低壓電力線信道噪聲環(huán)境下捕獲算法的改進(jìn)
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。
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