李红军1，陈萍1，邹永忠2**
作者简介：李红军，男，硕士研究生，无线扩频通信。
通信联系人：陈萍，女，高工，无线扩频通信. E-mail: rab1106@bupt.edu.cn
（1. 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876；2. 北京邮电大学计算机学院，北京 100876）
摘要：扩频通信体制在移动通信、卫星导航和测控通信等很多领域应用广泛。通信中当伪随机码的周期与比特长度不满足整数倍长度的情况下，应答机需要对比特边沿位置进行跟踪同步，在对比特位置同步后再对比特采样值进行积分，根据比特积分值进行信号的解调。本文提出了一种滑动窗结构的比特边沿捕获算法和二阶延迟锁相环的比特边沿跟踪算法，并对比特同步算法进行了ＦＰＧＡ实现。
关键词：比特同步；比特边沿；滑动窗；延迟锁相环
中图分类号：TN911.8
Wireless spread spectrum receiver bit edge synchronization15 algorithmLi Hongjun1, Chen Ping1, Zou Yongzhong2
(1. Communication and Information Technology college,Beijing University Of Post &Telecommunication, Beijing 100876;
2. Computer colleage,Beijing University Of Post & Telecommunication, Bejing 100876)Abstract: Wireless spread spectrum communication system are widely used in many areas such as mobile communications, satellite communications and satellite navigation. when the bit length is not integer times as pseudo-random code cycle , answering machine need to find the location of the bit start . After Synchronizing with the bit position , answering machine would began to demodulate signal according to accumulating value of the bit sample point. This paper proposes a sliding window structure to capture the bit position and a delay phase-locked loop to track the bit position. This paper also introduces the implementation results of the algorithms with FPGA. Keywords: bit synchronization; bit edge; sliding window; delay phase-locked loop
0 引言
无线扩频通信中，当伪随机码的周期与比特长度不满足整数倍的关系时，需要找到准确的比特起始位置，才能正确进行比特内能量积分，从而正确完成信号的解调。因此需要对信号中的比特起始位置进行捕获，并且对比特的起始位置进行实时跟踪锁定。本文通过研究接收机恢复比特起始位置的误差对信号能量的影响，提出了将一个比特分为4 段,采用滑动窗结构原理进行比特捕获的方法，同时提出了一种二阶延迟锁相环的办法对每一比特起始位置进行及时跟踪同步。文章中第一节介绍了信号的解调过程，框图以及状态转移图；第二节介绍了比特捕获和跟踪算法，在理论上对算法进行了性能分析；第三节列出了一个比特同步实现的案例，并给出了实际的测试结果。
1 比特同步总体设计
1.1 信号处理流程
BPSK 调制的无线扩频信号接收端[1]如表达式（1）所示。
S(t) = Am(t)C(t) cos(2π ft +ϕ ) （1）
式①中m(t)是传送的比特信息, C(t)是传送的伪随机码信息, cos(2π ft +ϕ)是信号的载波信号，ϕ 是接收机与信号的载波相位差。信号处理的第一步是恢复本地载波cos(2π ft)，将S(t)进行下变频，剥离载波信号。下45 变频后的信号如表达式（2）所示。
S1 (t) = Am(t)C(t) （2）
信号处理的第二步恢复本地的伪随机码信号( ) l C t ，并且进行解扩，在一个比特内相关积分，信号表达式（3）如下所示。
式（3）中T 是指一个比特的持续的时间长度， 250 S (t)的结果是一个比特内积分值，t0是指一个比特的起始边沿位置。解调的判决部分是根据2S (t)的积分值的正负号判断比特信息，文章中的关键问题就是准确找到和跟踪t0。
1.2 比特同步过程处理框图
为了准确找到t0，软件算法的框图如图1 所示。
软件算法设计中包括下变频、比特位置捕获、比特位置跟踪和状态机四部分。其中比特跟踪又分为比特内相关积分、比特起始位置误差鉴别器、比特位置误差滤波器以及积分位置调整四部分。状态机是整个数据处理的控制部分，它将各个部分有机调度和次序执行。
状态机的状态转移图[2]如图2 所示。
比特同步处理部分包含四种状态，捕获态、牵引态、跟踪态和失锁态。在捕获态期间，主要完成对比特初始位置的粗约估计，允许偏差在±0.125 个比特长度以内；在牵引态期间，主要完成将比特起始位置由捕获出的粗略位置牵引到准确的位置，偏差在±0.125 个比特长度渐变到±0.01 个比特长度范围以内；跟踪态完成对起始比特位置的及时跟踪同步，给出准确的比特起始位置标志信号；当比特起始位置失同步之后将会进入失锁态，下一个状态将会 转化到捕获态，重新进行比特位置的同步。
整个系统的状态转移都是状态机进行判断和控制。当系统刚开始工作时会处于捕获态，如果捕获成功就会进入牵引态，否则继续进行比特位置捕获；当系统进入牵引态后，会渐渐锁定比特位置之后进入跟踪态，如果没有锁定则继续保持牵引态，超过100 个比特则转化为失锁态，重新同步；进入跟踪态之后，比特同步过程将会持续工作，如果发现比特位置失同步就会进入失锁态，重新同步；
2 比特同步算法
2.1 比特积分值与积分位置的关系
数据解调过程中，依据比特积分值的符号判断传号信息，比特积分值符号出错就是传输过程误比特的直观反映，而比特积分结果直接与积分位置有很大关系[3]。如图3 所示。
比特长度为T，在没有噪声的影响下，比特积分值是AT 和−AT 。当积分位置存在Δt偏差时，比特积分值损失2AΔt，比特积分值变为A(T − 2Δt)。由于比特积分位置不准确
将会对系统的误码率影响很大[4]。
2.2 滑动窗结构的比特捕获算法
比特捕获算法采用滑动窗结构，将一个比特分为四段，然后制作一个滑动窗，滑动窗的
长度为一个比特的长度，将滑动窗的起点滑动到之前划分每一段的起点，之后观测在滑动窗下的比特积分值，如果在某段的起始位置积分值最大，说明现在滑动的起点距比特起始位置点最近。分析可知比特捕获部分存在的偏差为±0.125 个比特长度以内。具体原理如图4 所示。
2.3 延迟锁相环的比特跟踪算法
比特起始位置捕获完成之后将捕获结果交给跟踪，这时比特位置还存在0.125 个比特长度的偏差，跟踪将会在此基础上找到准确的比特起始边沿位置。 比特起始位置跟踪最重要的三部分是比特位置鉴别器、比特位置滤波器和数控NCO。比特位置鉴别器需要鉴别出当前无线扩频收机恢复的比特边沿与无线信号的比特边沿之间的差距。比特位置滤波器将鉴别器的结果滤去噪声，然后用滤波结果调整环路。调整环路就是调整输入数控NCO 的值，使它恢复的比特位置按照滤波的结果进行变化。在比特位置鉴别器中需要输入早、中、晚路积分值分别是：
其 0 t 是当前确定的比特起始位置。早路和晚路分别是早0.25 个比特长度和晚0.25 个比特长度作为起点的积分结果。鉴别的比特偏差算法如下。
在采用FPGA实现时，比特同步滤波器采用二阶IIR 滤波器, 滤波器需要选用合适的带宽，当带宽过小时，有可能滤除一部分有用信号，造成接收机的动态效果不好；当环路带宽过大时，有可能将过多的噪声引进系统，造成比特同步不够准确[5]。这个需要根据仿真结果和实际环境确定。数控NCO 采用16 比特的累加器，依据写入的比特速率控制字FTW 的不同，产生的比特时钟速率也会不同。比特时钟的一个周期就是一个比特的长度，并且在时间上完全对齐。数控NCO 的结构示意图如下所示。
FTW 是向NCO 里面写入的数控字，fs是累加FTW的频率，Bit_clk是新比特起始标志信号，数控NCO 每累加溢出一次Bit_clk 标志就会产生一个时钟的有效信号。因此可以得到式（13）。
通过控制FTW 可以控制Bit_clk 产生的速度，进而控制接收机的比特边沿与信号的比特边沿保持同步。整个比特跟踪部分的数字设计结构如图6 所示。
W 是滤波器的圆频率,T是跟踪环路的调整时间，a 是滤波器的系数[2]。
3 算法 FPGA 实现
利用第二节所述功能框图和数字结构，将码速率为3.069MHz，码周期长度是1023，比特传输速率为4K，统时钟工作在47M，接收到的中频信号180M 的接收机信号同步系统进行了FPGA 实现。系统采用的环路调整时间为一个比特的长度0.25ms。由于比特同步与载波同步和码同步是相互影响的，比特同步的整个部分和码、载波的同步部分综合在一起进行测试。测试场景为，信号功率-123dBm，信号的动态效果在±2.5KHz 以内，信号频偏±90KHz以内。系统成功同步的概率能够达到95%以上，整个系统的完全同步时间在5S 以内。
4 结论
本文给出了在无线扩频通信系统中，比特起始位置的精确同步的一种工程实现方案。比特边沿同步对解调非常重要，如果比特起始位置没有同步，会对系统载波同步、伪码同步和误码率造成直接影响。本文提出了一种4 段滑动窗结构的比特位置捕获算法和二阶延迟锁相环的比特位置跟踪算法进行系统比特边沿同步，并在FPGA 中对算法进行了实现，信号接收机最终的测试结果证明比特同步算法具有非常好的性能。
[参考文献] (References)
[1] 周炯槃 庞沁华 续大我 吴伟陵.通信原理[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
[2] 谢钢.GPS 原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3] John G.Proakis , Masoud Salehi.Communication Systems Engineering[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004.
[4] Simon Haykin,Michael Moher.Modern Wireless Communication[M].Beijing:Publishing House of Eletronics Industry,2006.
[5] 刘蕊.锁相环中二阶环路滤波器的设计[J].硅谷,2011,(5).
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