一種多徑條件下的捕獲算法

梁保衛(wèi)，吳 丹，劉志軒

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

無人機上行數(shù)據(jù)鏈在解擴中通常采用滑動相關(guān)法，它是串行捕獲算法;位同步環(huán)路常采用延遲鎖定環(huán)。串行捕獲算法節(jié)省資源，延遲鎖定環(huán)工作穩(wěn)定且跟蹤精度高;但是在實際飛行中，常會遇到無人機飛到某一區(qū)域后，出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路誤碼率增大甚至失鎖的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了無人機數(shù)據(jù)鏈的通信可靠度［1，2］。文獻［1］認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是多徑衰落，由于無人機是在通視條件下且低仰角飛行，直射徑和反射徑疊加造成信號的2徑衰落，且深衰落強度與飛機的飛行高度和距離及工作頻率有關(guān)。在多徑環(huán)境下延遲鎖定環(huán)的鑒相曲線會嚴(yán)重畸變，造成環(huán)路失鎖，且串行捕獲算法重新捕獲時間長;而基于數(shù)字匹配濾波器(DMF)結(jié)構(gòu)的時間窗捕獲算法是并行捕獲算法，捕獲時間快;同時開環(huán)結(jié)構(gòu)的時間窗定時同步能夠適應(yīng)信號的快衰落，對多徑有一定的抵抗作用。

1 DMF結(jié)構(gòu)的捕獲算法

1.1 DMF的結(jié)構(gòu)

在無人機和航天測控系統(tǒng)中，由于擴頻增益較高，因此利用DMF［3－6］實現(xiàn)長碼的快捕受到了硬件條件的限制，難以達到要求。近幾年隨著大規(guī)模集成芯片的誕生，為利用DMF實現(xiàn)長碼的快捕提供了硬件支持，DMF具有FIR濾波器結(jié)構(gòu)，I、Q兩路數(shù)據(jù)通過DMF結(jié)構(gòu)濾波器的輸出如式(1)所示:

式中，N為PN碼的長度，I、Q兩路的DMF結(jié)構(gòu)如圖1所示。若輸入I、Q兩路樣值序列的速率為Ns/chip，由于DMF僅對相互間隔一個chip的樣值序列進行相關(guān)運算，因此每個抽頭之間的時間延遲為一個碼片的時間寬度TC，延遲寄存器的數(shù)目為N。圖1中乘法器的參數(shù)取值為+1或－1，由本地PN碼確定。

圖1 DMF結(jié)構(gòu)

1.2 DMF的參數(shù)選取

量化比特數(shù)是DMF設(shè)計中一個非常重要的參數(shù)，量化比特數(shù)越高，DMF的性能越好，但硬件代價也越大。在實際中量化比特數(shù)總是有限的，文獻［6］提出在1 bit量化DS/CDMA系統(tǒng)中，在一定的處理增益下采用與數(shù)據(jù)幀格式相結(jié)合的擴頻方式即能保證可靠的同步捕獲又能滿足一定的誤碼率要求;文獻［6］表明當(dāng)量化比特數(shù)為6時，系統(tǒng)的誤碼率曲線幾乎與模擬相關(guān)時的曲線一致;當(dāng)量化比特數(shù)為3時，系統(tǒng)損失＜2 dB?？紤]到長碼擴頻需要的DMF長度較長，避免硬件資源太大采用3 bit量化方案。

取樣間隔是DMF設(shè)計中另一個非常重要的參數(shù)，取樣間隔越多，DMF的性能越好，但需要的DMF的長度越長，硬件代價也越大，特別是在高增益直擴系統(tǒng)中甚至難以實現(xiàn)，設(shè)計時必須根據(jù)系統(tǒng)要求折中處理。按照采樣定理要求，確保信號無失真的最小采樣倍數(shù)為2倍采樣，若每個碼元2倍取樣后送入DMF電路，DMF在每個PN碼周期內(nèi)將會有2個相關(guān)峰輸出，使得相關(guān)峰變得模糊，導(dǎo)致同步電路性能變差。文獻［7］提出在2倍抽樣率時，通過在DMF前邊增加前端處理電路，可使系統(tǒng)誤碼率與10倍取樣間隔的效果一致，前端處理算法為:

前端處理算法等效于低通濾波器，使得在2倍采樣時2個相關(guān)峰變成一個更加尖銳的相關(guān)峰，利于環(huán)路的捕獲和時鐘同步。

1.3 時間窗時鐘同步提取算法

時間窗時鐘同步提取法基于匹配濾波器輸出信號提取同步，DMF輸出信號為偽碼的自相關(guān)函數(shù)值，將其I和Q路信號取絕對值再相加，則和信號為功率值，通過對自相關(guān)峰值捕獲后從而提取時鐘同步的起始相位，由于收發(fā)時鐘的差異及多普勒頻移的影響，必須對頻差進行修正，DMF每個數(shù)據(jù)比特輸出一個相關(guān)峰，只要提取出2個相關(guān)峰值時間間隔的變化，就能夠修正時鐘的變化?；谶@個思路，提出如下的時間窗時鐘同步提取算法，如圖2所示。

圖2 時間窗同步提出流程

具體流程為:

①首先由搜索電路確定DMF輸出相關(guān)峰的初始位置，為降低漏檢概率可以連續(xù)搜索N圈;

②如果連續(xù)N圈的最大值位置不一致，則返回①，重新搜索;反之則認(rèn)為搜索到了相關(guān)峰的初始位置，并將此位置記為零時刻，并距此一個數(shù)據(jù)比特間隔生成第一個時間窗，以期待能夠檢測到下一個相關(guān)峰;

③在每個周期的零時刻利用⑤返回的誤差修正最大值位置;

④在時間窗內(nèi)找最大值并與噪聲門限比較，若小于噪聲門限，失鎖計數(shù)器加1，否則，失所技術(shù)器清零。若失鎖計數(shù)器大于設(shè)定值M則認(rèn)為失鎖返回①;若失鎖計數(shù)器小于設(shè)定值則進入⑤;

⑤將時間窗中最大值時刻對應(yīng)的DMF輸出樣值送往解調(diào)及譯碼電路，并計算時間窗中最大值時刻和時間窗中點的時間差，對誤差進行N次統(tǒng)計平均，然后把誤差返回給③，以零時刻為周期輸出同步時鐘。

圖2算法中第①步的搜索N圈是為了提高捕獲概率，降低漏檢概率，但是N值不能太大，太大會造成低信噪比下捕獲困難，N一般取3合適。第④步中的M次統(tǒng)計失鎖值是為了降低誤判概率，防止由于多徑或衰落造成捕獲電路誤判出鎖。當(dāng)時鐘無偏差時，時間窗內(nèi)的相關(guān)峰的最大值將出現(xiàn)時間窗的中點，時間窗之間的間隔固定為一個數(shù)據(jù)比特寬度T;若本地頻率大于發(fā)射頻率，即時鐘頻差增大，則第⑤步計算出的誤差為正值，其值為T－T’;在第③步時應(yīng)使最大值位置向前調(diào)整，確保下一個相關(guān)峰不會跑出時間窗。時間窗寬度越小恢復(fù)出時鐘的性能越好。但抗時鐘頻偏能力及抗多徑能量降低，所以時間窗寬度的選取應(yīng)考慮時鐘頻偏及多徑因素。

2 解擴解調(diào)器實現(xiàn)

采用基于DMF結(jié)構(gòu)的時間窗捕獲算法的解擴解調(diào)器實現(xiàn)框圖如圖3所示。解擴解調(diào)器中，輸入中頻為140 MHz，PN 碼速率為16.384 Mbps，ADC 以5 倍PN碼速率對輸入中頻信號采樣，經(jīng)過數(shù)字下變頻低通濾波后濾除鏡像頻率，得到5倍PN碼速率的基帶信號，經(jīng)過2倍內(nèi)插5倍抽取后，送給DMF兩倍采樣的信息，PN碼為1 023位m序列，DMF長度為2 046位，PN碼存放在寄存器中，DMF輸出數(shù)據(jù)經(jīng)功率檢測、時間窗時鐘同步提取和差分解調(diào)后輸出。

3 抗多徑性能測試及結(jié)果分析

根據(jù)無人機飛行過程中2徑模型［8－11］的分析，飛行過程和起降階段的信道分別選擇萊斯因子為10 dB和6 dB的萊斯信道。用信道模擬器對該算法在不同信噪比條件下進行誤碼性能測試。經(jīng)測試，該算法在萊斯信道中捕獲速度快且工作穩(wěn)定，誤碼率曲線如圖4所示，從圖4可以看出該算法解調(diào)損失＜2 dB，而串行捕獲算法在此條件下頻繁失鎖，已不能正常工作。

圖4 萊斯信道誤碼率曲線

4 結(jié)束語

無人機在低仰角條件下飛行時，傳統(tǒng)的延遲鎖定環(huán)受多徑衰落影響容易失鎖，而串行捕獲的滑動相關(guān)法導(dǎo)致重新捕獲時間較長。利用基于數(shù)字匹配濾波器(DMF)結(jié)構(gòu)的時間窗捕獲算法，結(jié)合開環(huán)結(jié)構(gòu)的時間窗定時同步方法，可顯著增強無人機數(shù)據(jù)鏈在衰落信道下通信的可靠性，在無人機通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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