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时间:2018-07-11
《m序列扩频通信中同步方法的研究 - 欢迎访问中国造船工程学会网站》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、m序列扩频通信中同步方法的研究熊省军张国松周士弘摘要:同步是通信的前提,同步不好,通信性能将急剧下降。本文分析m序列时间同步和载波同步对通信性能影响,提出一种超前门和滞后门来实现同步跟踪的方法,利用m序列模糊特性,搜索多谱勒频偏,实现载波同步,为了减少运算量,提出了快速算法,本文还给出海试采集的通信数据的分析,结果验证了本文提出的同步方法可以获得准确的同步。关键词:同步、扩频通信、快速算法1.引言同步对于通信系统,特别是数字通信系统来说是一项关键的技术,其好坏对于通信系统的性能有着决定性的作用。如果同步不好,通信系统的性能就会下降,甚至无法正常工作。
2、在m序列的扩频通信中,对时间同步和载波同步的要求都非常严格,只有在m序列完全同步的基础上才能获取理想的处理增益,否则系统的处理增益将会下降,更严重的是导致对信息符号产生错误判决。2.m序列扩频通信中的同步m序列具有伪随机特性,当序列长度N很大时,在所截取的频带(B>>1/T)内谱特性接近白色带通噪声谱,其模糊特性为(1)上式表明m序列模糊函数在时间频率两方面具有相同的形式,图1为其模糊图。图1m序列模糊图由于m序列的模糊特性,同步内容包括两方面:一是时间同步,也即序列同步,本地参考码序列与接收信号码序列在时间和相位上对齐;二是载波同步,在相干解调时获
3、取相干载波。2.1时间同步[1][2]时间同步过程分两个步骤,其一是对信号的同步捕获,其二是对信号的同步跟踪。捕获要求速度快,抗干扰能力强,电路简单、易实现。捕获的方法很多,一种工程上应用比较广泛的方法是前置码法。因为用于同步的码序列和用于传输信息的伪码不必相同,因此可以采用一种专门的前置码供同步使用。前置码一般较短,典型的有barker码。发射机在发送有用信息之前,先发前置码,供通信对方的接收机建立同步,接着再发有用信息。前置码法可以提高捕获和同步速度,但因为前置码不能太长,容易受到噪声和干扰的影响而产生错误捕获。同步跟踪也称细同步,是在码序列获得
4、捕获之后,进一步调整本地时钟的过程,目的是使同步误差尽可能减小,至少保持在一个码片范围之内。跟踪的基本方法是采用一个超前—滞后门形成的闭环控制系统,来调节接收机的对下一扩频信号的采样时刻,如图2所示。VCO时钟包络解调ADC时钟环路滤波m图2同步跟踪环原理图2中,接收的扩频码经过滞后门,与参考m序列的相关输出,经过超前门的相关输出,其差用于产生误差信号,即有=。图3给出了这些输出信号。当>0时,则对下一个扩频信号的采样时刻需要滞后,反之需要超前。实际上改变AD初始采样时刻比较复杂,一般的办法是通过截取接收信号的缓冲区数据来模拟这一过程,需要超前采样时
5、,只需减小缓冲区的首地址,否则增加缓冲区的首地址。图3超前与滞后相关器的输出2.2载波同步[1][2]对水声通信来说,多谱勒效应的影响是相当严重的,由(1)式可知,m序列的多谱勒容限是(2)相应的速度容限是(3)由图1可知,多谱勒的影响将导致m序列的相关峰值输出急剧下降,但从另一角度看,却可以利用它对多谱勒很敏感这一特性,来搜索多谱勒频偏,从而获取正确的相干载频。为了提高频率搜索的速度,将频率搜索分为两步:第一步,以大步长搜索;第二步,在第一步确定的粗略频率周围,以小步长搜索。设通信双方之间相对径向速度最大为m/s,水中声速为m/s,发射机中心频率H
6、z,则搜索的最小频率为:(4)设频率粗搜索的步长为,频率精搜索的步长为,一个扩频码片时间宽度为,扩频序列周期为,则扩频信号的频率最小分辨率为:(5)于是取:(6)(7)可见,扩频序列周期越长,对多普勒频移越敏感,搜索步长越小。设频率粗搜索的频道数为,则:(8)3.快速算法当m序列的长度越大时,由(8)式知,频率搜索的频道数越多,而且每次相关的运算量变大,如果采用普通的矢量—矩阵相乘,相关的计算量近似正比于,因此必须采用快速算法。m序列可通过一定规则重置,变成哈达码矩阵的某一行,序列的相关运算则转变乘哈达码矩阵运算,称为沃尔什—哈达码变换[3][4],
7、哈达码矩阵是由组成的正交方矩阵,哈达码的行是沃尔什函数,沃尔什函数是周期为2n的周期离散函数,它是由形成基集合的拉德马赫函数连乘而得。对于,有n个周期为N的拉德马赫函数。如下所示:(9)选择任意一组相乘,都可得到N个不同的沃尔什函数。为记录任意沃尔什函数,存在解析式:(10)设,即,令(11)为哈达码矩阵,为(12)于是,沃尔什—哈达码变换和逆变换的向量形式的定义分别如下:(13)(14)沃尔什—哈达码变换同离散傅里叶变换,也有快速算法,类似于FFT,利用快速算法,完成一次变换只需次加减法,没有乘法运算,比FFT更简单、更迅速。4.试验分析扩频信号表
8、示为(9)其中P1为用来做时间同步和载波同步的m序列,P2是表示信息m序列。发射信号包括两帧,帧长1.2s,
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