２０１１年６月 电子溯试 ＪＨｎ ２ｏ１１ 第６期 ＥＬＥｃＴＲ０ＮＩＣ ＴＥＳＴ Ｎｏ．６ 直序扩频系统中扩频码同步技术的研究 张波涛，李剑，胡冠华，李闯泽，赵榉云 （中北大学信息探测与处理技术研究所太原０３００５１） 摘要：针对扩频通信中伪随机序列的快速捕获问题，文中提出了扩频信号陕速捕获方法，来解决低信噪比条件 下伪码序列的捕获问题。首先对直接扩频通信系统的基础理论做了探讨，而后重点研究了两种基带扩频信号同 步捕获方案——序列相位搜索捕获法和不连续相位滑动相关法，序列相位搜索捕获法主要适用于ｍ序列码周期 较短的情况，而不连续滑动相关法则克服了连续相位滑动相关法的码捕获时间较长的缺点，并在Ａｌｔｅｒａ公司的 Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ的软件平台上，利用ＶＨＤＬ语言实现了这两种方法。 关键词：扩频；ＰＮ码；同步捕获 中图分类号：ＴＮ９１４ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ － ● 一● 一 一 ｃｏｄｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｙｓｔｅｍ Ｚｈａｎｇ Ｂｏｔａｏ，Ｌｉ Ｊｉａｎ，Ｈｕ Ｇｕａｎｈｕａ，Ｌｉ Ｃｈｕａｎｇｚｅ，Ｚｈａｏ Ｊｕｙｕｎ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｉｇｎａｌ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ＰＮ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｒａｐｉｄｌｙ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｉｇｎａｌ ｒａｐｉｄｌｙ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ＰＮ ｃｏｄｅ ｔｈｅ ｉｎ ｌｏｗ ＳＮＲ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔＷＯ ｂａｓｅｂａｎｄ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｉｇｎａｌ ｔｉｍｉｎｇ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ——ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｐｈａｓｅ ｓｅａｒｃｈ ｃａｐｔｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｈａｓｅ ｇｌｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｗｈｉｃｈ ｐｅｒｉｏｄ ｉｓ ｓｈｏｒｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｐｈａｓｅ ｇｌｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ’Ｓ ｆａｕｌｔｓ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｐｈａｓｅ ｓｅａｒｃｈ ｃａｐｔｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｈａｓｅ殍ｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ＶＨＤＬ ｏｎ Ｑｕａｔｒｕｓ ＩＩ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｆｔｏｒｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ＰＮ ｃｏｄｅ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ０引言 军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统等。到２０世 扩频通信系统产生于２Ｏ世纪５ｏ年代中期，扩频技术 纪８０年代末，美国联邦通信委员会（ＦＣＣ）规划了ＩＳＭ波段， 的提出，解决了频谱资源紧张，干扰繁多的问题，同时大并批准扩频通信使用该频段，扩频通信技术随之得到了快 大提高了通信的保密性能。扩频通信技术最初的应用包括 速的发展和广泛的应用 ２ｏ１１．６ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ １直扩系统基本原理 直扩系统是最典型、应用最为广泛的一种扩展频谱通 信系统。人们对直接序列扩频系统的研究最早，研制出了 相关法、序列相位搜索法等；而无源相关是采用一种与已 知的扩频码相匹配的无源滤波器，只有当输入码与接收机 的匹配滤波器的脉冲响应相匹配时，才可得到最大的相关 输出，否则就没有相关输出。常用的无源相关法多使用声 表面波器件（ＳＡＷ）或数字匹配滤波器。 捕获的过程是检测器采用某种特定算法遍历整个未 知相位区间的过程。通常，把整个未知相位区间分成有限 许多直扩系统，比如美国的国防卫星通信系统、全球定位 系统ＧＰＳ等。 直接序列扩频系统组成原理图如图１所示。直接序列 扩频方式是直接用伪随机编码序列对载波进行调制，要传 个小区间，每次检测一个小区间。遍历算法可以是串行也 送的数据信息需要经过信道编码后，与伪随机序列进行模 ２和生成复合码去调制载波。 可以是并行，或者串并结合，或者从某个特定的区域开始， 逐渐扩展到整个区域。 以前采用的主要是串行捕获方法，这种方案实现简单， 但捕获速度不能满足要求。而现在大规模集成电路的应用 使并行捕获方案成为可能，但系统的复杂度很高，因此研 究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折 衷。在串行捕获方案中，利用一些新的搜索算法，进一步 缩短捕获时间，改进这些系统的性能 。。 （ａ）发射系统 下面介绍在ＱｕａｎｕｓⅡ软件平台上实现的两种ＰＮ码捕 获方法。 ①序列相位搜索捕获法的设计与实现 当ｍ序列码周期比较短时，可以采用序列相位搜索捕 获法来实现伪随机序列同步。 采用顺序搜索的捕捉方法，只使用一个相关器，在 ０ 期间内积分，在 时刻将积分器的输出送给一门限 比较器 ，当积分器的输出值小于设定的门限值时，说明 （ｂ）接收系统 本地参考扩频码序列的相位与接收扩频码序列的相位不相 同，门限比较器输出一信号给扩频码序列相位搜索控制器， 在其作用下不断地改变本地序列的相位状态，并在每个相 图１直接扩频通信系统组成原理图 接收机在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电 路来捕获发送来的精确伪码相位，并由此产生跟发送端伪 位进行相关检测，判断该相位是否同步，直到相关器的积 分值超过设定的门限而达到最大，从而实现扩频码序列的 同步捕获。 序列相位搜索捕获法的原理框图如图２所示。 Ｉ’］限值 码相位完全一致的伪码作为本地解扩信号，以便能够及时 恢复出数据信息，从而完成整个直扩通信系统的信号接收。 ２捕获算法及仿真 ＰＮ码捕获方法可分为有源相关和无源相关两种。有 源相关采用了在不同的搜索区间，利用不同相位的本地码 相关器 发送端发生器 ＰＮ码Ｌ一 ▲ ＿ｌ 与输入码相关的方法。如果检测不到相关峰，则时钟脉冲 驱动本地码移向下一个搜索区间并重复上述的相关过程， 直到检测到正确的相关峰为止。常用的有源相关法有滑动 图２序列相位搜索捕获法的原理框图 设计与研发 ２ｏ＂６ ．这里的相关器包括相关与求和（积分），相关就是在 每个时钟将接收到的ＰＮ码与本地ＰＮ码比较（相乘），如 果相同则结果为１，不相同则结果为一ｌ。求和（积分）就 是在一定的时钟数内（本设计中采用３２个时钟），将相关 结果相加。 成伪码相位失步而需要重新捕获时，这么长的捕获时间会 严重影响通信质量，因而是不可取的，但其思路值得借鉴。 不连续滑动相关法就是在此基础上进行的改进。 不连续相位滑动相关法是利用—个相位搜索电路，在 捕获过程中使本地伪码相位以一定的步进值跳跃变化，即 两个码之间的相位滑动量不再是连续的，而以一定的步进 量产生相位滑动使遍历整个伪码时间大大减少。 设扩频码序列长为Ｎ，码元宽度为Ｔｃ，则扩频码序列 门限比较器是将相关器中求和的结果与一门限值比较， 如果小于门限，则控制本地ＰＮ码发生器的时钟信号，使 其延迟一定周期，直到相关器的积分值超过设定的门限而 达到最大，从而实现扩频码序列的同步捕获，仿真结果如 图３所示。 信号的周期为１ Ｔｃ。接收扩频码序列与本地参考扩频码 序列作相关积分后，经门限比较器进行比较判别，ＴＤ为一 次积分的时间，与序列相位搜索捕获法同理，若以Ｔｃ／２为 ｛。０ｍ 埘 ０ ０∞０ ０ ｝ ＃“ Ｉ“ ０ｕ ： 臻 哪 ￡ 曼 相位滑动增量，则相位滑动相关捕获法的平均同步捕获时 间也为Ｔ＝（Ｎ＋Ｉ／２）ＴＤ。 ｛ ｆ ４ ｎ ； ｌ阴强艟ｌ骶璐ｌ８蛆■鼍嚣 ｌ 誓船￡曩ｉ Ｉ潍ｌ鞠ｌ 哦霹嬲街 豫瓤攘｛啊潮８ ８灌 ｌＩ８８嬲ｌ秘强Ｉ粕聃哪 ｛ ｌ ・ ■ １ ｌ蠡 ＿ａ｛ｆｎｉ ｌ嚣嬲嚣 ｌ麓 Ａｌ Ｒ嚣薯 琵ｌ强 ｌ强魅般￡Ｉ 嚣 ｎ慝 ｎ黧嘲船嬲嚣疆 Ｉ媳 髓姗溉油噻嬲ｎ强 豫滁骱ｌｌ鼢鞠￡ 疆ｌｌｌ∽立ｆ ｍ！Ａｊｉ姗漱弼ｌ矾 髓ｌ蕊觚艇煳Ａｆ＿ｆＩｆ！婴塑 堡Ａ８辄麓麓 ｌ艘 娜 ｛ ｎ 实现半码片滑动的方法可以采用时钟取反法，当信号 包络的平方小于门限时 ，输出控制信号，对伪码发生器 的时钟ＣＬＫ取反，取反的结果相当于利用原ＣＬＫ时钟下 ｉ ｌ出 一瞄 ｌ 口 虬ｆ ｊ ０ ０ ｊ ｉ —Ｕ Ｕ乙｜ ０ 一 ０ ０ ＵＵｌ。 —］一ｒｎ ｒ ｒ１ １＿ｌ ｌ厂 】 ｔ－ ｒ—■ 门一广１ｎｎ ｎ ５ 图３序列相位搜索捕获法仿真 其中，ｃｌｋｌ是发射端ＰＮ码发生器的时钟，ｃｌｋ２是本 地ＰＮ码发生器的时钟；ｐｎｌ是接收到的ＰＮ码，ｐｎ２是本 地ＰＮ码；ｆｕｌｌ为本地时钟相位控制信号，当ｆｕｌｌ为高电平 时表示，一个积分周期后相关器的积分值小于设定的门限 降沿进行触发，输出相当于移动了半个码片。此方法在整 个系统中要多次对时钟进行取反操作，会带来比较严重的 时序问题。 为了解决此问题，可采用加脉冲移位法，此方法是采 用一个异或门，当信号包络的平方小于门限时，输出控制 而产生的控制本地ＰＮ码发生器的时钟相位控制信号。 为了便于仿真显示，此处设置接收ＰＮ码比本地ＰＮ 码滞后２个码时钟周期，如果记满３２个时钟周期后，相 关结果小于Ｐ］Ｉ＋Ｅ（此处设为２０），则由ｆｕｌｌ信号控制使时钟 ｃｌｋ２延迟１个周期，从仿真结果我们可以看到，经过２次 信号，对原伪码发生器的时钟ＣＬＫ进行异或输出，结果相 当于在原ＣＬＫ时钟上加了一个脉冲，使伪码发生器前进 了半个相位，即可实现半个码相位的移动（超前半个码片）。 程序的仿真结果如图４所示。 相移后，接收ＰＮ码与本地ＰＮ码之间的相位达到相同，实 现了捕获 。 ②相位滑动相关法的设计与实现 连续相位滑动相关法是通过改变本地伪码时钟速率 与发端伪码时钟速率保持一个合适偏移量，使接收信号中 伪码相位与本地伪码相位在相关器内进行相对滑动，相关 值一旦超过捕获Ｐ］Ｉ＋Ｅ，则表示正确相位已被搜索到，接收 机立即恢复本地伪码时钟速率（收、发端都使用稳定度很 籼棚 删黼嘲麟嬲嘲潮啪融 黼蝴嘲蝴髑黼删棚蹦嘲黜麟嘲期喇濑嘲黼岫聃搬嘲翻嘲斛嗍稠嘲隔嘲冁嘲嘲嘲嘲嘲嘲氍嘲一——一一一ｔ ０ 黼 黼糊黼 一卜～ 卜———一 １ ｎ—ｎＵｎ Ｉ一帆０ ∞ 厂 ｎｎｎ ｎ一 弋１ｎ ｎ ｒ１朝ｎ ｎｎｎｆ 厂■腿 ｌｎｎｍｎ八且ｒ＿ｗ朋ｎ 且 ｒ 肌ｎ』 ｌ九眦且ｈｎ且ｎ肌＿几ｎ ｒ］澜ｎ ｎｎｎｉ 图４不连续滑动相关法仿真图 其电，ｃｌｌｄ是发射端ＰＮ码发生器的时钟，ｃｌｋ２是本 高的振荡源，所以它们的码速率可以基本保持一致），停止 相位滑动，启动跟踪电路。 地ＰＮ码发生器的时钟；ｐｎｌ是接收到的ＰＮ码，ｐｎ２是本 地ＰＮ码；为了便于仿真显示 ，此处设置接收ＰＮ码比本 地ＰＮ码超前２个码元时钟周期，并用ｆｕｌｌ信号表示记满 ３２个时钟周期，ｃｏｎｔ为本地时钟控制信号，当门限检测结 这种捕获方法相位搜索精度高，但同时导致了过长 的捕获时间，在实际通信过程中，由于干扰及其它原因造 ２ｏ１１．６ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ 果为低时．即相关结果小于门限（此处设为２０），输出控制 【３］张力军．数字通信简介【ＪＪ．北京：电子工业大学学报， ２００３：５５２－５５２． 信号与ｃｌｋ异或输出ｃｌｋ２，从仿真图中可以看出，在每次积 分处理时间ＴＤ中，ｃｌｋ２相对于ｃｌｋ都增加了—个脉冲，使 ［４】侯伯亨，顾新．ＶＨＤＬ硬件描述语言与数字逻辑电路 设计【Ｂ】．西安：西安电子科技大学出版社，２００２． 【５］徐贵贤，易润堂．遥测中载波同步的实现『Ｊ１．电讯技 术，２００２，４２（２）：７９—８３． ［６１ Ｐａｐｐａｐｏｒｔ Ｔ Ｓ，ｈｎｎａｍａｌａｉ Ａ，Ｂｕｅｈｒｅｒ Ｒ Ｍ，ｅｔ ａ１． 本地ＰＮ码序列的相位作１／２码元的滑动圈，从仿真结果我 们可以看到，经过４次相移后，接收ＰＮ码与本地ＰＮ码之 间的相位基本达到一致，实现了捕获。 ３结论 本文论述了采用序列相位搜索捕获法和不连续相位滑 动相关法，在ＱｕａｒｔｕｓｌＩ软件平台上实现直接扩频系统中伪 随机码的同步捕获，其中序列相位搜索捕获法主要适用于 Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｐａｓｔ ｅｖｅｎｔｓ ａｎｄ ａ ｆｕｔｕｒｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｒｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇｚｉｎｅ，２００２， ５：１４８－１６１． 【７］郑晓昆，王兰勋．同步系统在直扩系统中的作用【ＪＪ．河 ｍ序列码周期较短的情况，而不连续滑动相关法则克服了 连续相位滑动相关法的码捕获时间较长的缺点。 北大学学报：自然科学版，２００４，２４（４）：４３０—４３３． ［８】Ｗ．Ａｌａｎ Ｄａｖｉｓ．Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓｌｎｃ，２００１． 参考文献 作者简介： 张波涛，中北大学硕士研究生， 主要研究方向为无线通信、扩频技术。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｂｔｚｈａｎｇｂｏｔａｏ＠１ ６３．ｃｏｍ ［１】官二玲，王跃科．直序扩频通信中码元同步的快速捕 获田【Ｊ】．通信学报，２００３：１２—１５． 【２】Ｐｒｏａｋｉｓ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｍｃａｄｏｍ（Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］． 北京：电子工业出版社，２００５：９－１５． （上接３８页） ［９】林宏桦．测量误差与不确定度评估［Ｍ】．北京：机械 工业出版社，２００９：４１６—４１８． 程系无线电技术专业。现为西安石油大学电子工程 学院教授，硕士研究生导师。多年从事测试计量技 术与仪器的教学和科研工作。 张娟，西安石油大学在读研究生，研究方向为动态 【ｌ０】费业泰．误差理论与数据处理【Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２０１０：８８． 信息获取与综合应用技术。 作者简介： 汉泽西。１ ９８２年毕业于西安交通大学信息与控制工 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｕａｎ０９１ ６１ ７＠１ ６３．ｏｏｍ
