張波濤，馬艷娥，李劍，胡冠華，邢磊

（中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所 太原 030051）

0 引言

擴頻通信技術(shù)因為具有較強的抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落能力、較好的保密性、較強的多址能力和高精度測量等優(yōu)點，在軍事抗干擾和個人通信業(yè)務(wù)中得到了很大的發(fā)展。在擴頻系統(tǒng)中，對擴頻碼的同步捕獲又是一項關(guān)鍵的技術(shù)，近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究[1]。

1 偽隨機碼捕獲

對于常規(guī)數(shù)字通信，接收端有了相干載波，即可解調(diào)出基帶數(shù)字信號，然而對于擴頻信號，首先要完成解擴才能進行解調(diào)。接收機若要把偽碼擴展的信號解出，接收方就必須能產(chǎn)生一個與發(fā)方一樣的偽碼序列(保證最大相關(guān)值)，而且該本地偽碼速率、相位要與接收到的偽碼保持一致[2]。對于約定好的收、發(fā)方用同一個偽碼很容易辦到，但是，如果要從解擴相關(guān)器中得到傳送的信息，僅僅保證一樣的碼型是遠遠不夠的，因為即使相同的偽隨機碼，當(dāng)相位差大于一個碼片時，它們的相關(guān)峰就完全消失。所以擴頻信號的同步是擴頻通信的關(guān)鍵技術(shù)，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)。

偽隨機碼同步流程圖如圖1所示，首先是同步捕獲(又稱粗同步)，主要是捕獲偽碼。接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此需要有一個搜捕過程；其次是同步跟蹤(又稱精同步)，一旦完成捕獲后，則進入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步[3]。

圖1 偽隨機碼同步流程圖

2 匹配濾波器的基本原理

匹配濾波器是一種無源相關(guān)技術(shù)，它可以快速地實現(xiàn)相關(guān)器的功能。這里的“匹配"是指濾波器的傳遞函數(shù)為所傳輸信號的復(fù)共軛函數(shù)。與串行捕獲法相比。匹配濾波器捕獲的最大優(yōu)點是捕獲時間短，可以快速完成擴頻信號的解擴和解調(diào)，且數(shù)字化容易實現(xiàn)。在理想情況下，數(shù)字匹配濾波器(DMF)捕獲系統(tǒng)最多只需要一個擴頻序列周期的時間，就可檢測出同步相位，實現(xiàn)擴頻序列的捕獲。

匹配濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由3部分組成：移位寄存器、乘法器和多輸入加法器組成，這是一個類似于FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)字匹配濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

濾波器的輸出s0(t)是輸入信號s(t)和濾波器沖激響應(yīng)向h(t)在時間域的卷積積分。在0-TD的時間間隔內(nèi)，匹配濾波器的沖激響應(yīng)為輸入信號的時間反轉(zhuǎn)，即：

則其輸出波形為：

R(t)為輸入信號的自相關(guān)函數(shù)，因此匹配濾波器可以看成是一個相關(guān)器，但一般相關(guān)器必須經(jīng)過時間為T的積分，才能得到一個相關(guān)值，而匹配濾波器的每個時間點上都能輸出一個相關(guān)值，因而是一種快速的相關(guān)器件[4]。

當(dāng)處理基帶信號時，設(shè)輸入的偽隨機碼序列為：

其中ak為周期為N的偽隨機碼序列的序列值，(n) 為沖激序列。

3 匹配濾波器法的設(shè)計與實現(xiàn)

在前面已經(jīng)提過，擴頻通信系統(tǒng)解擴的關(guān)鍵技術(shù)是擴頻信號的同步，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性，碼同步的關(guān)鍵又是在PN碼捕獲方法[5]。

當(dāng)擴頻碼周期較長時，采用常規(guī)方法就需要較多抽頭的FIR濾波器，這樣的濾波器實現(xiàn)起來比較困難，而且占用資源較大，其硬件復(fù)雜度會隨著擴頻碼的長度成倍增長。因此，將匹配濾波器在FPGA中以一種簡單有效的方法來實現(xiàn)是一個關(guān)鍵?；谏厦嫠枷?，用FPGA來實現(xiàn)的數(shù)字匹配濾波器由兩組延遲移位寄存器、乘法器、算術(shù)累加器和一組系數(shù)寄存器構(gòu)成。

具體的設(shè)計思想如下：

第一步設(shè)計一個本地相關(guān)器，在該相關(guān)器中設(shè)置一個移位寄存器存放本地PN碼，設(shè)置另一個移位寄存器用于存放接收的擴頻信號，并以每次時鐘到來移位一次的方式將新接收到的擴頻信號移入。

第二步是進行同步判決，其相關(guān)值的計算可通過乘法器運算結(jié)果的累加來實現(xiàn)，進而判斷是否同步。每步進一個時鐘，就通過累加器得到自相關(guān)函數(shù)的峰值，將此累加結(jié)果與門限值相比較，當(dāng)本地PN碼與接收PN碼相關(guān)匹配時，相關(guān)值輸出大于門限值，說明捕獲成功。

第三步是在捕獲到同步信息時啟動本地序列生成器，以生成與發(fā)端擴頻序列同頻同相的本地序列，以便進行解擴處理輸出原始的數(shù)據(jù)信號。

在前面的兩種串行捕獲方法中，相關(guān)器在每一個時鐘周期只對一位PN碼進行相關(guān)，并且在一定的時間內(nèi)將所有相關(guān)值相加，捕獲過程中本地PN碼的相位是變化的。而在匹配濾波器中，每一個時鐘周期內(nèi)都要將N位PN碼進行相關(guān)，并將相關(guān)結(jié)果相加，在捕獲過程中本地PN碼的相位是靜止的。

為了使系統(tǒng)能適應(yīng)更高的速率，也可以分四路同時進行相關(guān)值的運算，這樣可在適當(dāng)增加一定硬件復(fù)雜度的情況下?lián)Q取系統(tǒng)更快的捕獲速度[6]。

為了防止虛警造成的假同步，通常捕獲系統(tǒng)都會增加同步驗證電路，即在初次捕獲成功后進行一次或多次的同步檢驗，因此在并行捕獲的基礎(chǔ)上可以擴展一種雙駐留數(shù)字匹配濾波捕獲方法，該方法是單次駐留數(shù)字匹配濾波器的一種擴展使用，它克服了原來快速捕獲系統(tǒng)中由于虛警導(dǎo)致系統(tǒng)進入檢測階段后失去對原來接收碼元的跟蹤的缺陷，提高捕獲系統(tǒng)的可靠性，進而縮短捕獲時間。

雙駐留數(shù)字匹配濾波器捕獲方案如圖3所示。整個捕獲過程被分成了兩個階段，第一階段稱為匹配階段(即第一次駐留)，第二階段稱為驗證階段(即第二次駐留)，第二次駐留的窗長度是第一次駐留的窗長度的擴展[7]。

圖3 雙駐留數(shù)字匹配濾波器捕獲法的原理圖

接收到的碼序列先流入捕獲模塊l的數(shù)字匹配濾波器DMFl中，當(dāng)相關(guān)值超過了門限值時，它就會觸發(fā)捕獲模塊2中的數(shù)字匹配濾波器DMF2進行驗證；否則重新調(diào)整相位進行新一輪捕獲。直到兩個捕獲模塊的輸出都大于門限，則系統(tǒng)完成對碼序列的捕獲。因為雙駐留數(shù)字匹配濾波器也是單次駐留數(shù)字匹配濾波器的擴展實現(xiàn)，因此在本論文中僅對單次駐留數(shù)字匹配濾波器的偽碼捕獲進行設(shè)計并仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 偽碼捕獲仿真圖

在仿真圖中，clkl是接收序列pnl的時鐘，clk2是本地序列pn2的時鐘，enable是控制本地序列pn2停止的信號。圖中可以看出，當(dāng)本地PN碼與接收信號中的PN相關(guān)不匹配時(本仿真實驗中相位相差6個碼元長度)，本地序列pn2在捕獲期間相位是靜止的，而接收序列pn2在時鐘作用下滑過本地PN碼，當(dāng)經(jīng)過6個時鐘周期后，經(jīng)過匹配相關(guān)，相關(guān)和大于門限值，即接收PN碼與本地PN碼相位相同，再啟動本地PN碼進行同步相位移動，即實現(xiàn)了捕獲[8]。

4 結(jié)論

本文論述了采用數(shù)字匹配濾波器法，在QuartusII軟件平臺上實現(xiàn)直序擴頻系統(tǒng)中偽隨機碼的同步捕獲，仿真結(jié)構(gòu)證明，匹配濾波器法對偽碼進行快速捕獲是一種行之有效的方法，

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[3]李濤,孫基國.擴頻通信系統(tǒng)中擴頻碼并／串快速捕獲的數(shù)字化實現(xiàn)[J].應(yīng)用科技,2004,31(1):1-4.

[4]張鯤.擴頻通信接收與發(fā)射[D].濟南:山東大學(xué),2006.

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[6]Shin Oh-Soon，Lee K B.Differential ly coherentcombining for double—dwell code acquisition DS-CDMAsystems[J].IEEE Trans.Commun,2003,51(7):1046-1050.

[7]金西.VHDL與復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計[M].兩安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[8]朱維勇,欒銘.EDA與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.