多碼環(huán)架構(gòu)對擴頻捕獲性能的優(yōu)化

保 駿

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在擴頻接收機中,經(jīng)常會使用到PN碼跟蹤環(huán)。由于PN碼跟蹤環(huán)的鑒相特性通常僅能在一個碼元之內(nèi)有效,若采用單Δ環(huán),鑒相特性更是縮減為半個碼元寬度。因此要求PN碼捕獲電路在給出相位信息時,必須根據(jù)碼環(huán)鑒相特性精確到相應(yīng)的碼元寬度范圍內(nèi)。但是,由于捕獲是一個概率事件,在受到接收噪聲、信號頻率動態(tài)變化等客觀條件的影響時,不可能做到100%的捕獲成功概率。同時,由于捕獲電路中沒有鎖相環(huán),因此其本地碼鐘相對發(fā)端碼鐘始終存在一定的偏差和漂移,因此不能保證每次捕獲都能使碼環(huán)被準確復(fù)位到鑒相范圍之內(nèi),根據(jù)測試我們發(fā)現(xiàn)捕獲可能偏差多個碼元寬度[1-2]。

在當前普遍的系統(tǒng)設(shè)計中,往往是單純采用改善捕獲電路性能的方式來進一步提高捕獲的成功概率。這種方式不但增加了捕獲電路的復(fù)雜程度,而且需要依靠資源大量消耗來換取性能改善,代價很大[2,3]。通過試驗分析,我們發(fā)現(xiàn)通過對接收機的碼環(huán)架構(gòu)進行簡單優(yōu)化也可以達到同樣目的,而且無需對捕獲提出苛刻要求。

本文提出的擴頻接收機多碼環(huán)架構(gòu),即是在接收機中采用多個碼環(huán),以增加鑒相特性覆蓋范圍的方式,達到提高系統(tǒng)捕獲性能的目的。

2 接收機碼跟蹤環(huán)及PN碼捕獲原理分析

2.1 接收機碼環(huán)原理分析

在擴頻接收機當中,PN碼跟蹤一般采用非相干延時鎖定環(huán),包括本地PN碼產(chǎn)生器、接收信號與本地PN碼相關(guān)器、誤差提取、環(huán)路濾波、碼鐘DCO等部分。偽碼的捕獲靠PN碼快捕模塊完成PN碼相位的快速搜索,將本地PN碼與接收信號PN碼相位對準到1個碼元之內(nèi),同時將計算得出的碼鐘頻率值預(yù)置到本地碼鐘DDS,此時環(huán)路進入快捕帶,完成鎖定。

對于采用雙Δ鑒相寬度的PN碼環(huán),捕獲范圍寬,容易鎖定;對單Δ環(huán),相位抖動小,測距精度高但難以鎖定,對捕獲精度要求高。雙Δ環(huán)鑒相曲線如圖1所示。利用碼環(huán)時間誤差鑒別特性,本地碼可以鎖定在鑒別曲線的零點,與輸入偽碼相位相同。

圖1 雙Δ環(huán)鑒相特性Fig.1 Double-Δ-loop characteristic of phaese detect

由于PN碼跟蹤環(huán)的鑒相特性僅在半個或一個碼元之內(nèi)有效,因此要求捕獲電路在給出相位信息時,必須根據(jù)碼環(huán)鑒相特性精確到相應(yīng)的碼元寬度范圍內(nèi)[2]。

2.2 PN碼捕獲原理分析

長碼的捕獲過程是一個時間軸和頻域軸同時進行的二維搜索過程,一方面是時間上的不確定性帶來的碼元搜索,另一方面是衛(wèi)星移動產(chǎn)生多普勒頻移引起的對頻率的搜索。對偽碼相位的搜索是利用碼的相關(guān)性通過大量的相關(guān)運算完成的,而對多普勒頻移的搜索往往是將整個多普勒頻率范圍分為許多個頻率槽依次搜索或者并行搜索完成[3,4]。若需要縮短捕獲時間、提高系統(tǒng)捕獲性能,只能通過增加并行搜索路數(shù)的方式實現(xiàn),但這種方式需要成倍地消耗系統(tǒng)資源,并且給設(shè)計帶來更大的難度。

對于二維搜索而言,依次串行搜索時間太長,不能滿足大多數(shù)使用要求,完全并行搜索硬件資源及設(shè)備體積上又不可承受,因此可以利用FFT及IFFT在頻域上完成快速相關(guān)運算過程,并通過采用在頻域上對多普勒頻率的峰值(相關(guān)值)進行門限判決的辦法將二維搜索轉(zhuǎn)化為只有碼元搜索的一維搜索過程。采用此種方案可以在完成相位捕獲的同時得到信號的頻率信息。

在信號檢測中,我們最感興趣的兩個量是單次試驗的檢測概率和虛警概率。有了 p0( y )和p1( y ),可以計算虛警概率、檢測概率和信噪比的關(guān)系。設(shè)虛警概率為Pf,檢測概率為PD,則:

式中,ρ=S/N=CT/N0,由式(1)可知虛警概率、檢測概率僅和信噪比S/N有關(guān),其關(guān)系如圖2所示。

圖2 虛警概率、檢測概率和信噪比的關(guān)系Fig.2 Relationship among S/N,false alarm probability and detection probability

在捕獲電路完成對碼的二維搜索之后,需要將相位和頻率信息通過一定的接口關(guān)系送給接收機的碼跟蹤環(huán)路[5-6]。

3 捕獲與接收機的接口原則及存在的問題

接收機和碼捕獲電路的接口包括碼相位接口和頻率接口兩部分。針對這兩部分的要求為:碼相位信息精度小于等于1個或0.5個碼元寬度;頻率信息精度小于等于碼跟蹤環(huán)路捕獲帶。

在這兩個原則中,頻率信息精度相對較容易達到,本文就不進行分析了,但碼相位信息的精度容易受到多種因素影響而發(fā)生超差[2,7]。

從前述分析可以看出,捕獲是一個概率事件,受到接收噪聲、多普勒頻率動態(tài)、時鐘漂移等客觀條件的影響[8],是不可能完全做到100%的捕獲成功概率的,而且很難保證每次捕獲都能使碼環(huán)被復(fù)位到準確的1個碼元之內(nèi)。

為了驗證捕獲性能的變化,我們在以下條件下進行了試驗:在接收信號頻率加動態(tài)變化條件下,碼元寬度為0.33 μ s,要求當信噪比為8dB時,系統(tǒng)捕獲概率大于60%;信噪比為13dB時,系統(tǒng)捕獲概率大于99%。根據(jù)上述要求在單碼環(huán)接收機中進行試驗。

給定接收信噪比S/N=8dB,捕獲相位精度可能偏差多個碼元寬度,示波器顯示的收發(fā)碼相位關(guān)系如圖3所示,圖中上排脈沖為發(fā)端信號碼初始相位,下排脈沖為碼捕獲電路恢復(fù)的接收信號碼初始相位。在理想情況下,兩者的相對位置應(yīng)當固定。通過示波器的余暉顯示功能記錄了多次捕獲的相位位置,很顯然,捕獲電路不能將每次恢復(fù)的收端相位保持在相對固定的位置上。

圖3 相位捕獲精度(S/N=8dB)Fig.3 Precision of phase acquisition(S/N=8dB)

從圖3可以看出,在此條件下,捕獲相位精度僅能保證在2.36 μ s的時間范圍內(nèi),通過試驗驗證,此時若要達到10-6的虛警概率,捕獲概率不到20%,顯然無法滿足碼環(huán)的精度要求。

保持接收信號頻率動態(tài)變化條件,將信噪比增加5dB之后,捕獲相位精度會明顯好轉(zhuǎn),如圖4所示。碼環(huán)相位精度改善到1.13 μ s之內(nèi),此時若要達到10-6的虛警概率,捕獲概率可以達到90%,但仍然不能滿足系統(tǒng)99%捕獲概率的要求。

圖4 相位捕獲精度(S/N=13dB)Fig.4 Precision of phase acquisition(S/N=13dB)

從圖3和圖4可以看出,捕獲電路提供的相位精度在較為嚴苛的條件下往往不能保證接收機碼環(huán)的要求,從而使系統(tǒng)捕獲性能大幅下降。

下面對采用多碼環(huán)架構(gòu)提高捕獲性能的方式進行分析。

4 碼相位信息誤差的多碼環(huán)解決方案

通過采用多碼環(huán)的構(gòu)架可以較容易地降低接收機對相位信息精度的要求,多碼環(huán)構(gòu)架如圖5所示。

圖5 多碼環(huán)擴頻接收機結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structural block diagram of receiver with multiple code loop

在一般的單碼環(huán)結(jié)構(gòu)擴頻接收機中,圖5中的陰影部分僅由一個碼環(huán)構(gòu)成[9-10];多碼環(huán)結(jié)構(gòu)當中,碼環(huán)的數(shù)量擴展到了4個(根據(jù)需要可以擴展更多),同時增加了“相位信息延遲模塊”和“多碼環(huán)選擇模塊”。相位信息延遲模塊將PN碼捕獲電路送來的相位信息分別對應(yīng)4路碼環(huán)依次延遲4個碼鐘周期,從而保證始終會有一個碼環(huán)接收到正確的相位信息。多碼環(huán)選擇模塊根據(jù)各個碼環(huán)的鎖定情況,選擇出最先鎖定的碼環(huán)作為接收機的碼環(huán)輸出,特別需要注意的是若當前已選擇的碼環(huán)鎖定狀態(tài)不發(fā)生變化就不進行輸出切換。

采用多碼環(huán)接收機,整個接收機的碼環(huán)鑒相特性會按照碼環(huán)的數(shù)量被擴展,如圖6所示,有效鑒相范圍會擴大單個碼環(huán)的4倍,即鑒相范圍被擴大為0.33 μ s×4=1.32 μ s。

圖6 多碼環(huán)擴展鑒相特性Fig.6 Multiple loops characteristic of phaese detection

在此條件下,前述碼捕獲電路即使不做任何修改也可以在13dB的信噪比條件下滿足系統(tǒng)捕獲精度要求。根據(jù)圖3所示的相位精度誤差,若將碼環(huán)數(shù)量擴展到8個,可以不修改捕獲電路而將接收機的靈敏度提高到8dB。

由于接收機采用了多碼環(huán)架構(gòu),那么必須很好地設(shè)計多碼環(huán)選擇算法。此算法的原則是:自動選擇首先鎖定的碼環(huán);失鎖后可以自動切換;選擇正常鎖定的碼環(huán)后,接收機狀態(tài)不受其余碼環(huán)狀態(tài)變化的影響。

根據(jù)以上原則,多碼環(huán)選擇模塊算法流程圖如圖7所示。

此模塊采用Verilog硬件描述語言在FPGA中實現(xiàn)碼環(huán)自動選擇功能。程序運行時根據(jù)“選擇標識”、“通道標識”兩個變量的值自動對碼環(huán)作出正確選擇,程序共需考慮4種情況。

(1)情況1:全部碼環(huán)均失鎖

程序在每一個系統(tǒng)時鐘周期都會進行碼環(huán)鎖定指示的采樣判斷,若全部碼環(huán)均處在失鎖狀態(tài),“選擇標識”、“通道標識”兩個變量保持初始化的0,程序跳轉(zhuǎn)至末尾,選擇缺省碼環(huán)作為選擇輸出,在程序中設(shè)定碼環(huán)A為缺省輸出。

(2)情況2:只有一路碼環(huán)正常鎖定

當程序檢測到其中一路碼環(huán)鎖定之后,“鎖定指示”變量為1,程序根據(jù)各碼環(huán)鎖定狀態(tài)進行通道判斷,根據(jù)鎖定對應(yīng)環(huán)路對“通道標識”變量進行賦值,并將相應(yīng)碼環(huán)作為選擇輸出。

(3)情況3:多路碼環(huán)鎖定

當程序檢測到多路碼環(huán)鎖定之后,“鎖定指示”變量為1,將按照設(shè)定的A、B、C、D優(yōu)先級依次降低的順序進行通道判斷,根據(jù)最早鎖定且優(yōu)先級最高的環(huán)路作為選擇輸出,并根據(jù)選擇結(jié)果對“通道標識”變量進行賦值。在完成選擇之后由于“通道標識”變量已經(jīng)完成對應(yīng)賦值,因此選擇輸出不會受到后鎖定環(huán)路的影響。

(4)情況4:當前選擇碼環(huán)失鎖,其余碼環(huán)正常鎖定

當程序當前選擇的碼環(huán)失鎖,程序會將“選擇標識”清零,重新進行鎖定通道判別,自動按照優(yōu)先級選擇其余正常鎖定的碼環(huán)。

通過對以上4種情況的分析可知,此模塊設(shè)計符合電路需要的選擇原則。

5 試驗驗證結(jié)論

按照本文前述試驗方式,我們對單碼環(huán)接收機和多碼環(huán)接收機在 S/N=8dB的條件下進行了捕獲時間測試,測試結(jié)果如表1所示。

表1 碼環(huán)捕獲時間測試結(jié)果(S/N=8dB)Table 1 Code loop acquisition time(S/N=8dB)

由表1可知,單碼環(huán)接收機、4碼環(huán)接收機和8碼環(huán)接收機的捕獲概率分別為20%、60%和90%,而指標要求為接收機在10 s之內(nèi)的捕獲概率大于90%。

由于捕獲概率需要很大的樣本點支持,我們在試驗中以10次為一組進行了超過100組試驗,限于文章篇幅,此處僅選取較有代表性的3組試驗結(jié)果。對所有數(shù)據(jù)進行計算統(tǒng)計,若需要達到10-6的虛警概率,在8dB、13dB、15dB的信噪比條件下,測試結(jié)果如表2所示。

表2 各類碼環(huán)捕獲概率Table 2 Acquisition probability of three code loops

從測試結(jié)果可以看出,采用多碼環(huán)架構(gòu)的接收機可以在相同的條件下較大提高捕獲性能。

6 結(jié)束語

本文對擴頻接收機中碼捕獲電路原理、碼跟蹤環(huán)原理及兩者之間的接口關(guān)系進行了分析,提出了一種可以降低碼捕獲電路精度要求但不影響系統(tǒng)性能的多碼環(huán)架構(gòu)設(shè)計方法,并通過硬件電路的實現(xiàn)驗證了這種設(shè)計方案的合理性和可行性。這種設(shè)計方法具有簡化捕獲電路設(shè)計,降低捕獲電路的要求,增強接收機在低信噪比、時鐘漂移等情況下的適應(yīng)性的優(yōu)點,具有較高的工程應(yīng)用價值。但由于使用了多碼環(huán)選擇,需要增加自動選擇算法,在后續(xù)工作中可以對碼環(huán)的復(fù)用方式進行考慮。

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