跳擴結合通信系統接收同步算法設計

洪 偉，孫 斌，胡萬坤,許 菁

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

擴展頻譜在現代電子信息技術領域應用日益廣泛。目前，軍事領域通信、數據鏈面臨的危險越來越多。將擴頻技術應用在軍事領域如通信上可以提高通信設備抗干擾性能，減小被干擾和截獲、摧毀的概率，提高通信設備的生存能力。

擴展頻譜通信系統(簡稱擴頻通信系統)是指待傳輸信息的頻譜用某個特性的擴展函數擴展后成為寬帶信號，送入信道中傳輸，再利用相應手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統。[1]擴展函數常選用具有良好自相關性的偽隨機編碼序列。當接收信號與本地偽碼序列的碼相位完全相同時得到最大相關峰值；而當二者碼相位差超過一個碼片時相關能量近似于噪聲能量，因此擴頻系統比常規通信系統具有強抗干擾能力。擴頻系統按其工作方式可以分為直接序列擴頻系統(DS-SS)、跳頻擴頻系統(FH-SS)、跳時擴頻系統(TH-SS)及混合式(FH/DS，DS/TH，FH/TH)。其中，直接序列擴頻和跳頻擴頻系統被廣泛應用于現代軍事通信領域[2]，以提高通信鏈路的抗干擾、抗截獲和抗偵破能力。直接擴頻系統將信息信號與高速率的偽碼序列相乘后直接擴展了基帶信號頻譜。隨著偽碼長度的增加，直接擴頻系統具有對數增益、有效提高通信鏈路[3]的接收靈敏度和抗多路徑干擾的能力。在現代軍事通信領域中也常將采用FH/DS混合式擴頻系統來提高數據鏈路的綜合抗干擾能力。

1 擴頻系統同步技術

電磁波在空間傳輸時存在時延效應，距離發射機越遠時延越大。同時，由于目標和發射機間存在相對運動時還會存在多普勒效應。電磁波信號在無線電信號被接收時需進行載波和定時同步。在跳擴和直擴通信系統中，定時同步分別體現為跳頻圖案和偽碼相位同步。而載波同步主要是指本地載波與接收信號載波間的頻差估計和補償。本章將分別介紹直擴和跳擴系統中常用的同步技術及原理。

1.1 跳頻圖案同步

按信息速率和跳頻速率互相對比進行劃分，跳頻擴頻系統可以區分成慢跳頻(SFH)[3]與快跳頻(FFH)。如果信息調制器輸出符號速率低于跳頻速率，則一個信息符號需占據多個跳頻時隙，那么在這種情況下的跳頻圖案同步稱之為快跳頻；如果信息調制器輸出符號速率高于跳頻速率，則一個跳頻時隙里可傳輸多個信息符號，那么在這種情況下的跳頻圖案同步稱之為慢跳頻。跳頻圖案同步是指接收與發送雙方的跳頻頻率和時間的跟蹤與捕捉，所以時間和跳頻頻率上對接收和發送雙方進行嚴格的同步是非常必要的。跳速越快，跳頻圖案所對應的偽碼周期越長，跳頻圖案同步的難度越大。

由于相關峰能量隨載波多普勒頻偏增大成衰減趨勢，擴頻接收機需要在解調前進行載波同步。與偽碼相位同步的處理方法類似，載波同步也可分為捕獲和跟蹤兩個環節。在直接擴頻系統中，頻偏捕獲通常與偽碼相位捕獲同步進行。當采用滑動相關法時，可在載波頻率和相位上進行二維搜索，即載波和相位均為串行搜索。載波搜索的步進量由一個多普勒頻率單元構成，碼相位搜索步進量由一個碼相位單元構成，則一個二維信號搜索單元則由一個多普勒頻移單元與一個碼單元共同構成。接收機的本地碼發生器調整碼相位多普勒頻移，某一搜索單元被其所產生的信號對準，如果信號被捕獲成功則搜索停止并切換到跟蹤環路，如果搜索失敗則碼相位自動步進一個單元，直到完成整個碼域的搜索。

1.2 偽碼相位同步

直接擴頻系統的偽碼相位同步包括偽碼捕獲和偽碼跟蹤兩方面內容。首先，由于電磁波空間傳輸存在時延，接收機無法預知接收信號的偽碼相位，因此需要通過調整本地偽碼序列的相位，使其間的相位差足夠小，此過程即為偽碼捕獲。其次，由于頻率多普勒效應反映在時域上為碼元間隔的壓縮或展寬現象，需要在捕獲后對偽碼相位進行實時補償，此過程即為偽碼跟蹤。利用偽碼序列良好的自相關特性，偽碼相位同步的本質是對接收信號的匹配濾波處理。因此，偽碼周期越長，碼速率越高(對應碼片持續時間越小)，偽碼相位同步的系統開銷越大，實現難度也越大。

成熟的偽碼捕獲方法包括匹配濾波法[4]和滑動相關法[5-6]?；瑒酉嚓P算法是指在同步搜索過程中讓本地碼序列發生器以不同于接收信號偽碼的速率進行工作，那么這就相當于兩個碼互相滑動。如果發射機碼速率比接收機碼速率小，也就是接收機碼速率比發射機碼速率大，則接收機碼滑動超前，反之則為滯后。如果兩個碼序列完全重合時，則停止滑動，完成捕獲，轉正常碼速率的同時進入到跟蹤狀態。由于滑動相關算法屬于對偽碼相位的串行搜索，捕獲時間長，不適于突發通信特點，因此在戰術數據鏈路中普遍采用匹配濾波算法進行偽碼捕獲。從實現形式上劃分，匹配濾波算法又可分為時域匹配濾波和頻域匹配濾波算法。時域匹配濾波法框圖如圖1所示，其捕獲思想是把接收機接收到的信號進行相關濾波處理，并以本地偽碼序列為參照對象作為數字 FIR 濾波器的抽頭系數。根據濾波后的輸出結果，判斷其是否通過預先設定的門限值。如果濾波后的輸出結果超過了預先設定的門限值，則表示此刻本地與接收到的擴頻序列碼相位同步。如果沒有超出預先設定的門限值，則表示此刻本地與接收到的擴頻序列碼相位不同步。

圖1 時域匹配濾波器捕獲方法原理示意圖

時域匹配濾波器捕獲技術有很多優點，最重要的一點也是應用最廣泛的一點是具有能大幅縮短捕獲時間。它搜索每個相位的時間節點僅為1/N個數據碼元。在數據碼元捕獲的過程中，本地的偽隨機序列與接收機收到的碼元序列同時進行作相關處理運算。任意時刻所產出的相關處理運算結果都會拿來與一個預先設定好的門限值進行比較，如果得出的結果超出了預先設定的門限值，則表明此刻本地與接收的序列的相位同步。但是，時域匹配濾波法的硬件實現復雜，不適于低信噪比和碼周期較長的場合。

2 FFH/DS擴頻系統同步方案

2.1 FFH/DS擴頻同步設計方案

工程中常用的跳頻圖案同步方法有以下幾種：獨立信道法、自同步法和同步字頭法[7]。由于前兩種方法或需要獨立信道，或攜帶的同步信息量有限，均不適用于復雜電磁環境下快速突發通信特點，因此戰術數據鏈常采用同步字頭法。帶生成跳頻序列的同步字被發射機置于跳頻信號的最前端，或離散插入這種同步字。根據同步字的特點，同步信息被接收機解調出來，達到跳頻同步的目的。同時，為了提高跳頻圖案的抗截獲能力，通常收發雙方會約定跳頻圖案與系統時間的對應關系。這樣發射機只需在前置信息內攜帶時間信息即可。常采用的時間信息描述方法是TOD(Time of Day)[8]格式信息。TOD是由高精度時鐘提供的時間變量，收發端的TOD使跳頻圖案同步的關鍵是保持信息的一致性。TOD為64bit，由TODH、TODM和TODL這3個部分組成。以跳頻系統1 000跳/s來舉例說明。TODL每跳1 ms計一次數，TODL每300 ms向TODM進一次位，TODM向TODH進位的時間為1 min。因此,計算下來,TODL需9 bit，TODM需8 bit，TODH為剩下的47 bit。TODH的計數單位為1 min，換算成日、時、分計算，則需要均折算成1 min的整數倍。

使用“同步字頭+TOD信息”方法進行跳頻圖案初始同步的一般步驟如下：

? 將跳頻頻率分為兩個頻率集：同步頭頻率和數據頻率，一般地同步頭頻率為數據頻率的子集，頻點數量在10個以內。同時，將跳頻速率分為慢速和快速兩個量級，一般地快速率為慢速率的3～5倍。

? 在發送同步頭時，發射機選用同步頭頻率集，按快速率周期性發送TOD信息。

? 在接收同步頭時，接收機首先利用先驗信息確定同步頭頻率集狀態，然后按慢速率周期切換頻點，以實現發射信號的“快發慢收”。接收機每個頻點上滯留大于一個快速跳頻周期的時間，在多個周期循環時間內完成相關累加運算，從而提取TOD時間信息。

? 接收機根據提取的TOD時間，按系統時間與跳頻圖案間的約定關系推算出接收機本地的跳頻圖案，最終完成初始同步。

本文提出的FFH/DS擴頻同步方案包括跳頻圖案初始同步、跳頻圖案精確同步、直擴偽碼相位捕獲和跟蹤。FFH/DS擴頻同步方案如圖2所示。偽碼捕獲過程應建立在TOD跳頻圖案初始同步的基礎上，而偽碼相位估計值又可輔助完成跳頻圖案的精確同步。本方案的跳頻圖案同步過程分為兩個階段：初始同步和精確同步。在初始同步階段，采用TOD授時方式估計當前跳頻頻率，確定跳頻頻點搜索范圍。在精確同步階段，根據偽碼相位與跳頻周期間的固有關系，利用偽碼相位估計值進一步對跳頻頻點及其切換時間進行修正。由于偽碼跟蹤精度為1/8 chip(碼片)，跳頻同步精度最終可達到99.98%跳頻間隔。此外，受TOD時間信息±1 ms誤差影響，需采用多路并行偽碼捕獲方案。由于跳頻間隔為320 μs，±1 ms將產生±3跳頻點誤差。以0.5跳頻間隔為搜索單元單位，設計采用15路并行捕獲結構。

圖2 FFH/DS擴頻同步總體方案原理框圖

頻域匹配濾波算法又稱為FFT頻域并行捕獲算法，并行捕獲的數學原理如式(1)所示。

=S(i)?PN(-i)

=IFFT(FFT(S(k))·FFT·(PN(k))

(1)

其中，?代表卷積，IFFT代表傅里葉逆變換，FFT*代表傅里葉變換的共軛，FFT(S(k))為輸入信號S(i)的頻頻，FFT(PN(k))為本地偽碼序列PN(k)的頻譜。

根據式(1)推導，其實現框圖如圖3所示。由于離散傅里葉變換中時域循環卷積等于頻域相乘，可以通過計算接收信號和本地偽碼的頻域表示，并使其相乘，來代替兩者時域信號的相關運算。在共軛相乘后，通過IFFT變換獲得其時域表示，則相關峰最大值所對應的相位索引即為當前偽碼相位估計值。因此，從數學意義上講時域和頻域匹配濾波法是等效的。但是，由于頻域匹配濾波可通過調用FFT運算單元實現，且可并行實現偽碼相位捕獲，便于工程實現，符合突發通信快速捕獲的需要。

圖3 基于FFT的并行捕獲原理框圖

2.2 跳頻圖案同步補償

由圖4可以得出以下結論：在本地偽碼和輸入偽碼在各個狀態下所對應的歸一化的峰值：對齊時峰值為1，相差1/2碼片時峰值大約為1/2，相差1個碼片時峰值接近于0。本地碼如果對準則超前和滯后的包絡幅度相同，同時鑒別器不會有誤差信號產生。相反，本地碼如果不對準，相對應時段限制范圍里幅度差的大小與誤差的大小是成正比的，并且超前和滯后的包絡幅度也不盡相同。單位碼元間隔內所能獲得的采樣點數量越多，可調碼相位精度就越高。

為了精確補償傳輸延時，需根據偽碼捕獲和跟蹤結果對接收機本地時間進行實時調整，即偽碼捕獲輔助調頻同步。圖5是以0.5 hop為間隔的并行偽碼捕獲在接收信號與本地信號存在最大跳頻頻點相位差時的延時補償示意圖。圖中， 斜線方框表示頻點對齊的

圖4 偽碼相位相關運算結果

偽碼周期，井字線方框為未對齊的偽碼周期。最大相位差出現在接收信號相位恰好在超前和滯后路相位的中間，即相差±1.25周期時。以接收信號相位為基準，Tinte為相位差的偽碼周期L整數部分，Tdec為小數部分(0.5 chip的整數倍)。因此，跳頻圖案精確同步的主要任務在于利用偽碼捕獲結果精確補償收發機跳頻頻點的相位差。

圖5 最大相位差時的延時補償示意圖

跳頻圖案精確同步的步驟如下：

? 以1 hop持續時間內采樣點數量為周期進行采樣計數，建立樣值與偽碼相位估計值間的對應關系；

? 根據偽碼相位粗捕獲得的偽碼相位估計值(Tdec)，調整15路并行捕獲支路上的跳頻頻點切換時間，使其小數部分誤差縮小至±0.5 chip(碼片)以內；

? 以偽碼相位精塊判決獲得的最佳支路為準，等效補償跳頻頻點切換時間誤差的整數部分；

? 以開環跟蹤判決獲得的最佳支路為準，進一步補償跳頻頻點切換時間誤差的小數部分，并最終把誤差控制在±1/8 chip(碼片)以內。

3 結束語

本文介紹了一種適于FFH/DS擴頻系統的接收同步方法。首先，利用參考時鐘和TOD信息完成跳頻初始同步；然后，利用頻域匹配濾波法和PMF-FFT頻率估計法進行偽碼相位捕獲，并采用開環跟蹤結構進行偽碼相位跟蹤；最后，根據偽碼相位與跳頻圖案切換時間間的固有關系，利用偽碼相位同步結果輔助完成跳頻圖案的精確同步。本方案的跳頻圖案同步精度等同于偽碼相位同步精度，為±1/8碼元間隔。