0 引言

突發(fā)擴(kuò)頻通信技術(shù)因其具有很強(qiáng)的抗干擾和抗截獲能力,，近年來成為軍事領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),。其本質(zhì)是在突發(fā)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，對收發(fā)信號(hào)分別進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò),，以進(jìn)一步增加信號(hào)的保密性,。擴(kuò)頻前的一幀典型突發(fā)信號(hào)結(jié)構(gòu)為一段導(dǎo)頻序列加上一段攜帶信息的用戶數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對一幀突發(fā)信號(hào)的正確解調(diào),，要在解擴(kuò)出符號(hào)數(shù)據(jù)后,，在規(guī)定的導(dǎo)頻序列長度內(nèi)通過有限次調(diào)整完成載波同步,，否則將造成后續(xù)用戶數(shù)據(jù)的丟失，導(dǎo)致解調(diào)失敗,。FLL(鎖頻環(huán))+PLL(鎖相環(huán))是一種常用的,，可以校正大頻偏的載波同步算法，但它常用于對同步時(shí)間要求不高的連續(xù)通信系統(tǒng),，用于本文所涉及的突發(fā)通信系統(tǒng)時(shí),，經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)所需要的環(huán)路調(diào)整次數(shù)大于導(dǎo)頻序列長度，收斂速度不夠快,，無法滿足指標(biāo),，所以對該算法進(jìn)行了一些改進(jìn)，通過先使用一部分的導(dǎo)頻序列進(jìn)行FFT校頻,，快速減小頻偏,，然后用FLL將頻偏縮小到10 Hz以內(nèi)，最后用PLL來精確鎖定,。

1 快速同步算法設(shè)計(jì)

在發(fā)射端設(shè)計(jì)的一幀發(fā)射信號(hào)為168 b全0導(dǎo)頻序列+132 b用戶數(shù)據(jù)共300 b,，如圖1所示。


 

經(jīng)過雙極性變換導(dǎo)頻序列變?yōu)?68 b全1數(shù)據(jù),，用戶數(shù)據(jù)變?yōu)橛?,，-1組成的數(shù)據(jù)，經(jīng)過卷積編碼成I,，Q兩路信號(hào),，各自經(jīng)過差分編碼后用不同的1 023位I，Q兩路Gold碼擴(kuò)頻,，然后以QPSK方式分別調(diào)制余弦和正弦載波,，兩路數(shù)據(jù)組合后發(fā)射。在接收端,，使用相應(yīng)的信號(hào)捕獲算法,，可以得到信號(hào)的Gold碼初始相位和一個(gè)精度較差的多普勒頻偏搜索值，這一步驟的結(jié)果是可以解擴(kuò)信號(hào),，但是信號(hào)還有(-5,，5)kHz的頻差，而且這一過程要消耗40個(gè)bit的導(dǎo)頻符號(hào),。也就是說在剩余的128 b導(dǎo)頻長度內(nèi)必須通過相應(yīng)算法,，消除5 kHz頻差，完成載波精確同步,。

在實(shí)際的接收機(jī)方案中使用的方法是用I路Gold碼,，簡稱Gold_I去分別解擴(kuò)同相(I路)和正交(Q路)數(shù)據(jù)，用得到的兩路帶有頻偏的符號(hào)數(shù)據(jù)去調(diào)整頻偏，而Q路(Gold碼,，簡稱Gold_Q不參與頻率調(diào)整,，而是直接解擴(kuò)Q路數(shù)據(jù)。當(dāng)頻偏消除后,，得到I路和Q路經(jīng)過差分譯碼,、卷積譯碼和一系列操作之后就可以得到原始數(shù)據(jù)。

經(jīng)過數(shù)學(xué)模型推導(dǎo),，在碼片對齊后,，得到用Gold_I分別解擴(kuò)I路和Q路后得到的用于校正頻偏的兩路數(shù)據(jù)為：

　　

式中：C1，C2,，φ1,，φ2為和采樣速率、解擴(kuò)數(shù)據(jù)起點(diǎn)位置,、擴(kuò)頻碼長度有關(guān)的常數(shù),；△f為經(jīng)過掃頻和信號(hào)捕獲后的剩余頻差，這里△f的取值范圍為(-5,，5)kHz,；Tb=1／Rb為擴(kuò)頻前的符號(hào)周期，Rb為符號(hào)速率,，本系統(tǒng)中Rb=10 Kb／s；p為信號(hào)捕獲后依次解擴(kuò)出來的帶有頻偏的符號(hào)數(shù)據(jù)的次序號(hào),。

整個(gè)快速載波同步算法流程如下：先進(jìn)行FFT校頻,，然后FLL縮小頻差，最后PLL精確鎖定,，分三次分步消除頻偏,。

1．1 FFT校頻

在算法中取I(k+p)的前16個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)在寄存器中，然后做FFT,，那么這16個(gè)點(diǎn)相當(dāng)于在一個(gè)已知頻率的余弦波上等間隔采樣,，且采樣周期fs=1／Tb=Rb=10 Kb／s，根據(jù)FFT理論,，在前9個(gè)頻點(diǎn)中,，設(shè)得到的頻譜能量最大點(diǎn)為第k點(diǎn)，則對應(yīng)的頻率＾f=fs／N×(k-1)即為估計(jì)頻率,，其分辨率為10K／16=625 Hz,，通過設(shè)定變量u5=I(k)Q(k-1)-I(k-1)Q(k)=C3sin(2π△f／10K)(C3為大于0的一個(gè)常數(shù))，來確定估計(jì)出來的頻率的正負(fù),，當(dāng)u5<0時(shí),，-5 kHz<△f<0；當(dāng)u5>0時(shí)，0<△f<5 kHz,。

1．2 FLL(鎖頻環(huán))

FLL通常采用自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)(AFC)來實(shí)現(xiàn)載波頻率的跟蹤,，AFC環(huán)的結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)中所示。

解擴(kuò)得到的兩路正交信號(hào)的點(diǎn)積Dot(k)和叉積Cross(k)分別為：

Dot(k)=I(k-1)I(k)+Q(k-1)Q(k) (3)

Cross(k)=I(k-1)Q(k)-I(k)Q(k-1) (4)

常用的消除符號(hào)模糊的CPAFC方法其誤差函數(shù)為Ud(k)=Cross(k)×sign(Dot(k)),，其鑒頻特性是非線性的,，且鑒頻范圍為(-Rb／4，Rb／4),，將其改進(jìn),，點(diǎn)積和叉積之間存在如下關(guān)系：

　　

這就解決了CPAFC的鑒頻非線性問題，且將鑒頻范圍擴(kuò)大了一倍至(-Rb／2,，Rb／2),。

1．3 PLL(鎖相環(huán))

Costas環(huán)是一種常用的鎖相環(huán)，它對載波調(diào)制數(shù)據(jù)不敏感,，在無線電接收機(jī)中得到了普遍的應(yīng)用,，本方案中采用的Costas環(huán)鑒相算法為：

θk=sign(I(k)×Q(k)) (7)

而數(shù)字環(huán)路濾波器采用二階環(huán)，這是因?yàn)槿绻渲绷髟鲆鏋闊o窮大而頻偏為常數(shù)的情況下,，二階環(huán)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)相位誤差和頻率誤差,。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中,，Ud為輸入的鑒頻或者鑒相誤差函數(shù),；C1，C2是環(huán)路調(diào)整參數(shù),，實(shí)際應(yīng)用中需要反復(fù)調(diào)整至環(huán)路性能最佳,；Uc為輸出的頻率或者相位控制字，控制NCO調(diào)整頻率或者相位,。

2 算法仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真條件假設(shè)為：輸入中頻信號(hào),，符號(hào)速率為10 Kb／s，用2路不同的1 023位Gold碼擴(kuò)頻,，擴(kuò)頻后碼片速率為10．23 Mb／s,，采樣速率為8倍碼片速率，經(jīng)過掃頻和信號(hào)捕獲后剩余多普勒頻率為4 600 Hz,，系統(tǒng)輸入信噪比為-16dB,。

FLL頻率跟蹤曲線如圖2所示。