m序列擴頻通信中同步方法的研究

1、m序列擴頻通信中同步方法的研究熊省軍 張國松 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序列時間同步和載波同步對通信性能影響，提出一種超前門和滯后門來實現(xiàn)同步跟蹤的方法，利用m序列模糊特性，搜索多譜勒頻偏，實現(xiàn)載波同步，為了減少運算量，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、擴頻通信、快速算法5 / 5文檔可自由編輯打印1.引言同步對于通信系統(tǒng)，特別是數(shù)字通信系統(tǒng)來說是一項關(guān)鍵的技術(shù)，其好壞對于通信系統(tǒng)的性能有著決定性的作用。如果同步不好，通信系統(tǒng)的性能就會下降，甚至無法正常工作。在m序列的擴

2、頻通信中，對時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)的處理增益將會下降，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致對信息符號產(chǎn)生錯誤判決。2.m序列擴頻通信中的同步m序列具有偽隨機特性，當(dāng)序列長度N很大時，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：一是時間同步，也即序列同步，本地參考碼序列與接收信號碼序列在時間和相位上對齊；二是載波同步，在相干解調(diào)時獲取相干載波。21時間同步12時間同步過程

3、分兩個步驟，其一是對信號的同步捕獲，其二是對信號的同步跟蹤。捕獲要求速度快，抗干擾能力強，電路簡單、易實現(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。因為用于同步的碼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門的前置碼供同步使用。前置碼一般較短，典型的有barker碼。發(fā)射機在發(fā)送有用信息之前，先發(fā)前置碼，供通信對方的接收機建立同步，接著再發(fā)有用信息。前置碼法可以提高捕獲和同步速度，但因為前置碼不能太長，容易受到噪聲和干擾的影響而產(chǎn)生錯誤捕獲。同步跟蹤也稱細(xì)同步，是在碼序列獲得捕獲之后，進(jìn)一步調(diào)整本地時鐘的過程，目的是使同步誤差盡可能減小，至少保持在一個碼片范圍之內(nèi)。跟

4、蹤的基本方法是采用一個超前滯后門形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，來調(diào)節(jié)接收機的對下一擴頻信號的采樣時刻，如圖2所示。VCO時鐘包絡(luò)解調(diào)ADC時鐘環(huán)路濾波m圖2 同步跟蹤環(huán)原理圖2中，接收的擴頻碼經(jīng)過滯后門，與參考m序列的相關(guān)輸出，經(jīng)過超前門的相關(guān)輸出，其差用于產(chǎn)生誤差信號，即有=。圖3給出了這些輸出信號。當(dāng)>0時，則對下一個擴頻信號的采樣時刻需要滯后，反之需要超前。實際上改變AD初始采樣時刻比較復(fù)雜，一般的辦法是通過截取接收信號的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)來模擬這一過程，需要超前采樣時，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對水聲通信來說，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，卻可以利用它對多譜勒很敏感這一特性，來搜索多譜勒頻偏，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，以大步長搜索；第二步，在第一步確定的粗略頻率周圍，以小步長搜索。設(shè)通信雙方之間相對徑向速度最大為m/s，水中聲速為m/s，發(fā)射機中心頻率Hz，則搜索的最小頻率為： (4)設(shè)頻率粗搜索的步長為，頻率精搜索的步長為，一個擴頻碼片時間寬度為，擴頻序列周期為，則擴頻信號的頻率最小分辨率為： (5)于是?。?(6) (7)可見，

6、擴頻序列周期越長，對多普勒頻移越敏感，搜索步長越小。設(shè)頻率粗搜索的頻道數(shù)為，則： (8)3.快速算法當(dāng) m序列的長度越大時，由(8)式知，頻率搜索的頻道數(shù)越多，而且每次相關(guān)的運算量變大，如果采用普通的矢量矩陣相乘，相關(guān)的計算量近似正比于 ，因此必須采用快速算法。m序列可通過一定規(guī)則重置，變成哈達(dá)碼矩陣的某一行，序列的相關(guān)運算則轉(zhuǎn)變乘哈達(dá)碼矩陣運算，稱為沃爾什哈達(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。對于，有n個周期為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，類似于FFT，利用快速算法，完成一次變換只需次加減法，沒有乘法運算，比FFT更簡單、更迅速。4.試驗分析擴頻信號表示為 (9)其中P1為用來做時間同步和載波同步的m序列，P2是表示信息m序列。發(fā)射信號包括兩幀，幀長1.2s，幀結(jié)構(gòu)如圖4，幀頭為100ms的LFM信號，一幀中通信信號一共有450個擴頻信號。圖4 信號幀結(jié)構(gòu)同步過程如下，首先對LFM信號做相關(guān)檢測，實際上這是一

8、個同步捕獲的過程，只不過不是用前置碼，而用的是LFM信號，然后對一個擴頻碼進(jìn)行載波同步，多譜勒搜索，最后需要對當(dāng)前擴頻碼的時間同步進(jìn)行跟蹤，完成一個擴頻碼同步。對嵊泗海域采集的通信信號進(jìn)行處理分析，試驗時兩船處于拋錨狀態(tài)，接收發(fā)射換能器吊放深度為3米，圖5分別為1km、3km、6km某個擴頻碼進(jìn)行載波同步時，多譜勒搜索獲得的模糊圖，模糊圖的峰值點都落在同一碼片時刻上，多譜勒頻偏則為該時刻上最大峰值對應(yīng)的頻率位置，圖6是在一幀信號內(nèi)，距離分別為1km、3km、6km每個擴頻碼對應(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、個擴頻信號分成50個子幀，每個子幀有9個擴頻符號，包含54bits信息，圖7為同步跟蹤環(huán)在三種距離下對50幀數(shù)據(jù)誤碼率的影響，在沒有同步跟蹤環(huán)時，最后面的幾個子幀出現(xiàn)誤碼，這是由于多譜勒的時間壓縮和擴展效應(yīng)，隨著子幀數(shù)的累積，最后幾個子幀的m序列時間同步偏差將超出一個碼片的時間，因此導(dǎo)致誤碼增加，而采用同步跟蹤環(huán)，將可以對每個擴頻碼的同步限制在一個碼片時間范圍之內(nèi)，這個范圍內(nèi)將不會對信息符號產(chǎn)生錯誤判決。由于本次試驗兩通信船拋錨，接收和發(fā)射換能器相對運動是由風(fēng)浪引起的，所以多譜勒效應(yīng)不大，如果兩通信船都在運動，則圖的比較將更明顯，在沒有同步跟蹤環(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)對誤碼的影響5.結(jié)束語m序列擴頻通信對時間同步和載波同步均有嚴(yán)格的要求，采用前置碼法來獲得最初始的同步，實際應(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)時鐘的偏差的累積效應(yīng)都會使后續(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)的載波與接收信號的載波失配，對m序列相關(guān)輸出影響很大。本文針對m序列模糊特性，提出的時間同步和載波同步方法，當(dāng)序列為長序列時，可用本文提出的快速算法來減少運算量，海試數(shù)據(jù)驗證了同步的準(zhǔn)確性，具有一定的應(yīng)用價值。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