m序列擴(kuò)頻通信中同步方法的研究

1、m序列擴(kuò)頻通信中同步方法的研究熊省軍 張國(guó)松 周士弘摘要:同步是通信的前提，同步不好，通信性能將急劇下降。本文分析m序列時(shí)間同步和載波同步對(duì)通信性能影響，提出一種超前門(mén)和滯后門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤的方法，利用m序列模糊特性，搜索多譜勒頻偏，實(shí)現(xiàn)載波同步，為了減少運(yùn)算量，提出了快速算法，本文還給出海試采集的通信數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的同步方法可以獲得準(zhǔn)確的同步。關(guān)鍵詞：同步、擴(kuò)頻通信、快速算法5 / 5文檔可自由編輯打印1.引言同步對(duì)于通信系統(tǒng)，特別是數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，其好壞對(duì)于通信系統(tǒng)的性能有著決定性的作用。如果同步不好，通信系統(tǒng)的性能就會(huì)下降，甚至無(wú)法正常工作。在m序列的擴(kuò)

2、頻通信中，對(duì)時(shí)間同步和載波同步的要求都非常嚴(yán)格，只有在m序列完全同步的基礎(chǔ)上才能獲取理想的處理增益，否則系統(tǒng)的處理增益將會(huì)下降，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致對(duì)信息符號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤判決。2.m序列擴(kuò)頻通信中的同步m序列具有偽隨機(jī)特性，當(dāng)序列長(zhǎng)度N很大時(shí)，在所截取的頻帶（B>>1/T）內(nèi)譜特性接近白色帶通噪聲譜，其模糊特性為 (1)上式表明m序列模糊函數(shù)在時(shí)間頻率兩方面具有相同的形式，圖1為其模糊圖。圖1 m序列模糊圖由于m序列的模糊特性，同步內(nèi)容包括兩方面：一是時(shí)間同步，也即序列同步，本地參考碼序列與接收信號(hào)碼序列在時(shí)間和相位上對(duì)齊；二是載波同步，在相干解調(diào)時(shí)獲取相干載波。21時(shí)間同步12時(shí)間同步過(guò)程

3、分兩個(gè)步驟，其一是對(duì)信號(hào)的同步捕獲，其二是對(duì)信號(hào)的同步跟蹤。捕獲要求速度快，抗干擾能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。捕獲的方法很多，一種工程上應(yīng)用比較廣泛的方法是前置碼法。因?yàn)橛糜谕降拇a序列和用于傳輸信息的偽碼不必相同，因此可以采用一種專(zhuān)門(mén)的前置碼供同步使用。前置碼一般較短，典型的有barker碼。發(fā)射機(jī)在發(fā)送有用信息之前，先發(fā)前置碼，供通信對(duì)方的接收機(jī)建立同步，接著再發(fā)有用信息。前置碼法可以提高捕獲和同步速度，但因?yàn)榍爸么a不能太長(zhǎng)，容易受到噪聲和干擾的影響而產(chǎn)生錯(cuò)誤捕獲。同步跟蹤也稱(chēng)細(xì)同步，是在碼序列獲得捕獲之后，進(jìn)一步調(diào)整本地時(shí)鐘的過(guò)程，目的是使同步誤差盡可能減小，至少保持在一個(gè)碼片范圍之內(nèi)。跟

4、蹤的基本方法是采用一個(gè)超前滯后門(mén)形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)調(diào)節(jié)接收機(jī)的對(duì)下一擴(kuò)頻信號(hào)的采樣時(shí)刻，如圖2所示。VCO時(shí)鐘包絡(luò)解調(diào)ADC時(shí)鐘環(huán)路濾波m圖2 同步跟蹤環(huán)原理圖2中，接收的擴(kuò)頻碼經(jīng)過(guò)滯后門(mén)，與參考m序列的相關(guān)輸出，經(jīng)過(guò)超前門(mén)的相關(guān)輸出，其差用于產(chǎn)生誤差信號(hào)，即有=。圖3給出了這些輸出信號(hào)。當(dāng)>0時(shí)，則對(duì)下一個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)的采樣時(shí)刻需要滯后，反之需要超前。實(shí)際上改變AD初始采樣時(shí)刻比較復(fù)雜，一般的辦法是通過(guò)截取接收信號(hào)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)模擬這一過(guò)程，需要超前采樣時(shí)，只需減小緩沖區(qū)的首地址，否則增加緩沖區(qū)的首地址。圖3超前與滯后相關(guān)器的輸出22載波同步12對(duì)水聲通信來(lái)說(shuō)，多譜勒效應(yīng)的影響是相當(dāng)嚴(yán)

5、重的，由（1）式可知，m序列的多譜勒容限是 (2)相應(yīng)的速度容限是 (3)由圖1可知，多譜勒的影響將導(dǎo)致m序列的相關(guān)峰值輸出急劇下降，但從另一角度看，卻可以利用它對(duì)多譜勒很敏感這一特性，來(lái)搜索多譜勒頻偏，從而獲取正確的相干載頻。為了提高頻率搜索的速度，將頻率搜索分為兩步：第一步，以大步長(zhǎng)搜索；第二步，在第一步確定的粗略頻率周?chē)?，以小步長(zhǎng)搜索。設(shè)通信雙方之間相對(duì)徑向速度最大為m/s，水中聲速為m/s，發(fā)射機(jī)中心頻率Hz，則搜索的最小頻率為： (4)設(shè)頻率粗搜索的步長(zhǎng)為，頻率精搜索的步長(zhǎng)為，一個(gè)擴(kuò)頻碼片時(shí)間寬度為，擴(kuò)頻序列周期為，則擴(kuò)頻信號(hào)的頻率最小分辨率為： (5)于是?。?(6) (7)可見(jiàn)，

6、擴(kuò)頻序列周期越長(zhǎng)，對(duì)多普勒頻移越敏感，搜索步長(zhǎng)越小。設(shè)頻率粗搜索的頻道數(shù)為，則： (8)3.快速算法當(dāng) m序列的長(zhǎng)度越大時(shí)，由(8)式知，頻率搜索的頻道數(shù)越多，而且每次相關(guān)的運(yùn)算量變大，如果采用普通的矢量矩陣相乘，相關(guān)的計(jì)算量近似正比于 ，因此必須采用快速算法。m序列可通過(guò)一定規(guī)則重置，變成哈達(dá)碼矩陣的某一行，序列的相關(guān)運(yùn)算則轉(zhuǎn)變乘哈達(dá)碼矩陣運(yùn)算，稱(chēng)為沃爾什哈達(dá)碼變換34，哈達(dá)碼矩陣是由組成的正交方矩陣，哈達(dá)碼的行是沃爾什函數(shù)，沃爾什函數(shù)是周期為2n的周期離散函數(shù)，它是由形成基集合的拉德馬赫函數(shù)連乘而得。對(duì)于，有n個(gè)周期為N的拉德馬赫函數(shù)。如下所示： (9)選擇任意一組相乘，都可得到N個(gè)不同的

7、沃爾什函數(shù)。為記錄任意沃爾什函數(shù)，存在解析式： (10)設(shè)，即，令(11)為哈達(dá)碼矩陣，為 (12)于是，沃爾什哈達(dá)碼變換和逆變換的向量形式的定義分別如下： (13) (14)沃爾什哈達(dá)碼變換同離散傅里葉變換，也有快速算法，類(lèi)似于FFT，利用快速算法，完成一次變換只需次加減法，沒(méi)有乘法運(yùn)算，比FFT更簡(jiǎn)單、更迅速。4.試驗(yàn)分析擴(kuò)頻信號(hào)表示為 (9)其中P1為用來(lái)做時(shí)間同步和載波同步的m序列，P2是表示信息m序列。發(fā)射信號(hào)包括兩幀，幀長(zhǎng)1.2s，幀結(jié)構(gòu)如圖4，幀頭為100ms的LFM信號(hào)，一幀中通信信號(hào)一共有450個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)。圖4 信號(hào)幀結(jié)構(gòu)同步過(guò)程如下，首先對(duì)LFM信號(hào)做相關(guān)檢測(cè)，實(shí)際上這是一

8、個(gè)同步捕獲的過(guò)程，只不過(guò)不是用前置碼，而用的是LFM信號(hào)，然后對(duì)一個(gè)擴(kuò)頻碼進(jìn)行載波同步，多譜勒搜索，最后需要對(duì)當(dāng)前擴(kuò)頻碼的時(shí)間同步進(jìn)行跟蹤，完成一個(gè)擴(kuò)頻碼同步。對(duì)嵊泗海域采集的通信信號(hào)進(jìn)行處理分析，試驗(yàn)時(shí)兩船處于拋錨狀態(tài)，接收發(fā)射換能器吊放深度為3米，圖5分別為1km、3km、6km某個(gè)擴(kuò)頻碼進(jìn)行載波同步時(shí)，多譜勒搜索獲得的模糊圖，模糊圖的峰值點(diǎn)都落在同一碼片時(shí)刻上，多譜勒頻偏則為該時(shí)刻上最大峰值對(duì)應(yīng)的頻率位置，圖6是在一幀信號(hào)內(nèi)，距離分別為1km、3km、6km每個(gè)擴(kuò)頻碼對(duì)應(yīng)的多譜勒頻偏。(a)1km(b)3km(c)6km圖5 不同距離下多譜勒搜索的模糊圖圖6 搜索獲得的多譜勒頻偏將450

9、個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)分成50個(gè)子幀，每個(gè)子幀有9個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)，包含54bits信息，圖7為同步跟蹤環(huán)在三種距離下對(duì)50幀數(shù)據(jù)誤碼率的影響，在沒(méi)有同步跟蹤環(huán)時(shí)，最后面的幾個(gè)子幀出現(xiàn)誤碼，這是由于多譜勒的時(shí)間壓縮和擴(kuò)展效應(yīng)，隨著子幀數(shù)的累積，最后幾個(gè)子幀的m序列時(shí)間同步偏差將超出一個(gè)碼片的時(shí)間，因此導(dǎo)致誤碼增加，而采用同步跟蹤環(huán)，將可以對(duì)每個(gè)擴(kuò)頻碼的同步限制在一個(gè)碼片時(shí)間范圍之內(nèi)，這個(gè)范圍內(nèi)將不會(huì)對(duì)信息符號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤判決。由于本次試驗(yàn)兩通信船拋錨，接收和發(fā)射換能器相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由風(fēng)浪引起的，所以多譜勒效應(yīng)不大，如果兩通信船都在運(yùn)動(dòng)，則圖的比較將更明顯，在沒(méi)有同步跟蹤環(huán)的情況下，中間的子幀就將發(fā)生誤碼。圖7 同步跟蹤

10、環(huán)對(duì)誤碼的影響5.結(jié)束語(yǔ)m序列擴(kuò)頻通信對(duì)時(shí)間同步和載波同步均有嚴(yán)格的要求，采用前置碼法來(lái)獲得最初始的同步，實(shí)際應(yīng)用中，往往要考慮多譜勒效應(yīng)，接收端和發(fā)射端系統(tǒng)時(shí)鐘的偏差的累積效應(yīng)都會(huì)使后續(xù)的碼序列同步失配，因此同步跟蹤是必須的，多譜勒頻偏使得用作相干解調(diào)的載波與接收信號(hào)的載波失配，對(duì)m序列相關(guān)輸出影響很大。本文針對(duì)m序列模糊特性，提出的時(shí)間同步和載波同步方法，當(dāng)序列為長(zhǎng)序列時(shí)，可用本文提出的快速算法來(lái)減少運(yùn)算量，海試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了同步的準(zhǔn)確性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 R. L. Peterson, R. E. Ziemer, and D. E. Borth, Introduction to Spread Spectrum Communications,Prentice Hall, Inc., 1995.2J. W. Mark and I. F. Blake, “Rapid acquisition techniques in CDMA spr