王杰英 張永鑫 李 軍

（1.92330部隊(duì) 青島 266102）（2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

由于擴(kuò)頻通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲概率低、多址性好和距離分辨率高等特點(diǎn)，近年來(lái)成為軍事領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1～3]。在高動(dòng)態(tài)、低信噪比環(huán)境下的突發(fā)通信中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)一幀突發(fā)信號(hào)的正確解調(diào)，要在解擴(kuò)出符號(hào)數(shù)據(jù)后，在規(guī)定的導(dǎo)頻序列長(zhǎng)度內(nèi)通過(guò)有限次調(diào)整完成載波同步，否則將造成后續(xù)用戶(hù)數(shù)據(jù)的丟失，導(dǎo)致解調(diào)失敗。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路和高速信號(hào)處理器高效的處理能力和處理速度也為實(shí)現(xiàn)猝發(fā)式直擴(kuò)信號(hào)載波同步技術(shù)提供了良好的硬件平臺(tái)[4]。通過(guò)對(duì)載波同步捕獲技術(shù)的研究，采用快速數(shù)字捕獲和基于FFT輔助的科斯塔斯（Costas）載波跟蹤算法，僅需有限次調(diào)整就可以完成載波同步?？焖佥d波同步設(shè)計(jì)采用ALTERA公司的StratixⅡ系列FPGA技術(shù)對(duì)載波同步方案進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。

2 快速載波同步設(shè)計(jì)

在短時(shí)猝發(fā)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中幀前導(dǎo)字長(zhǎng)度有限，且為提高擴(kuò)頻增益，猝發(fā)信號(hào)被高速長(zhǎng)擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻調(diào)制后，在極短時(shí)間內(nèi)以猝發(fā)形式被高速發(fā)送，對(duì)序列載波同步提出了更高的要求[5～6]。由于解擴(kuò)前系統(tǒng)的載噪比很低，并且偽碼同步對(duì)頻偏敏感，因此偽碼捕獲必須以載波捕獲為基礎(chǔ)，偽碼捕獲伴隨著載波捕獲完成。當(dāng)載波偏差較大時(shí)（超過(guò)符號(hào)速率的1／2），同步參數(shù)的直接參數(shù)估計(jì)主要針對(duì)載波頻差，將估計(jì)得到的頻差值預(yù)置到以符號(hào)率工作的鎖相環(huán)中來(lái)跟蹤載波相位以及很小的載波偏差抖動(dòng)。而剩余的定時(shí)誤差即偽碼相差的糾正可以通過(guò)遲與門(mén)結(jié)構(gòu)的延遲鎖定環(huán)來(lái)是實(shí)現(xiàn)。

猝發(fā)式直擴(kuò)接收機(jī)信號(hào)捕獲和載波跟蹤兩部分可以在FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，通常是在猝發(fā)幀的導(dǎo)頻符字段內(nèi)，用開(kāi)環(huán)參數(shù)估計(jì)技術(shù)直接估計(jì)出待估參數(shù)的大致范圍，此步驟稱(chēng)為同步參數(shù)的捕獲或粗估計(jì)。被估計(jì)出的同步參數(shù)預(yù)置入鎖相環(huán)中，利用鎖相環(huán)對(duì)同步參數(shù)進(jìn)行精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤，此步驟被稱(chēng)為同步參數(shù)的跟蹤或精估計(jì)。該系統(tǒng)既能滿(mǎn)足快速捕獲載波頻率的要求又能實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的精確跟蹤，如圖1所示。

圖1 載波同步組成框圖

3 信號(hào)快速捕獲技術(shù)

在猝發(fā)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中設(shè)計(jì)基于前導(dǎo)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步[7]，導(dǎo)頻符號(hào)長(zhǎng)度預(yù)設(shè)200個(gè)左右。系統(tǒng)信號(hào)捕獲采用擴(kuò)頻碼分別對(duì)I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)，將解擴(kuò)數(shù)據(jù)求平方和作為捕獲判決量。

信號(hào)捕獲過(guò)程，即頻率捕獲和偽碼捕獲都在導(dǎo)頻符長(zhǎng)度內(nèi)完成。信號(hào)捕獲以相關(guān)峰值作為捕獲檢測(cè)標(biāo)志，根據(jù)捕獲時(shí)間的限制和硬件規(guī)模的要求，先用恰當(dāng)?shù)念l偏估計(jì)方法將多普勒頻偏減小到合適的頻差范圍以?xún)?nèi)而實(shí)現(xiàn)頻率粗捕，為后續(xù)載波同步模塊進(jìn)一步對(duì)頻偏進(jìn)行精捕和相位跟蹤減輕實(shí)現(xiàn)壓力；同時(shí)頻差的減小降低了其對(duì)捕獲檢測(cè)量造成的衰減，再以一定的偽碼相位搜索步進(jìn)可使定時(shí)偏差減小到一個(gè)碼片寬度以?xún)?nèi)而實(shí)現(xiàn)偽碼捕獲。系統(tǒng)采用對(duì)調(diào)制數(shù)據(jù)和初始載波相位都不敏感的平方和檢測(cè)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 平方和檢測(cè)結(jié)構(gòu)框圖

4 載波跟蹤技術(shù)

猝發(fā)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中采用QPSK調(diào)制方式，并且工作在負(fù)信噪比環(huán)境中。這樣，Costas環(huán)對(duì)于載波頻率偏移的跟蹤具有一定的局限性[8～10]，而如果通過(guò)增加環(huán)路的噪聲帶寬來(lái)獲得對(duì)大頻偏的跟蹤能力，那么其跟蹤精度又不能滿(mǎn)足系統(tǒng)性能的要求，并且Costas環(huán)的捕獲時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng)。這樣Costas環(huán)對(duì)于載波頻率偏移的跟蹤不適合猝發(fā)式擴(kuò)頻通信的動(dòng)態(tài)要求。因此，采用FFT＋Costas基于數(shù)據(jù)輔助的載波跟蹤算法。FFT＋Costas跟蹤算法在低信噪比條件下，通過(guò)開(kāi)銷(xiāo)一定數(shù)目的導(dǎo)頻符號(hào)，能快速地對(duì)信號(hào)捕獲后殘余的較大頻差進(jìn)行精捕，使之滿(mǎn)足Costas環(huán)快捕帶寬要求，而后啟動(dòng)Costas環(huán)對(duì)載波相位進(jìn)行穩(wěn)態(tài)跟蹤。

FFT＋Costas基于數(shù)據(jù)輔助的載波跟蹤算法首先用FFT實(shí)時(shí)計(jì)算偏差信號(hào)的頻譜，然后把計(jì)算出的頻譜的峰值頻率作為所查找的信號(hào)頻率的最佳估值，通過(guò)計(jì)算出的接收信號(hào)載波與參考載波的頻差，調(diào)整載波VCO，閉合Costas環(huán)。在調(diào)整過(guò)程中，如果環(huán)路鎖定檢測(cè)器檢測(cè)出Costas環(huán)并未進(jìn)入鎖定，則斷開(kāi)Costas環(huán)，重新進(jìn)行FFT變換，捕獲信號(hào)頻率；如果環(huán)路鎖定檢測(cè)器檢測(cè)出Costas環(huán)處于鎖定狀態(tài)，則進(jìn)行載波的相位捕獲和相位跟蹤。如圖3所示。

圖3 FFT＋Costas載波跟蹤框圖

對(duì)FFT＋Costas跟蹤算法進(jìn)行仿真，顯示了對(duì)信號(hào)的頻率變化率成分進(jìn)行校正后跟蹤誤差變得更小且跟蹤精度更高。加入FFT變換后達(dá)到的跟蹤精度更高且跟蹤速度更快，0.2s的跟蹤情況顯示最后的跟蹤誤差在4Hz以?xún)?nèi)，如圖4（a）所示；而未加入FFT變換在0.25s的跟蹤情況顯示跟蹤誤差為40Hz左右，如圖4（b）所示。

圖4 鎖頻鎖相跟蹤誤差

5 結(jié)語(yǔ)

采用快速數(shù)字捕獲算法可以快速對(duì)接收信號(hào)的載波頻率和偽碼相位進(jìn)行二維聯(lián)合捕獲，再通過(guò)基于FFT的Costas環(huán)載波相位跟蹤算法實(shí)現(xiàn)頻率精捕，并對(duì)載波相位進(jìn)行穩(wěn)態(tài)跟蹤，使本地載波頻率和相位與接收信號(hào)的頻率和相位實(shí)現(xiàn)精確同步。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用基于ALTERA公司StratixⅡ系列中的FPGA硬件電路來(lái)完成，該電路具有占用的硬件資源少、功耗低、捕獲時(shí)間短和精度高等優(yōu)點(diǎn)。

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