DSSS系統(tǒng)中偽碼防錯(cuò)鎖技術(shù)分析

周 侃

(1.西安電子科技大學(xué)，陜西西安 710071)

(2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

擴(kuò)頻技術(shù)具有抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)、信息信號(hào)隱蔽、任意選址以及易于組網(wǎng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾年來(lái)在世界各國(guó)的通信、導(dǎo)航領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

在測(cè)控領(lǐng)域，擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)被廣泛采用，一方面，偽碼用作擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)的隱蔽性和抗干擾能力;另一方面，偽碼用作地址碼，實(shí)現(xiàn)單站多星、單星多站和多星多站情況下的目標(biāo)區(qū)分，以及實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、測(cè)量和遙控信號(hào)的區(qū)別接收;同時(shí)，偽碼還可以用作測(cè)距碼實(shí)現(xiàn)的距離測(cè)量;但是，擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)在工作中如果發(fā)生偽碼的錯(cuò)鎖將會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很多的危害，如誤碼率提高和測(cè)距結(jié)果錯(cuò)誤等。

1 偽碼錯(cuò)鎖的原因

在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中，m序列和Gold碼是常用的偽碼。m序列具有優(yōu)良的自相關(guān)特性，但是由m序列組成的互相關(guān)特性好的互為優(yōu)選的序列集很小。所以，由于多址的需要，測(cè)控系統(tǒng)中最常用的偽碼是Gold碼。Gold碼錯(cuò)鎖的現(xiàn)象大致可以分為2類:

①瞬間的錯(cuò)鎖，系統(tǒng)在錯(cuò)鎖后可以在較短時(shí)間內(nèi)失鎖，從而重新進(jìn)入捕獲過(guò)程;

②穩(wěn)定的錯(cuò)鎖，系統(tǒng)在錯(cuò)鎖后可以維持穩(wěn)定的跟蹤，很難進(jìn)入重新捕獲過(guò)程。

瞬間錯(cuò)鎖一般是由于在噪聲環(huán)境下的虛警引起的，Tang檢測(cè)器可以大大降低噪聲情況下的虛警概率。

穩(wěn)定的錯(cuò)鎖產(chǎn)生原因大致可以分為2種:①由于偽碼的自相關(guān)特性;②由于偽碼的互相關(guān)特性(多址干擾)。在2個(gè)同族Gold碼已經(jīng)具有符號(hào)位同步時(shí)，Gold碼具有三值互相關(guān)函數(shù)R(t)為:

當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，Gold碼族中約有50%的碼序列有很低的互相關(guān)函數(shù)值－1;n為偶數(shù)但不是4的整倍數(shù)時(shí)，約有75%的碼序列有很低的互相關(guān)函數(shù)值－1。Gold碼的自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)函數(shù)一樣，取3值，只是出現(xiàn)的位置不同。圖1分別給出了碼長(zhǎng)為1023的Gold碼的自相關(guān)函數(shù)圖形和互相關(guān)函數(shù)圖形?？梢钥闯?，對(duì)于碼長(zhǎng)為1023的Gold碼，自相關(guān)主瓣為1023，旁瓣取值有－1、－65和63，這3種情況，最大的旁瓣功率較主瓣低23.9 dB(20lg=23.9)。2個(gè)同族Gold碼的互相關(guān)取值也有 －1、－65和63這3種情況。

圖1 1023碼長(zhǎng)GOLD碼的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)

由于自相關(guān)旁瓣穩(wěn)定存在，所以在信噪比高的情況下，噪聲電平不能淹沒(méi)Gold碼的自相關(guān)旁瓣電平，很可能錯(cuò)誤的鎖定跟蹤在自身Gold的旁瓣上。例如:假設(shè)選用1023碼長(zhǎng)的Gold碼，當(dāng)信號(hào)功率與噪聲譜密度之比S/Φ為65 dBHz時(shí)，如果信號(hào)的分析帶寬B=1 kHz，則主瓣信號(hào)的檢測(cè)信噪比S/N=35 dB(65－10lg1000=35)，旁瓣信號(hào)的檢測(cè)信噪比也可以達(dá)到11 dB(35－23.9≈11)。這樣高的旁瓣信噪比完全可以實(shí)現(xiàn)旁瓣的高概率檢測(cè)和穩(wěn)定跟蹤。

對(duì)于多用戶環(huán)境，如果其他用戶信號(hào)(干擾)電平和自身信號(hào)電平相當(dāng)，那么和自相關(guān)旁瓣一樣，在較高信噪比情況下，較高的互相關(guān)值也會(huì)導(dǎo)致Gold碼的錯(cuò)誤鎖定和跟蹤。當(dāng)干擾電平比用戶有用信號(hào)電平高很多時(shí)，如對(duì)于碼長(zhǎng)1023的Gold碼，干擾電平比有用信號(hào)電平高24 dB時(shí)，干擾信號(hào)產(chǎn)生的互相關(guān)值和用戶信號(hào)自相關(guān)值相當(dāng)，產(chǎn)生錯(cuò)鎖的幾率更高。

2 偽碼錯(cuò)鎖產(chǎn)生的影響

2.1 錯(cuò)鎖在自身Gold碼的旁瓣

如果錯(cuò)鎖在自身Gold碼的旁瓣上，則可能會(huì)出現(xiàn)以下影響:

①可以實(shí)現(xiàn)位同步和幀同步，但是由于解擴(kuò)增益降低，導(dǎo)致比特檢測(cè)信噪比降低，從而造成誤碼率增加;

②應(yīng)用偽碼測(cè)距的場(chǎng)合，不論地面設(shè)備鎖定在錯(cuò)誤的偽碼相位上還是應(yīng)答機(jī)鎖定在錯(cuò)誤的偽碼相位上，均會(huì)導(dǎo)致距離值錯(cuò)誤。如果地面設(shè)備重新進(jìn)行偽碼捕獲后，距離值正確，則錯(cuò)鎖發(fā)生在地面設(shè)備;如果地面設(shè)備多次重捕后距離值仍不正常，則可以重新發(fā)射上行信號(hào)，迫使應(yīng)答機(jī)進(jìn)行偽碼的重新捕獲，如果應(yīng)答機(jī)重捕后，距離值正常，則可以斷定應(yīng)答機(jī)發(fā)生了錯(cuò)鎖。

2.2 錯(cuò)鎖在其他用戶的Gold碼

如果錯(cuò)鎖在其他用戶的Gold碼上，則可能會(huì)出現(xiàn)以下影響:

①由于2個(gè)擴(kuò)頻碼調(diào)制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)速率、幀同步字和幀長(zhǎng)的不盡相同，導(dǎo)致在偽碼和載波鎖定后無(wú)法完成位同步和幀同步，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào);

②對(duì)于利用偽碼進(jìn)行測(cè)距的場(chǎng)合，不論是地面設(shè)備還是應(yīng)答機(jī)錯(cuò)鎖在了其他用戶的Gold碼上，均會(huì)導(dǎo)致距離值錯(cuò)誤。也有的設(shè)備要求數(shù)據(jù)解調(diào)完成后才會(huì)有距離值輸出，那么這種情況下就不會(huì)有距離值輸出。這時(shí)，在接收到的己方信號(hào)功率和其他用戶功率大小相當(dāng)?shù)那闆r下，可人為地強(qiáng)制地面設(shè)備或應(yīng)答機(jī)設(shè)備重新進(jìn)行捕獲。當(dāng)其他用戶功率遠(yuǎn)強(qiáng)于己方信號(hào)功率的情況下，應(yīng)提高己方信號(hào)的發(fā)射功率。

3 預(yù)防偽碼錯(cuò)鎖的措施

3.1 改進(jìn)偽碼的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性

由以上分析可以看出:對(duì)于單個(gè)偽碼系統(tǒng)，采用完全正交的地址碼(如m序列)可以抑制偽碼錯(cuò)鎖;對(duì)于碼分多址系統(tǒng)，采用完全正交的地址碼可以真正抑制多址干擾的影響。然而，在實(shí)際中幾乎不可以找到完全正交的地址碼，或者說(shuō)數(shù)量太少了?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)傳統(tǒng)地址碼的性能進(jìn)行改進(jìn)來(lái)提高其互相關(guān)性能。例如采用改進(jìn)型Walsh+GMW正交碼，或采用基于互補(bǔ)序列的周期互補(bǔ)序列;另外，如圖2所示，隨著Gold碼偽碼周期的增長(zhǎng)，自相關(guān)旁瓣、互相關(guān)電平與自相關(guān)主瓣的差會(huì)越來(lái)越大。所以，選用較長(zhǎng)的Gold碼對(duì)防止錯(cuò)鎖也可以起到一定的作用。

圖2 自相關(guān)主瓣功率與旁瓣功率的比值關(guān)系曲線

3.2 功率控制技術(shù)

由上述分析知:由于不同Gold碼之間的互相性，碼分多址多用戶環(huán)境也是引起偽碼錯(cuò)鎖的原因之一。對(duì)于碼分多址環(huán)境下的偽碼防錯(cuò)鎖，通常采用的方法有多用戶檢測(cè)技術(shù)和功率控制技術(shù)。由于多用戶檢測(cè)技術(shù)一般需要知道除自己擴(kuò)頻碼之外的干擾碼的碼參數(shù)，而且隨著多址用戶數(shù)量的增多，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變得極為復(fù)雜。所以，采用功率控制技術(shù)是多用戶擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)防止偽碼錯(cuò)鎖、提高數(shù)據(jù)傳輸正確率的一項(xiàng)重要技術(shù)。

功率控制技術(shù)是根據(jù)接收系統(tǒng)接收到的信號(hào)能量從而調(diào)整發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射功率，一方面保證己方系統(tǒng)以盡可能小的發(fā)射功率獲得所需的信號(hào)質(zhì)量;另一方面又要求避免對(duì)其他用戶信號(hào)產(chǎn)生不必要的干擾。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，功率控制技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并由此衍生了很多具體實(shí)施方法，如前向功率控制技術(shù)和后向功率控制技術(shù)、開(kāi)環(huán)功率控制技術(shù)和閉環(huán)功率控制技術(shù)、集中式功率控制技術(shù)和分布式功率控制技術(shù)等等。

在測(cè)控領(lǐng)域，由于多址用戶較少，而且在空域上分布比較分散，多址問(wèn)題還不是很突出，所以對(duì)功率控制問(wèn)題沒(méi)有引起足夠的重視。擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)的組成框圖如圖3所示。一般來(lái)說(shuō)，地面測(cè)控站可以很方便地調(diào)整上行信號(hào)發(fā)射功率，但是對(duì)于擴(kuò)頻測(cè)控應(yīng)答機(jī)來(lái)說(shuō)，由于設(shè)備體積的限制，基本不具備調(diào)整其發(fā)射信號(hào)功率的功能。所以，對(duì)于擴(kuò)頻測(cè)控設(shè)備來(lái)說(shuō)，為了保證系統(tǒng)的正常工作，可以通過(guò)調(diào)整地面測(cè)控設(shè)備的發(fā)射功率來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖3 DSSS系統(tǒng)組成

應(yīng)答機(jī)一般會(huì)檢測(cè)其接收信號(hào)的信噪比，并將信噪比信息、應(yīng)答機(jī)的鎖定信息下傳給地面測(cè)控站;如果應(yīng)答機(jī)鎖定，也會(huì)將其獲得的測(cè)量信息傳輸給地面測(cè)控站。根據(jù)這些信息，地面測(cè)控站可以基本判斷應(yīng)答機(jī)的工作狀態(tài)，如表1所示。

表1 由應(yīng)答機(jī)信息判斷其工作狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)鎖定而測(cè)量信息(如多普勒頻率信息)不正常時(shí)，不論應(yīng)答機(jī)檢測(cè)得到的信號(hào)信噪比是高還是低，系統(tǒng)很可能是發(fā)生了錯(cuò)鎖，此時(shí)，如果有其他用戶也在作用范圍內(nèi)，可以試著增大地面發(fā)射功率;如果是錯(cuò)鎖在了Gold碼自身的旁瓣上，也可以先斷掉信號(hào)，強(qiáng)制應(yīng)答機(jī)失鎖，然后再重新發(fā)射信號(hào)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，曾多次利用“中斷發(fā)射信號(hào)——重新發(fā)射信號(hào)”的方法強(qiáng)制應(yīng)答機(jī)由錯(cuò)鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)入重新捕獲狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此外，如果應(yīng)答機(jī)檢測(cè)信號(hào)的信噪比較低并且無(wú)法入鎖，也可以試著加大發(fā)射信號(hào)功率，當(dāng)然，這也可能是其他鏈路因素導(dǎo)致的，應(yīng)綜合設(shè)備的其他狀態(tài)具體分析問(wèn)題，進(jìn)而采取正確的措施。

3.3 改進(jìn)偽碼的捕獲跟蹤策略

偽碼捕獲最簡(jiǎn)單也是最常采用的方法是串行搜索法，如圖4所示。先將本地碼任意置于某一相位，之后計(jì)算本地碼與接收碼的相關(guān)函數(shù)，若相關(guān)結(jié)果低于設(shè)定門限，則判斷本地碼與接收碼沒(méi)有達(dá)到期望的基本對(duì)齊，這時(shí)調(diào)整本地碼相位后，再一次進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，直到相關(guān)值高于所設(shè)定門限，判斷本地偽碼與接收偽碼基本同步，之后可進(jìn)入偽碼的捕獲驗(yàn)證和跟蹤階段。

圖4 串行搜索偽碼捕獲策略原理

在順序搜索捕獲策略中，如果門限設(shè)置過(guò)高，則會(huì)降低偽碼捕獲的檢測(cè)概率;門限設(shè)置太低，則增加了虛警概率，并且可能會(huì)錯(cuò)鎖在旁瓣上。所以，選擇適當(dāng)?shù)膫未a捕獲門限是一個(gè)關(guān)鍵。此外，增加偽碼錯(cuò)鎖判決電路不失為一種較好的策略，雖然會(huì)增加電路的復(fù)雜性，但是卻可以很好地防止偽碼錯(cuò)鎖在旁瓣上。其基本思路是:增加專用的偽碼錯(cuò)鎖判決電路，其參數(shù)設(shè)置與跟蹤支路相同。在偽碼跟蹤過(guò)程中，將偽碼錯(cuò)鎖判決電路的本地碼相位置于與跟蹤支路不同的任一相位，之后，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，若偽碼錯(cuò)鎖判決電路的相關(guān)結(jié)果低于跟蹤支路的相關(guān)結(jié)果，則調(diào)整防錯(cuò)鎖電路的本地碼相位后再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。如果在某一相位防錯(cuò)鎖判決電路的相關(guān)結(jié)果連續(xù)幾次大于鎖定支路的相關(guān)結(jié)果，則可以斷定跟蹤支路鎖定錯(cuò)誤。此時(shí)，可以將跟蹤支路的本地碼相位設(shè)置為防錯(cuò)鎖電路的本地碼相位后再做跟蹤。

此外，偽碼的并行捕獲技術(shù)也可以有效地防止旁瓣錯(cuò)鎖現(xiàn)象的發(fā)生，如圖5所示。利用FFT-IFFT運(yùn)算完成接收信號(hào)與本地偽碼的卷積運(yùn)算，一次運(yùn)算可以得到所有碼相位上的相關(guān)值。根據(jù)相關(guān)值最大值的位置，可以得到接收碼的相位，實(shí)現(xiàn)偽碼的捕獲。這種全相關(guān)值觀測(cè)方法，對(duì)于預(yù)防旁瓣錯(cuò)鎖是很有效的。

圖5 基于FFT-IFFT方法的偽碼并行捕獲原理

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)Gold碼的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性進(jìn)行了分析，根據(jù)產(chǎn)生偽碼錯(cuò)鎖的原因和可能導(dǎo)致的后果提出了幾種防止偽碼錯(cuò)鎖的措施。在目前的工程應(yīng)用中，已經(jīng)采用了較簡(jiǎn)單、可行的偽碼防錯(cuò)鎖措施—改進(jìn)偽碼的捕獲和跟蹤策略，通過(guò)在捕獲過(guò)程中采用自適應(yīng)門限技術(shù)，在偽碼進(jìn)入跟蹤過(guò)程后采取偽碼錯(cuò)鎖判決電路，收到了良好的防錯(cuò)鎖效果。根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，在采取偽碼防錯(cuò)鎖措施后，偽碼錯(cuò)鎖概率由原來(lái)的5%左右降低到了1‰以下。 ■

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