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O 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，接收端對直接序列擴(kuò)頻信號(hào)碼同步技術(shù)的要求也越來越高。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))。該值與門限比較器的門限值做比較，當(dāng)它低于設(shè)定的某一門限值時(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、積分和比較過程。當(dāng)積分器的輸出大于給定門限時(shí)，表示已完成對發(fā)送來的編碼序列相位的捕捉，門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。其中，背景噪聲對電力線擴(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，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，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，那對此系統(tǒng)的通信傳輸影響很大。
根據(jù)上述分析，針對其中影響比較大的兩類噪聲進(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：
設(shè)上通帶的頻帶為：f0-fb≤f≤f0+fb。其中：f0為載波頻率；fb為基帶信息碼率；fc為偽隨機(jī)的碼片速率；且fb=1／NTc，則由式(1)可得上通帶的輸出有用信號(hào)功率為：
設(shè)下通帶的頻帶為：f0-3fb≤f≤f0-fb，同理由式(1)得到下通帶輸出的碼自噪聲功率為：
根據(jù)理論計(jì)算，所得結(jié)論如表1所示。表1列出了在不同|ε|，上下通帶輸出的功率值及其差值。由表l可以看出，在擴(kuò)頻系統(tǒng)同步前后，上下通帶輸出的功率值之差比上通帶輸出功率的變化梯度大。
2．3 背景噪聲
一般來說，在擴(kuò)頻通信頻帶內(nèi)，低壓電力線信道上的背景噪聲可歸為高斯白噪聲。假設(shè)該噪聲與進(jìn)入接收機(jī)的其他信號(hào)相互獨(dú)立，則其通過接收機(jī)輸入濾波器后的功率譜密度為：
由已知理論推得噪聲在擴(kuò)頻相關(guān)接收機(jī)輸出的平均功率為：
式中：Sn(F)為背景噪聲的功率譜密度；|H(f)|2為窄帶帶通濾波器的頻率傳輸函數(shù)；Sc(f)為m序列的功率譜密度。
在上通帶(f0-fb≤f≤f0+fb)中，Sc(f)可看作平坦的，即可得：
假設(shè)該窄帶帶通濾波器的功率傳輸函數(shù)是理想的，并對其幅頻特性進(jìn)行了歸一化，即：
由式(3)可得則式(3)化為fbTcsinc2(FTc)，整理可得該背景噪聲在上通帶的輸出功率值為：
式中：為擴(kuò)頻碼的功率。
下通帶的功率傳輸函數(shù)為：
