楊光宣， 茍先太， 張 波， 吳 潛,②， 金煒東， 張明陽

（①西南交通大學(xué)，四川 成都 610031；②中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引言

DS/FH（Direct Sequence & Frequency Hopping）混合擴(kuò)頻應(yīng)用于通信領(lǐng)域以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力已成為一種趨勢[1]，DS/FH混合通信系統(tǒng)將直接序列擴(kuò)頻技術(shù)與跳頻技術(shù)相結(jié)合，是國內(nèi)外公認(rèn)的最富有生命力的抗干擾通信系統(tǒng)。DS/FH擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益等于跳頻系統(tǒng)的處理增益與直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益的乘積,具有抗截獲，可克服多徑效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)，對工作在同頻段的系統(tǒng)干擾小，可獲得較高的跳頻速率，有利于通信信息的加密等優(yōu)點(diǎn)[2]。

在 DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)中,同步是一個關(guān)鍵問題，也是技術(shù)上的難點(diǎn)[3,4]。本文針對該問題提出了一種適用于DS/FH混合擴(kuò)頻的快速同步技術(shù),可快速穩(wěn)定同步，簡化同步過程。

1 DS/FH同步技術(shù)

直擴(kuò)和跳頻系統(tǒng)各自的同步技術(shù)有較大的差異，而在混合擴(kuò)頻系統(tǒng)中可以將兩種同步技術(shù)相互結(jié)合，根據(jù)解擴(kuò)的順序，利用直擴(kuò)和跳頻系統(tǒng)同步技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步[5]。

因此，可以將整個同步過程劃分成兩個部分：跳頻碼同步和直擴(kuò)碼同步。此外還需在同步建立之后附加必要的失步檢測以對同步狀況進(jìn)行監(jiān)測，保證同步穩(wěn)定。

1.1 跳頻同步

跳頻系統(tǒng)的碼同步捕捉與 DS系統(tǒng)相類擬，但相對來說要簡單得多。依據(jù)提取同步信息的手段不同，可以分為幾種具體的實(shí)施方法：等待自同步、掃描法(滑動法)、匹配濾波器法[3,6-7]。為了提高縮短捕獲時間，本文采用匹配濾波器法。匹配濾波器的捕獲原理(見圖 1)是以靜止的本地序列作為累加器的系數(shù)，接收信號滑過本地序列,每一時刻產(chǎn)生一個相關(guān)結(jié)果當(dāng)兩個序列在零相移時有一個相關(guān)峰值輸出。

圖1 匹配濾波器工作過程

設(shè)接收機(jī)收到的跳頻信號為：

而匹配濾波器的沖擊響應(yīng)為：

式中，P為信號功率，d(t)為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信，c(t)偽碼，Wc和φ分別為載波頻率和相位，t1為時延，cr(t)為與跳頻碼同長度的逆時間序列，Δω為匹配濾波器中心頻率和輸入信號載頻的頻差。工作過程推導(dǎo)如下：當(dāng)接收端接收到信號R(t)分成I、Q兩路信號，I、Q兩路信號分別和sinctω、cosctω混頻，經(jīng)混頻后通過匹配濾波器，濾波器的輸出為：

由于偽碼在一個周期積分為 1，所以匹配濾波器的輸出為式（3），因此匹配濾波器的最大輸出為：

I、Q兩路信號經(jīng)過平方環(huán)做和，將所得信號平方，與門限值進(jìn)行比較，若峰值大于門限值，則捕獲成功；反之，若小于門限值，則捕獲失敗，則重復(fù)以上過程，直到捕獲為止。同步信息的跟蹤過程則采用鎖相環(huán)原理來完成 。

1.2 直擴(kuò)碼同步

基于FFT的偽碼并行捕獲算法[8-9],將傳統(tǒng)的碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥绽疹l移的一維搜索,很大程度地縮短了捕獲時間。因此在一個偽碼周期內(nèi)同時搜索所有的碼相位單元，循環(huán)移動本地偽碼相位與接收碼進(jìn)行相關(guān),當(dāng)本地碼與接收到的偽碼相位相同時就會產(chǎn)生最大相關(guān)峰。這樣就將時域碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域多普勒頻移的一維搜索，大大簡化了運(yùn)算，提高捕獲速率。示意圖如圖2所示。

圖2 FFT一維搜索過程

捕獲過程（見圖 3）為：將本地載波對準(zhǔn)初始估計頻率dω，使產(chǎn)生的信號對準(zhǔn)一個多普勒頻率步進(jìn)單元，啟動FFT捕獲,比較所得的相關(guān)峰值,若最大峰值超過檢測門限，則表明信號捕獲,根據(jù)信號所在位置的碼相位和多普勒頻率，移動本地偽碼相位，進(jìn)入信號跟蹤階段。如果最大峰值小于門限值，說明信號捕獲失敗，將本地載波NCO多普勒頻率步進(jìn)一個單元，重復(fù)上述過程，直到捕獲為止。

圖3 FFT偽碼并行捕獲原理框

1.3 仿真分析

設(shè)混合系統(tǒng)的參數(shù)為：跳頻速率 5000跳/秒,偽碼速率4.9152 Mbit/s,每跳傳送2 bit信息數(shù)據(jù)，序列載波頻率范圍為225～400 MHz，選用相關(guān)性良好的Gold碼序列。發(fā)送端將調(diào)制好的同步頭前導(dǎo)序列經(jīng)過信道仿真模型的衰減進(jìn)入接收機(jī)前端。下變頻經(jīng)過匹配濾波器后,進(jìn)行序列的相關(guān)檢測。圖4為相關(guān)檢測所得到的相關(guān)峰值。

從圖4可以看出得到的相關(guān)峰特別尖銳，捕獲的時候捕獲概率大大增加，虛警概率較小，有利于捕獲完成，縮短捕獲時間。完成跳頻碼的同步以后轉(zhuǎn)入直擴(kuò)碼的同步階段。采用FFT的偽碼并行方法所得的相關(guān)峰值如下頁圖5。

圖4 匹配濾波器門限檢測相關(guān)峰

采用載波串行時捕獲性能如下頁圖 6，相關(guān)峰值并不明顯，在捕獲的時候虛警概率較高，增加同步時間采，在積累同樣的時間內(nèi)，無法得到所需要的譜峰。而采用FFT的偽碼并行算法得到的相關(guān)峰如下頁圖 5，相關(guān)峰值明顯。并且改進(jìn)以后的算法可以消除數(shù)據(jù)跳變的影響，同時，基于FFT的并行捕獲算法,將傳統(tǒng)的碼相位和多普勒頻移的二維搜索轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥绽疹l移的一維搜索,很大程度地縮短了捕獲時間。

圖5 采用FFT的偽碼并行法檢測相關(guān)峰

圖6 采用載波串行時相關(guān)峰

2 結(jié)語

本文介紹了一套比較完整的DS/FH同步方案，其中將整個系統(tǒng)同步過程根據(jù)解擴(kuò)的順序分成跳頻同步和直擴(kuò)碼同步兩個階段，分別利用兩個過程的優(yōu)勢，對兩個過程采用較好的算法，在較短的時間內(nèi)，達(dá)到了比較好的同步效果，而且大大的縮短了同步時間，簡化了同步過程。通過仿真表明，本文所提的DS/FH混合擴(kuò)頻同步方案前端采用匹配濾波器快速解跳，迅速進(jìn)入到直擴(kuò)同步階段，而且檢測相關(guān)峰值明顯，可以減小虛警概率，可以應(yīng)用于數(shù)字接收機(jī)解決同步問題。

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