适用于突发通信的自适应门限解扩技术

韩 冬，张 琳

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

在时分多址(TDMA)的微波点对多点通信系统和无线自组织网络等通信系统中，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，通常解决的办法是采用扩频技术。

扩频技术广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。目前扩频技术应用最广泛的是最大似然判决算法: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，或者使用前一突发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。本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。

1 同步序列的相关性

接收机利用扩频序列具有尖锐相关峰值的特性，采用数字匹配滤波器提取相关峰，来实现位定时同步［1］。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［2］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。

图1 同步序列自相关特性

由图1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。

2 解调器结构

基于可编程逻辑器件(FPGA)的软件设计解调器结构，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［3］，基带信号采用两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，解调器结构如图2所示。

图2 同步提取单元结构示意图

2.1 匹配滤波器

经下变频后，I、Q两路基带信号分为2路，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、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。

解调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，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)在时间上平移匹配滤波器的输出信号波形可表示为:

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倍。而匹配滤波器在每个采样点上都能输出1个相关值，在1个扩频码周期内，就能得到1个相关值，是1种快速的相关器件。

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。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［5］。

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1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。

2.2 相关峰与门限的定量分析仿真

图3是采用本文算法计算出的同步相关峰和门限的定量分析［6］。2条曲线是在各种信噪比条件下，计算出的前后100个同步序列的相关峰和门限的平均值，可以看到2条曲线基本平行。

图3 同步相关峰和门限的定量分析

2.3 判决辅助电路

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。

2.3.1 相关峰相邻检测电路

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。

2.3.2 峰值冒泡选择电路

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1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同步时刻。

3 自适应门限算法

3.1 自适应门限原理

自适应门限原理如下:

3.2 不同信噪比下相关峰与门限仿真曲线

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2 dB左右。采用固定门限判决或使用前一突发数据检测到的相关峰值的1/N(N为整数)判决的方法，都不能反应本次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。

文中采用自适应门限来解决上述问题，图4为解调器在高斯信道下，采用自适应算法得到的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

自适应门限解扩技术是针对突发通信而设计的，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］ 曾兴雯.刘乃安.通信中的扩展频谱技术［M］.陕西:西安电子科技大学出版社，1995.

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

［3］ 姚彦.数字微波中继通信［M］.北京:人民邮电出版社，1981.

［4］ VITERBI A J.CDMA扩频通信原理［M］.北京:人民邮电出版社，1997.

［5］ OERDER M， HYER H.Digital Filter and Square Timingrecovery［J］ .IEEE Trans on Communication ，1998，36(5):605-612.

［6］ 张琳，张永杰.点对多点无线局域网中直扩序列选取［J］.无线电工程，2009，39(2):19-22.