m序列扩频通信中同步方法的研究

1、m序列扩频通信中同步方法的研究熊省军 张国松 周士弘摘要:同步是通信的前提，同步不好，通信性能将急剧下降。本文分析m序列时间同步和载波同步对通信性能影响，提出一种超前门和滞后门来实现同步跟踪的方法，利用m序列模糊特性，搜索多谱勒频偏，实现载波同步，为了减少运算量，提出了快速算法，本文还给出海试采集的通信数据的分析，结果验证了本文提出的同步方法可以获得准确的同步。关键词：同步、扩频通信、快速算法5 / 5文档可自由编辑打印1.引言同步对于通信系统，特别是数字通信系统来说是一项关键的技术，其好坏对于通信系统的性能有着决定性的作用。如果同步不好，通信系统的性能就会下降，甚至无法正常工作。在m序列的扩

2、频通信中，对时间同步和载波同步的要求都非常严格，只有在m序列完全同步的基础上才能获取理想的处理增益，否则系统的处理增益将会下降，更严重的是导致对信息符号产生错误判决。2.m序列扩频通信中的同步m序列具有伪随机特性，当序列长度N很大时，在所截取的频带（B>>1/T）内谱特性接近白色带通噪声谱，其模糊特性为 (1)上式表明m序列模糊函数在时间频率两方面具有相同的形式，图1为其模糊图。图1 m序列模糊图由于m序列的模糊特性，同步内容包括两方面：一是时间同步，也即序列同步，本地参考码序列与接收信号码序列在时间和相位上对齐；二是载波同步，在相干解调时获取相干载波。21时间同步12时间同步过程

3、分两个步骤，其一是对信号的同步捕获，其二是对信号的同步跟踪。捕获要求速度快，抗干扰能力强，电路简单、易实现。捕获的方法很多，一种工程上应用比较广泛的方法是前置码法。因为用于同步的码序列和用于传输信息的伪码不必相同，因此可以采用一种专门的前置码供同步使用。前置码一般较短，典型的有barker码。发射机在发送有用信息之前，先发前置码，供通信对方的接收机建立同步，接着再发有用信息。前置码法可以提高捕获和同步速度，但因为前置码不能太长，容易受到噪声和干扰的影响而产生错误捕获。同步跟踪也称细同步，是在码序列获得捕获之后，进一步调整本地时钟的过程，目的是使同步误差尽可能减小，至少保持在一个码片范围之内。跟

4、踪的基本方法是采用一个超前滞后门形成的闭环控制系统，来调节接收机的对下一扩频信号的采样时刻，如图2所示。VCO时钟包络解调ADC时钟环路滤波m图2 同步跟踪环原理图2中，接收的扩频码经过滞后门，与参考m序列的相关输出，经过超前门的相关输出，其差用于产生误差信号，即有=。图3给出了这些输出信号。当>0时，则对下一个扩频信号的采样时刻需要滞后，反之需要超前。实际上改变AD初始采样时刻比较复杂，一般的办法是通过截取接收信号的缓冲区数据来模拟这一过程，需要超前采样时，只需减小缓冲区的首地址，否则增加缓冲区的首地址。图3超前与滞后相关器的输出22载波同步12对水声通信来说，多谱勒效应的影响是相当严

5、重的，由（1）式可知，m序列的多谱勒容限是 (2)相应的速度容限是 (3)由图1可知，多谱勒的影响将导致m序列的相关峰值输出急剧下降，但从另一角度看，却可以利用它对多谱勒很敏感这一特性，来搜索多谱勒频偏，从而获取正确的相干载频。为了提高频率搜索的速度，将频率搜索分为两步：第一步，以大步长搜索；第二步，在第一步确定的粗略频率周围，以小步长搜索。设通信双方之间相对径向速度最大为m/s，水中声速为m/s，发射机中心频率Hz，则搜索的最小频率为： (4)设频率粗搜索的步长为，频率精搜索的步长为，一个扩频码片时间宽度为，扩频序列周期为，则扩频信号的频率最小分辨率为： (5)于是取： (6) (7)可见，

6、扩频序列周期越长，对多普勒频移越敏感，搜索步长越小。设频率粗搜索的频道数为，则： (8)3.快速算法当 m序列的长度越大时，由(8)式知，频率搜索的频道数越多，而且每次相关的运算量变大，如果采用普通的矢量矩阵相乘，相关的计算量近似正比于 ，因此必须采用快速算法。m序列可通过一定规则重置，变成哈达码矩阵的某一行，序列的相关运算则转变乘哈达码矩阵运算，称为沃尔什哈达码变换34，哈达码矩阵是由组成的正交方矩阵，哈达码的行是沃尔什函数，沃尔什函数是周期为2n的周期离散函数，它是由形成基集合的拉德马赫函数连乘而得。对于，有n个周期为N的拉德马赫函数。如下所示： (9)选择任意一组相乘，都可得到N个不同的

7、沃尔什函数。为记录任意沃尔什函数，存在解析式： (10)设，即，令(11)为哈达码矩阵，为 (12)于是，沃尔什哈达码变换和逆变换的向量形式的定义分别如下： (13) (14)沃尔什哈达码变换同离散傅里叶变换，也有快速算法，类似于FFT，利用快速算法，完成一次变换只需次加减法，没有乘法运算，比FFT更简单、更迅速。4.试验分析扩频信号表示为 (9)其中P1为用来做时间同步和载波同步的m序列，P2是表示信息m序列。发射信号包括两帧，帧长1.2s，帧结构如图4，帧头为100ms的LFM信号，一帧中通信信号一共有450个扩频信号。图4 信号帧结构同步过程如下，首先对LFM信号做相关检测，实际上这是一

8、个同步捕获的过程，只不过不是用前置码，而用的是LFM信号，然后对一个扩频码进行载波同步，多谱勒搜索，最后需要对当前扩频码的时间同步进行跟踪，完成一个扩频码同步。对嵊泗海域采集的通信信号进行处理分析，试验时两船处于抛锚状态，接收发射换能器吊放深度为3米，图5分别为1km、3km、6km某个扩频码进行载波同步时，多谱勒搜索获得的模糊图，模糊图的峰值点都落在同一码片时刻上，多谱勒频偏则为该时刻上最大峰值对应的频率位置，图6是在一帧信号内，距离分别为1km、3km、6km每个扩频码对应的多谱勒频偏。(a)1km(b)3km(c)6km图5 不同距离下多谱勒搜索的模糊图图6 搜索获得的多谱勒频偏将450

9、个扩频信号分成50个子帧，每个子帧有9个扩频符号，包含54bits信息，图7为同步跟踪环在三种距离下对50帧数据误码率的影响，在没有同步跟踪环时，最后面的几个子帧出现误码，这是由于多谱勒的时间压缩和扩展效应，随着子帧数的累积，最后几个子帧的m序列时间同步偏差将超出一个码片的时间，因此导致误码增加，而采用同步跟踪环，将可以对每个扩频码的同步限制在一个码片时间范围之内，这个范围内将不会对信息符号产生错误判决。由于本次试验两通信船抛锚，接收和发射换能器相对运动是由风浪引起的，所以多谱勒效应不大，如果两通信船都在运动，则图的比较将更明显，在没有同步跟踪环的情况下，中间的子帧就将发生误码。图7 同步跟踪

10、环对误码的影响5.结束语m序列扩频通信对时间同步和载波同步均有严格的要求，采用前置码法来获得最初始的同步，实际应用中，往往要考虑多谱勒效应，接收端和发射端系统时钟的偏差的累积效应都会使后续的码序列同步失配，因此同步跟踪是必须的，多谱勒频偏使得用作相干解调的载波与接收信号的载波失配，对m序列相关输出影响很大。本文针对m序列模糊特性，提出的时间同步和载波同步方法，当序列为长序列时，可用本文提出的快速算法来减少运算量，海试数据验证了同步的准确性，具有一定的应用价值。参考文献1 R. L. Peterson, R. E. Ziemer, and D. E. Borth, Introduction to Spread Spectrum Communications,Prentice Hall, Inc., 1995.2J. W. Mark and I. F. Blake, “Rapid acquisition techniques in CDMA spr