用于水声扩频通信同步捕获的新型匹配滤波器设计

宗 振，蔡晓冬，刘玉良

（1.浙江海洋大学船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

用于水声扩频通信同步捕获的新型匹配滤波器设计

宗 振1,2，蔡晓冬1,2，刘玉良1,2

（1.浙江海洋大学船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

首先分析了影响扩频通信同步性能的原因，论述了基于数字匹配滤波器的同步捕获方法，对同步捕获速度和抗噪性能进行了分析和比较，在此基础上提出了数字匹配滤波器的改进结构。改进后的滤波器省略了乘法单元，减少了加法单元，其通频带符合水声通信的要求。仿真结果表明，滤波器硬件结构简化后，同步通信效果仍能得到保证。

直接序列扩频通信；同步捕获；数字匹配滤波器；结构简化

扩频通信的显著优点是抗多径干扰和抑制噪声能力强、保密程度高[1]。上世纪九十年代之后，这项技术得到了快速发展，已成为当今社会的主流通信技术之一。对于多径干扰严重、随机噪声强烈的水声通信系统，扩频通信是比较理想的选择。扩频通信最经典的方式是直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum），它在移动通信、精密测距等领域应用较广。

扩频通信的各项关键技术中，同步技术最为关键。若不能同步或同步性能不稳，则影响信号的接收效果。制约扩频通信同步的原因包括载波频率不确定、码相位不确定等，主要由频率漂移、传播时延、多普勒频移引起[2]。通信系统的接收同步分为同步捕获和同步跟踪两个阶段，同步捕获就是搜索接收信号的伪码初始相位，使伪码相位差减小（小于二分之一码元），同步跟踪则是进一步减小收发码元的相位误差（小于十分之一码元时间），使接收端的码元持续跟踪发送端的码元变化。直扩同步的主流方法有滑动相关捕获法、顺序估计快速捕获法等。滑动相关捕获的基本思想是改变参考信号的相位，用一个新的相位继续估计，直至达到同步。当扩频码序列很长时，滑动相关捕获需要很长时间才能完成，这是其主要缺陷。顺序估计快速捕获法（简称RASE方法）原则上适用于任何扩频调制系统，但是实验发现信噪比极低情况下，RASE方法在知道某些接收码先验信息时，性能不及串行搜索法等其他方法。

相比而言，数字匹配滤波器捕获技术具有同步快等显著优点，同时具有结构复杂、硬件消耗大等缺点。本文在分析DSSS匹配滤波器结构和同步原理的基础上，提出滤波器结构改进的思路和方法，最后通过仿真对改进效果进行验证。

1 数字匹配滤波器的结构组成和同步原理

扩频通信系统的滤波器由寄存器、乘法器和加法器组成，其同步原理是：以接收端扩频码序列作为滤波器的抽头系数[3]，对接收到的信号进行相关滤波，滤波器的输出信号进入门限判决器进行抽样判决，如果超过预设门限，表明接收相位与本地序列码实现了同步。若输出结果没有超过预设门限，表明未实现同步，还需重复进行相关操作和运算，直至达到同步。数字匹配滤波器的典型结构如图1所示，设滤波器的输入序列为，输出序列为，滤波器用差分式表示为

图1 数字匹配滤波器结构Fig.1 Digital matched filter structure

2 滤波器的结构改进

数字匹配滤波器在同步方面具有捕获时间短、适合捕获短码、实时通信等优势，但硬件结构比较复杂。为解决这一问题，可以根据滤波器系数的双极性特点，对滤波器结构进行简化，具体思路如下：

2.1 省略乘法单元

根据图1，传统滤波器结构中乘法器和加法器较多，造成资源冗余和浪费，因此本文考虑减少乘法器和加法器[3]。首先，因为滤波器系数只有+ 1和-1两种取值，只有当系数为-1时，输出结果才会变化，等于输入数据的相反数。所以我们可以去除图中的乘法器，而在加法器运算中实现乘法功能，也就是说若图1中为-1，其对应支路的加法器做减法运算，实现乘法功能，最后得到新型滤波器结构（去除了相关乘法器）如图2所示[4]。将图1中加法器改为加法树结构，共有9级加法树，后一级加法器数量是前一级的一半。

图2 去除乘法器后的滤波器结构Fig.2 Filter structure after removing multiplier unit

2.2 减少加法单元

虽然滤波器结构去除了乘法器，但延迟寄存器和加法器的数量没有改变。从原理上来说，我们无法改变延迟寄存器的数量，所以应找到减少加法器数量的有效方法。图1中，系数[C0C1C2C3C4C5C6C7]相同，同理，[Ck+0Ck+1Ck+2Ck+3Ck+4Ck+5Ck+6Ck+7]也相同。我们可以把8个系数相同的乘法器合并为1个，将图1的结构改为下图3所示的结构。图3中乘法器数量跟原结构相比减少了7/8，而加法器一共6级，共需63个加法器(32+16+8+4+2+1)，延迟寄存器的数量也减少了7个，如图3的虚线框所示。

图3 减少了加法器的滤波器结构Fig.3 Filter structure with less adder units

得到图3所示的结构后，再根据图2进行处理，将相应加法器代替乘法器的功能，便可得到一种新型滤波器结构，如图4所示。图4中级数更少，虽然结构与图2一样，但级数减少意味着加法器总数更少。

2.3采用多通道等效结构

通过图3和图4所示的方法，能分别去除乘法器和减少加法器，提高了资源利用率，经过分析上述滤波器输出与传统数据输出并不相同。上述方法是将输入数据串/并转换，分别经通道0至通道7滤波，之后再进行并/串转换，形成一路输出，即图5中上部分虚线框内的部分。因为进行了串/并转换，图中每个通道的数据速率都只有转换前的1/8，所以每个通道滤波器的工作时间也只有原来的1/8，通过时分复用可以将8个通道相应的滤波器合并为一个，从而减少滤波器的数量，如图5。

图4 减少了加法器的无乘法器滤波器结构Fig.4 Reduced adder without multiplier filter structure

图5 2级多通道滤波器结构Fig.5 Two-level multichannel filter structure

3 滤波器的二级级联结构

由上述分析可知，若要使滤波器结构改进后与改进前（如图1所示）的输出一致，需要对滤波器的结构进一步处理。需要对图5所示结构的8位输出数据求和，这就必须添加一级滤波器，且该滤波器抽头系数全为1，对应于图5虚线框下的部分。又因为滤波器抽头系数全为1，根据上述可知该滤波器可去除乘法器，只保留加法器，如图6所示。

图6 无乘法器的两级加法树滤波器结构Fig.6 Two-level additive tree filter structure without multiplier unit

图6中，滤波器结构共需输入加法器70个，包括第1级的63个加法器和第2级的7个。滤波器延迟由加法树和移位寄存器产生，文中总共有11个采样点。利用滤波器的抽头系数只有1和-1的特点，得到了图6所示的结构。

4 仿真效果

本文将改进后的滤波器结构（图6）放于直接序列通信系统中，通信系统采用BPSK_DSSS调制，仿真时信道为多途信道，信道噪声为高斯白噪声。

4.1 扩频通信仿真过程

扩频通信仿真总体过程为生成信号源、信息调制、扩频调制、信道、解扩、信息解调、仿真性能分析。扩频调制解调总体过程如图所示：

4.2 信源生成

信息码元个数为64，由函数randint(1,trans_bits_num)随机产生，扩频码长度为N_chip，本文码长范围为N=16-64，码片宽度为0.05-0.1s,原始信息速率为1 kbps，码元速率为15 kbps。

图7 扩频通信调制解调仿真流程框图Fig.7 Simulation flow chart of modulation and demodulation of spread spectrum communication

4.3 BPSK_DSSS调制

BPSK_DSSS，为信息调制为BPSK的直序扩频调制。用码长为N_chip的扩频码与信息码相乘，扩频信号经调制形成发射信号,考虑到水声信道中高频吸收衰减的限制，所以载波频率设置为10 kHz, BPSK_DSSS的流程如图所示。

图8 BPSK_DSSS调制原理图Fig.8 BPSK_DSSS modulation principle

4.4 信道

仿真信道加入高斯白噪声，信道深度为3 m，传输距离是5 m。

4.5 BPSK解调

BPSK_DSSS的解调方法与调制方法相反，仿真所采用的解调方法如图9所示。

图9 BPSK_DSSS解调原理图Fig.9 BPSK_DSSS demodulation schematic

本文用MATLAB软件的FDATool工具对改进后的带通FIR滤波器进行仿真，采用Equiripple函数法。用FDATool工具设计滤波器时，阶数及系数等参数可根据要求设置，其中滤波器的幅度和相位响应如图10。滤波器设计指标为：阶数为10，信号采样频率Fs为510KHz,密度系数为16。根据幅频特性和相频特性可知，改进后的滤波器通带范围是9-15KHz，幅度范围60-80dB,适用于扩频水声通信的要求。

图10 FDATool工具设计滤波器相关参数及分析图Fig.10 FDATool tool design and analysis of the relevant parameters of the filter

数字匹配滤波器一般由可编程逻辑器件实现，若采用可编程逻辑器件FPGA，所消耗的芯片资源见表1。可见，滤波器结构改进后触发器、查找表、逻辑单元等逻辑资源分别节约了1%、4%和5%。本文通过合理的结构简化，在保证匹配滤波功能的前提下，提高了通信系统的资源利用率。

表1 硬件资源消耗对比Tab.1 Hardware resource consumption's comparison

5 结语

本文在分析扩频码二值特性的基础上，提出了一种舍弃乘法器、减少加法器的新型数字滤波器结构。跟传统的数字匹配滤波器比较，在保证同步捕获功能相同的前提下，减少了扩频通信系统的硬件资源消耗，降低了系统的复杂度。改进后的匹配滤波器还具有设计方便、易于理解、捕获时间短、可在中频捕获等优点，特别适用于直扩水声通信系统。本文设计的数字匹配滤波器适合水声扩频通信的带通要求，实际通信过程的多普勒频偏矫正、相位频率误差估计等，是我们下一步的研究计划。

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Used in Underwater Acoustic Spread Spectrum Communication Synchronization Capture New Matched Filter Design

ZONG Zhen1,2,CAI Xiao-dong1,2,LIU Yu-liang1,2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022; 2.Key Laboratory of Offshore Engineering and Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022,China）

Firstly the influence on synchronization performance of a spread spectrum communication system is analyzed.By the description of synchronization acquisition method based on digital matched filtering, and by the theoretical analysis of synchronous acquisition speed and noise resistibility,an improved digital matched filter structure is proposed in this paper,where the original multiplication units are omitted and the quantity of addition units are decreased,and the pass-band meets the requirement of underwater acoustic communication.Finally,based on simulation results,it is shown that the hardware structure is obviously condensed on the premise of guaranteeing the same synchronization communication effect.

direct sequence spread spectrum communication;synchronization acquisition;digital matched filter;structure simplification

TN911.5；TN929.3

A

1008－830X(2016)03－0249－04

2016-03-10

浙江省公益性项目（2015C31072）；定海区科技计划项目（2015C3101）

宗振（1993-），男，江苏镇江人，硕士研究生，研究方向：水声工程.E-mail:1329160162@qq.com

刘玉良（1971-），男，河南唐河人，教授，博士，研究方向：信号处理与通信网络，智能机器人.E-mail:13957208678@163.com