬路娟

(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．河北師范大學 職業(yè)技術學院，河北 石家莊050043)

低速非相干擴頻信號的快速同步方法研究

馮超英1，鄧曉平1，馬路娟2

(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．河北師范大學 職業(yè)技術學院，河北 石家莊050043)

為了降低低速非相干擴頻信號的同步時間，提出了一種分階段的同步方法。該方法將整個同步過程分為偽碼搜索與捕獲、頻率細估計、偽碼跟蹤、定時和載波相位跟蹤幾個階段。其中前2個階段采取了并行處理方法，在降低處理時間的同時提高了可接收的信號動態(tài)范圍;后續(xù)各個階段的處理充分利用了前面處理已經(jīng)獲知的同步信息，進一步減少了信號的同步時間。仿真和FPGA實測結果表明，該同步方法可實現(xiàn)低速非相干擴頻信號的快速同步，與傳統(tǒng)同步方法相比，同步速度可提高一個數(shù)量級。

非相干擴頻;偽碼捕獲;頻率估計;定時同步

0 引言

由于具有抗干擾性、保密性和頻譜密度低等特點，直接序列擴頻(DSSS)技術在軍事通信和民用通信領域都得到了廣泛應用［1］。根據(jù)數(shù)據(jù)符號時鐘與偽碼時鐘是否同源，可將 DSSS信號分成相干DSSS和非相干DSSS。對于相干DSSS，偽碼速率是數(shù)據(jù)符號速率的整數(shù)倍，而非相干DSSS信號中，數(shù)據(jù)符號的跳變沿與偽碼相位不存在確定關系［2］。這種非相干特性使得擴頻信號的抗干擾性和保密性進一步提升，同時也使得信號的接收處理變得更為復雜。例如，偽碼相位的搜索會受隨機數(shù)據(jù)符號跳變的影響，并且即使偽碼相位捕獲成功，數(shù)據(jù)符號的起始位置仍然未知，還需進行符號定時處理［3］。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾、抗截獲能力，擴頻系統(tǒng)通常會采用大的擴頻比對低速數(shù)據(jù)符號進行擴頻處理［4］。低符號率下多普勒對接收性能影響將變得更為明顯［5］。文獻［6－8］論述了基于部分匹配濾波+FFT的處理方法，該方法可以有效地提高載波捕獲范圍，但其有效的估計頻率分辨率只能達到符號速率的一半，無法滿足后續(xù)跟蹤環(huán)路所需的小于1/10符號速率的頻偏要求。

在擴頻系統(tǒng)的設計中，捕獲和同步時間應盡可能小。本文針對前述設計約束，提出了一種分階段的同步方法。該方法在偽碼搜索與捕獲階段采用并行部分相關+FFT+非相干累積的處理方式，在有效縮短搜索捕獲時間的同時提高了可接收的載波頻偏范圍，并且初步估計出數(shù)據(jù)符號的起始位置;在頻率細估計階段采用并行相關+非線性處理+FFT+非相干累積的方式進行對殘余頻偏進行細估計;在偽碼跟蹤階段使用能量歸一化的延遲鎖定跟蹤環(huán)，并通過對非相干累積參數(shù)的設定，減小了定時偏差對碼環(huán)的影響;在定時和載波跟蹤階段，首先采用相關+非線性處理+FFT+非相干累積的方式對定時和頻偏進行前饋估計，使得定時和載波落入定時和載波環(huán)路的快速入鎖范圍，然后分別進行反饋形式的定時和載波跟蹤。

1 偽碼搜索與捕獲

只有當本地產生的偽碼序列速率和相位與接收的偽碼速率和相位相匹配，本地的載波頻率跟蹤上多普勒頻移時，I/Q兩路信號的幅值才能達到最大，所以偽碼的搜索與捕獲包括偽碼相位的初始同步和多普勒頻移的初始估計。在搜索過程中，設碼相位步進量為半個碼相位單元，多普勒頻移步進量為一個多普勒頻移單元，則半個碼相位單元和一個多普勒頻移單元就構成了二維搜索空間的一個搜索單元。當相關結果高于預設信號檢測門限時偽碼捕獲完成。對于長度較大的偽碼，搜索單元的數(shù)量將變得很大，如果采用串行搜索的處理方式，捕獲所需的時間將變得很長。常用的方法是匹配濾波器，其在一個偽碼周期內可以確定偽碼相位，但所需的硬件規(guī)模太大。

為了在有限的資源條件下提高捕獲速度同時擴大可處理的多普勒范圍，常用的偽碼捕獲方式是部分匹配濾波+FFT或并行部分相關+FFT，2種方式下的處理結果一致，但后者的靈活性更強，所以這里采用并行部分相關+FFT+非相干累積的處理方式，如圖1所示。

圖1 偽碼搜索與捕獲階段處理

由于符號邊沿位置未知，將上述處理過程從符號的不同位置進行重疊處理。然后從不同位置的處理結果中選擇最大值，以減小數(shù)據(jù)符號邊沿對處理結果的影響，如圖2所示。最后，根據(jù)這一最大值對應的存儲位置確定偽碼相位與頻偏。

圖2 重疊處理示意

FFT處理使得搜索的頻率范圍得到有效擴展。若采用了128點的FFT處理(64點有效數(shù)據(jù)+64點補零)，由于FFT輸入的數(shù)據(jù)采樣率為64倍的符號速率(積分清洗長度為 1/64符號長度)，所以 FFT輸出能夠表示的最大頻率范圍－32*fsym～32*fsym，分析精度為0．5* fsym。

假設偽碼周期為 2 047，符號速率 fsym為3 kbaud，相關處理的并行度設置為64，即每次同時搜索64個偽碼相位(記為1個偽碼分段)，總共需要搜索的偽碼相位是4 094，所以完成全部偽碼搜索需要執(zhí)行64個偽碼分段的搜索，各個分段的搜索在時間上串行執(zhí)行。該階段處理所需的時間縮短為傳統(tǒng)串行搜索的1/64，而所占用的處理資源約為全匹配濾波方式的1/64。在實際的設計中可以通過調整并行度，在滿足處理資源約束的情況下達到捕獲時間要求。

為提高捕獲靈敏度，采用了非相干累加的方法。要達到一定的虛警和檢測概率需要相干+非相干輸出的信噪比不小于17 dB，結合捕獲的載噪比指標可以得出所需的非相干累加次數(shù)。非相干累加的信噪比增益等于相同累加次數(shù)的相干累加信噪比增益減去非相干累加的損失。由于非相干累加損失的計算公式較為復雜，這里選取經(jīng)驗值0．7作為非相干累加與相關累積的增益比例，即非相干累加的信噪比增益為7* log10(nca_num)。所以，非相干累加次數(shù)nca_num的計算公式為:

式中，c/N0為載噪比。若捕獲門限要求的載噪比為45 dBHz，則根據(jù)上述計算可得所需的非相干累加次數(shù)約為10。

對該部分進行仿真。設定頻偏為 5 kHz，比特信噪比為6 dB，用于估計符號跳變沿的重疊次數(shù)為4，即符號跳變沿估計精度為1/4符號。數(shù)據(jù)接收的參考符號位置與信號中符號跳變沿相差0．4符號周期。仿真結果如圖3所示，從圖3可以看出，該方法可以正確地確定接收信號中的符號跳變沿。

圖3 仿真結果

2 頻率細估計

頻率細估計部分的目標是將頻率的不確定范圍縮小到符號速率的1/10之下，以便后續(xù)的環(huán)路可以快速入鎖。由于經(jīng)過偽碼搜索與捕獲階段，雖然可以確定偽碼相位的大致位置，但由于多普勒的存在，頻率細估計階段載波和碼多普勒仍然存在［9］。所以，頻率細估計階段仍需要在一定的碼相位范圍內進行搜索處理，這里采用并行相關+非線性處理(V＆V算法)+FFT+非相干累積的方式，其處理框圖如圖4所示。

圖4 頻率細估計階段處理

由偽碼搜索與捕獲階段可以得到符號邊沿的大概位置，頻率細估計部分根據(jù)這一信息確定相關累積處理(即積分清洗)的起點，積分時間為1個符號周期，然后對每一個積分清洗結果進行基于V＆V算法的非線性處理，即將積分清洗結果由直角坐標系轉換至極坐標系，對應的角度乘2，再轉換回直角坐標系［10］。非線性處理去除了調制數(shù)據(jù)的影響，但對應的頻率偏移量擴大了1倍。由于偽碼搜索與捕獲階段后信號的頻率不確定范圍限定在－fsym/4～+fsym/4，所以非線性處理后FFT需要估計的頻率范圍是－fsym/2～+fsym/2，而此處 FFT實際的估計范圍也是－fsym/2～+fsym/2。若 FFT規(guī)模為32(16點有效數(shù)據(jù)+16點補零值)，則最終的頻率估計精度為fsym/64。非相干累積次數(shù)與頻率粗估計部分一致。

3 偽碼跟蹤

通過前2個階段的處理，已經(jīng)獲知的同步信息有:偽碼相位(精度:1/2碼片)、載波多普勒(1/64符號速率)和定時位置(1/4符號周期)。這些同步信息確定后已經(jīng)可以進行偽碼相位的跟蹤。偽碼跟蹤環(huán)路采用常規(guī)的延遲鎖定環(huán)(DLL)，其中相位誤差鑒別器選用被超前加滯后包絡所歸一化的非相干超前減滯后包絡(從而去掉了幅度敏感性)，信號包絡的計算采用Robertson近似［11］。DLL鎖定檢測通過在DLL穩(wěn)定后不間斷地監(jiān)測對準支路與超前/滯后支路的能量比值進行判定。

由于信號中偽碼與數(shù)據(jù)符號非同源，用于生成超前/滯后包絡的處理的有關參數(shù)需要進行特殊設計。否則，鑒相輸出的起伏會影響環(huán)路的穩(wěn)定性。這對最差情況下(符號+1和－1交替)，不同的積分清洗起始位置、積分清洗長度及非相干累積次數(shù)對最終輸出包絡的起伏情況進行考察［12］，可以得出如下結論:

① 最差情況下，積分清洗長度為0．9符號時，非相干累加次數(shù)的增加可以提高最終包絡的平均能量;且多數(shù)情況下，不同積分起始對應的包絡都存在起伏，只在非相干累積次數(shù)為10(或10的整數(shù)倍)時，不同積分起始造成的包絡起伏最小。

② 最差情況下，非相干累加次數(shù)為10時，同樣只有積分清洗長度為0．9符號的情況下，不同積分起始造成的包絡起伏最小。

根據(jù)上述結論，為保證最差情況下輸出包絡起伏最小，積分清洗的長度選用0．9符號長度，非相干累積次數(shù)設置為10。

4 定時與載波同步

偽碼跟蹤階段后，偽碼相位已經(jīng)完全已知，可以將信號上的偽碼剝離，然后便可以按照非擴頻信號的同步方式進行后續(xù)的定時與載波同步處理。這里采用Gardner算法進行定時誤差估計，估計結果通過環(huán)路濾波后控制用于生成符號時鐘的DDS，進而控制積分清洗處理的起點［13－14］。

載波跟蹤環(huán)路采用COSTAS環(huán)，相位鑒別器采用面向判決的COSTAS，載波相位的跟蹤采用經(jīng)典的復數(shù)對相位解旋方案。

由于初始(定時/載波)偏移較大時，環(huán)路進入鎖定過程時間較長，這里在環(huán)路之前先采用相關+非線性處理+FFT+非相干累積的方式對定時和頻偏進行前饋估計，使得定時和載波同步信息的歸一化偏差進一步減小，使得定時和頻率落入定時和載波環(huán)路的快速入鎖范圍。其中定時前饋估計的思路與偽碼搜索與捕獲階段一致，載波估計的思路與頻率細估計階段一致。

5 結束語

針對低速非相干擴頻信號接收處理所面臨的同步時間及處理硬件資源等約束，本文提出一種分階段的同步處理方法，該方法在偽碼搜索與捕獲階段采用并行部分相關+FFT+非相干累積的處理方式，在有效地縮短搜索捕獲時間的同時，提高了可接收的載波頻偏范圍，并且初步估計出數(shù)據(jù)符號的起始位置;在頻率細搜索階段采用并行相關+非線性處理+FFT+非相干累積的方式進行對殘余頻偏進行細估計;在偽碼跟蹤階段使用能量歸一化的延遲鎖定跟蹤環(huán)，并通過對非相干累積參數(shù)的設定，減小了定時偏差對碼環(huán)的影響;在定時和載波跟蹤階段，首先采用相關+非線性處理+FFT+非相干累積的方式對定時和頻偏進行前饋估計，使得定時和頻率落入定時和載波環(huán)路的快速入鎖范圍，然后分別進行反饋形式的定時和載波跟蹤。在基于 Kintex7系列FPGA的硬件處理平臺上對該方法進行實現(xiàn)，硬件實測結果表明，針對本文給出的參數(shù)設置，系統(tǒng)可在1 s內實現(xiàn)信號的捕獲，在4 s內實現(xiàn)信號的同步，這一同步速度較以往的同步方法提高了一個數(shù)量級。

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Research on Fast Synchronization Methods of Low-symbol-rate Non-coherent DSSS Signals

FENG Chao-ying1，DENG Xiao-ping1，MA Lu-juan2

(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．College of Career Technology，Hebei Normal University，Shijiazhuang Hebei 050043，China)

A synchronization method with several stages is proposed to reduce synchronization time of low-symbol-rate noncoherent DSSS signals．The synchronization process consists of following stages:search and acquisition of PN code，carrier frequency fine estimation，PN code tracking，timing and carrier phase tracking．In this method，the first two stages adopt parallel processing，which reduces process time and expands the dynamic range of receive signals．And，the following stages fully use the synchronization information already obtained，which reduces the synchronization time further．Simulation results and FPGA measure results indicate that this synchronization method can realize fast synchronization of low-symbol-rate non-coherent DSSS signals，synchronization speed can be improved one order compared with the traditional synchronization methods．

non-coh-erent DSSS;acquisition of PN code;frequency estimation;timing synchronization

TN911

A

1003－3106(2017)02－0020－03

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．05

馮超英，鄧曉平，馬路娟．低速非相干擴頻信號的快速同步方法研究［J］．無線電工程，2017，47(2):20－22，27．

2016-11-08

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122105);河北省高等學校科學技術研究項目(QN2016108)。

馮超英男，(1965—)，高級工程師。主要研究方向:無人機測控系統(tǒng)。

鄧曉平男，(1985—)，工程師。主要研究方向:信道估計與均衡技術。