基于自适应门限的快速分组同步技术

张 琳,张永杰

（中国电子科技集团电子第五十四研究所,河北 石家庄 050081）

0 引言

突发通信广泛应用于采用时分多址（TDMA）的点对多点通信系统和无线自组织网络等通信系统中。在这些系统中,数据通信以突发的方式进行,信息传输是不连续的,因此很难通过反馈环路实现载波同步和定时同步。通常解决的办法是在每个突发数据包前插入一个特定图案的前导字用于时钟和载波同步,前导字作为系统开销,降低了数据传输效率。

前向结构的高速突发解调器成为了发展的趋势,时钟恢复和载波恢复都采用前向结构算法,不会出现反馈环结构算法中的“挂起”问题,但是这种前向突发解调器需要准确知道每分组数据的起始时刻。分组同步检测的任务就是要判断分组的到来,并寻找分组的起止时刻。一旦分组同步没有及时建立,这一分组数据就将无法获取和恢复,所以捕获突发分组同步是实现突发定时同步和载波同步的前提。

1 突发分组同步

目前突发分组同步技术应用最广泛的是最大似然的判决算法:在每一分组前面插入一个具有良好自相关性能的同步码,然后接收端数据与本地同步码计算相关,将出现相关峰的位置判决为同步码的位置,判决门限通常采用固定值,或者使用前一分组检测到的相关峰值的1/k倍（k是整数）。这2种门限选取方法都不能实时反应信道特性,容易造成漏同步和假同步。如何降低漏同步和假同步概率,并且缩短同步建立时间是同步技术努力的方向。该文主要讨论采用自适应门限进行相关值判决,并使用短同步序列来提高传输效率。

分组同步序列采用扩频序列,利用扩频序列具有尖锐相关峰值的特性,在接收端采用数字匹配滤波器提取相关峰,来实现分组同步。扩频序列的相关性能直接关系到产生假同步的概率。为了提高数据传输效率,尽可能选取相关性能好且短的码字,工程设计中,采用32位扩频码。采用matlab软件进行计算机仿真找到一条扩频码111101011100110110100111,同步序列前还应该含有部分前导码用于接收机中AGC的快速稳定时间。

图1是在没有引入任何噪声的情况下的相关峰波形。可以看到旁瓣最大为4,与相关峰值之比为4/32=0.125,具有很好的相关特性。

图1 分组同步序列自相关特性

突发解调器采用BPSK工作方式,以4倍符号时钟工作,信号下变频后,I,Q两路基带信号首先通过平方根升余弦匹配滤波器完成匹配,基带信号采用2种不同数字匹配滤波器提取相关峰值和计算自适应门限值。图2是采用该算法计算出的分组同步相关峰和门限的定量分析。2条曲线是在各种信噪比条件下,计算出的前后100个分组的相关峰和门限的平均值,可以看到2条曲线基本平行。

图2 分组同步相关峰和门限的定量分析

2 分组同步器结构

在解调器中基带信号分为2路,一路以一个突发为单位存储数I,Q两路基带信号,用于数据解调;另一路进入分组同步提取单元,结构如图3所示。其工作原理如下:2路数字匹配滤波器同时进行信号相关处理,匹配滤波器1输出相关峰,经过相邻值最大检测电路和峰值冒泡选择电路后输出;匹配滤波器2输出参考门限值;在判决器中判决出同步信号,送解调单元用于数据解调。分组同步器的主要组成部分是数字匹配滤波器。匹配滤波器的传输特性H（w）=KS*（w）ejwt0,用它的冲击响应h（t）表示为:h（t）=Ks（t0-t）,匹配滤波器的冲击响应便是信号的镜象信号s（-t）在时间上平移t0,而匹配滤波器的输出信号波形可表示为:

图3 分组同步提取单元结构示意图

R（t）为输入信号的自相关函数,匹配滤波器的输出信号波形是输入信号的自相关函数的K倍。而匹配滤波器在每个采样点上都能输出一个相关值,在一个扩频码周期内,就能得到一个相关值,是一种快速的相关器件。当接收码与本地码相位相同时,会有最大的相关值输出。

数字匹配滤波器1的主要组成部分为移位寄存器和累加器,接收信号与本地扩频码进行相乘运算,乘法器系数取±1,由本地扩频序列决定。匹配滤波器实质为实序列对输入的复序列的相关。信号经调制输出,在信道中由于存在相位旋转,因此匹配滤波器同步信息的相位搜索必须在I路与Q路同时进行,2路相关结果取平方和之后得出相关峰值。

数字匹配滤波器2不同于数字匹配滤波器1,它将数字匹配滤波器1中接收信号与本地扩频码相乘的运算,改成取绝对值后相加,相当于对一个码长度周期内的接收信号进行能量累加,然后再2路平方求和。

相关峰判决辅助电路包括相关峰相邻检测电路和峰值冒泡选择电路。相关峰相邻检测电路的原理是:相邻的5个相关峰采样点,都与中间的采样点比较,若中间点值最大,就输出中间点值,否则输出0,目的是使相关峰信号成为00X00X00X00的数值。因为解调器以每符号4倍采样时钟工作,在匹配滤波器中接收码与本地码相位相差前后2个采样点时,会有与相关峰最大值相近的值输出,经过最大值检测电路后,与相关峰最大值相邻的采样点输出为0,避免了相邻的采样点超过门限造成误判。

峰值冒泡选择电路是为了降低检测虚警概率,当信号信噪比较低时,会出现一个以上的相关值超过门限,会造成出现多个同步信号。冒泡选择电路工作原理是:首先,给用于存储峰值的寄存器reg赋一个初值0,检测到第1个过门限相关值时,将相关值赋给reg,当检测到第2个过门限相关值时,与reg中存的数进行比较,若大于则将第2个数存入reg,否则reg保持不变。以此类推,最后保存在reg中的值认为是相关峰的最大值,产生这个相关峰的时刻认为是分组同步时刻。

为了降低产生虚警的概率,系统采用解调器与复分接器联合设计。分组同步序列后面跟的数据是随机的,有可能会出现与分组同步序列相似的序列,产生假同步。复分接器在分组同步序列到来时刻,给解调器一个开窗信号,解调器则认为只有在窗内出现的相关峰才能作为同步信号。

3 自适应算法

在TDMA系统中,突发数据来自不同从站,信号到达主站的信噪比会有较大差别;同时接收端AGC输出给解调器信号的波动范围在2dB左右。采用固定门限判决或着使用前一分组检测到的相关峰值的1/N（N为整数）判决的方法,都不能反应分组数据到来的实际情况。当门限取得不合适时,容易使同步的虚警或漏警概率增高。

该文采用自适应门限来解决上述问题。自适应门限原理如下:

当a,b,c都是正数时,等号成立。

图3中,匹配滤波器1输出的相关值为:Rp1=,为滤波器匹配系数。

在高信噪比,信道不存在误码的条件下,只有当收数据与本地码相位对齐时,Rp1=Rp2;其余时刻由式（1）得出且由图1可以看出,当收数据与本地码相位不同时,在低信噪比条件下,因为信道存在误码,即使收数据与本地码相位对齐时,Rp1也会小于Rp2。因此,选kRp2作为判决Rp1的门限值的选取通过计算机仿真并结合工程实践取

图4为解调器在高斯信道下,采用自适应算法得到的分组同步相关峰和门限的仿真曲线。可以看到,尤其在低信噪比条件下,门限值随着相关峰而波动。

图4 相关峰和门限的仿真曲线

4 结束语

基于自适应门限的快速分组同步技术是针对大容量突发调制解调器而设计的,具有较高的传输效率和较好的实时性,能够自动准确地完成分组同步的搜索以及判决,使系统在不增加假同步概率的基础上降低了漏同步的产生概率,提高了系统的稳定性,并且设计简单,实用性强,该算法已经成功应用于实际系统中。

[1]OERDER M,HYER H.Digital filter and square timingrecovery[J].IEEE Trans on Communication,1998,36（5）:605-612.

[2]张永杰.高速突发解调器的快速同步技术研究[J].无线电通信技术,2009,35（5）:29-30,61.

[3]王立宁.Matlab与通信仿真[M].北京:人民邮电出版社,1999.