猝发信号载波同步技术研究及实现＊

王杰英 张永鑫 李 军

（1.92330部队 青岛 266102）（2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

1 引言

由于扩频通信技术具有抗干扰能力强、截获概率低、多址性好和距离分辨率高等特点，近年来成为军事领域研究的热点[1～3]。在高动态、低信噪比环境下的突发通信中，为了实现对一帧突发信号的正确解调，要在解扩出符号数据后，在规定的导频序列长度内通过有限次调整完成载波同步，否则将造成后续用户数据的丢失，导致解调失败。

随着现代通信技术的飞速发展，超大规模集成电路和高速信号处理器高效的处理能力和处理速度也为实现猝发式直扩信号载波同步技术提供了良好的硬件平台[4]。通过对载波同步捕获技术的研究，采用快速数字捕获和基于FFT辅助的科斯塔斯（Costas）载波跟踪算法，仅需有限次调整就可以完成载波同步。快速载波同步设计采用ALTERA公司的StratixⅡ系列FPGA技术对载波同步方案进行硬件实现。

2 快速载波同步设计

在短时猝发式扩频通信系统中帧前导字长度有限，且为提高扩频增益，猝发信号被高速长扩频序列扩频调制后，在极短时间内以猝发形式被高速发送，对序列载波同步提出了更高的要求[5～6]。由于解扩前系统的载噪比很低，并且伪码同步对频偏敏感，因此伪码捕获必须以载波捕获为基础，伪码捕获伴随着载波捕获完成。当载波偏差较大时（超过符号速率的1／2），同步参数的直接参数估计主要针对载波频差，将估计得到的频差值预置到以符号率工作的锁相环中来跟踪载波相位以及很小的载波偏差抖动。而剩余的定时误差即伪码相差的纠正可以通过迟与门结构的延迟锁定环来是实现。

猝发式直扩接收机信号捕获和载波跟踪两部分可以在FPGA硬件实现，通常是在猝发帧的导频符字段内，用开环参数估计技术直接估计出待估参数的大致范围，此步骤称为同步参数的捕获或粗估计。被估计出的同步参数预置入锁相环中，利用锁相环对同步参数进行精确的稳态跟踪，此步骤被称为同步参数的跟踪或精估计。该系统既能满足快速捕获载波频率的要求又能实现对载波的精确跟踪，如图1所示。

图1 载波同步组成框图

3 信号快速捕获技术

在猝发式扩频通信系统中设计基于前导字技术实现信号同步[7]，导频符号长度预设200个左右。系统信号捕获采用扩频码分别对I、Q两路数据进行解扩，将解扩数据求平方和作为捕获判决量。

信号捕获过程，即频率捕获和伪码捕获都在导频符长度内完成。信号捕获以相关峰值作为捕获检测标志，根据捕获时间的限制和硬件规模的要求，先用恰当的频偏估计方法将多普勒频偏减小到合适的频差范围以内而实现频率粗捕，为后续载波同步模块进一步对频偏进行精捕和相位跟踪减轻实现压力；同时频差的减小降低了其对捕获检测量造成的衰减，再以一定的伪码相位搜索步进可使定时偏差减小到一个码片宽度以内而实现伪码捕获。系统采用对调制数据和初始载波相位都不敏感的平方和检测结构，如图2所示。

图2 平方和检测结构框图

4 载波跟踪技术

猝发式扩频通信系统中采用QPSK调制方式，并且工作在负信噪比环境中。这样，Costas环对于载波频率偏移的跟踪具有一定的局限性[8～10]，而如果通过增加环路的噪声带宽来获得对大频偏的跟踪能力，那么其跟踪精度又不能满足系统性能的要求，并且Costas环的捕获时间也会很长。这样Costas环对于载波频率偏移的跟踪不适合猝发式扩频通信的动态要求。因此，采用FFT＋Costas基于数据辅助的载波跟踪算法。FFT＋Costas跟踪算法在低信噪比条件下，通过开销一定数目的导频符号，能快速地对信号捕获后残余的较大频差进行精捕，使之满足Costas环快捕带宽要求，而后启动Costas环对载波相位进行稳态跟踪。

FFT＋Costas基于数据辅助的载波跟踪算法首先用FFT实时计算偏差信号的频谱，然后把计算出的频谱的峰值频率作为所查找的信号频率的最佳估值，通过计算出的接收信号载波与参考载波的频差，调整载波VCO，闭合Costas环。在调整过程中，如果环路锁定检测器检测出Costas环并未进入锁定，则断开Costas环，重新进行FFT变换，捕获信号频率；如果环路锁定检测器检测出Costas环处于锁定状态，则进行载波的相位捕获和相位跟踪。如图3所示。

图3 FFT＋Costas载波跟踪框图

对FFT＋Costas跟踪算法进行仿真，显示了对信号的频率变化率成分进行校正后跟踪误差变得更小且跟踪精度更高。加入FFT变换后达到的跟踪精度更高且跟踪速度更快，0.2s的跟踪情况显示最后的跟踪误差在4Hz以内，如图4（a）所示；而未加入FFT变换在0.25s的跟踪情况显示跟踪误差为40Hz左右，如图4（b）所示。

图4 锁频锁相跟踪误差

5 结语

采用快速数字捕获算法可以快速对接收信号的载波频率和伪码相位进行二维联合捕获，再通过基于FFT的Costas环载波相位跟踪算法实现频率精捕，并对载波相位进行稳态跟踪，使本地载波频率和相位与接收信号的频率和相位实现精确同步。系统的实现采用基于ALTERA公司StratixⅡ系列中的FPGA硬件电路来完成，该电路具有占用的硬件资源少、功耗低、捕获时间短和精度高等优点。

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