梁中英，張少侃，廖世文（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州　510663）

TDMA突發(fā)信號自適應(yīng)門限檢測方法

梁中英，張少侃，廖世文
（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663）

0　引言

時(shí)分多址（TDMA）接入方式是一種常用的衛(wèi)星通信方式，屬于突發(fā)的傳送模式。在突發(fā)通信系統(tǒng)中，信號檢測的虛警率和漏檢率直接影響解調(diào)性能。文獻(xiàn)［1］中對比了固定門限和自適應(yīng)門限檢測的優(yōu)劣，由于接收信號電平是未知和時(shí)變的，采用固定門限檢測方法，在信號功率發(fā)生變化、信噪比較低以及干擾功率發(fā)生變化的情況下，都會降低檢測性能。這些情況要求采用自適應(yīng)捕獲方法［2］。本文介紹的自適應(yīng)門限檢測方法，不僅可以檢測信道是否到達(dá)，可以精確到幀頭起始位置。

1　自適應(yīng)門限捕獲方法

突發(fā)信號的檢測方法有時(shí)域檢測法和頻域檢測法，其中時(shí)域檢測法包括短時(shí)能量法、短時(shí)自相關(guān)法、高階累積量法等；頻域檢測法包括幅度譜檢測法、循環(huán)譜相關(guān)法等［3］。由于本系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括前導(dǎo)序列，專門用于信號檢測，所以選擇時(shí)域檢測法，實(shí)現(xiàn)簡單。

選擇適當(dāng)?shù)那皩?dǎo)序列，需要具有尖銳的自相關(guān)性［4］，對于具有前導(dǎo)的突發(fā)信號，通過已知前導(dǎo)序列與AD采樣的接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可以在出現(xiàn)前導(dǎo)的位置檢測到峰值，再減去檢測的處理時(shí)間，得到的就是這幀數(shù)據(jù)的起始位置。

在突發(fā)信號捕獲之前，需要對AD采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動增益控制（AGC），這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，AGC調(diào)整的動態(tài)范圍對捕獲的性能有很大的影響。捕獲的處理流程如圖1所示。經(jīng)過匹配濾波后的信號，相鄰符號進(jìn)行共軛相乘，然后與已知的本地序列（同樣也是對前導(dǎo)共軛相乘后的結(jié)果）做相關(guān)運(yùn)算，再經(jīng)過門限計(jì)算和門限判斷，得到捕獲的結(jié)果。

圖1　自適應(yīng)門限捕獲方法處理流程

（1）自動增益控制（AGC）對捕獲的影響

AGC是通過對AD采樣信號能量的檢測來控制信號輸入功率的大小，直到信號能量落入到設(shè)置的能量范圍內(nèi)，采用閉環(huán)控制，如圖2所示。圖中AD為采樣中頻信號的AD芯片，F(xiàn)PGA對AD采樣信號進(jìn)行短時(shí)能量計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果調(diào)整控制DA的數(shù)據(jù)大小，從而調(diào)整模擬電壓的大小，達(dá)到控制中頻模塊輸出的信號幅度的目的［5］。

短時(shí)能量能量值與DA輸出的模擬電壓是相對應(yīng)的，需要實(shí)際測試出信號不溢出并且不會太小以至于捕獲門限檢測不到的動態(tài)范圍，這樣才能準(zhǔn)確地確定自適應(yīng)捕獲門限的參數(shù)。換句話說，兩者是相輔相成的關(guān)系。AGC的動態(tài)范圍直接影響了捕獲門限的動態(tài)范圍。

圖2　AGC控制示意圖

系統(tǒng)中利用64個(gè)符號的前導(dǎo)序列進(jìn)行捕獲，對于4M帶寬的信號，需要AGC需要在足夠短的時(shí)間內(nèi)將接收信號調(diào)整到捕獲的動態(tài)范圍內(nèi)。由于DA的每一次控制都需要時(shí)間，一旦AGC控制的速度不夠快，就會導(dǎo)致64個(gè)符號的前導(dǎo)序列中有一部分?jǐn)?shù)據(jù)溢出或過小，在信噪比過低或頻偏過大的條件下，就會使捕獲的起始值偏移，一旦偏移過大，就會對解調(diào)性能造成影響。AGC調(diào)整效果圖如圖3所示。

圖3　AGC調(diào)整效果圖

為了解決AGC對捕獲的影響，在開銷允許的條件下，可以在前面加一段序列，專門用作AGC。這就需要平衡性能和開銷之間的關(guān)系。

（2）自適應(yīng)門限計(jì)算及判決方法

信號經(jīng)過預(yù)處理做完相關(guān)、合路后開始進(jìn)行門限計(jì)算，設(shè)匹配濾波后的信號為R（x），首先對R（x）進(jìn)行模平方運(yùn)算，得到單點(diǎn)能量，通過滑動窗法計(jì)算窗內(nèi)能量，每進(jìn)入一個(gè)樣點(diǎn)，計(jì)算得到一段能量的累加值［6］，再乘以一個(gè)門限系數(shù)，得到自適應(yīng)門限值Y（x）：

由于這個(gè)門限的計(jì)算需要N個(gè)樣點(diǎn)才出一個(gè)結(jié)果，所以需要將相關(guān)能量值時(shí)延N個(gè)clk再與門限比較，如圖4所示。

圖4　自適應(yīng)門限計(jì)算流程圖

門限系數(shù)ρ是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，根據(jù)不同的漏檢和虛警需求可仿真獲得。

門限的判決方法也是至關(guān)重要的，選取不適當(dāng)，在信噪比低的情況下會造成虛警。本文根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中遇到的多種虛警的情況，總結(jié)出判決條件如下：

（1）判斷相關(guān)能量值是否超過門限值，一旦出現(xiàn)，則記錄該值，如果連續(xù)多個(gè)相關(guān)能量值超過門限，則記錄最大值；

（2）這時(shí)還不能根據(jù)這個(gè)值來判定這段數(shù)據(jù)的起始，從這一時(shí)刻開始，繼續(xù)搜鎖一幀的長度，如果又出現(xiàn)（1）的情況，比較當(dāng)前時(shí)刻最大值和前一時(shí)刻最大值，判定兩者中大的一個(gè)為數(shù)據(jù)的起始依據(jù)，直到這一幀長度搜索完畢。

在處理過程中，需要將輸入數(shù)據(jù)緩存，檢測到最大峰值后，需要減去處理時(shí)間，即可得到幀頭的起始位置，為了保證處理的實(shí)時(shí)性，一旦檢測到幀頭就假定捕獲到了，開始后續(xù)處理，當(dāng)在處理的過程中，如果出現(xiàn)（2）中描述的情況，認(rèn)定前一個(gè)值為虛警，則將其他模塊復(fù)位，認(rèn)定幀頭為當(dāng)前時(shí)刻，繼續(xù)后續(xù)處理，以此類推，直到一幀結(jié)束。經(jīng)過仿真和實(shí)測，增加第（2）個(gè)條件后，可以適當(dāng)?shù)慕档烷T限系數(shù)，在大大降低了虛警率的同時(shí)，又降低了漏檢率。

2　MATLAB仿真結(jié)果分析

對信號加噪后的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，信噪比越低，虛警率和漏檢率越高，這時(shí)需要對門限系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的測試和調(diào)整來達(dá)到一個(gè)均衡狀態(tài)。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際衛(wèi)星通信鏈路的需求，調(diào)整好門限系數(shù)值，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，Eb/N0值越小，噪聲對信號的能量計(jì)算影響越大，在幀頭處出現(xiàn)的峰值越小。這種情況是固定門限就會很容易出現(xiàn)漏檢。

圖5　不同信噪比下捕獲效果仿真圖

當(dāng)Eb/N0值大的時(shí)候容易出現(xiàn)虛警，會有多個(gè)超過門限的能量峰值出現(xiàn)，如圖6所示。但是如前面章節(jié)所述的門限條件判斷，在這種情況下，會和前面超過門限的能量峰值做比較，比前面峰值小的位置，都認(rèn)為不是幀頭，所以大大降低了虛警率。

圖6　不同信噪比下捕獲效果仿真圖

漏檢概率和虛警概率曲線圖如圖7所示，在Eb/ N0=2dB的時(shí)候，沒有漏檢且虛警為零，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

圖7　漏檢概率和虛警概率仿真圖

3　FPGA硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)AD采樣速率為符號率的8倍，即1個(gè)符號8個(gè)樣點(diǎn)，經(jīng)過根升余弦匹配濾波后，通過時(shí)延，將信號分成8路并進(jìn)行8倍抽取，分別對這8路信號進(jìn)行處理，這時(shí)每路信號是以符號為單位的。

對每路信號進(jìn)行相鄰符號共軛相乘，接著與已知的前導(dǎo)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。之所以分為8路進(jìn)行處理，是因?yàn)檫@樣就轉(zhuǎn)化為對符號進(jìn)行操作，那么此時(shí)的相關(guān)只需要做加法，即不需要進(jìn)行乘法運(yùn)算，在FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，就可以節(jié)省大量的乘法器資源，然后對8路相關(guān)結(jié)果進(jìn)行延時(shí)合路，進(jìn)入到門限計(jì)算的環(huán)節(jié)。

按照自適應(yīng)門限的計(jì)算方法計(jì)算門限，并根據(jù)實(shí)測中遇到的各種情況綜合考慮后的門限判決條件進(jìn)行判決，得到突發(fā)信號的起始數(shù)據(jù)位置，完成捕獲的操作。

4　結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程需求，介紹了突發(fā)信號檢測的原理和改進(jìn)的自適應(yīng)檢測方法，進(jìn)行了MATLAB仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，一定范圍內(nèi)的頻偏和相偏對算法的影響較小，且兩個(gè)門限的限制大大降低了虛警率和漏檢率。最終利用FPGA較少的資源，對本算法進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了此種方法的可實(shí)現(xiàn)性。

圖8　FPGA硬件實(shí)現(xiàn)框圖

［1］劉乃安，曾興雯，郭峰等.高速突發(fā)通信中的自適應(yīng)門限技術(shù)及其性能［J］.電子學(xué)報(bào)，1998，26（1）：111-114.

［2］吳玉成，陳寧，高珊.突發(fā)通信中的自適應(yīng)門限信號檢測方法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2007，29（12）：2896-2898.

［3］吳曉東，路友榮，黃淵靈等.TDMA突發(fā)信號的檢測［J］.電信技術(shù)研究，2005，2：28-33.

［4］張波，郭英，霍文俊等.一種快速的PN碼同步捕獲方法［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（3）：7-9

［5］劉艷.基于FPGA的大動態(tài)范圍數(shù)字AGC的實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（8）：42-44.

［6］吳玉成，陳婷婷.在滑動窗口中判決的自適應(yīng)門限檢測方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，10（20）：2770-2773.

Burst Signal；Adaptive Threshold；FPGA

Adaptive Threshold Acquisition Method for TDMA Burst Signals

LIANG Zhong-ying，ZHANG Shao-kan，LIAO Shi-wen
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）23-0020-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.004

梁中英（1985-），女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號處理領(lǐng)域工作

張少侃（1988-），男，陜西西安人，碩士研究生，助理工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號處理領(lǐng)域工作

廖世文（1985-），男，廣西柳州人，碩士研究生，工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號處理領(lǐng)域工作

2015-06-26

2015-07-31

基于提高TDMA突發(fā)信號檢測性能的目的，對現(xiàn)有的自適應(yīng)檢測方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化相關(guān)器且改善門限判決方式，在簡化算法的同時(shí)降低檢測的虛警率和漏檢率，給出MATLAB仿真結(jié)果。利用Altera公司的CycloneIII系列FPGA對該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過系統(tǒng)測試驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方法的可行。

突發(fā)信號；自適應(yīng)門限；FPGA

發(fā)改辦高技［2012］2083號

For the purpose of improving TDMA burst signal detection performance，according to existing adaptive detection method，optimizes the correlator and threshold decision method，reduces the false alarm probability and false dismissal probability，and simplifies the algorithm at the same time，shows the result of MATLAB simulation.Realizes the design by CycloneIII FPGA of Altera corporation，and the system experiments illustrate the effectiveness of this design.