高动态突发扩频信号的快速捕获结构研究

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1、http://www.paper.edu.cn高动态突发扩频信号的快速捕获结构研究纪勇，林水生，李广军电子科技大学通信与信息工程学院，成都（610054）E-mail：jiyong3998@uestc.edu.cn摘要：传统伪码捕获结构在处理高动态突发信号时具有一定的局限性。本文提出了一种基于载波信号功率谱特性的快速捕获电路结构，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以判断捕获成功与否。计算机仿真结果验证了该算法能够完成高动态环境下短时突发扩频信号伪码的快速捕获。关键词：扩频通信，伪码捕获，载波功率谱，短

2、时突发1.引言扩频通信以其抗干扰能力强、截获率低、抗多径、保密性好等一系列的优点，在军事及民用通信系统中得到越来越广泛的应用。伪码同步是扩频接收中的核心技术，而在高动态、低信噪比的环境中，尤其是高速率、伪码周期长的情况下，要完成伪码的捕获与跟踪比较困难。文献[1]采用了滑动相关法，其捕获时间正比于伪码周期的平方，在伪码周期较长时搜索时间极长。文献[2]采用了匹配滤波法，在缩短伪码捕获时间的同时增加了系统硬件的复杂度。上述两种方法的相关器输出受多普勒频移的影响较大，捕获时需要在伪码相位与多普勒频移之间进行二维的搜索。文献[3－5]提出了基于

3、载波频率的FFT算法，克服了多普勒频移对伪码捕获的影响，达到了快速捕获的目的，但是要求接收信号的功率变化小，当接收信号的功率变化较大时，必须进行自适应门限调整以实现正确捕获，这增加了系统的复杂度和捕获时间，无法完成短时突发通信的伪码捕获。文献[6]总结了几种常见的伪码捕获结构，但只是对各种结构进行了比较，并没有解决各种结构存在的缺点。本文在兼顾搜索速度和硬件复杂度的基础上，针对高动态短时突发扩频信号，提出了一种基于载波信号功率谱特性的快速捕获电路结构，仿真结果验证了该结构能够完成高动态短时突发扩频信号伪码的快速捕获。2.基于载波功率谱特性

4、的捕获本设计中，接收信号为短时突发直接序列扩频信号，信号功率变化很大且突发长度不定，扩频使用的伪码从周期极长且速率很高的伪码中截取得到，扩频因子为128，载波的多普勒频移为-30KHz~+30KHz，多普勒频率偏移率较小，数据帧头含有基带数据信息但没有导频信息。针对这种高动态短时突发扩频信号，匹配滤波法和基于载波频率的FFT算法均不能有效地完成信号的快速捕获，这里提出一种基于载波信号功率谱特性的快速捕获电路结构。考虑通信信道模型为加性白高斯噪声信道，不考虑多径及衰落的影响，忽略由多普勒频移造成的接收码元速率抖动，接收信号经过本地伪码信号解

5、扩后的表达式如下：rt()=−2PdtT[(εω)cos(][+ω)(tT−ε)+θ]+n()tPN()0t≤ε<1(1)cd0c式(1)中，P为接收信号的功率，dt()为基带数据信息，ω0、ωd分别为载波的角频率和多普勒频移，θ为载波的初始相位，εTc为接收的伪码信号与本地伪码信号由于未完全同步而错2开的时延差，nt()是均值为0、方差为δ的白高斯噪声，PNt()为本地伪码信号。不失一般性，下面的分析中暂时忽略噪声部分ntPNt()()的影响。当

6、

7、1ε≥时，本地伪码相位与接收信号伪码的相位完全没有对齐，此时信号的功率谱为-1-http

8、://www.paper.edu.cn噪声谱；当0

9、

10、1<<ε时，本地伪码相位与接收信号伪码的相位没有完全对齐，此时解扩信号包括完全解扩的部分和经伪码再次扩频的部分，对解扩后的信号进行一个基带数据长度的功率谱分析，可以看出信号的功率谱接近噪声谱，其包络为一sinc函数；当ε=0时，本地伪码相位与接收信号伪码的相位完全对齐，此时解扩信号仅包括完全解扩的部分，完全解扩的信号表达式如式(2)：(2)rt()=+2Pdt()cos([ω0ωθd)t+]此时信号为一单频正弦信号，在频域内存在相对于多普勒频移与载波频率之和的单一谱线，而其他频点处功率

11、谱值为零。根据上述不同情况下信号功率谱所具有的明显差异，本文提出了一种快速伪码捕获电路结构，如图1所示。首先对接收到的信号进行解扩，然后计算解扩后信号的功率谱并得出功率谱最大值与次大值的比值，将该比值与固定的判决门限进行比较以判断捕获成功与否。123Nrn()否⊗⊗⊗⊗功率谱计算捕获及捕获判决成功PN123N数据输出解调是图1基于载波功率谱特性的捕获结构我们采用周期图法计算解扩后信号的功率谱曲线，通过FFT算法计算rnN()的功率谱RkN()，得到对接收信号rnN()真实功率谱PˆPER()ω的估计。但是周期图法有其自身的缺陷：当数据长度

12、N值太大的时候，谱曲线起伏加剧，N值太小的时候，功率谱的分辨率又不好。为了尽量凸现谱线的峰值，同时减少谱线的起伏程度，采用Welch算法改进功率谱的估计。123把采样长度为512点的信号rnN