何攀峰，程乃平，丁 丹，崔建華

（裝備學(xué)院，北京 101416）

高動態(tài)直擴信號快捕設(shè)計與FPGA實現(xiàn)*

何攀峰＊＊，程乃平，丁 丹，崔建華

（裝備學(xué)院，北京 101416）

為了解決高動態(tài)直擴信號捕獲速度與資源消耗的矛盾，分析了部分匹配濾波結(jié)合快速傅里葉變換（PMF－FFT）的捕獲性能。針對PMF－FFT捕獲范圍有限且占用硬件資源過多的問題，采用遞歸折疊匹配濾波器代替常規(guī)匹配濾波器的方法大大節(jié)省了硬件資源，并行FFT保證了其捕獲速度，同時采用掃頻方法成倍增加了頻偏捕獲范圍。給出了該方法的FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)結(jié)果，驗證了該方法的有效性。與FFT循環(huán)卷積方法相比，在頻偏捕獲范圍一定的前提下，所提方法捕獲速度快，占用資源較少，非常適合高動態(tài)直擴信號的快速捕獲。

高動態(tài)信號;直接序列擴頻;頻偏捕獲;快速捕獲;部分匹配濾波器;快速傅里葉變換

1 引言

直接序列擴頻（DSSS）具有抗多徑衰落、抗干擾能力、發(fā)射功率低、截獲率低、保密性好等特點［1］，目前已被廣泛用于軍事、移動和衛(wèi)星通信?？臻g飛行器與衛(wèi)星進行通信時，由于雙方具有很高的相對徑向速度和加速度（即高動態(tài)），帶來大的多普勒頻移及其變化率，給接收機捕獲信號帶來困難，同時衛(wèi)星鏈路接收端信號信噪比較低。因此，在低信噪比、高動態(tài)環(huán)境以及對實時性要求很高的情況下，實現(xiàn)直擴信號的快速捕獲對提高接收機性能具有重要意義。

目前國內(nèi)外文獻已提出很多快速捕獲算法，常見的捕獲方法有二維串行或并行搜索、基于傅里葉變換（FFT）循環(huán)相關(guān)捕獲［1］、部分匹配濾波器（PMF）結(jié)合FFT的捕獲方法（PMF－FFT）［2］等。文獻［3］通過I、Q兩路信號相乘消除了調(diào)制和碼相位對載波頻偏捕獲的影響，先捕獲載波后捕獲偽碼，捕獲速度快，但信噪比門限較高。文獻［1，4］通過差分處理消除載波頻偏和調(diào)制對偽碼相關(guān)峰的影響，先捕獲偽碼相位后捕獲頻偏，同樣捕獲速度快，但差分帶來部分信噪比損失，檢測門限較高。文獻［5］基于信號濾波后重構(gòu)，提出一種部分匹配濾波（PMF）結(jié)合離散余弦變換（DCT）的碼捕獲算法，該方法檢測概率高、并且實現(xiàn)復(fù)雜度較小，但文章只研究了頻偏較小的情況。

考慮到FFT循環(huán)相關(guān)對硬件要求較高，頻率搜索慢，二維串行搜索速度太慢，并行搜索資源消耗又太多，PMF－FFT捕獲法是較優(yōu)的捕獲方法，但占用資源仍較多。本文以碼速率為9.6 Mchip/s、碼長為1 023、最大多普勒頻偏為30 kHz、最大多普勒頻偏變化率為1.5 kHz/s的BPSK調(diào)制信號為對象，在分析PMF－FFT的基礎(chǔ)上，提出了遞歸折疊部分匹配濾波結(jié)合并行FFT分析的高動態(tài)直擴信號捕獲方法，實現(xiàn)了捕獲速度與資源消耗的折衷。

2 PM F－FFT捕獲方法分析

2.1 PM F－FFT捕獲原理

接收的中頻信號經(jīng)AD采樣、下變頻、濾波、AGC后、抽取得到2倍碼片速率信號用復(fù)數(shù)表示為

圖1 PMF－FFT捕獲原理框圖Fig.1 The acquisition block diagram of PMF － FFT

對于一個偽碼周期的接收信號，分成N段，每一段進行部分匹配濾波（其系數(shù)為對應(yīng)各段的偽碼），得到N點累加結(jié)果，將其進行FFT分析，直到接收信號與本地偽碼對齊，F(xiàn)FT分析后會出現(xiàn)明顯的譜峰，且超過預(yù)定門限值，此時表明信號捕獲成功，得到多普勒頻偏估計值。

2.2 PM F－FFT性能分析

圖2 不同匹配濾波長度下頻偏對相關(guān)峰值的影響Fig.2 The frequency offset's impact on the correlation peak with different Matched filtering lengths

從圖2中可知，在部分匹配長度一定的情況下，相關(guān)峰值隨頻偏的增大而減小，且部分匹配長度越長，損失越大。同時，式（4）可得到頻偏分析精度Δf=fs/MN，頻偏捕獲范圍為±fs/4M，為了捕獲30 kHz頻偏，要求即要求M≤80。當(dāng)M太大時，不僅相關(guān)峰值受到較大損失，而且捕獲范圍也不能滿足30 kHz的頻偏;當(dāng)M太小時，雖然受頻偏影響減小，但本文對匹配結(jié)果的平方處理過程損失了部分信噪比，匹配長度越小，信噪比損失越大。由于上述矛盾，需要通過選擇合適的匹配濾波器長度進行折衷。

（2）多普勒頻偏對相關(guān)峰值的影響

圖3給出了不同頻偏下直接進行全周期相關(guān)的歸一化相關(guān)峰值結(jié)果?？梢钥闯觯S著頻偏的增大峰值迅速下降，在頻偏為30 kHz相關(guān)峰值損失超過了90%。

圖4 PMF－FFT相關(guān)峰值Fig.4 The correlation peak of PMF － FFT

圖4給出了在部分匹配濾波器長度M=64時，PMF－FFT捕獲相關(guān)峰值。PMF－FFT過程可以看成對信號進行頻域通道進行濾波，隨著頻率的增加相關(guān)峰值在緩慢較小，在頻偏為30 kHz相關(guān)峰值損失不超過15%，因此，在±30 kHz范圍內(nèi)，采用PMF－FFT方法可以有效實現(xiàn)頻偏捕獲。

（3）仿真分析

對于長度為1 023、速率為9.6 Mchip/s的偽碼，發(fā)送偽碼延遲4個碼片，接收端采樣速率為38.4 MHz，在信噪比為［－30 dB，－5 dB］，得到不同多普勒頻偏下的檢測概率如圖5所示。從圖中可以看出，在信噪比－23 dB到－18 dB范圍內(nèi)，隨著頻偏的增大檢測概率有所下降，但在高于－15 dB時，基本一致。

圖5 PMF－FFT的檢測概率Fig.5 The detection probability of PMF － FFT

信噪比為－15 dB、頻偏為30 kHz時，PMF－FFT捕獲結(jié)果如圖6所示。捕獲頻偏為28.13 kHz，偽碼延遲量為16個1/4碼片，均在誤差分析范圍內(nèi)。

圖6 PMF－FFT捕獲結(jié)果Fig.6 The acquisition result of PMF － FFT

3 PM F－FFT的改進FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計

PMF－FFT方法捕獲速度快，但是當(dāng)偽碼較長時，需占用資源較多。本文從資源復(fù)用的思想出發(fā)，設(shè)計了遞歸型的折疊匹配濾波器替代常規(guī)部分匹配濾波器，節(jié)省了大量FPGA資源，同時采用并行FFT實現(xiàn)快速捕獲。圖7給出改進的PMF－FFT捕獲實現(xiàn)框圖。

圖7 改進的PMF－FFT實現(xiàn)框圖Fig.7 The realization diagram of improved PMF － FFT

根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，選擇匹配長度為64，F(xiàn)FT點數(shù)16，其頻偏捕獲范圍為 ±37.5 kHz，分析精度為4.7 kHz。

3.1 遞歸折疊匹配濾波器設(shè)計

遞歸型的折疊匹配濾波器繼承了折疊匹配濾波器的優(yōu)點，同時該移位寄存器存儲的是采樣數(shù)據(jù)，而非累加結(jié)果，且可用多抽頭的大Ram實現(xiàn)。相對于折疊匹配濾波器該方法節(jié)約了近一半多的存儲資源［6］。

采用4倍折疊匹配濾波器，數(shù)據(jù)處理速率為采樣信號速率（2倍碼速率，19.2 MHz）的 4倍，即76.8 MHz，延遲寄存器存儲為4級。數(shù)據(jù)處理流程為:第一個處理時鐘將采樣數(shù)據(jù)送入移位寄存器組輸入端，其余3個處理時鐘將從移位寄存器組末端反饋的數(shù)據(jù)送入移位寄存器組的輸入端，使采樣數(shù)據(jù)全部存儲到移位寄存器組，數(shù)據(jù)順序見圖8。

圖8 移位寄存器組中存儲數(shù)據(jù)的順序Fig.8 The sequence of data stored in register group

Ram0～Ram255通過多抽頭的大Ram實現(xiàn)數(shù)據(jù)遞歸存儲。其中，移位寄存器組的輸出信號恰好是采樣數(shù)據(jù)的逆序輸出。每一個處理時鐘，本地偽碼與256點采樣信號相乘，之后按照加法樹進行求和運算完成匹配濾波。Ram255的1023數(shù)據(jù)參與累加運算，會有一個碼片的增益損失，可忽略不計。

3.2 并行FFT設(shè)計

遞歸折疊匹配濾波器輸出結(jié)果并行給出，在altera器件中FFT的IP核均為串入串出，累加結(jié)果串并轉(zhuǎn)化后要求FFT處理時鐘為4倍數(shù)據(jù)處理時鐘，如此高的時鐘導(dǎo)致FPGA無法處理。因此，直接進行并行16點FFT處理，不僅加快了處理速度，同時還發(fā)揮了FPGA并行處理的能力。

并行16點FFT采用基4頻率抽取實現(xiàn)方法，只需要兩級基4蝶形模塊即可實現(xiàn)［7］?；?蝶形單元實現(xiàn)結(jié)構(gòu)見圖9。從圖中可以看出，基4蝶形單元除與旋轉(zhuǎn)因子相乘外，僅有一個純虛數(shù)j需要乘法運算，因此運算量較小。16點FFT只需要兩級共8個4點FFT基本單位即可實現(xiàn)。

圖9 基4蝶形單元運算流圖Fig.9 The operational flow chart of Radix －4 butterfly unit

4 捕獲結(jié)果測試

測試參數(shù)為:BPSK直擴信號，碼速率為9.6 Mchip/s，碼長為1 023，頻偏為30 kHz，頻偏變化率為1.5 kHz/s。接收到70 MHz中頻信號，56 MHz采樣、下變頻、濾波、數(shù)字AGC后，抽取得到2倍碼片速率的接收信號，對信號進行捕獲。

（1）捕獲時間測試

本文以SignalTap II抓取的信號來測量捕獲時間。2倍碼片速率的采樣的信號進入快速捕獲模塊后捕獲結(jié)果如圖10所示。圖中q為開始捕獲標(biāo)志，上升沿到來時開始捕獲，acq_flag為捕獲脈沖，當(dāng)有一個脈沖到來時表示捕獲成功，得到本地偽碼延遲量半個碼片數(shù)和頻率控制字。本次捕獲頻率控制字對應(yīng)的頻偏為32.8 kHz，與發(fā)送端30 kHz頻率相比，誤差在分辨率范圍內(nèi)，捕獲時間為0.133 ms。

圖10 捕獲測試結(jié)果Fig.10 The acquisition test result

為了進一步測試捕獲時間，多次捕獲測試后，得到的捕獲時間范圍為［0.095 ms，0.187 ms］。

接收數(shù)據(jù)需要占用一個偽碼周期，捕獲過程占用一個偽碼周期，因此，總共需要2個偽碼周期進行捕獲，即捕獲時間最長需要0.208 ms。從測得的結(jié)果來看，符合理論分析。

（2）占用資源分析

為了便于比較，以載波最大多普勒頻偏為150 kHz，偽碼速率為10.23 Mchip/s為研究對象，采用Stratix II EP2S60F1020I4芯片進行編譯。與已有文獻的捕獲方案相比，得到資源消耗量及捕獲時間見表1。

表1 本文與已有文獻的資源消耗及捕獲時間對比Table 1 The comparison of resource consumption and aquisiton time between this pager and existing literatures

表1中文獻［8］采用FFT循環(huán)卷積方法，文獻［9］為常規(guī)的PMF－FFT捕獲方法。可知，與文獻［9］相比，本文方法大大減少了資源消耗量;與文獻［8］相比，本文的方法資源消耗仍然較小。

對于±150 kHz的頻偏，由于本文PMF－FFT的捕獲范圍為 ±37.5 kHz，以75 kHz為步進，每次駐留2個偽碼周期即0.196 ms，5次掃描可捕獲±187.5 kHz的載波頻偏，掃頻只需改變頻率控制字，不需要額外的資源，而總的捕獲為0.196 ms×5=0.96 ms。文獻［9］采用 PMF－FFT方法，故捕獲時間與本文相同，而方法文獻［8］相比，本文方法大大提高了捕獲速度。

5 結(jié)束語

為解決PMF－FFT捕獲時間與資源消耗之間的矛盾，將兩者折衷，本文提出部分遞歸折疊匹配濾波器與并行FFT結(jié)合的二維并行捕獲方法，同時給出了FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)結(jié)果。仿真與測試結(jié)果表明，本文方法與FFT循環(huán)卷積相比在資源消耗量對等的前提下，大大提高了擴頻信號的捕獲速度，并保證了一定的捕獲精度，同時利用大范圍掃頻擴大了頻偏捕獲范圍。因此，無論是對連續(xù)信號還是突發(fā)信號，本文提出的方法均有較好的效果。但該方法在低信噪比下提高檢測概率、提高捕獲精度等方面還有待提高。

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Fast Acquisition of High Dynam ic DSSS Signals:Design and FPGA Implementation

HE Pan － feng，CHENG Nai－ ping，DING Dan，CUI Jian － hua
（Equipment Academy，Beijing 101416，China）

To solve contradictions between acquisition speed and resource consumption of high dynamic direct－ sequence spread spectrum（DSSS）signals，this paper analyzes the performance of PMF － FFT（Part of the Matched Filtering combined with Fast Fourier Transform）method.For the disadvantage that this method has limited scope of frequency acquisition and high hardware resource consumption，this paper replaces conventional matched filter by recursive and folded matched filter，resulting in saving hardware resources largely.Parallel FFT is used for ensuring the speed of acquisition.Frequency sweeping to extend scope of the frequency deviation is adopoted.The structure and FPGA implementation are discussed and the result proves the effectiveness of the proposed method.Compared with the FFT circular convolution method in certain capture range offset，the proposed method has faster acquisition speed，less resource consumption，which is well－ suited for fast acquisition of high dynamic DSSS signals.

high dynamic signal;DSSS;frequency offset acquisition;fast acquisition;PMF;FFT

TN911.72;TN914.42

A

1001－893X（2014）05－0547－06

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.004

何攀峰，程乃平，丁丹，等.高動態(tài)直擴信號快捕設(shè)計與FPGA 實現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2014，54（5）:547 －552.［HE Pan－feng，CHENG Nai－ ping，DING Dan，et al.Fast Acquisition of High Dynamic DSSS Signals:Design and FPGA Implementation［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:547 －552.］

2013－11－28;

2014－03－18

date:2013－11－28;Revised date:2014－03－18

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hepanfeng01@126.com Corresponding author:hepanfeng01@126.com

何攀峰（1986—），男，陜西寶雞人，2012年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，主要從事空間信息處理、無線通信系統(tǒng)的研究;

HE Pan － feng was born in Baoji，Shaanxi Province，in 1986.He received the M.S.degree in 2012.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns spatial in-formation processing and wireless communication system.

Email:hepanfeng01@126.com

程乃平（1962—），男，陜西扶風(fēng)人，1998年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師，主要從事軟件無線電、通信系統(tǒng)等方面的研究;

CHENG Nai－ ping was born in Fufeng，Shaanxi Province，in 1962.He received the Ph.D.degree in 1998.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns software radio and communication system.

丁 丹（1980—），男，江蘇南京人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師、博士研究生，主要從事軟件無線電、通信系統(tǒng)等方面的研究;

DING Dan was born in Nanjing，Jiangsu Province，in 1980.He received the M.S.degree in 2006.He is now a lecturer and currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns software radio and communication system.

崔建華（1982—），男，河北承德人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，主要從事軟件無線電、無線通信系統(tǒng)等方面的研究。

CUI Jian － hua was born in Nanjing，Jiangsu Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2008.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns software radio and wireless communication system.