扩频通信系统的伪码跟踪技术研究

扩频通信系统的伪码跟踪技术研究EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE纪捷先？，樊华？（1.湛江师范学院实验中心，广东湛江 524048；2.景德镇电信分公司设备中心，江西景德镇 333000）Ji Jie-xian?, Fan Hua?(1.------------------, Guangdong Zhanjiang 524048;2.-------------------, Jiangxi Jingdezhen 333000)摘要：同步系统是无线电导航系统中的关键部分，而伪码跟踪技术又是同步的关键技术。

文中对延迟锁定环（DLL）系统理论进行深入研究，建立了延迟锁定环（DLL）的数学模型，通过仿真对伪码跟踪技术进行了定性的探讨,在仿真的基础上使用Insight 公司的FPGA 开发系统，用测试电路实测了伪码跟踪的性能。

关键词：扩频通信；伪码跟踪；延迟锁定环；FPGA中图分类号：TN914.42 文献标识码：A 文章编号：Abstract : Synchronization system is the key of the wireless navigation system, the PN -code tracking system is the importance of synchronization. The text researched deeply in full time exeeed-lay unconcerned delay PLL system, and set up the math model for it，and diseuss the PN -code tracking system through simulation . On this base ,the performance of PN -code tracking is tested with the FPGA developing system of Insight corp.Key words : Spread–Spectrum Communication; PN-code tracking; DLL; FPGACLC number: Document code: A Article ID:1 引言当捕获电路完成PN码的粗同步之后，接收到的PN码和本地PN码并未完全对齐，而且由于二者频率差的存在，很快就会失去同步；为了保持同步，就必须采用锁相跟踪。

延迟锁定环（DLL）在跟踪两个相关波形的时延差时，它是一种最佳电路[1][2]，DLL是一个非线性反馈系统，其反馈环内采用了互相关的方式。

码跟踪环有两种方式：相干和非相干。

相干方式需要利用载波相位信息，而非相干方式则不需要知道载波的相位。

在扩频通信系统中，大多数都是工作在极低的信噪比条件下，载波解调所需要的相干载波不容易得到，另外实际系统中还存在数据调制信号，这些都是相干DLL不能解决的。

故系统中采用非相干方式实现DLL。

2 伪码跟踪实现方案伪码跟踪环为了使接收机扩频码序列同步，至少需要采用两个相关器，即超前相关器和滞后相关器。

超前相关器使用的本地伪码相位比准确估计的本地伪码超前些，滞后相关器所使用的本地伪码相位比准确估计的相位要落后一些。

超前和滞后相关器输出的能量差值用于确定超前和滞后输入扩频码序列的定时之间的细微差别。

超前PN码和滞后PN码分别和标准PN码有0.5chip的相位差，将滞后支路能量累加值减去超前支路能量累加值的差值作为相位误差信号。

鉴相器的控制量B( k)由下式确定：()()E E I k Q k 和分别为滞后支路同相和正交部分的累加和，()()E E I k Q k 和分别为超前支路同相和正交部分的累加和。

相位误差信号送入环路滤波器后，控制伪码NCO 的产生。

从中可以清楚地看出，在τ∈[-0.5c T ,0.5c T ]的范围内时，鉴相特性具有很好的线性关系，可以通过检测误差信号来实现PN 码的跟踪。

在直扩系统中，PN 跟踪采用全时间非相干延迟锁定环和τ抖动环。

两者结构上的差别是：DLL 的超前滞后支路分别使用两个相关通道；而τ抖动环超前滞后支路共用一个相关通道，交替使用，所以τ抖动环的噪声性能较DLL 环要差[3] [4]，DLL 需要占用的硬件资源要较τ抖动环多。

通过前面的伪码捕获过程，接收到的信号和本地PN 序列的相位差可以减小到±0.5chip T 以内，本地PN 码相位必须通过跟踪电路，使其和输入PN 码相对时间差减小到零。

本系统中采用全时间非相干延迟锁定环，如图1所示。

图1 多搜索通道伪码跟踪原理图DLL 电路在FPGA 上数字化实现时，伪码超前和滞后支路采用完全一样的模块，避免了两支路增益不平衡对跟踪环路性能的影响。

另外环路滤波器F (s)是一个简单的门限滤波器，起滤波作用。

为了保证跟踪精度和稳定度，DLL 环路每次调整PN 的步进，也就是同步跟踪的精度为chip T /12。

这将有利于通过准确识别伪码特征相位来进行位同步，并确定测距脉冲的位置。

（a ） 频率为c f 时的信号波形（b ） 频率为c f +d f 时的信号波形图2 多普勒效应对伪码周期造成的影响在高动态环境中，由于信道上的多普勒效应造成信号波长变化；而波长越长，相应的伪码周期也就延长，如图2所示，所以需要借助载波跟踪环的频率估计输出来辅助PN 码跟踪，补偿多普勒效应造成的影响。

图中，横坐标为频率，纵坐标为振幅。

具体做法是，将估计得到的本地载波和输入信号载波的频率偏差值，乘上一个比例因子，然后送入伪码跟踪环路，控制伪码NCO 电路的工作。

通常在伪码上引起的多普勒频移比起在射频上（本系统中射频频率为2035MHz ）的多普勒频移要小的多，比例因子取为D =c R /f 射频 ，这里c R 为码片速率，f 射频为射频载波频率。

由于载波跟踪环的抖动噪声比PN 码跟踪环的抖动要小得多，载波跟踪环的输出总是对伪码跟踪环提供辅助，因此码跟踪环的精度更高，也更为准确。

3 伪码跟踪的设计与实现伪码的跟踪电路是在PN 码捕获完成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，保持在一个码片宽度的范围内，同时保持本地PN 码和接收信号PN 码的相对相位关系，使得同步状态持续下去。

1）伪码跟踪鉴相电路本系统中，经过伪码捕获过程，伪码相位误差可以缩小到正负半个码片宽度的范围内，伪码的跟踪环采用全时间非相干延迟锁定环，超前、滞后支路各使用一个相关器。

在DLL 环路中，先将下变频后产生的I 、Q 两路基带信号分别跟本地超前、滞后PN 码进行相关，再进行数据累加和平方包络运算，分别求出超前支路的能量值E P 和滞后支路的能量值L P ，然后将E P 、L P 同时送入到延迟锁相环的减法鉴相器，鉴相器根据PN 码的自相关特性获得PN 码的相位误差，该误差经过滤波器后控制本地PN 码的码钟。

伪码跟踪超前和滞后支路都需要计算能量累加值，可以采用和捕获支路相同的相关能量累加通道。

本系统中对环路滤波的过程做了简化，将得到的超前和滞后支路的能量差与门限值进行比较，根据比较的结果来调整伪码的NCO 的工作，伪码调整步进为chip T /12，即一个系统时钟周期。

在一个跟踪周期内，如果超前支路积分值减去滞后支路积分值之差大于门限值，则表示本地伪码超前，此时超前指示输出为1，滞后指示输出为0，将本地伪码向后调整chip T /12的相位；如果滞后支路积分值减去超前支路积分值之差大于门限值，则表示本地伪码滞后，此时超前指示输出为0，滞后指示输出为1，将本地伪码向前调整chip T /12相位；否则，就认为伪码已经同步，此时超前指示输出为0，滞后指示输出为0，伪码相位不作调整。

伪码跟踪的过程中可能会失步，因此需要检测本地伪码相关器输出的值，当连续N个周期相关器输出的值都小于设定的跟踪门限时，则判断伪码失步，重新进入捕获状态。

2）伪码时钟调整电路在伪码的捕获和跟踪过程中，为了使伪码相位同步且精确跟踪，需要对本地伪码的相位进行不断调整，即对本地伪码产生器的时钟相位做调整。

伪码相位调整电路模块图的仿真波形如图3所示。

图3 伪码相位调整电路仿真波形伪码相位调整电路模块图如图4所示。

图4 伪码相位调整电路模块图图4中，reset为系统复位端，高电平有效；clk为时钟输入端，时钟频率是伪码频率的12倍。

当clk的上升沿来到时，若没有调整信息，则内部的计数器的值正常增加1；Early_clk 为超前指示，高电平有效，当Early_clk有效时，计数器的值在时钟上升沿时停止计数，这样就将本地伪码的相位往后调整了1/12个码元；Lag_clk为滞后超前指示，高电平有效，当Lag_clk有效时，计数器的值在时钟上升沿时加2，这样就将本地伪码的相位往前调整了1/12个码。

4 结论本文对码跟踪环采用的DLL电路实现伪码跟踪的原理进行了详细的阐述，并对部分电路进行了仿真，程序设计和实验表明将伪码跟踪电路在单片FPGA中完成是完全可行的。

参考文献：[１] Spiler J J,D T Magill.The Delay-Lock Discriminator-An optimum Tracking Device Proc.IRE 1961.49(9):1403~1416.[２]张厥盛,郑继禹,等.锁相技术[M].西安电子科技戈学出版社,1996. [３]沈允春.扩频技术[M].北京:国防工业出版社,1995,7.[４]查光明,熊贤祚.扩频通信.西安.西安电子科技大学出版社.1990年12月第1版. [５]王毅平等．VHDL编程与仿真[M]．北京：人民邮电出版社，2000．。