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直接序列扩频接收机序贯检测捕获器的仿真分析

  (哈尔滨工业大学通信技术研究所)摘要 对非相关接收序贯捕获方案进行了详细研究。建立了一个用来分析和评价序贯检测器捕获性能的软 件仿真系统。可以在中信噪比、存在调制的数据和随机相位误差的情况下分析序贯检测器的性能。仿真的结果对 序贯检测器的设计和应用有实际意义。 关键词序贯检测器PN码捕获扩频通信 0引言 扩频通信由于可以实现低功率谱通信、抗干扰、 码分多址和高精度测距而得到广泛的应用。只有当 本地扩频仿码和接收扩频伪码精确同步的情况下, 包含在扩频信号中的信息才能得以恢复和利用。同 步一般分为两个步骤:捕获和跟踪。捕获在大范围 内搜索接收伪码的相位,使本地伪码和接收伪码的 相位差缩小到一定范围之内(如1/2chip),之后的跟 踪环路实现伪码的精确同步,并在通信过程中一直 保持这种同步。 序贯检测器的性能是由它的检测概率P扑虚警 概率%和平均取样数ASN来衡量的,已知检测概 率、捕获概率和平均取样数就可以确定序贯检测器 的平均捕获时间。有一些算法用来确定这三个变量 和序贯检测器性能参数之间的关系Ll’2'3 J,但是这些 算法只在一些条件下适用,如低信噪比、无调制数据 和随机相位误差。本文建立了一套分析序贯检测器 的软件仿真系统。通过此系统,可以在这些算法无 法应用的情况下得到序贯检测器的性能。 本文假定信道上的干扰只有高斯加性白噪声, 并且忽略多谱勒效应对检测器性能的影响。我们首 先考查了传统算法在中信噪比情况下的精度;然后 研究了由于存在调制数据,经过窄带滤波器之后对 检测器性能造成的损失;最后分析了由于接收伪码 和本地伪码存在的相位误差对检测器造成的性能损 失。在第二部分给出序贯检测器的仿真模型和捕获 性能分析;第三部分给出利用计算机仿真得到的结 果;第四部分给出结论。 1仿真模型和性能分析 接收信号经过放大与本地伪码进行相关后通过 带通滤波器和包络检波器,在包络检波器之后设置 取样器对检波器的输出进行取样。取样序列送入一 个似然比计算器计算似然比,通过似然比来判断信 号的有无。 设取样序列为K=(”。,秽2,…,口。),令P(k I噩),i=0,1表示这几个取样点的联合条件概率分 布密度函数。其中风代表检测不正确相位单元时 只有噪声的情况,日,代表检测正确相位单元时噪声 与信号同时存在的情况。似然比定义为 nIJl,在第n个取样点之后,似然比计算器的结果与 两个门限值A和日(A>曰)进行比较,如果A(K) >A则认为是日1,并转入跟踪;如果A(K)<B则 认为是巩,表示没有信号,给出时钟调整脉冲,调整 伪码时钟,复位似然比计算器,重新取样判断。如果 B<A(K)<A,不能判断信号的有无,这时要继续 取样计算似然比。 通常将式(1)表示为对数形式,并将A。与lnA 和lnB比较。 A。=lnA(K)=ln揣 f皿)(i=0,1)是边缘条件概率密度函数uj。根据对数似然比设计的序贯检测器见图1。 文献[1]指出,当信噪比较小时,门限A和曰可 清除累加器 图1序贯检测器的方框图 58 RADIO COMMUNICATIONS"TECHNOLOCY VoI.27 No.2 2001 万方数据 以根据下式估计: A=鼍;B=瓦Pd 式(3)在中信噪比和大信噪比时不精确,这是因为存在超边界问题【3 在日1和日。条件下,超过门限所用到的平均取样数可以估计为[1] mHo]=与群端铲, 得到平均取样数之后,已知取样间隔时间,在凰情况时的平均驻留时间为 死。=EI nI凰j 上式中疋为抽样时间间隔,%为排除虚警所花的时间。在日,情况时平均时间为 文献[3]指出平均捕获时间可以表示为Tacq=(c_1)%等+瓦ri 式中的c为要检测的相位单元的个数。将式(5)、式(6)代入式(7)可以得到序贯检测器的平均捕获时 间。容易得到风情况时只有噪声,包络检波器的 输出为瑞利分布;H,情况时包络检波器的输出为莱 斯分布【3 J,从而式(2)表示为 A。=[InIo(v./t/a2)一A2/2a2] 其中,。()为修正的零阶一类贝赛尔函数。根据式 的A2/盯2为序贯检测器的设计信噪比,也称偏置(bias),只有当实际接收信噪比与设计信噪比相同时 检测器才是最佳的。如果不相等很难估计造成的性 能下降b 一一/仃2取样 累加器 另外,在检测正确的相位单元时,接收伪码与本地伪码不可能精确地对准。一般伪码搜索是以1/2 码片步进的,这样导致最大的相位误差为0.25码 片,此时的信噪比损失约为2.5dB。用最大的相位 差来估计相位不准确造成的损失比较保守,仿线之间的均匀分布。当有 调制的数据时,通过窄带滤波器会造成信号幅度的 畸变,也会造成检测器性能的下降。 2仿真模型的应用 序贯检测器的软件仿真系统是在基于工作站的 仿真平台SPW上建立的。本系统可以在很大的范 围内选择参数,我们设置两个门限分别为lnA=9.1 和ln日=一2.3,这是将虚警概率和检测概率固定为 10“和0.9并通过式(3)得到的。数据速率为 72kbps。 我们首先考查了风情况时的平均取样数与设 计信噪比之间的关系(见图3)。图中的连续线)计算的结果。当设计信噪比为0dB时,仿线%。 结果显示当设计信噪比低于一6dB时分析的结果比 较准确。 -6-4 024Bias(dB)图3检测不正确相位单元时,平均取样数 与设计信噪比的关系 我们通过仿真分析了虚警概率和上门限之间的 关系。结果显示它们成较好的线性,这与分析的结 O.9 0.8 O.7 0.6 0.5 0.4 -20Bias(dB) 图4参数k与设计信噪比的关系 21-‘F-31}27卷第2期 无线 Oo。_S吨: 万方数据论是相符的。我们在不同设计信噪比情况下重复了 这一仿真,发现虚警概率与上门限可以表示为 其中k为一个只与设计信噪比有关的参数,k与设计信噪比的关系如图4。从结果还可以看出,k在 小信噪比时接近于1,在中信噪比时小于1,说明在 中信噪比时,按式(3)估计的上门限设置的检测器得 到的虚警概率比要求的要小。 图5给出了在没有调制数据和随机相位误差的 情况下,由于实际信噪比与设计信噪比不同而造成 的检测概率的变化。结果显示检测概率P。受这一 偏差的影响很大。因而对于序贯检测器来说,保证 实际信噪比与设计信躁比的一致很重要。 0.1 rO.01 \\\\,Bias--3dBI\\-7 -101Real SNR(dB) 图5设计信噪比为一3dB时,实际信噪比与设计 信噪比不同造成的检测概率变化 图6为由于调制数据和随机相位误差引起的检 测概率变化,我们同时考查了两种情况并存时的影 响。中频滤波器为一个四极点巴特沃斯滤波器,其 畏途、Bias=OdB\—_ck Random Phase.Filter \\——6—一Only Filter ——o—Only Random Phase No FiHer.Pe rfect Phase 01234RealS~尺(aB) 图6设计信噪比为OdB时,由于有调制的数据 和随机相位误差引起的检测概率变化 3dB带宽为数据速率的二倍。 3结论 本文用计算机仿真考查了理想检测器的捕获性 能,同时研究了存在随机相位误差和调制数据造成 的检测器性能变化。结果表明,在检测不正确相位 单元时,传统算法在小于一6dB时比较精确。随机 相位误差造成约1.1dB的实际信噪比损失,比最坏 情况的2.5dB要小。当调制数据通过的滤波器带宽 为数据速率的两倍时,会造成约10dB的信噪比损 计算机仿真可以很容易地实现。但是在某些情况下会很耗时,例如在实际信噪比和设计信噪比很 小时,平均取样数很大,为了得到较准确的结果需要 很多次实验。而对于序贯检测器来说,在小信噪比 情况下可以应用分析算法得到准确的结果。可见分 析算法和计算机仿真可以在不同的情况下互补使 用,从而得到各种情况下准确的序贯检测器捕获性 参考文献1J.Holmes,Coherent Spread Spectrum System.New York:Wi- ley,1982:441~459 2Yu T.Su.Charles L.Weber.A Class SequentialTests itsApplications.IEEE Trans Commun.V01.38,1990.2 3沈允春编著.扩谱技术.北京:国防工业出版社,1995: 】61~173 队DIO COMMUNICATl0NS TECHNOLOCY VoI。27 No.2 2001 万方数据

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