董國(guó)英, 芮正雄, 葛志閃, 徐 逸, 周波華, 康美玲

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109;3.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

0 引言

天基信息系統(tǒng)以及天地一體化網(wǎng)絡(luò)信息體系的建設(shè),促進(jìn)了高、低軌道飛行器之間高動(dòng)態(tài)超遠(yuǎn)距通信技術(shù)的發(fā)展。飛行器之間通信距離遠(yuǎn)、信號(hào)衰減大且功率資源受限,因此通信系統(tǒng)具有通信速率低、接收信號(hào)弱的特性。飛行器之間較高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和加速度,以及較高的通信載頻,會(huì)產(chǎn)生較大的多普勒頻率和多普勒頻率變化率,這就要求通信系統(tǒng)具有高動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力。因此通信接收設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下微弱信號(hào)的快速捕獲。

針對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率和相位變化快的問題,頻域并行碼相位搜索法[1-2]和頻域并行頻率快速傅里葉變換(FFT)搜索法[3-5]分別采用并行碼相位搜索和并行頻率搜索,將碼相位和頻率的二維搜索降低為一維搜索,并行捕獲算法的捕獲速度得到很大提升。但在高動(dòng)態(tài)低速率情況下存在的累積增益低、捕獲靈敏度低的問題并沒有得到有效解決。

本文提出了一種動(dòng)態(tài)碼序列匹配捕獲方法,在本地產(chǎn)生按照相同規(guī)律變化的動(dòng)態(tài)匹配序列,實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)和本地序列的匹配濾波,并進(jìn)行多比特非相干累積,提高接收設(shè)備的捕獲靈敏度。

1 多比特累積動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法

1.1 非相干累積捕獲算法

為了實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)環(huán)境下的信號(hào)捕獲,相干累積、非相干累積以及差分相干累積等方法相繼被應(yīng)用[6-7]。由于存在比特跳變,相干累積方法的累積時(shí)間受到限制,而差分相干累積方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,因此典型的高靈敏度捕獲技術(shù)通常是采用非相干累積方法獲得處理增益的。

實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲時(shí),在本地生成對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列,與下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,相關(guān)處理后的基帶信號(hào)可表示為[8]

式中:tn表示采樣時(shí)間序列;A為信號(hào)幅度;D(tn)表示取值為±1的基帶數(shù)據(jù);R(·)為擴(kuò)頻序列的自相關(guān)函數(shù);Δτ為本地復(fù)制擴(kuò)頻序列與接收擴(kuò)頻序列的碼相位偏差;sinc(·)為辛格函數(shù);ΔωD為本地復(fù)制信號(hào)與接收信號(hào)的多普勒頻差;φ為載波的初始相位;w(tn)為相關(guān)運(yùn)算后的噪聲。當(dāng)Δτ和ΔωD等于0時(shí),z(tn)取得最大值。

非相干累積是指去除信號(hào)的相位信息,僅對(duì)信號(hào)的幅度信息進(jìn)行累積。處理方法是將相關(guān)處理后基帶信號(hào)z(tn)的同相分量zI(tn)和正交分量zQ(tn)求平方和后再累加。信號(hào)非相干累積檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量P(tn)表達(dá)式為[6]

式中:M為非相干累積的次數(shù)。可以看出,非相干累積在求平方過程中消除了比特跳變的影響,對(duì)多普勒頻差ΔωD的容忍度也較高。

1.2 大多普勒對(duì)非相干累積的影響

在高動(dòng)態(tài)低速率通信環(huán)境下,一方面高動(dòng)態(tài)信號(hào)的多普勒頻率和碼速率的變化較大,也就是信號(hào)的頻率特性和碼相位特性變化快;另一方面為了提高擴(kuò)頻序列捕獲靈敏度,采用多比特非相干累積,導(dǎo)致低速率數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)周期變長(zhǎng)。因此在進(jìn)行高動(dòng)態(tài)低速率信號(hào)捕獲時(shí),多比特累積的后幾個(gè)比特較前幾個(gè)比特的頻率特性和碼相位特性已經(jīng)發(fā)生變化。Δτ,ΔωD增大,使自相關(guān)損耗R(Δτ)變大。多比特分別相關(guān)后的相關(guān)峰發(fā)生偏移,導(dǎo)致非相干累積增益減小,捕獲靈敏度降低。多比特累積碼相位變化情況如圖1所示。

圖1 多比特累積碼相位特性變化示意圖

1.3 動(dòng)態(tài)碼序列匹配捕獲方法

采用動(dòng)態(tài)碼序列匹配技術(shù),參與匹配的本地碼序列不再是一個(gè)靜態(tài)的擴(kuò)頻碼序列,而是一個(gè)和接收信號(hào)具有相同多普勒頻率特性的動(dòng)態(tài)碼序列。當(dāng)接收信號(hào)多普勒特性隨著運(yùn)動(dòng)特性實(shí)時(shí)變化時(shí),本地匹配序列具有相同的變化特性。采樣時(shí)刻tn接收信號(hào)瞬時(shí)多普勒頻率表達(dá)式為

本地?cái)U(kuò)頻碼具有相同的多普勒頻率動(dòng)態(tài)特性,則采樣時(shí)刻瞬時(shí)擴(kuò)頻碼速率計(jì)算公式為

式中:fCA為初始擴(kuò)頻碼速率;fc為載波頻率?？梢钥闯?動(dòng)態(tài)條件下擴(kuò)頻碼速率是一個(gè)按照信號(hào)多普勒頻率動(dòng)態(tài)特性變化的量。

在信號(hào)捕獲過程中,進(jìn)行擴(kuò)頻序列的匹配相關(guān)和多比特非相干累積時(shí),本地?cái)U(kuò)頻序列的速率按照式(4)生成。多比特非相干累積時(shí),本地?cái)U(kuò)頻序列和接收信號(hào)間的Δτ和ΔωD幾乎為零,自相關(guān)損耗小,對(duì)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行多比特非相干累積,捕獲靈敏度提高。動(dòng)態(tài)碼序列匹配情況如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)碼序列匹配示意圖

2 動(dòng)態(tài)碼序列匹配硬件實(shí)現(xiàn)

對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行采樣,并將多比特采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中。利用RAM的緩存作用,運(yùn)算可以在比較高的時(shí)鐘域進(jìn)行,從而縮短捕獲時(shí)間。動(dòng)態(tài)碼序列匹配捕獲方法的快速實(shí)現(xiàn)是基于FPGA平臺(tái),采用流水線處理的形式進(jìn)行的。以多普勒頻率為正偏移、累積16 bit為例,進(jìn)行處理時(shí)序設(shè)計(jì),常規(guī)處理和動(dòng)態(tài)碼序列匹配處理時(shí)序如圖3所示。從圖中可以看出:采用常規(guī)處理方法,第16 bit對(duì)應(yīng)擴(kuò)頻序列的碼相位已經(jīng)產(chǎn)生2個(gè)樣點(diǎn)的位移;而采用動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法可以保證生成的本地序列產(chǎn)生相同的位移,從而實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)和本地?cái)U(kuò)頻序列的相位匹配。

圖3 常規(guī)處理和動(dòng)態(tài)碼序列匹配處理時(shí)序圖

綜上所述,本方法通過對(duì)每比特采樣點(diǎn)數(shù)及本地?cái)U(kuò)頻碼生成進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),采用常規(guī)處理的硬件和軟件架構(gòu),可在硬件資源消耗量不變的前提下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)碼序列匹配。

3 仿真性能分析

3.1 多普勒對(duì)非相干累積的影響

以16 bit數(shù)據(jù)的非相干累積為例,驗(yàn)證信號(hào)多普勒特性對(duì)非相干累積性能的影響。仿真條件為:通信速率4 kbps,擴(kuò)頻碼速率10.23 Mcps,擴(kuò)頻碼周期長(zhǎng)度1 023,多普勒頻率80 k Hz,多普勒頻率變化率2.5 k Hz/s,采樣率40.92 MHz。

采用常規(guī)處理方法進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,在信噪比(Eb/N0)為7 dB條件下,多個(gè)比特累積運(yùn)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,由于信號(hào)多普勒特性,多比特累積運(yùn)算后相關(guān)峰位置發(fā)生偏移。

圖4 常規(guī)處理方法的多比特非相干累積增益

在Eb/N0為7 dB條件下,分別采用常規(guī)處理方法和動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法進(jìn)行多比特非相干累積,結(jié)果如圖5所示。

圖5 常規(guī)處理和動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法非相干累積增益

從圖5中可以看出,常規(guī)處理方法相關(guān)峰主瓣被展寬,相關(guān)峰位置發(fā)生偏移;動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法處理后峰均比性能較好,非相干累積增益顯著提高。

3.2 動(dòng)態(tài)信號(hào)的捕獲性能

設(shè)多普勒頻率64 520 Hz,多普勒頻率變化率2.5 k Hz/s,碼位移625 chip。采用8 bit非相干累積,Eb/N0為5 d B時(shí),動(dòng)態(tài)信號(hào)捕獲性能如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)信號(hào)捕獲性能

從圖6中可以看出,在4倍采樣條件下,搜索到的相關(guān)峰主瓣在2 500樣點(diǎn)位置,對(duì)應(yīng)碼位移是625 chip,即正確捕獲到碼位移。搜索算法中頻率搜索步長(zhǎng)為500 Hz,本例中捕獲到的多普勒頻率為64 500 Hz,即正確捕獲到多普勒頻率?？芍?在大多普勒頻率、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,當(dāng)Eb/N0為5 dB時(shí),動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法依然可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率和碼相位的準(zhǔn)確捕獲。

3.3 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)的捕獲性能比較

將靜態(tài)信號(hào)和動(dòng)態(tài)信號(hào)的捕獲性能進(jìn)行比較。設(shè)靜態(tài)信號(hào)的多普勒頻率和多普勒變化率均為0,動(dòng)態(tài)信號(hào)多普勒頻率為80 k Hz,多普勒頻率變化率為2.5 k Hz/s。分別進(jìn)行200次捕獲仿真并統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)的捕獲性能見表1。

表1 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)捕獲性能比較

從表1中可以看出,靜態(tài)信號(hào)在Eb/N0為5.7 d B時(shí),捕獲概率可以達(dá)到99%;高動(dòng)態(tài)信號(hào)采用動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法進(jìn)行捕獲,在信噪比Eb/N0為6.1 d B時(shí)捕獲概率可以達(dá)到99%,動(dòng)態(tài)信號(hào)捕獲靈敏度性能損失0.4 dB。因此采用動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法捕獲靈敏度性能損失可以控制在較小范圍內(nèi),能夠滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

針對(duì)常規(guī)擴(kuò)頻系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)微弱信號(hào)捕獲靈敏度低的問題,提出一種動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法。在本地產(chǎn)生具有相同動(dòng)態(tài)多普勒頻率和多普勒頻率變化率特性的載頻和擴(kuò)頻碼序列,對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行混頻,并對(duì)混頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行碼序列匹配,將匹配結(jié)果進(jìn)行多次非相干累積,提高接收設(shè)備的捕獲靈敏度。在消耗硬件資源不變的前提下,動(dòng)態(tài)碼序列匹配方法解決了高動(dòng)態(tài)信號(hào)多比特累積時(shí)前后比特間頻率和相位特性發(fā)生變化導(dǎo)致的累積增益降低的問題,且可以兼容原有的軟件架構(gòu),因此特別適用于高速超遠(yuǎn)距通信系統(tǒng)。