直序擴(kuò)頻中偽碼的快速同步方法

摘 要：本文主要介紹了對直序擴(kuò)頻信號基于SAW卷積器的偽碼同步，詳細(xì)分析了SAW卷積器實現(xiàn)偽碼快速同步的原理，給出了實現(xiàn)偽碼同步的具體方法，為提高直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能提供了可靠的科學(xué)保障。

關(guān)鍵詞：直序擴(kuò)頻；SAW卷積器；偽碼；同步

中圖分類號：TN914

擴(kuò)頻通信是一種信號傳輸技術(shù)，最常用的是直接序列擴(kuò)頻方式。發(fā)射時，先使用偽隨機(jī)碼對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼調(diào)制，這樣信號頻譜就擴(kuò)展到很寬的頻帶上，信號幅度小于噪聲幅度，然后再傳輸信號，這就極大地提高了通信的抗截獲能力和隱蔽性；接收時，為了將原始數(shù)據(jù)信息恢復(fù)出來，則需要采用與發(fā)射時同樣的偽碼，對接收信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)解調(diào)處理。典型的直擴(kuò)系統(tǒng)的基本框圖如圖1。

圖1 直擴(kuò)系統(tǒng)

通過編碼調(diào)制的方式進(jìn)行頻帶擴(kuò)展后，信號所占用的帶寬就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳輸信息時所需的最小帶寬，因此擴(kuò)頻通信具有很多優(yōu)勢，例如抗干擾性強、截獲概率低、碼分多址、抗多徑衰落等，所以在導(dǎo)航、軍事通信諸多領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

1 偽碼的同步

在對接收到的信號進(jìn)行信碼檢測之前需要先解擴(kuò)，而解擴(kuò)必須依靠接收端本地產(chǎn)生一個與發(fā)射端完全相同的偽隨機(jī)碼（PN碼）來進(jìn)行，這就是說接收偽碼在頻率、相位上都要與發(fā)射端的偽碼一致。然而在實際通信中，由于接收端無法準(zhǔn)確獲知發(fā)射端偽碼的初始相位和載波頻率，以及收/發(fā)時鐘的不一致性、偽碼的啟動時差、傳播時延等因素干擾，收/發(fā)端的偽碼開始時總是不一樣的，這就造成接收信號無法正確解擴(kuò)，通信無法進(jìn)行。因此必須采取一定的技術(shù)方法實現(xiàn)收/發(fā)端偽碼的統(tǒng)一，這就是偽碼的同步。它是直序擴(kuò)頻系統(tǒng)能否正常工作的決定因素。

偽碼同步的目標(biāo)是要使收/發(fā)端偽碼的相位差保持在一個比特之內(nèi)，且收/發(fā)端偽碼的時鐘頻率嚴(yán)格保持一致，同時使載波頻率互相對準(zhǔn)。它一般包括兩個步驟：捕獲和跟蹤。捕獲（即粗同步），就是接收機(jī)自動搜索，直至獲得接收偽碼精確的頻率和粗略的相位信息，并相應(yīng)調(diào)整接收機(jī)本地偽碼的頻率和相位，使得接收偽碼與本地偽碼間的相位誤差小于1/2個碼片長度，為下一步作好準(zhǔn)備。完成捕獲后，本地偽碼與接收偽碼相位就基本對準(zhǔn)，為獲得兩碼的精確對準(zhǔn)狀態(tài)，必須立即調(diào)整本地偽碼速率，使之隨接收偽碼速率變化，這一過程就是跟蹤（即細(xì)同步），而跟蹤就會繼續(xù)減小兩碼的相位差達(dá)到精確的同步，并將這種高精度的相位對齊關(guān)系在整個通信過程中保持下來。偽碼的同步是直序擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)所要完成的首要任務(wù)。

偽碼的同步方法有很多，都依據(jù)的是最大似然估計算法，基本的實現(xiàn)方法是采用延遲鎖定環(huán)（DDL）。它是利用以偽碼的互相關(guān)特性形成的一個誤差信號去控制本地偽碼的時鐘源頻率以跟蹤接收偽碼速率的變化。將偽碼自相關(guān)函數(shù)波形分別向左右移動一個或1/2個碼元（chip）后合成具有雙峰的三角形波形的誤差信號，以代表本地偽碼速率的快慢。目前應(yīng)用廣泛的偽碼同步方法有滑動搜索和匹配濾波同步?；瑒铀阉鞯奶攸c是偽碼的可編程性強，可以處理長偽碼，但它必須對搜索的碼相位區(qū)間逐個碼元進(jìn)行相關(guān)、積分、門限比較判決、本地擴(kuò)頻偽碼步進(jìn)調(diào)整等步驟，所以捕獲速度較慢。搜索完畢后還需跟蹤電路進(jìn)行精同步調(diào)整，電路也較為復(fù)雜。聲表面波器件（SAWD）在直擴(kuò)系統(tǒng)中的應(yīng)用是以匹配濾波器的形式出現(xiàn)的，SAW卷積器是無源模擬中頻器件，利用它對信號相關(guān)處理的優(yōu)良性能可以實時、高速地完成本地偽碼與接收偽碼的相關(guān)運算，只需等待一個偽碼周期即可將兩個碼序列對準(zhǔn)，即使在噪聲或其它干擾很強的情況下，也只需要幾個偽碼周期即可同步，因此實現(xiàn)了真正意義的擴(kuò)頻偽碼的快速同步。

2 SAW卷積器

SAW卷積器是利用壓電基片上兩相對方向傳播的聲表面波信號在非線性傳播媒質(zhì)中的相互作用而產(chǎn)生信號的卷積功能。圖2為壓電非線性卷積器的結(jié)構(gòu)，基片上除左、右兩端叉指換能器外，還在基片中間的上、下端印制一對長為L的金屬電極板，用來輸出信號。

此值為最大的相關(guān)值輸出，因此利用SAW卷積器可實現(xiàn)相關(guān)捕獲，且SAW卷積器是小時寬、大帶寬器件，動態(tài)范圍大，所以可方便用于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。

3 利用SAW卷積器同步的原理與實現(xiàn)

在擴(kuò)頻偽碼的捕獲過程中，相關(guān)運算是基本運算，以下是利用SAW卷積器進(jìn)行偽碼同步的基本原理框圖。

顯然，一般PD>1.5，所以SAW卷積器捕獲同步方式的平均捕獲時間 ，屬于捕獲時間較短的一種快速捕獲方式。

SAW卷積器比較靈活方便，可以對任意偽碼結(jié)構(gòu)作卷積，偽碼完全由輸入信號決定，所以基于SAW卷積器的捕獲同步方式是一種實用的偽碼同步方式，得到了技術(shù)人員的高度重視，配備了SAW卷積器同步裝置的直擴(kuò)系統(tǒng)經(jīng)外場實驗驗證，其同步捕獲性能快速準(zhǔn)確，且跟蹤精度高，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]暴宇，李新民.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[2]馮彥芳.直擴(kuò)通信中的偽碼捕獲技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理（第7版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：蒲蔚妮（1978-），女，陜西西安人，工程師，研究方向：射頻通信；姜曉兵（1977-），男，山東成武人，博士，副教授。

作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068；西安電子科技大學(xué)，西安 710071