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扩频通信系统中伪随机序列捕获技术

时间:2011-11-26


















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第 !" 卷 89:; !"

第# 期 +9; #

!$$% 年 & 月 ’<=; !$$%

扩频通信系统中伪随机序列捕获技术
董长义? ,葛延峰! ,刘万辉# ,宋国龙#
( ?; 大庆石油学院 电气信息工程学院, 黑龙江 大庆@ ?&##?" ; @ !; 大庆油田有限责任公司 第五采油厂, 黑龙江 大庆 @ ?&#B?# ; @ #; 大庆石油管理局 电力总公司, 黑龙江 大庆@ ?&#%B# ) @ @ 摘@ 要: 针对扩频通信系统中伪随机序列的并行捕获系统复杂, 串行系统捕获时间长,提出了一种混合方案, 既能减 在运算复杂度有限的情况下, 达到了与匹配滤 少系统的复杂度同时又能缩短捕获时间, 提高系统的性能; 仿真结果表明: 波器法相当的平均捕获时间, 并实现了较高的检测概率和虚警概率; 关@ 键@ 词: 伪随机; 捕获; 并行; 串行; 串>并 中图分类号: 53"$!; %@ @ @ 文献标识码: ,@ @ @ 文章编号: ?$$$ > ?"A? ( !$$% ) $# > $$A& > $#

$@ 引言
扩频通信系统中, 接收机在解调接收信号之前, 首先需要保证本地产生的 3+ 序列与接收信号中的 3+ 序列完全同步; 通过捕获和跟踪 ! 个阶段获取同步的 3+ 序列, 在捕获阶段中采用基于信号插值的并
[ ?] 行捕获方案和基于与滑动相关的串行捕获方案 ; 并行方案捕获时间短, 但设备复杂, 且目前仅能应用于 [ !] 串行方案所需的设备简单, 易于实现, 但捕获时间较长 ; 针对这两种方案 短周期的 3+ 序列的扩频系统;

的特点, 提出一种混合方案, 实现了在设备复杂度有限的情况下, 获得比较短的捕获时间;

?@ 伪随机序列的并行捕获方案
C

扩频系统接收机中 3+ 序列并行捕获方案是解决匹配滤波输出脉冲序列 ( ! ") #

(D ) (" * + &$ ’ ! $ # %C

$’+ D > !)E ( , ") ( 式中, & $ 1{ > ? , ?} 为用户第 $ 个信息位,’ 为伪随机序列, + D 为采样间隔, ( , ") 为采用
[ #] ) ( ") 是带宽为 ? - + D 的窄脉冲) 中未知时延 ! 的估值问题 . 在伪随机序列捕获阶段, 匹配法输出的噪声, 只需确定 ! 所处大致区间, 无需对 ! 值做精确估计, 估值的观测区间取一个符号的时间 + / F ’+ D .

@ @ 伪随机 序 列 并 行 捕 获 原 理 见 图 ? . 系统接收到扩频信号后, 经射频宽 带滤波放大后, 再做载波解调, 分别送 往 ! ’ 个编码序列相关处理解扩器, ! ’ 个输出中的最大输出对应的相关 处理解扩器所使用的序列相位状态就 是发送来的 扩 频 信 号 的 编 码 序 列 相 位, 实现了编码序列的捕捉. 这种编码 序列的捕捉时间很短, 但是, 对接收机 需配置 ! ’ ( ’ 2? ) 个解扩器, 序列捕
[ %] 捉电路设备需求量大 .

图 ?@ 伪随机序列并行捕获原理

收稿日期: !$$# > ?! > !! ; 审稿人: 高丙坤; 编辑: 陆雅玲 @ @ 作者简介: 董长义 ( ?A&$ > ) , 男, 工程师, 现从事控制与信息工程方面的研究;

? A&?

第 ’" " " " " " " " " " " " " " " " " " " 董长义等: 扩频通信系统中伪随机序列捕获技术

!" 伪随机序列的串行捕获方案
在 #$ 序列周期较长的情况下, 由于资源的限制, 一般采用串行捕获方案, 即先测试当前不正确的假
[ %] 设并将其排除后, 再测试下一个假设 !

对于伪随机序列的串行捕获, 在没有任何前验信息的情况下, 需要检测所有 #$ 序列的相位, 检测时 间会很长! 如果搜索是在 " 个并行处理器上进行, 则捕获时间会相应缩短 & # "! 对所有假设进行一次测试 后, 由于对正确假设的错误检测而造成新一轮的检测仍需要很长时间, 因而当 #$ 序列相位的取值区间较 大时, 串行捕获时间会很长!

’" 混合方案
将串行捕获法和并行捕获法混合使用而形成的混合方案, 既能减少并行系统的复杂度又能提高串行 系统的捕获性能! ! ! "# 串并混合结构 将串行有源相关结构与数字匹 配滤波器的并行结构直接混合, 形成 的混合串 ( 并相关结构见图 ! ! ! ! $# 对同步捕获改进的性能分析 混合方案旨在解决传统的串行 搜索和并行搜索法的捕获性能与复 杂度的矛盾! 串 ( 并混合相关结构能 在运算复杂度有限的情况下, 达到与 匹配滤波法相当的平均捕获时间, 并
图 !" 混合串 ( 并相关结构

实现较高的检测概率和虚警概率! 此外, 图 ! 中本地码每隔 $% ) 时间载入相关器中, 相位推移的步长是确 定的! 而对于实际系统, 接收端应对正确相位有合理的估计范围, 因此采用一些手段代替完全的顺序搜索, 并结合一些可变步长的搜索策略后会进一步提高捕获性能! ! ! !# 方案实现与仿真 采用 ! 条支路并行工作的方案为例, 每条支路均采用串行搜索方式, 原则上这一方法可以推广到具有 & 条支路的情况, 但是从性能和系统开销 的角度分析, & * ! 是比较理想的, 其系统 实现框图见图 ’ ! 工作过程为, 开始时将 #$ 码发生器 预置为不同状态, 使之输出的序列相位相 差 ’% ) # ! , 然后进入搜索状态! 每一条支路 只需要搜索 ’ # ! 个相位, 一旦检测到任何 一条支路超过阈值, 则启动跟踪环路, 同时 捕获系统进入虚警及失锁检测状态! 采用长度为 ’ 的 & 序列作为扩频序列! 在捕获状态下, 本地 #$ 序列和发送端 #$ 序列存在一个时间 差 + !! + , 在区间 [,, %) # ! ] 均匀分布, 根据 & 序列的性质, 得出此时相关峰值的均值和方差为
! ! ( ( )& ) *( ’ ’ + & ) # -; " "! ( ’ , &) # -. ! & * " , ! 式中: " 为积分器输出的噪声功率! 检测概率是当假设正确时, 检验获得通过的概率; 虚警概率是当假设不正确时, 检验获得通过的概率,

图 ’" ! 条支路的串 ( 并结合系统实现框图

即误告警概率! 设检测门限为 -.& , 则检测概率 / / 为

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大1 庆1 石1 油1 学1 院1 学1 报1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 第 )7 卷1 )66( 年

? #$ % ’ & % & ? ! ! " "#$% ? & (&) ( ? ’ ? ? !& 任何一路输出都超过门限; 当某一条支路处于同步点时, 该支路输出低于 当 ) 条支路都处于非同步点时, 门限, 而另一支路输出超过门限’ 虚警概率 ! *+ 为 ? #$ % ’ & % & ? ) #$ ( & "#$% ) "#$ ? ) ()) ( ? ’ & !& ? ? !) 在启动跟踪系统的同时, 如果系统处于虚警状态, 则系统较快地退出, 重新进入搜索状态继续搜索’ 虚警滞 ! *+ " & %) #$ ( & & % "#$ ) & !&

{ [ (

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(

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留时间即系统在虚警状态下的停留时间’ 显然, 虚警检测概率 ! *! 越大, 平均虚警滞留时间 # *+ 越短, 即
* ! *! "[ "#$ ( ( #$& ( & ) ) !) ] ,

(’) (()

# *+ " # ,"% (( & % ! *! ) # ,"% (( & % ! *! )# ,"% ( … " & ) ! *! # ,"% , 式中: # ,"% - *+ ! , + ! 为积分时间’ 综上所述, 可以得出平均捕获时间 # .%/ 为 # .%/ " ! ( {[ & ) (& % !
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& % !! ! *+ & & ? &( ?* ( ?* ?+ ! , )? ! ! *! ( & % ! *+ ) ! *! !

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(0)

1 1 从式 (0) 可知, 平均捕获时间是虚警检测概率、 检测概率、 虚警概率的函数, 这些值可以通过改变检测 门限 #$& , 虚警检测门限 #$) 进行调整, 系统设计的任务就是选择合理的门限值, 使得平均捕获时间能够满 足设计要, 见图 ( , 0 ’ 当信噪比和检测门限一定时, 虚警检测门限取值越大, 平均捕获时间就越短; 当信噪 比和虚警检测门限一定时, 检测门限应该选择合适的值, 使得平均捕获时间最短’ 检测门限和虚警检测门 限的取值对平均捕获时间都有影响, 所以对这两者的取值应该综合考虑, 以提高系统性能’

图 (1 平均捕获时间和虚警检测门限 #$) 的关系曲线

图 01 平均捕获时间和检测门限 #$& 的关系曲线

(1 结束语
采用伪随机序列的串 2 并混合方案, 解决了并行捕获方案捕获时间短但设备需求量大, 而串行捕获方 案系统复杂度低但捕获时间长的矛盾, 提高了系统的捕获性能’

参考文献:
[&] 1 胡华春, 石1 玉3 数字锁相环路原理与应用 [ 4] 3 上海: 科学技术出版社, &5563 (’ 2 (73 [)] 1 查光明, 熊贤炸3 扩频通信 [ 4] 3 西安: 西安电子科技大学出版社, &5553 &(8 2 &(73 [’] 1 高丙坤, 阎胜玉, 袁1 静, 等3 直接序列扩频通信系统误码率的仿真分析 [ 9] 3 大庆石油学院学报, )66) , )8 ()) : (6 2 ()3 [(] 1 :;,"3 !"<.=><?%@", <??A B;CD E"F"#.<;G", ,"C"%C?# %D.#.%C"#;HC;% [ 9] 3 I#?% ?$ JKKK JLLLM+, &558 , )0 (5) : (00 2 (053 [0] 1 沈允春3 扩谱技术 [ 4] 3 北京: 国防工业出版社, &5503 N7 2 7)3

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