0 引 言
直接序列擴(kuò)頻(DSSS)是使用偽隨機(jī)碼擴(kuò)展載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜，從而形成覓帶低功率譜密度信號(hào)來(lái)發(fā)送。其中偽隨機(jī)碼比發(fā)送信息數(shù)據(jù)速率高許多倍。接收端再進(jìn)行處理和解調(diào)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)，從而減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響。隨著直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，接收端對(duì)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)碼同步技術(shù)的要求也越來(lái)越高。特別是當(dāng)接收機(jī)處于信噪比較低的環(huán)境時(shí)，直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的同步具有很大的挑戰(zhàn)性。評(píng)價(jià)直接序列擴(kuò)頻(DSSS)接收機(jī)性能的主要因素包括虛警概率、檢測(cè)概率和平均捕獲時(shí)間。傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)法在低信噪比環(huán)境下同步虛警率較高，捕獲時(shí)間也大大增加。在此，利用擴(kuò)頻信號(hào)同步前后，其上下通帶的輸出功率差比上通帶輸出功率變化梯度大的特點(diǎn)，提出了一種適用于低壓電力線信道噪聲環(huán)境下的改進(jìn)捕獲算法。通過(guò)理論和仿真分析，驗(yàn)證了該算法在低信噪比低壓電力線環(huán)境下，有較低的同步虛警概率和較高的檢測(cè)概率，可以提高擴(kuò)頻接收機(jī)的捕獲性能。
l 傳統(tǒng)的單積分滑動(dòng)相關(guān)算法
傳統(tǒng)方法的實(shí)現(xiàn)如圖1中的虛線所示，含有噪聲的接收信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)處理后，變?yōu)橹蓄l窄帶信號(hào)，經(jīng)平方檢波后送往積分器。積分器是從O～TD的積分清除積分器(TD為積分器的積分時(shí)間，在TD時(shí)刻輸出積分值，并清零，如此重復(fù))。該值與門(mén)限比較器的門(mén)限值做比較，當(dāng)它低于設(shè)定的某一門(mén)限值時(shí)，輸出一一個(gè)信號(hào)給時(shí)鐘電路，以控制時(shí)鐘電路的工作狀態(tài)，從而改變本地編碼序列的相位狀態(tài)。改變后的本地序列相位狀態(tài)再重復(fù)上述的解擴(kuò)、中頻濾波、平方檢波、積分和比較過(guò)程。當(dāng)積分器的輸出大于給定門(mén)限時(shí)，表示已完成對(duì)發(fā)送來(lái)的編碼序列相位的捕捉，門(mén)限比較器的輸出不再改變時(shí)鐘電路的工作狀態(tài)，而是給跟蹤同步電路輸送信號(hào)，進(jìn)入編碼序列的同步跟蹤。
2 基于低壓電力線的改進(jìn)算法
在擴(kuò)頻同步捕獲階段，接收到的PN碼與本地的PN碼之間大部分都存在著碼元同步偏移，而碼元同步偏移會(huì)對(duì)相關(guān)器的輸出造成影響，使有用信號(hào)的輸出功率下降，同時(shí)還造成了輸出噪聲功率的增加，該輸出噪聲稱(chēng)為碼自噪聲。
由于濾波器的通帶內(nèi)、外的能量總和是一定的，在同步的情況下，能量集中在通帶內(nèi)，通帶外的信號(hào)能量為0；在不同步情況下，通帶外的能量要大于或者等于通帶內(nèi)的能量。
在此，采用基于功率譜估計(jì)的改進(jìn)捕獲算法。采用上通帶和下通帶兩個(gè)窄帶濾波器，分別對(duì)其濾出的信號(hào)功率譜進(jìn)行分析和估計(jì)，如圖1所示。其中，上支路為傳統(tǒng)串行單積分滑動(dòng)相關(guān)法，該支路用于濾出解擴(kuò)后信號(hào)功率；下支路用于濾出解擴(kuò)后上通帶以外噪聲的一部分功率作為估計(jì)。在低信噪比的電力線環(huán)境下，利用上下通帶內(nèi)外功率差代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用帶內(nèi)信號(hào)功率作為同步門(mén)限比較器輸入值的方法，降低了同步虛警率，并提高了同步的檢測(cè)概率。
2．1 電力信道環(huán)境下信號(hào)的傳輸特性
擴(kuò)頻系統(tǒng)使用的通信頻帶主要在100～450 kHz。在這個(gè)頻帶上，低壓電力線上的噪聲可以分為背景噪聲、與工頻同步的周期性噪聲、突發(fā)性噪聲、頻域窄帶脈沖噪聲4類(lèi)。其中，背景噪聲對(duì)電力線擴(kuò)頻通信的影響最大。在擴(kuò)頻頻帶內(nèi)背景噪聲基本保持水平狀態(tài)，其特性為平穩(wěn)的高斯白噪聲；與工頻同步的周期性噪聲持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頻域覆蓋范圍廣，功率大。但高傳輸速率的通信系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間短，可在周期性噪聲的間隙進(jìn)行傳輸，從而降低了這種噪聲的影響；突發(fā)性噪聲的能量主要集中在100 kHz以下，且其產(chǎn)生的頻率與每秒幾千比特的數(shù)據(jù)傳輸率相比很低，因而對(duì)擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的影響不是很大；頻域窄帶脈沖噪聲的特點(diǎn)是：一旦產(chǎn)生，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能量大。如果通信系統(tǒng)采用單頻載波，且載波頻率恰好落在這種窄帶噪聲的頻率上，那對(duì)此系統(tǒng)的通信傳輸影響很大。
根據(jù)上述分析，針對(duì)其中影響比較大的兩類(lèi)噪聲進(jìn)行分析：背景噪聲與頻域窄帶脈沖噪聲。上帶通輸出的信號(hào)功率包括有用信號(hào)、部分背景噪聲、部分頻域窄帶脈沖噪聲；下通帶輸出的信號(hào)功率包括碼自噪聲、部分背景噪聲和部分頻域窄帶脈沖噪聲。
假設(shè)發(fā)送端發(fā)送的信息碼經(jīng)擴(kuò)頻和BPSK調(diào)制后發(fā)送，則接收機(jī)接收到的信號(hào)可以表示為：
s(t)=Ad(t)c(t)cos(2πf0)+n(t)
式中：A為接收信號(hào)的振幅；d(t)為發(fā)送的信息碼；c(t)為擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼；f0為BPSK載波頻率；n(t)為低壓電力線信道上的噪聲。
2．2 有用信號(hào)與碼自噪聲
在實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算時(shí)，只有當(dāng)接收信號(hào)與本地參考信號(hào)完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，相關(guān)器輸出最大。如果它們之間有偏移，即有定時(shí)誤差，相關(guān)器輸出減小，出現(xiàn)相關(guān)損失。所損失的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎杏眯盘?hào)和與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后造成的碼自噪聲。
設(shè)T表示接收到的偽隨機(jī)碼的波形延遲，T1是T的本地估值。在碼元偏移情況下：T一T1≠0，c(t一T)c(t一T1)含有直流分量和一些干擾噪聲。這些干擾噪聲稱(chēng)為碼自噪聲。
當(dāng)|T-T1|=εTc，設(shè)O≤|ε|≤1為本地PN碼與接收PN碼的相對(duì)時(shí)延。
計(jì)算得到C(t，ε)=c(t-T)c(t-T1)的功率譜密度函數(shù)為：
同理可得
到且背景噪聲在下通帶的輸出功率為：
由此可得，低壓電力線上的背景噪聲在上通帶與下通帶的輸出功率值相同，即該背景噪聲在上通帶與下通帶的輸出值可以相互抵消。
2．4 頻域窄帶脈沖噪聲
影響擴(kuò)頻接收機(jī)性能的另一個(gè)低壓電力線信道噪聲為：頻域窄帶噪聲，它可通過(guò)如下N個(gè)獨(dú)立的余弦函數(shù)疊加來(lái)描述：
式中：每個(gè)分量由它的頻率、幅值和相位來(lái)描述。其中，頻率在擴(kuò)頻載波附近的余弦分量對(duì)該系統(tǒng)影響最大。在此，取頻率為擴(kuò)頻載波的余弦分量來(lái)分析，假設(shè)該頻域窄帶脈沖噪聲為單頻余弦干擾，該信號(hào)與進(jìn)入接收機(jī)的有用信號(hào)是相互獨(dú)立的，且與有用信號(hào)的載波同頻、同相(最?lèi)毫拥母蓴_條件下)，表示為：
且其對(duì)應(yīng)的功率譜密度為：
由式(2)可得，單頻干擾A(t)在接收機(jī)輸出的平均功率為：
該單頻噪聲在上通帶的輸出功率為：
同理可得，該單頻噪聲在下通帶的輸出功率與其在上通帶的輸出功率值相同。
由此可得，該頻域窄帶脈沖噪聲在上下通帶的輸出值相減后亦可相互抵消。
在討論上、下通帶輸出的各類(lèi)信號(hào)功率后，得出如下結(jié)論：低壓電力線的信道噪聲在上、下通帶的輸出功率值相同。此時(shí)，上、下通帶的輸出信號(hào)功率之差主要是有用信號(hào)與碼自噪聲之差。第2．2節(jié)已經(jīng)討論了有用信號(hào)與碼自噪聲之差比傳統(tǒng)上通帶輸出功率的梯度變化大，即改進(jìn)的滑動(dòng)相關(guān)法擴(kuò)大了同步與不同步情況下積分輸出的差距，使系統(tǒng)更易于判斷是否同步。所以該算法在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下是可行的。
3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
在此采用Matlab R2006b工具，在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下(背景噪聲、頻率在中頻附近的窄帶脈沖噪聲)，對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真。其中，偽隨機(jī)序列碼長(zhǎng)為15位，采用BPSK調(diào)制，且中頻頻率為100 kHz。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)記錄和分析，可得到以下統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
圖2為僅加入高斯白噪聲時(shí)，不同信噪比下，改進(jìn)的捕獲方法與傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法，在一定時(shí)間內(nèi)完成捕獲并無(wú)虛警的概率。
圖3表示在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下，改進(jìn)的捕獲方法在一定時(shí)間內(nèi)完成捕獲并無(wú)虛警的概率。
由圖2可以看出，當(dāng)信噪比較高的時(shí)候，改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法相比，其優(yōu)點(diǎn)并不突出，當(dāng)信噪比低于一18 dB后，改進(jìn)捕獲方法比傳統(tǒng)方法的捕獲概率高。可見(jiàn)，在信噪比較低的情況下，改進(jìn)的方法比傳統(tǒng)的方法有更高的捕獲概率，能夠有效地提高系統(tǒng)的檢測(cè)概率和捕獲性能。
由圖3可以看出，改進(jìn)的捕獲算法加入低壓電力線信道噪聲后，其同步捕獲概率相對(duì)于圖3的改進(jìn)算法，并無(wú)明顯變化。由此可見(jiàn)，該改進(jìn)的捕獲算法適用于低壓電力線上。
4 結(jié) 語(yǔ)
在此，提出一種適用于低信噪比低壓電力線的改進(jìn)滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法，通過(guò)對(duì)低壓電力線信道上各類(lèi)噪聲的理論分析和整體擴(kuò)頻仿真，得到了該改進(jìn)的滑動(dòng)相關(guān)捕獲方法性能優(yōu)于傳統(tǒng)捕獲方法的結(jié)論。該方法在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下，既具有良好的抗干擾性能，又具有實(shí)際的應(yīng)用意義。
