m序列扩频通信中同步方法的研究

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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。在m序列的扩频通信中，对时间同步和载波同

2、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

3、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

4、—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，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

5、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Hz，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

6、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]，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

7、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，