一种应用于无线时间同步系统的捕获算法

张梦琳，王嘉琛，刘音华，张慧君，李孝辉,3

一种应用于无线时间同步系统的捕获算法

张梦琳1,2，王嘉琛1,2，刘音华1,3，张慧君1,3，李孝辉1,2,3

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院大学，北京 100049;3. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600）

无线收发模块是集成在高精度双向无线时间同步系统中的关键单元，它具有发射无线时间同步信号、接收信号并捕获的功能。传统的导航信号，数据码首先与伪码异或相加而实现扩频，然后两者的组合码通过调制依附在载波上。该设计方式长相干积分受数据位跳变的影响，从而降低捕获和跟踪的灵敏度，同时增加了计算量，不适用于高灵敏度的无线收发模块。在无线双向时间同步系统收发模块中提出一种导频和数据通道相结合的方法，在接收通道对无线时间同步信号进行相关运算，实现导频和数据双通道组合捕获。其中导频通道专门用于扩频码信号的跟踪、捕获，并提供精确的伪距观测量，而数据通道接收导航电文。同时，论文分析比较了传统的相干积分捕获、半比特捕获以及导频与数据双道组合捕获算法的性能。其结果表明：采用导频和数据通道分别进行相关，在避开比特跳变的基础上最大程度地提高了相干积分时间，提高了无线接收机捕获的灵敏度。

无线时间同步系统；数据通道；导频通道；相关；捕获

0　引言

时间同步技术的应用涉及许多国计民生的重要领域。例如，通信领域需要各基站之间的时间同步，否则将会出现通话中断等故障；电力系统的站点间及站点内部都需要高精度的时钟同步，以实现系统内部的运行管理、监视控制及故障分析等；银行系统的子网之间及子网内部也需要时间同步以便实现业务的统一结算和管理。目前，较高精度的时间同步手段包括卫星共视法、单向授时法、双向卫星时间传递法等。单向授时法的时间同步精度较低，约为20 ns左右[1]。卫星共视法时间同步精度在5 ns左右[2]。但是，共视比对双方要在同一时刻观测同一颗卫星，因此受地理环境及条件的限制，尤其是在室内的条件下。双向卫星时间比对方法的时间同步精度优于1ns。但是，这种方法的成本昂贵，需要占用卫星资源以及专门的通信设备，运行成本高，受可视条件的影响。

目前伪码测距技术已经逐渐成为一种被广泛采用的测距与时间同步方法之一，伪码测距技术具有很强的抗干扰性，测距精度比较高。本文针对无线双向时间同步系统，采用一种基于伪码测距的双向时间同步方法。双向时间同步方法的优点如下：① 不使用通信卫星链路进行信息的交互；② 同步精度较高，用户之间基于双向伪距测量机制，利用路径的对称性消除两测距终端之间的大部分公共误差；③ 成本低，不需要投入大量的资金和仪器设备；④ 使用方便灵活，能应用在共视或者双向卫星时间比对系统所达不到的室内场所，如同一幢大型室内场所的两个时钟之间的同步。这种方法可以从2个站的时间同步扩展到多站间的时间同步，可以使地面分布范围较广的多数用户之间达到时间同步。

接收端信号的捕获是无线双向时间同步系统中的关键部分。捕获是信号处理的第一步。由于跟踪环有限的跟踪锁定范围，要求在启动跟踪环时，接收到的信号与本地复现的伪随机码和载波信号必须符合到一定程度，否则就会导致信号无法跟踪。捕获完成对信号伪随机码和载波多普勒频移的粗略估计，然后利用捕获得到的粗略估计值进行初始化跟踪。捕获的成功与否直接影响后续跟踪的运行，影响接收机能否正常工作，同时捕获性能的好坏对整个接收机性能的评价起着至关重要的作用。

本文研究了传统的相干积分捕获、半比特捕获以及导频与数据双道组合捕获算法，并进行了分析比较。结果表明：采用导频和数据通道分别进行相关，在避开比特跳变的基础上最大程度地提高了相干积分时间，提高了无线接收机捕获的灵敏度。

1　无线双向时间同步原理

以两个地面站时间同步为例说明无线双向时间系统原理，原理如图1所示，两地面站同时对伪距信号进行发射和接收。无线双向时间同步系统采用CDMA的码分多址方式来区别不同的同步站，在发射端PRN码对要传送的数据信息进行扩频，经BPSK调制后由射频天线发送出去[3]。接收端需要进行捕获、跟踪、解调、解扩等，然后获取传送的数据信息，并得到伪距。从站接收主站的测距信号，调制解调后与本地时间信号相比较获得主站至从站的信号传输时延。在主站发射伪距信号的同时，从站以同样方式发射信号并被主站接收。通过两个地面站之间数据交换，得到两地钟差及传输时延，对从站时钟进行调整完成时间同步。

图1 无线双向时间同步原理

完成无线收发模块需要满足有效的无线作用距离大于300 m的条件下可以成功捕获到数据并且灵敏度较高。传统的发射信号中，数据码首先与伪码异或相加而实现扩频，然后两者的组合码通过调制依附在载波上，但是这种设计不利于无线时间同步系统对时间高精度要求的信号处理，信号由于受导航电文信息调制，所以会随电文信息的变化而出现未知的比特翻转，当用户接收机对信号相关值进行长时间累积运算时，由于比特翻转的影响，信号的相干累积时间受到一定的限制，无法满足无线时间同步系统中用户对灵敏度的要求，另一方面也会导致后续跟踪精度降低[4]。

针对接收机捕获过程中出现的比特跳变的问题，国内外提出了半比特算法。以GPS信号为例分析半比特算法原理，该算法将相干积分时间设置成10 ms，由于在GPS信号中相邻的两组10 ms数据中最多只有一组存在数据比特位翻转，因此将接收信号每10 ms划分为一段信息块，并分成奇数和偶数块进行累加，比较奇偶块的积分累加值大小，将其中较大值与捕获门限相比较后判决是否捕获[5-6]。虽然半比特法可以有效避开导航数据位翻转的影响，但是相干积分时间只有10 ms，不利于提高捕获的灵敏度。

在研究发射信号时发现：导频信号不存在数据位比特翻转，它不仅能够延长相干累加时间，提高接收机的捕获灵敏度，这一特性同时可以用于数据信号的比特同步，尤其是在高动态条件下这一特性显得尤为重要[7]。因此，结合无线双向时间同步发射信号的结构，在接收机中采用导频通道与数据通道结合的方法对发射信号进行相关处理，提高接收机捕获跟踪能力。由于导频信号没有调制导航电文数据，因而不存在比特跳变，可以进行比较长时间的相干累加，接收机对信号的检测方式更加灵活，对信号的检测更加灵敏[8-9]。本文通过对比单通道卫星数据相关运算和双通道导频和数据信号分别进行相关运算说明导频通道可以在避免比特跳变的情况下，提高捕获的灵敏度。

2　捕获原理及算法研究

接收机的主要功能是接收发射信号，并对接收到的信号进行一系列处理后得到时间同步所需的测量值，最终实现双向时间同步功能。其中完成对信号的捕获是接收机的关键。

无线时间系统的捕获首先是对信号进行搜索，接收机将接收到的射频信号下变频为中频信号，然后对其进行内插抽取后送到捕获模块。由于接收信号的多普勒频移和码相位是未知的，因此捕获模块将会对全部多普勒频移和伪码相位进行搜索，然后将本地复现的载波和伪码与接收信号进行相关运算，从而得到相关值的判决量[10-12]。找到所有搜索单元相关值最大峰值，经过捕获判决和虚警概率检测，判定是否捕获到了正确的多普勒频移和码相位。因此信号的捕获实质上是对信号的载波和码相位的二维搜索过程。

2.1　基于FFT的捕获算法结构

由于时域内进行的线性搜索相关运算的计算量大，为了缩短捕获需要的时间，通常转换为在频域内相乘，并且采用并行码相位捕获算法。

图2　 基于FFT变换捕获算法原理结构图

2.2　半比特捕获算法

由于导航数据位每20 ms就可能出现一次翻转，所以翻转必然出现在上面两组累积结果的一组当中。因此含有数据位跳变的组，其非相干累加比较小，取：

虽然半比特算法可以有效地避开数据位的跳变，但是捕获过程中对20 ms的数据进行处理，有效的相干积分时间只有10 ms，可利用相干积分时间较短，捕获效率比较低，不利于提高捕获的灵敏度。

2.3　导频辅助下的捕获算法

为了避开数据位跳变的影响，本文采用了不经过数据码调制载波的方法。利用导频和数据双支路进行捕获。

忽略接收机内附加的滞后延时，同时为讨论方便，在加性高斯噪声环境下，接收机接收到的信号经过射频前端的处理采样后，变为数字中频信号[17-18]，信号公式为

本地载波发生器产生的两路信号，分别表示为：

由于乘法器后有一个积分器，可以看成是一个低通滤波器，所以可以将式（8）和（9）中的高频成分忽略，简化后如下：

式（10）和（11）均只表示混合器输出的信号分量，噪声分量单独列出[24]，表示如下：

3　数据处理及分析

为了验证使用导频通道可以提高捕获灵敏度，在Matlab环境下对其进行仿真。仿真产生的中频为2 MHz的数字信号，采样频率为5 MHz。数据通道伪码速率为1.023 MHz，伪码周期为1 ms，电文速率为50 b/s，导频通道上不调制电文信息。

图4中受信号比特跳变的影响，传统相干积分捕获算法不能正确捕获信号；而使用导频与数据双通道捕获算法不受数据跳变的影响，捕获结果出现明显峰值，说明可以正确捕获信号。

图4 第1组实验结果

第2组同样在载噪比CN0 = 28 dB-Hz下，选取信号长度为20 ms，相干积分时间为20 ms，比较半比特捕获算法和双通道捕获算法结果。仿真结果对比如图5所示。

图5 第2组实验结果

由图5可知，受信号比特跳变的影响，相比较导频与数据双通道捕获算法，半比特算法相关处理结果虽然可以捕获到信号，但是峰值不够突出，相关峰检测量为863.14，而使用导频和数据双通道进行相关处理不受信号数据跳变的影响，峰值仍旧明显，相关峰检测量为1155.4，可以正确捕获信号。

第3组仿真在载噪比CN0 = 25dB-Hz下，采用和第2组相同的数据进行处理，比较半比特捕获算法和导频与数据双通道捕获算法结果，仿真对比结果如图6所示。

图6 第3组实验结果

对于载噪比为25 dB-Hz的扩频码信号，半比特捕获算法已经不能检测峰值，而导频与数据双通道捕获算法处理虽然噪声有所增加，但是峰值依旧突出，能够对信号正常处理。通过以上仿真结果可以得出，导航与数据双通道捕获算法相比较传统的相干积分算法和半比特算法可以提高捕获灵敏度。

4　结论

本文分析了传统的相关积分捕获存在的数据比特位跳变的问题以及半比特捕获算法的优缺点，提出了采用导频与数据双通道捕获算法，在避开比特跳变的基础上更大限度的延长相干积分时间。通过3组仿真对比，实验结果表明了提出的导频与数据双通道捕获算法可以避开传统相干积分捕获算法比特位跳变的缺点。延长相干积分时间长至20 ms，从而具有比半比特捕获算法更高的捕获灵敏度。实验证明该捕获算法能够应用于无线时间同步系统的接收机中。

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An acquisition algorithm applied to the wireless time synchronization system

ZHANG Meng-lin1,2, WANG Jia-chen1,2, LIU Yin-hua1,3, ZHANG Hui-jun1,3, LI Xiao-hui1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

The wireless transceiver module is a key unit integrated in a high-precision two-way wireless time synchronization system. It has the function of transmitting wireless time synchronization signals, receiving signals and acquisition. For the conventional navigation signals, the data code is XORed with the pseudo code firstly to achieve spreading, then the combined code of the two is attached to the carrier by modulation. This design method not only affects the coherent integration data due to data bit hopping, but also sacrifices the sensitivity of the acquisition and tracking, and increases the amount of calculation, which is not suitable for the high sensitivity wireless transceiver module. This study proposed a method for combining pilot and data channels in a two-way wireless time synchronization system transceiver module, and performs correlation operations on the wireless time synchronization signal in the receiving channel to realize combined acquisition of pilot and data. The pilot channel is dedicated to tracking and acquisition the spread spectrum code signal and provides accurate pseudorange observation, while the data channel receives the navigation message. The study also analyzed and compared the performance of the traditional coherent integration acquisition, half-bit acquisition and pilot-data dual-channel acquisition algorithms. The results show that while used pilot and data channels for the correlation separately, the coherent integration time is maximized on the basis of avoiding bit hopping, which improves the sensitivity of wireless receiver acquisition and optimizes the code tracking performance.

wireless transceiver module; data channel; pilot channel; correlation; capture

10.13875/j.issn.1674-0637.2020-01-0009-09

2019-05-16；

2019-06-18

中国科学院“西部之光”人才培养计划西部学者资助项目（XAB2016A05）

张梦琳，女，硕士，主要从事无线时间同步收发器处理研究。