高动态短时突发扩频信号的快速捕获

贾　鹏，吴团锋，胡卓宇,，徐　卫，谭　哲

(1.国家移动卫星通信工程技术研究中心,江苏 南京 210002;2.解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007;

3.空军通信网络技术管理中心，北京 100843)

Foundation Item:National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA01A500)

摘　要：针对低信噪比和大多普勒频移环境下,短帧突发直接序列扩频通信系统要求在短时间内以很低虚警和漏警概率捕获信号这一难题，设计了仅使用独特码的短时突发扩频信号帧结构，在接收端将扩频码与独特码作为一个复合扩频码看待，提出了基于FFT的高动态突发信号捕获方法，可同时快速完成突发信号检测、扩频码捕获、频偏估计、帧同步检测和位定时捕获等任务。仿真结果表明：该算法能有效消除多普勒频移对短时突发扩频信号捕获性能的影响。

关键词：高动态；短时突发扩频信号；FFT

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.006

高动态短时突发扩频信号的快速捕获

贾鹏1，吴团锋2，胡卓宇1,2，徐卫3，谭哲1

(1.国家移动卫星通信工程技术研究中心,江苏 南京 210002;2.解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007;

3.空军通信网络技术管理中心，北京 100843)

Foundation Item:National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA01A500)

摘要：针对低信噪比和大多普勒频移环境下,短帧突发直接序列扩频通信系统要求在短时间内以很低虚警和漏警概率捕获信号这一难题，设计了仅使用独特码的短时突发扩频信号帧结构，在接收端将扩频码与独特码作为一个复合扩频码看待，提出了基于FFT的高动态突发信号捕获方法，可同时快速完成突发信号检测、扩频码捕获、频偏估计、帧同步检测和位定时捕获等任务。仿真结果表明：该算法能有效消除多普勒频移对短时突发扩频信号捕获性能的影响。

关键词：高动态；短时突发扩频信号；FFT

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.006

收稿日期：2015-01-02；修回日期：2015-04-18Received date:2015-01-02；Revised date：2015-04-18

基金项目：国家863项目(No. 2012AA01A500)

中图分类号：TN911.3

文献标志码：码：A

文章编号：号：1002-0802(2015)06-0657-05

Abstract：The short term burst spread spectrum signal acquisition with very low false alarm and miss probability in a limited period of time is difficult under low SNR and high dynamic environment. The frame structure containing only unique code of short term burst spread spectrum signal is proposed and designed. The pseudo code and unique word is treated as a compound code by receiver. The burst signal reception method to deal with high dynamic signals based on FFT is provided. The algorithm is capable of completing burst signal detection, PN code acquisition, frequency offset estimation, frame synchronization,bit-timing acquisition and other tasks quickly. Simulation results indicate that the proposed algorithm can eliminate the influence of frequency offset effectively.

作者简介：

Fast Acquisition of High Dynamic and Short-Term

Burst Spread Spectrum Signal

JIA Peng1，WU Tuan-feng2，HU Zhuo-yu1,2，XU Wei3，TAN Zhe1

(1.National Mobile Satellite Communication Engineering Technology Research Center, Nanjing Jiangsu 210002,China

2.Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China；

3.Communication Network and Technology Management Center of Air Force,Beijing 100843,China)

Key words：highly dynamic; short term burst spread spectrum signal; FFT

0引言

军事通信有两个基本的要求：强抗干扰能力和通信的隐蔽性，这正是直接序列扩频的特点，因而，DS-CDMA体制特别适合军事卫星移动通信系统[1]。由于作战需求，要求数据传输终端的链路建立时间尽可能的短，此时信息的传输又多为短时突发模式，因此如何在低信噪比和大多普勒频移环境下实现信号的快速捕获及解调，减少通信链路建立时间是卫星通信实施的关键技术。

对于扩频系统，实现扩频码的快速捕获，是实现快速捕获信号的前提。低信噪比和大多普勒频移条件下，扩频信号捕获相对较难，平均捕获时间大幅增加。

1短时突发扩频信号帧结构设计

突发传输的难点在于信号捕获、相干载波和位定时等参数估计上，尤其对于短时突发直接序列扩频信号而言，扩频码同步和上述参数估计混合在一起，使得问题变得更为复杂。为了实现快速同步和信道参数估计，常常在数据包前插入特定图案的前导序列，突发解调器利用前导序列实现快速同步捕获以及载波相位和位定时信息的估计。

前导同步技术有以下优点：参数估计过程简单，性能好，同步速度快，信噪比门限低。常用的前导序列一般分为两部分：辅助捕获字段和独特码。辅助捕获字段由前导序列的前半部分构成，固定为全“1”或全“0”，有如下好处：根据扩频码自相关性可知，调制数据是全“1”或全“0”最有利于扩频码的解扩；在已知数据是全“1”或全“0”的情况下，能直接进行参数估计。前导序列的后一部分用于数据检测，确定帧起始位置，称为独特码。

突发扩频信号的捕获算法主要有：基于差分检测的扩频信号捕获方案[6]，在辅助捕获字段为全“1”时可以获得很好的捕获性能。基于载波信号功率谱特性的快速捕获算法[7]，通过计算解扩信号功率谱最大值与次大值的比值，并将该比值与判决门限进行比较，从而判断捕获成功与否。针对短帧突发模式下直接序列扩频通信系统要求在有限时间内以低虚警和漏警概率捕获扩频码相位这一难题，文献[8-9]提出了一种基于数字匹配滤波器(DMF)的多码元非相干累加单次驻留检测的扩频码快速捕获算法。它在传统单次驻留算法的基础上，用多码元累加来提高码相位判决量的信噪比，从而大大降低了低输入信噪比和低恒虚警约束下的平均捕获时间。文献[10]采用中频累积和视频累积相结合、等待式伪码级联相关计算的技术，较好地解决了短时突发伪随机码的快速捕获问题。文献[11]提出采用基于频域的并行捕获方法，并且采用变频率范围、变频率步进和变积分时间的搜索策略，使系统既能在大频偏条件下工作，又能在低信噪比条件下工作。文献[12]以快速捕获为目标，提出了分段匹配滤波相关法、最大选择检测法和多通道频率并行搜索加FFT校频技术的码捕获新方法，仿真结果表明该方法可以容忍更大的频率动态范围, 在较低信噪比下快速完成码捕获。文献[7-9]所给出的算法没有使用突发帧的前导序列，文献[10-12]给出的算法使用的是突发帧中前导序列的全“1”或全“0”部分。

上述算法并没有考虑独特码的应用，将突发信号检测、扩频码同步与帧同步割裂了开来，这使得同步过程需要的前导序列变长，降低了传输效率。为了提高传输效率，本文考虑前导序列仅使用独特码，而不使用全“1”或全“0”序列，此时突发数据帧结构如图1所示。相应地，文献[6-12]给出的算法不再适用，需要研究新的算法，在突发信号检测的同时，完成扩频码捕获、频偏估计、帧同步检测和位定时捕获等任务。

图1短时突发信号帧结构

2短时突发信号的捕获

在接收端，经chip匹配滤波后的扩频基带接收信号为：

(1)

在这里，我们将扩频码捕获与独特码捕获同时考虑，将M个独特码{x0,x1,…,xM-1}对应的扩频后信息序列作为一个复合扩频码看待，记为XC={Cx0,Cx1,…,CxM-1}，C是用户扩频码，其长度为N。此时，我们将扩频码与独特码的二维捕获转化为一个复合扩频码的一维捕获，即等效于复合扩频码的帧同步。

每个chip选取一个样本，此时令观测窗口的长度为MN，则采样序列r={r0,r1,…,rMN-1}的条件概率密度函数为：

p(r|k,Δf,φ0)=

式中，Tc是chip周期，是采样周期Ts的整数倍。基于ML准则的联合帧同步检测和频偏估计，就是确定k和Δf，使得上式的值最大。p(r|k,Δf,φ0)关于参数k和Δf的最大化等价于下列似然函数的最大化，即

Λ(k,Δf,φ′0)

(2)

(3)

将式(3)带入式(2)可得：

(4)

注意到式(4)中rl+kxC(l)项可看作去调制操作，可得到去调制输出序列X={X0,X1,…,XMN-1}。当复合扩频码同步时，输出序列X是一个包含噪声的频率未知的正弦信号；而当复合扩频码不同步时，输出序列是包含噪声的调制信号。此时，可以采用FFT进行未知频率的正弦信号检测，等效于完成突发扩频信号检测。

Λ(k,Δf)=max(W)

(5)

W是部分匹配输出序列的FFT变换输出，选取幅度最高的谱线max(W)与门限值Th相比进行帧同步判决，即

式中，H1表示捕获事件发生，H0表示捕获事件未发生，Th为检测门限。可以采用自适应门限技术改变门限大小来提高检测性能，基于噪声能量的信号检测方式关键是要估计出噪声的功率，并据此自适应设置判决门限。对于突发信号，当信号尚未到达时，FFT输出均为噪声。实际中，噪声功率往往是随时间缓慢变化的，因此，我们可以采用滑动平均的方法来提高估计性能。此时完成了复合扩频码的捕获(即扩频码捕获和帧同步检测)任务。

复合扩频码的捕获完成后，启动位定时捕获，具体做法是将判决变量max(W)送至一个3状态的移位寄存器{D1,D2,D3}，当信号捕获后，根据移位寄存器{D1,D2,D3}的状态进行位定时捕获。如果D2>D1且D2>D3，则表示位定时捕获完成，此时最佳采样点为D2所对应的采样时刻。

3计算机仿真

在不同多普勒频移的情况下，仿真了短时突发扩频信号捕获算法的检测概率。仿真时扩频码长度选为1 024，独特码长度为64。FFT检测时的门限值Th自适应设置，保证虚警概率为10-4。图2给出了不同部分相关长度时FFT扩频码捕获算法归一化判决变量，可见其容许的频偏范围随着部分相关长度的增加而减小，其中以信息比特周期Tb归一化多普勒频移。仿真时部分相关长度L=8，此时FFT点数为1024×64/8=8192，但是现在FPGA器件资源很大，且开发环境提供FFT内核，硬件实现难度不大。

图3给出了不同频偏时短时突发信号捕获算法检测概率，图4给出了不同频偏时位定时捕获的均方差，图5给出了不同频偏时频偏估计的均方差，仿真结果表明提出的算法可以获得很好的检测概率及很好的位定时和频偏估计性能。

图2　不同部分相关长度时的归一化判决变量

图3不同频偏时捕获算法检测概率

图4　不同频偏时位定时捕获的均方差

图5　不同频偏时频偏估计的均方差

4结语

为了提高传输效率，本文提出短时突发扩频信号前导序列仅使用独特码，而不使用全“1”或全“0”序列，此时已有文献给出的算法不再适用，需要研究新的算法。我们将扩频码与独特码的二维捕获转化为一个复合扩频码的一维捕获，并提出了基于FFT的突发信号捕获方法，可同时快速完成突发信号检测、扩频码捕获、频偏估计、帧同步检测和位定时捕获等任务。

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贾鹏(1973—)，男，博士，高工，主要研究方向为卫星通信；

吴团锋(1977—)，男，博士，讲师，主要研究方向为卫星通信与移动通信；

胡卓宇(1980—)，女，硕士，高工，主要研究方向为卫星通信；

徐卫(1967—)，女，高工，主要研究方向为卫星通信；

谭哲(1980—)，男，硕士，高工，主要研究方向为卫星通信。