DSSS系统中伪码防错锁技术分析

周 侃

(1.西安电子科技大学，陕西西安 710071)

(2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

扩频技术具有抗干扰和抗截获能力强、信息信号隐蔽、任意选址以及易于组网等独特优点。因此，近几年来在世界各国的通信、导航领域得到了迅速发展和广泛应用。

在测控领域，扩频测控系统被广泛采用，一方面，伪码用作扩频码实现频谱扩展，提高了系统的隐蔽性和抗干扰能力;另一方面，伪码用作地址码，实现单站多星、单星多站和多星多站情况下的目标区分，以及实现遥测、测量和遥控信号的区别接收;同时，伪码还可以用作测距码实现的距离测量;但是，扩频测控系统在工作中如果发生伪码的错锁将会给系统带来很多的危害，如误码率提高和测距结果错误等。

1 伪码错锁的原因

在直接序列扩频系统中，m序列和Gold码是常用的伪码。m序列具有优良的自相关特性，但是由m序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很小。所以，由于多址的需要，测控系统中最常用的伪码是Gold码。Gold码错锁的现象大致可以分为2类:

①瞬间的错锁，系统在错锁后可以在较短时间内失锁，从而重新进入捕获过程;

②稳定的错锁，系统在错锁后可以维持稳定的跟踪，很难进入重新捕获过程。

瞬间错锁一般是由于在噪声环境下的虚警引起的，Tang检测器可以大大降低噪声情况下的虚警概率。

稳定的错锁产生原因大致可以分为2种:①由于伪码的自相关特性;②由于伪码的互相关特性(多址干扰)。在2个同族Gold码已经具有符号位同步时，Gold码具有三值互相关函数R(t)为:

当n为奇数时，Gold码族中约有50%的码序列有很低的互相关函数值－1;n为偶数但不是4的整倍数时，约有75%的码序列有很低的互相关函数值－1。Gold码的自相关旁瓣和互相关函数一样，取3值，只是出现的位置不同。图1分别给出了码长为1023的Gold码的自相关函数图形和互相关函数图形。可以看出，对于码长为1023的Gold码，自相关主瓣为1023，旁瓣取值有－1、－65和63，这3种情况，最大的旁瓣功率较主瓣低23.9 dB(20lg=23.9)。2个同族Gold码的互相关取值也有 －1、－65和63这3种情况。

图1 1023码长GOLD码的自相关函数和互相关函数

由于自相关旁瓣稳定存在，所以在信噪比高的情况下，噪声电平不能淹没Gold码的自相关旁瓣电平，很可能错误的锁定跟踪在自身Gold的旁瓣上。例如:假设选用1023码长的Gold码，当信号功率与噪声谱密度之比S/Φ为65 dBHz时，如果信号的分析带宽B=1 kHz，则主瓣信号的检测信噪比S/N=35 dB(65－10lg1000=35)，旁瓣信号的检测信噪比也可以达到11 dB(35－23.9≈11)。这样高的旁瓣信噪比完全可以实现旁瓣的高概率检测和稳定跟踪。

对于多用户环境，如果其他用户信号(干扰)电平和自身信号电平相当，那么和自相关旁瓣一样，在较高信噪比情况下，较高的互相关值也会导致Gold码的错误锁定和跟踪。当干扰电平比用户有用信号电平高很多时，如对于码长1023的Gold码，干扰电平比有用信号电平高24 dB时，干扰信号产生的互相关值和用户信号自相关值相当，产生错锁的几率更高。

2 伪码错锁产生的影响

2.1 错锁在自身Gold码的旁瓣

如果错锁在自身Gold码的旁瓣上，则可能会出现以下影响:

①可以实现位同步和帧同步，但是由于解扩增益降低，导致比特检测信噪比降低，从而造成误码率增加;

②应用伪码测距的场合，不论地面设备锁定在错误的伪码相位上还是应答机锁定在错误的伪码相位上，均会导致距离值错误。如果地面设备重新进行伪码捕获后，距离值正确，则错锁发生在地面设备;如果地面设备多次重捕后距离值仍不正常，则可以重新发射上行信号，迫使应答机进行伪码的重新捕获，如果应答机重捕后，距离值正常，则可以断定应答机发生了错锁。

2.2 错锁在其他用户的Gold码

如果错锁在其他用户的Gold码上，则可能会出现以下影响:

①由于2个扩频码调制数据的数据速率、帧同步字和帧长的不尽相同，导致在伪码和载波锁定后无法完成位同步和帧同步，也就无法实现数据解调;

②对于利用伪码进行测距的场合，不论是地面设备还是应答机错锁在了其他用户的Gold码上，均会导致距离值错误。也有的设备要求数据解调完成后才会有距离值输出，那么这种情况下就不会有距离值输出。这时，在接收到的己方信号功率和其他用户功率大小相当的情况下，可人为地强制地面设备或应答机设备重新进行捕获。当其他用户功率远强于己方信号功率的情况下，应提高己方信号的发射功率。

3 预防伪码错锁的措施

3.1 改进伪码的自相关特性和互相关特性

由以上分析可以看出:对于单个伪码系统，采用完全正交的地址码(如m序列)可以抑制伪码错锁;对于码分多址系统，采用完全正交的地址码可以真正抑制多址干扰的影响。然而，在实际中几乎不可以找到完全正交的地址码，或者说数量太少了。可以通过对传统地址码的性能进行改进来提高其互相关性能。例如采用改进型Walsh+GMW正交码，或采用基于互补序列的周期互补序列;另外，如图2所示，随着Gold码伪码周期的增长，自相关旁瓣、互相关电平与自相关主瓣的差会越来越大。所以，选用较长的Gold码对防止错锁也可以起到一定的作用。

图2 自相关主瓣功率与旁瓣功率的比值关系曲线

3.2 功率控制技术

由上述分析知:由于不同Gold码之间的互相性，码分多址多用户环境也是引起伪码错锁的原因之一。对于码分多址环境下的伪码防错锁，通常采用的方法有多用户检测技术和功率控制技术。由于多用户检测技术一般需要知道除自己扩频码之外的干扰码的码参数，而且随着多址用户数量的增多，系统实现变得极为复杂。所以，采用功率控制技术是多用户扩频测控系统防止伪码错锁、提高数据传输正确率的一项重要技术。

功率控制技术是根据接收系统接收到的信号能量从而调整发射系统的发射功率，一方面保证己方系统以尽可能小的发射功率获得所需的信号质量;另一方面又要求避免对其他用户信号产生不必要的干扰。在移动通信领域，功率控制技术是一项关键技术，并由此衍生了很多具体实施方法，如前向功率控制技术和后向功率控制技术、开环功率控制技术和闭环功率控制技术、集中式功率控制技术和分布式功率控制技术等等。

在测控领域，由于多址用户较少，而且在空域上分布比较分散，多址问题还不是很突出，所以对功率控制问题没有引起足够的重视。扩频测控系统的组成框图如图3所示。一般来说，地面测控站可以很方便地调整上行信号发射功率，但是对于扩频测控应答机来说，由于设备体积的限制，基本不具备调整其发射信号功率的功能。所以，对于扩频测控设备来说，为了保证系统的正常工作，可以通过调整地面测控设备的发射功率来调整系统的工作状态。

图3 DSSS系统组成

应答机一般会检测其接收信号的信噪比，并将信噪比信息、应答机的锁定信息下传给地面测控站;如果应答机锁定，也会将其获得的测量信息传输给地面测控站。根据这些信息，地面测控站可以基本判断应答机的工作状态，如表1所示。

表1 由应答机信息判断其工作状态

当系统锁定而测量信息(如多普勒频率信息)不正常时，不论应答机检测得到的信号信噪比是高还是低，系统很可能是发生了错锁，此时，如果有其他用户也在作用范围内，可以试着增大地面发射功率;如果是错锁在了Gold码自身的旁瓣上，也可以先断掉信号，强制应答机失锁，然后再重新发射信号。在实际的工程应用中，曾多次利用“中断发射信号——重新发射信号”的方法强制应答机由错锁状态转入重新捕获状态，进而进入正常工作状态。此外，如果应答机检测信号的信噪比较低并且无法入锁，也可以试着加大发射信号功率，当然，这也可能是其他链路因素导致的，应综合设备的其他状态具体分析问题，进而采取正确的措施。

3.3 改进伪码的捕获跟踪策略

伪码捕获最简单也是最常采用的方法是串行搜索法，如图4所示。先将本地码任意置于某一相位，之后计算本地码与接收码的相关函数，若相关结果低于设定门限，则判断本地码与接收码没有达到期望的基本对齐，这时调整本地码相位后，再一次进行相关运算，直到相关值高于所设定门限，判断本地伪码与接收伪码基本同步，之后可进入伪码的捕获验证和跟踪阶段。

图4 串行搜索伪码捕获策略原理

在顺序搜索捕获策略中，如果门限设置过高，则会降低伪码捕获的检测概率;门限设置太低，则增加了虚警概率，并且可能会错锁在旁瓣上。所以，选择适当的伪码捕获门限是一个关键。此外，增加伪码错锁判决电路不失为一种较好的策略，虽然会增加电路的复杂性，但是却可以很好地防止伪码错锁在旁瓣上。其基本思路是:增加专用的伪码错锁判决电路，其参数设置与跟踪支路相同。在伪码跟踪过程中，将伪码错锁判决电路的本地码相位置于与跟踪支路不同的任一相位，之后，进行相关运算，若伪码错锁判决电路的相关结果低于跟踪支路的相关结果，则调整防错锁电路的本地码相位后再进行相关运算。如果在某一相位防错锁判决电路的相关结果连续几次大于锁定支路的相关结果，则可以断定跟踪支路锁定错误。此时，可以将跟踪支路的本地码相位设置为防错锁电路的本地码相位后再做跟踪。

此外，伪码的并行捕获技术也可以有效地防止旁瓣错锁现象的发生，如图5所示。利用FFT-IFFT运算完成接收信号与本地伪码的卷积运算，一次运算可以得到所有码相位上的相关值。根据相关值最大值的位置，可以得到接收码的相位，实现伪码的捕获。这种全相关值观测方法，对于预防旁瓣错锁是很有效的。

图5 基于FFT-IFFT方法的伪码并行捕获原理

4 结束语

对Gold码的自相关特性和互相关特性进行了分析，根据产生伪码错锁的原因和可能导致的后果提出了几种防止伪码错锁的措施。在目前的工程应用中，已经采用了较简单、可行的伪码防错锁措施—改进伪码的捕获和跟踪策略，通过在捕获过程中采用自适应门限技术，在伪码进入跟踪过程后采取伪码错锁判决电路，收到了良好的防错锁效果。根据工程实际应用统计，在采取伪码防错锁措施后，伪码错锁概率由原来的5%左右降低到了1‰以下。 ■

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