一種基于二次擴(kuò)頻的幀同步提取的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘    要：本文介紹了一種利用擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)幀同步的方案，重點(diǎn)介紹了用補(bǔ)碼配對相減匹配濾波法實(shí)現(xiàn)同步提取的原理及其FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并在同步提取的基礎(chǔ)上簡要敘述了幀同步信號的抵消。
關(guān)鍵詞：相關(guān)峰；幀同步；補(bǔ)碼配對相減匹配濾波法

引言
在時分復(fù)用通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)幀同步的傳統(tǒng)方法是在復(fù)用幀中插入一個幀同步時隙，幀同步碼是一組特殊碼型的碼組，接收端利用幀同步碼的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)幀同步。幀同步碼是具有良好自相關(guān)性和互相關(guān)性的獨(dú)特碼，當(dāng)和本地碼完全同步時的相關(guān)峰最大，其他任何時候的相關(guān)峰很小。幀同步碼在復(fù)幀中占用時隙較短，幀效率較高，幀同步實(shí)現(xiàn)簡單，適用于功率受限的系統(tǒng)，缺點(diǎn)是幀頭易被干擾。
在一些抗干擾通信系統(tǒng)中，要求幀頭具有較強(qiáng)的抗干擾性能。在一些文獻(xiàn)中，在復(fù)用幀中插入特定的一次擴(kuò)頻碼作為幀同步時隙，一次擴(kuò)頻碼的長度不可能太長，否則，不僅降低了幀效率，而且將給同步提取帶來很大的困難。鑒于一次擴(kuò)頻碼的局限性，本文介紹一種基于二次擴(kuò)頻技術(shù)的幀同步算法，并用FPGA實(shí)現(xiàn)了該算法。

基于二次擴(kuò)頻的幀同步提取
基本原理
時分復(fù)用通信系統(tǒng)收發(fā)端復(fù)幀構(gòu)成及同步提取如框圖1所示。所謂二次擴(kuò)頻，就是在一次擴(kuò)頻碼的基礎(chǔ)上，用另一個擴(kuò)頻碼再擴(kuò)頻一次。兩次擴(kuò)頻的碼字在長度上可以相同，也可以不同。本文介紹的基于二次擴(kuò)頻的幀同步算法中幀頭并不占用復(fù)幀時隙，而是復(fù)接在一幀數(shù)據(jù)的前L段數(shù)據(jù)上，二次擴(kuò)頻碼的長度，即L要足夠長，以便在用戶信息和噪聲比幀頭信息幅度高很多的情況下仍然可以實(shí)現(xiàn)同步。幀頭淹沒在其它信號里，這樣不僅抗干擾能力強(qiáng)，而且?guī)实玫搅撕艽蟮奶岣摺?BR>復(fù)接的同步信號先經(jīng)長度為L1的PN1擴(kuò)頻，再經(jīng)長度為L2的PN2擴(kuò)頻，因此二次擴(kuò)頻碼的長度為。假設(shè)二次擴(kuò)頻碼表示為，噪聲為，經(jīng)A/D采樣后的數(shù)據(jù)為，復(fù)合數(shù)據(jù)，經(jīng)調(diào) 制后發(fā)射。接收時經(jīng)正交采樣、低通濾波后，即可進(jìn)行二級解擴(kuò)，找出相關(guān)峰。直擴(kuò)通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼同步一般都是通過求截取到的數(shù)據(jù)和本地?cái)U(kuò)頻碼的互相關(guān)性來進(jìn)行的，擴(kuò)頻碼長度為L，那么接收數(shù)據(jù)和PN碼之間的循環(huán)互相關(guān)函數(shù)為：

＝
                       (1)
由于 和與PN是互不相關(guān)的，因此，(1)式的前半部分相關(guān)值很小。當(dāng)后半部分與本地的PN碼完全對應(yīng)，即時，將會有一個很高的相關(guān)峰，其大小取決于擴(kuò)頻碼的長度 。

幀同步Matlab仿真結(jié)果
假設(shè)每一幀有M路數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)長度為N。二級擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)疊加在每一幀數(shù)據(jù)的前L個復(fù)接數(shù)據(jù)上，擴(kuò)頻碼的幅度較弱，可小于用戶平均功率20dB。然后，存儲1~2幀數(shù)據(jù)后，解擴(kuò)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，找出相關(guān)峰值作為同步頭，用于下一幀數(shù)據(jù)的分接。
幀同步方案的Matlab仿真結(jié)果如圖2所示。這里設(shè)用戶采樣數(shù)據(jù)為一些隨機(jī)數(shù)，幅度為1000。為敘述方便，假定N=16136，，，則二次擴(kuò)頻數(shù)據(jù)為128