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格，只有在m序列完全同步的基礎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，更嚴重的是導致對信息符號產(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。同步跟蹤也稱細同步，是在碼序列獲得捕獲之后，進一步調(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>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，多譜勒效應的影響是相當嚴

5、重的，由（1）式可知，m序列的多譜勒容限是 (2)相應的速度容限是 (3)由圖1可知，多譜勒的影響將導致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)于是取： (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。設頻率粗搜索的頻道數(shù)為，則： (8)3.快速算法當 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，變成哈達碼矩陣的某一行，序列的相關(guān)運算則轉(zhuǎn)變乘哈達碼矩陣運算，稱為沃爾什哈達碼變換34，哈達碼矩陣是由組成的正交方矩陣，哈達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，即，令(11)為哈達碼矩陣，為 (12)于是，沃爾什哈達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行載波同步，多譜勒搜索，最后需要對當前擴頻碼的時間同步進行跟蹤，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，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浪引起的，所以多譜勒效應不大，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格的要求，采用前置碼法來獲得最初始的同步，實際應用中，往往要考慮多譜勒效應，接收端和發(fā)射端系統(tǒng)時鐘的偏差的累積效應都會使后續(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)驗證了同步的準確性，具有一定的應用價值。參考文獻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