低速非相干扩频信号的快速同步方法研究

冯超英，邓晓平，马路娟

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081; 2．河北师范大学 职业技术学院，河北 石家庄050043)

低速非相干扩频信号的快速同步方法研究

冯超英1，邓晓平1，马路娟2

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081; 2．河北师范大学 职业技术学院，河北 石家庄050043)

为了降低低速非相干扩频信号的同步时间，提出了一种分阶段的同步方法。该方法将整个同步过程分为伪码搜索与捕获、频率细估计、伪码跟踪、定时和载波相位跟踪几个阶段。其中前2个阶段采取了并行处理方法，在降低处理时间的同时提高了可接收的信号动态范围;后续各个阶段的处理充分利用了前面处理已经获知的同步信息，进一步减少了信号的同步时间。仿真和FPGA实测结果表明，该同步方法可实现低速非相干扩频信号的快速同步，与传统同步方法相比，同步速度可提高一个数量级。

非相干扩频;伪码捕获;频率估计;定时同步

0 引言

由于具有抗干扰性、保密性和频谱密度低等特点，直接序列扩频(DSSS)技术在军事通信和民用通信领域都得到了广泛应用［1］。根据数据符号时钟与伪码时钟是否同源，可将 DSSS信号分成相干DSSS和非相干DSSS。对于相干DSSS，伪码速率是数据符号速率的整数倍，而非相干DSSS信号中，数据符号的跳变沿与伪码相位不存在确定关系［2］。这种非相干特性使得扩频信号的抗干扰性和保密性进一步提升，同时也使得信号的接收处理变得更为复杂。例如，伪码相位的搜索会受随机数据符号跳变的影响，并且即使伪码相位捕获成功，数据符号的起始位置仍然未知，还需进行符号定时处理［3］。

为了提高系统的抗干扰、抗截获能力，扩频系统通常会采用大的扩频比对低速数据符号进行扩频处理［4］。低符号率下多普勒对接收性能影响将变得更为明显［5］。文献［6－8］论述了基于部分匹配滤波+FFT的处理方法，该方法可以有效地提高载波捕获范围，但其有效的估计频率分辨率只能达到符号速率的一半，无法满足后续跟踪环路所需的小于1/10符号速率的频偏要求。

在扩频系统的设计中，捕获和同步时间应尽可能小。本文针对前述设计约束，提出了一种分阶段的同步方法。该方法在伪码搜索与捕获阶段采用并行部分相关+FFT+非相干累积的处理方式，在有效缩短搜索捕获时间的同时提高了可接收的载波频偏范围，并且初步估计出数据符号的起始位置;在频率细估计阶段采用并行相关+非线性处理+FFT+非相干累积的方式进行对残余频偏进行细估计;在伪码跟踪阶段使用能量归一化的延迟锁定跟踪环，并通过对非相干累积参数的设定，减小了定时偏差对码环的影响;在定时和载波跟踪阶段，首先采用相关+非线性处理+FFT+非相干累积的方式对定时和频偏进行前馈估计，使得定时和载波落入定时和载波环路的快速入锁范围，然后分别进行反馈形式的定时和载波跟踪。

1 伪码搜索与捕获

只有当本地产生的伪码序列速率和相位与接收的伪码速率和相位相匹配，本地的载波频率跟踪上多普勒频移时，I/Q两路信号的幅值才能达到最大，所以伪码的搜索与捕获包括伪码相位的初始同步和多普勒频移的初始估计。在搜索过程中，设码相位步进量为半个码相位单元，多普勒频移步进量为一个多普勒频移单元，则半个码相位单元和一个多普勒频移单元就构成了二维搜索空间的一个搜索单元。当相关结果高于预设信号检测门限时伪码捕获完成。对于长度较大的伪码，搜索单元的数量将变得很大，如果采用串行搜索的处理方式，捕获所需的时间将变得很长。常用的方法是匹配滤波器，其在一个伪码周期内可以确定伪码相位，但所需的硬件规模太大。

为了在有限的资源条件下提高捕获速度同时扩大可处理的多普勒范围，常用的伪码捕获方式是部分匹配滤波+FFT或并行部分相关+FFT，2种方式下的处理结果一致，但后者的灵活性更强，所以这里采用并行部分相关+FFT+非相干累积的处理方式，如图1所示。

图1 伪码搜索与捕获阶段处理

由于符号边沿位置未知，将上述处理过程从符号的不同位置进行重叠处理。然后从不同位置的处理结果中选择最大值，以减小数据符号边沿对处理结果的影响，如图2所示。最后，根据这一最大值对应的存储位置确定伪码相位与频偏。

图2 重叠处理示意

FFT处理使得搜索的频率范围得到有效扩展。若采用了128点的FFT处理(64点有效数据+64点补零)，由于FFT输入的数据采样率为64倍的符号速率(积分清洗长度为 1/64符号长度)，所以 FFT输出能够表示的最大频率范围－32*fsym～32*fsym，分析精度为0．5* fsym。

假设伪码周期为 2 047，符号速率 fsym为3 kbaud，相关处理的并行度设置为64，即每次同时搜索64个伪码相位(记为1个伪码分段)，总共需要搜索的伪码相位是4 094，所以完成全部伪码搜索需要执行64个伪码分段的搜索，各个分段的搜索在时间上串行执行。该阶段处理所需的时间缩短为传统串行搜索的1/64，而所占用的处理资源约为全匹配滤波方式的1/64。在实际的设计中可以通过调整并行度，在满足处理资源约束的情况下达到捕获时间要求。

为提高捕获灵敏度，采用了非相干累加的方法。要达到一定的虚警和检测概率需要相干+非相干输出的信噪比不小于17 dB，结合捕获的载噪比指标可以得出所需的非相干累加次数。非相干累加的信噪比增益等于相同累加次数的相干累加信噪比增益减去非相干累加的损失。由于非相干累加损失的计算公式较为复杂，这里选取经验值0．7作为非相干累加与相关累积的增益比例，即非相干累加的信噪比增益为7* log10(nca_num)。所以，非相干累加次数nca_num的计算公式为:

式中，c/N0为载噪比。若捕获门限要求的载噪比为45 dBHz，则根据上述计算可得所需的非相干累加次数约为10。

对该部分进行仿真。设定频偏为 5 kHz，比特信噪比为6 dB，用于估计符号跳变沿的重叠次数为4，即符号跳变沿估计精度为1/4符号。数据接收的参考符号位置与信号中符号跳变沿相差0．4符号周期。仿真结果如图3所示，从图3可以看出，该方法可以正确地确定接收信号中的符号跳变沿。

图3 仿真结果

2 频率细估计

频率细估计部分的目标是将频率的不确定范围缩小到符号速率的1/10之下，以便后续的环路可以快速入锁。由于经过伪码搜索与捕获阶段，虽然可以确定伪码相位的大致位置，但由于多普勒的存在，频率细估计阶段载波和码多普勒仍然存在［9］。所以，频率细估计阶段仍需要在一定的码相位范围内进行搜索处理，这里采用并行相关+非线性处理(V＆V算法)+FFT+非相干累积的方式，其处理框图如图4所示。

图4 频率细估计阶段处理

由伪码搜索与捕获阶段可以得到符号边沿的大概位置，频率细估计部分根据这一信息确定相关累积处理(即积分清洗)的起点，积分时间为1个符号周期，然后对每一个积分清洗结果进行基于V＆V算法的非线性处理，即将积分清洗结果由直角坐标系转换至极坐标系，对应的角度乘2，再转换回直角坐标系［10］。非线性处理去除了调制数据的影响，但对应的频率偏移量扩大了1倍。由于伪码搜索与捕获阶段后信号的频率不确定范围限定在－fsym/4～+fsym/4，所以非线性处理后FFT需要估计的频率范围是－fsym/2～+fsym/2，而此处 FFT实际的估计范围也是－fsym/2～+fsym/2。若 FFT规模为32(16点有效数据+16点补零值)，则最终的频率估计精度为fsym/64。非相干累积次数与频率粗估计部分一致。

3 伪码跟踪

通过前2个阶段的处理，已经获知的同步信息有:伪码相位(精度:1/2码片)、载波多普勒(1/64符号速率)和定时位置(1/4符号周期)。这些同步信息确定后已经可以进行伪码相位的跟踪。伪码跟踪环路采用常规的延迟锁定环(DLL)，其中相位误差鉴别器选用被超前加滞后包络所归一化的非相干超前减滞后包络(从而去掉了幅度敏感性)，信号包络的计算采用Robertson近似［11］。DLL锁定检测通过在DLL稳定后不间断地监测对准支路与超前/滞后支路的能量比值进行判定。

由于信号中伪码与数据符号非同源，用于生成超前/滞后包络的处理的有关参数需要进行特殊设计。否则，鉴相输出的起伏会影响环路的稳定性。这对最差情况下(符号+1和－1交替)，不同的积分清洗起始位置、积分清洗长度及非相干累积次数对最终输出包络的起伏情况进行考察［12］，可以得出如下结论:

① 最差情况下，积分清洗长度为0．9符号时，非相干累加次数的增加可以提高最终包络的平均能量;且多数情况下，不同积分起始对应的包络都存在起伏，只在非相干累积次数为10(或10的整数倍)时，不同积分起始造成的包络起伏最小。

② 最差情况下，非相干累加次数为10时，同样只有积分清洗长度为0．9符号的情况下，不同积分起始造成的包络起伏最小。

根据上述结论，为保证最差情况下输出包络起伏最小，积分清洗的长度选用0．9符号长度，非相干累积次数设置为10。

4 定时与载波同步

伪码跟踪阶段后，伪码相位已经完全已知，可以将信号上的伪码剥离，然后便可以按照非扩频信号的同步方式进行后续的定时与载波同步处理。这里采用Gardner算法进行定时误差估计，估计结果通过环路滤波后控制用于生成符号时钟的DDS，进而控制积分清洗处理的起点［13－14］。

载波跟踪环路采用COSTAS环，相位鉴别器采用面向判决的COSTAS，载波相位的跟踪采用经典的复数对相位解旋方案。

由于初始(定时/载波)偏移较大时，环路进入锁定过程时间较长，这里在环路之前先采用相关+非线性处理+FFT+非相干累积的方式对定时和频偏进行前馈估计，使得定时和载波同步信息的归一化偏差进一步减小，使得定时和频率落入定时和载波环路的快速入锁范围。其中定时前馈估计的思路与伪码搜索与捕获阶段一致，载波估计的思路与频率细估计阶段一致。

5 结束语

针对低速非相干扩频信号接收处理所面临的同步时间及处理硬件资源等约束，本文提出一种分阶段的同步处理方法，该方法在伪码搜索与捕获阶段采用并行部分相关+FFT+非相干累积的处理方式，在有效地缩短搜索捕获时间的同时，提高了可接收的载波频偏范围，并且初步估计出数据符号的起始位置;在频率细搜索阶段采用并行相关+非线性处理+FFT+非相干累积的方式进行对残余频偏进行细估计;在伪码跟踪阶段使用能量归一化的延迟锁定跟踪环，并通过对非相干累积参数的设定，减小了定时偏差对码环的影响;在定时和载波跟踪阶段，首先采用相关+非线性处理+FFT+非相干累积的方式对定时和频偏进行前馈估计，使得定时和频率落入定时和载波环路的快速入锁范围，然后分别进行反馈形式的定时和载波跟踪。在基于 Kintex7系列FPGA的硬件处理平台上对该方法进行实现，硬件实测结果表明，针对本文给出的参数设置，系统可在1 s内实现信号的捕获，在4 s内实现信号的同步，这一同步速度较以往的同步方法提高了一个数量级。

［1］ 田日才．扩频通信［M］．北京:清华大学出版社，2007．

［2］ 张 谦，侯 鹰．一种适合于非相干直扩信号捕获的方法［J］．无线电工程，2006，32(5):48－50．

［3］ SAWASD T，ALEX W L，PATRICK J V．Noncoherent Sequential Acquisition of PN Sequences for DSSS Communications with Without Channel Fading［J］．IEEE Transactions on Communications，1995，43(2):1 738－1 745．

［4］ 韩 靖，周耀强．高动态环境下的伪码快捕方法综述［J］．现代防御技术，2007，35(1):56－60．

［5］ 徐宁波，宋荣荣．基于 PMF－FFT改进的捕获方法［J］．无线电通信技术，2014，40(2):41－43．

［6］ 牛景昌．时变多普勒频移直扩信号的检测方法［J］．无线电通信技术，2014，40(5):37－39．

［7］ 徐晓艳，李署坚，邵定蓉，等．高动态境下扩频通信系统信号快速捕获的研究［J］．遥测遥控，2005，25(3): 22－27．

［8］ 杨延嗣，刘太君，叶 焱，等．基于FPGA的宽带双波段信号捕获与恢复技术［J］．移动通信，2015，39(2): 74－78．

［9］ 吴 果，王艳君，潘申富．卫星信道下低速扩频信号的快速同步［J］．无线电工程，2006，32(6):16－18．

［10］VITERBIA．NonlinearEstimation ofPSK-Modulated Carrier Phase with Application to Burst Digital Transmission［J］．IEEE Trans．Info．Theory，1983，41(7):543－551．

［11］KAPLAN E D，HEGARTY C J．GPS原理与应用(第 2 版)［M］．北京:电子工业出版社，2012．

［12］石 荣，李 潇，刘 畅．基于矢量合成的相干信号干涉仪测向模型［J］．现代雷达，2016，38(9):23－27．

［13］GARDNER F M．Interpolation in Digital Modems-Part I: Fundamentals［J］．IEEE Trans．on Commun．，1993，41 (3):501－507．

［14］GARDNER F M．Interpolation in Digital Modems-Part II: Implementation and Performance［J］．IEEE Trans．on Commun．，1993，41(6):998－1 008．

Research on Fast Synchronization Methods of Low-symbol-rate Non-coherent DSSS Signals

FENG Chao-ying1，DENG Xiao-ping1，MA Lu-juan2

(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．College of Career Technology，Hebei Normal University，Shijiazhuang Hebei 050043，China)

A synchronization method with several stages is proposed to reduce synchronization time of low-symbol-rate noncoherent DSSS signals．The synchronization process consists of following stages:search and acquisition of PN code，carrier frequency fine estimation，PN code tracking，timing and carrier phase tracking．In this method，the first two stages adopt parallel processing，which reduces process time and expands the dynamic range of receive signals．And，the following stages fully use the synchronization information already obtained，which reduces the synchronization time further．Simulation results and FPGA measure results indicate that this synchronization method can realize fast synchronization of low-symbol-rate non-coherent DSSS signals，synchronization speed can be improved one order compared with the traditional synchronization methods．

non-coh-erent DSSS;acquisition of PN code;frequency estimation;timing synchronization

TN911

A

1003－3106(2017)02－0020－03

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．05

冯超英，邓晓平，马路娟．低速非相干扩频信号的快速同步方法研究［J］．无线电工程，2017，47(2):20－22，27．

2016-11-08

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122105);河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016108)。

冯超英男，(1965—)，高级工程师。主要研究方向:无人机测控系统。

邓晓平男，(1985—)，工程师。主要研究方向:信道估计与均衡技术。