DS/FH混合扩频快速同步技术研究

杨光宣， 苟先太， 张 波， 吴 潜,②， 金炜东， 张明阳

（①西南交通大学，四川 成都 610031；②中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

DS/FH（Direct Sequence & Frequency Hopping）混合扩频应用于通信领域以增强系统抗干扰能力已成为一种趋势[1]，DS/FH混合通信系统将直接序列扩频技术与跳频技术相结合，是国内外公认的最富有生命力的抗干扰通信系统。DS/FH扩频系统的处理增益等于跳频系统的处理增益与直序扩频系统的处理增益的乘积,具有抗截获，可克服多径效应和远近效应，对工作在同频段的系统干扰小，可获得较高的跳频速率，有利于通信信息的加密等优点[2]。

在 DS/FH混合扩频系统中,同步是一个关键问题，也是技术上的难点[3,4]。本文针对该问题提出了一种适用于DS/FH混合扩频的快速同步技术,可快速稳定同步，简化同步过程。

1 DS/FH同步技术

直扩和跳频系统各自的同步技术有较大的差异，而在混合扩频系统中可以将两种同步技术相互结合，根据解扩的顺序，利用直扩和跳频系统同步技术的优点，在短时间内实现整个系统的同步[5]。

因此，可以将整个同步过程划分成两个部分：跳频码同步和直扩码同步。此外还需在同步建立之后附加必要的失步检测以对同步状况进行监测，保证同步稳定。

1.1 跳频同步

跳频系统的码同步捕捉与 DS系统相类拟，但相对来说要简单得多。依据提取同步信息的手段不同，可以分为几种具体的实施方法：等待自同步、扫描法(滑动法)、匹配滤波器法[3,6-7]。为了提高缩短捕获时间，本文采用匹配滤波器法。匹配滤波器的捕获原理(见图 1)是以静止的本地序列作为累加器的系数，接收信号滑过本地序列,每一时刻产生一个相关结果当两个序列在零相移时有一个相关峰值输出。

图1 匹配滤波器工作过程

设接收机收到的跳频信号为：

而匹配滤波器的冲击响应为：

式中，P为信号功率，d(t)为传输的数据信，c(t)伪码，Wc和φ分别为载波频率和相位，t1为时延，cr(t)为与跳频码同长度的逆时间序列，Δω为匹配滤波器中心频率和输入信号载频的频差。工作过程推导如下：当接收端接收到信号R(t)分成I、Q两路信号，I、Q两路信号分别和sinctω、cosctω混频，经混频后通过匹配滤波器，滤波器的输出为：

由于伪码在一个周期积分为 1，所以匹配滤波器的输出为式（3），因此匹配滤波器的最大输出为：

I、Q两路信号经过平方环做和，将所得信号平方，与门限值进行比较，若峰值大于门限值，则捕获成功；反之，若小于门限值，则捕获失败，则重复以上过程，直到捕获为止。同步信息的跟踪过程则采用锁相环原理来完成 。

1.2 直扩码同步

基于FFT的伪码并行捕获算法[8-9],将传统的码相位和多普勒频移的二维搜索转变为多普勒频移的一维搜索,很大程度地缩短了捕获时间。因此在一个伪码周期内同时搜索所有的码相位单元，循环移动本地伪码相位与接收码进行相关,当本地码与接收到的伪码相位相同时就会产生最大相关峰。这样就将时域码相位和多普勒频移的二维搜索转变为频域多普勒频移的一维搜索，大大简化了运算，提高捕获速率。示意图如图2所示。

图2 FFT一维搜索过程

捕获过程（见图 3）为：将本地载波对准初始估计频率dω，使产生的信号对准一个多普勒频率步进单元，启动FFT捕获,比较所得的相关峰值,若最大峰值超过检测门限，则表明信号捕获,根据信号所在位置的码相位和多普勒频率，移动本地伪码相位，进入信号跟踪阶段。如果最大峰值小于门限值，说明信号捕获失败，将本地载波NCO多普勒频率步进一个单元，重复上述过程，直到捕获为止。

图3 FFT伪码并行捕获原理框

1.3 仿真分析

设混合系统的参数为：跳频速率 5000跳/秒,伪码速率4.9152 Mbit/s,每跳传送2 bit信息数据，序列载波频率范围为225～400 MHz，选用相关性良好的Gold码序列。发送端将调制好的同步头前导序列经过信道仿真模型的衰减进入接收机前端。下变频经过匹配滤波器后,进行序列的相关检测。图4为相关检测所得到的相关峰值。

从图4可以看出得到的相关峰特别尖锐，捕获的时候捕获概率大大增加，虚警概率较小，有利于捕获完成，缩短捕获时间。完成跳频码的同步以后转入直扩码的同步阶段。采用FFT的伪码并行方法所得的相关峰值如下页图5。

图4 匹配滤波器门限检测相关峰

采用载波串行时捕获性能如下页图 6，相关峰值并不明显，在捕获的时候虚警概率较高，增加同步时间采，在积累同样的时间内，无法得到所需要的谱峰。而采用FFT的伪码并行算法得到的相关峰如下页图 5，相关峰值明显。并且改进以后的算法可以消除数据跳变的影响，同时，基于FFT的并行捕获算法,将传统的码相位和多普勒频移的二维搜索转变为多普勒频移的一维搜索,很大程度地缩短了捕获时间。

图5 采用FFT的伪码并行法检测相关峰

图6 采用载波串行时相关峰

2 结语

本文介绍了一套比较完整的DS/FH同步方案，其中将整个系统同步过程根据解扩的顺序分成跳频同步和直扩码同步两个阶段，分别利用两个过程的优势，对两个过程采用较好的算法，在较短的时间内，达到了比较好的同步效果，而且大大的缩短了同步时间，简化了同步过程。通过仿真表明，本文所提的DS/FH混合扩频同步方案前端采用匹配滤波器快速解跳，迅速进入到直扩同步阶段，而且检测相关峰值明显，可以减小虚警概率，可以应用于数字接收机解决同步问题。

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