一种基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法.pdf

收稿日期:2 0 2 2 1 2 0 7一种基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法赵 晨(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 7 1 0 0 6 8)摘要:现有技术在处理多通道并行接收数据的同步捕获时,通常采用全精度计算,由于计算复杂,通常需要消耗大量的片上资源,当数据为多通道并行接收数据时,其资源消耗通常是单通道资源消耗的整数倍,这导致了在资源紧张的情况下捕获过程无法正确实现。为了解决以上资源消耗问题,提出了一种基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法,在利用较少硬件资源实现多通道并行捕获的同时,基于快速速率识别算法,实现速率识别。关键词:多通道;并行接收数据;同步捕获;速率判决 中图分类号:T N 9 1 1文献标识码:A文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 0 7 0-0 3D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 1 5A S y n c h r o n o u s C a p t u r e a n d R a t e J u d g m e n t M e t h o d B a s e d o nM u l t i-c h a n n e l P a r a l l e l R e c e i v i n g Z HAO C h e n(T h e 2 0 t h I n s t i t u t e o f C E T C,X ia n 7 1 0 0 6 8,C h i n a)A b s t r a c t:Wh e n m u l t i-c h a n n e l p a r a l l e l r e c e i v e d d a t a a r e c a p t u r e d s y n c h r o n o u s l y b y u s i n g t h e e x i s t-i n g t e c h n o l o g i e s,f u l l-p r e c i s i o n c a l c u l a t i o n i s u s u a l l y a d o p t e d,w h i c h u s u a l l y c o n s u m e s a l a r g e a-m o u n t o f o n-c h i p r e s o u r c e s d u e t o t h e c o m p l e x i t y o f t h e c a l c u l a t i o n.T h e d a t a i s m u l t i-c h a n n e l p a r-a l l e l r e c e i v e d d a t a,s o t h e r e s o u r c e c o n s u m p t i o n i s u s u a l l y a n i n t e g e r m u l t i p l e o f t h e s i n g l e-c h a n n e l r e s o u r c e c o n s u m p t i o n,w h i c h l e a d s t o t h e c a p t u r e p r o c e s s n o t b e i n g p r o p e r l y i m p l e m e n t e d u n d e r r e-s o u r c e c o n s t r a i n t s.I n o r d e r t o s o l v e t h e a b o v e r e s o u r c e c o n s u m p t i o n p r o b l e m s,t h i s p a p e r p r o p o s e s a s y n c h r o n o u s c a p t u r e a n d r a t e j u d g m e n t m e t h o d b a s e d o n m u l t i-c h a n n e l p a r a l l e l r e c e p t i o n,w h i c h a c h i e v e s r a t e r e c o g n i t i o n b a s e d o n a f a s t r a t e r e c o g n i t i o n a l g o r i t h m w h i l e f e w e r h a r d w a r e r e s o u r c e s i s u s e d t o a c h i e v e m u l t i-c h a n n e l p a r a l l e l c a p t u r e.K e y w o r d s:m u l t i-c h a n n e l;p a r a l l e l d a t a r e c e p t i o n;s y n c h r o n o u s c a p t u r e;r a t e j u d g e m e n t 0 引 言在无线通信领域中,正确实现接收端与发射端信息的同步是保证接收端能正确接收发射端发射信息的前提1-2。同步捕获的过程通常分两步完成:首先通过2个同步序列的相关计算,确定两者的相关程度;然后用一个合适的同步捕获判决算法处理相关计算值,从而判断捕获是否完成3-4。在计算多路并行接收信号的同步捕获时,通常是先实现单通道全精度数据与本地相关码进行复数相关再累加求和5,然后将单通道同步捕获进行多次调用,将每路结果累加,最后将累加结果与门限值进行比较,通过门限值确定捕获位置,从而实现多通道并行接收的同步捕获6。传统的同步捕获方法是将输入的全精度数据与本地同步码进行复数相关然后计算累加之和,当面临多路并行输入接收的同步捕获时,通常将单路同步捕获运算多次并行调用实现。传统方法在计算同步捕获时,需要占用大量的硬件资源以供系统进行复数相关和并行调用运算7,这种方法在输入为多2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4路并行接收数据时,通常会面临资源不够的问题,无法准确实现同步捕获操作。1 本文工作本文提供一种基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法,首先将输入数据量化,减少数据位宽;然后对多通道并行接收数据采用时分复用的方式将并行接收数据进行抽取折叠,利用空闲时间将并行数据转为串行数据,降低并行处理的数据路数。在进行复数相关计算时,采用查找表代替传统的乘法器,采用绝对值近似替代传统模值计算中的开方运算,减少运算资源使用。将相关结果同时与多种速率模式的门限值进行比较,通过合适的门限值实现多种速率模式情况下的速率判决8。该方法在保证同步精度的前提下极大地降低了资源消耗,提高了资源利用率,所采用的实现逻辑如图1所示。图1 同步捕获方法的逻辑图2 逻辑实现基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法具体实现步骤如下。2.1 本地相关码预处理本方法采用串行方式对多路并行接收同步码进行预处理,将接收的同步码与本地调制系数进行调制处理,然后将串行结果转为并行,得到多路调制后的本地相关码。2.2 本地接收数据量化本方法对输入数据的实部和虚部按照下式进行量化:Id a t a=1s i g n(Ii n),|Ii n|Qi n|3s i g n(Ii n),|Ii n|Qi n|(1)Qd a t a=1s i g n(Qi n),|Qi n|Ii n|3s i g n(Qi n),|Qi n|Ii n|(2)式中:Ii n和Qi n分别表示输入数据的实部和虚部;s i g n(x)表示x的正负;Id a t a和Qd a t a分别表示量化后数据的实部和虚部。量化时,保留输入数据的符号位信息,将输入数据实部和虚部的绝对值进行比较,将绝对值较大的数据位设置成3,绝对值较小的数据位设置成1,通过量化使输入数据从多比特数据转变为1,3,-1,-3四种情况,数据位宽大幅降低,存储器、运算器等资源开销明显减少。2.3 多路并行数据抽取预处理本方法对多路并行接收数据采用时分复用的方式进行抽取折叠,若输入数据为XY路并行,每一路数据YN倍采样,复数相关计算时采用N倍采样数据,X,Y,N分别为正整数,传统方法中多路并行数据分别进行处理,单路数据从YN倍采样抽取成N倍,然后重复调用XY次,这种方式对资源的消耗是单路资源消耗的XY倍,同时,单路数据抽取后某些时刻无需运算,导致资源利用率较低。为了降低资源开销,采用如图2所示的方法进行数据抽取处理。首先将单路YN倍数据抽取为N倍,然后利用单路数据抽取后的空闲段,采用时分复用的方法,将并行的XY路数据中的每Y路进行合并,将每Y路数据抽取合并成1路,最终将XY路并行数据转化为X路。2.4 基于查找表的实数复相关本方法采用查找表代替传统的复数乘法操作。传统的实数复相关如下:(DI+jDQ)(PIjPQ)=(DIPI+DQPQ)+j(DQPI-DIPQ)(3)式中:DI表示数据实部;DQ表示数据虚部;PI表示相关码实部;PQ表示相关码虚部。由公式(3)可以得出一次实部和虚部的计算分别需要2个乘法器和1个加法器。采用表1所示的查找表代替乘法运算,则计算1次复数相关仅需要2个加法器。然后根据下式计算一次相关结果的模值:Sc o r r=Is u m2+Qs u m2|Is u m|+|Qs u m|(4)17第4期赵晨:一种基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法图2 本技术中数据抽取处理示意图式中:Sc o r r为单路相关运算模值;Is u m、Qs u m分别为单用户实部与虚部相关累加结果。公式(4)将平方根运算近似为绝对值求和,再次代替乘法器的使用。表1 复数相关运算查找表输入数据本地相关码乘法结果111-1-1313-1-3-11-1-11-31-3-132.5 脉冲累加及速率判决当完成X路并行相关运算后,将每路运算得到的相关计算模值采用加法器树的形式进行累加,以8路加法为例,其过程如图3所示。得到多路并行数据的累加结果,然后将累加结果与多种速率捕获门限进行比较,找到大于门限的数据位置和当前门限对应的速率模式,从而得到捕获标记及速率模式。3 仿真验证本实验采用6 4路输入数据,共8种速率判决的情况下,使用多速率多通道并行低复杂度接收捕获与速率判决技术后,仿真捕获性能在不同速率和不同信噪比下的相关峰值如图4、图5所示。该基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法对资源优化前后的同步捕获模块的资源消耗情况如表2所示。由表2可知,该基于多通道并行接收的同步捕获及速率判决方法在实际工程应用中对于资源消耗的优化具有明显的作用。图3 本技术中加法器树示意图图4 速率1、S NR=-9 d B同步捕获相关峰值表2 资源优化前后的资源消耗情况资源类型优化前/个优化后/个性能提升/%L UT s4.2 31 041.6 21 046 1.7R e g5.4 51 042.0 11 046 3.1B R AM2 6 01 2 95 0.4D S P1 3 001 0 04 结束语本文所提出的基于多通道并行接收的同步捕获(下转第8 8页)27舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 图6 不同信噪比下调相信号识别率换的相位编码信号检测方法,实现了低信噪比情况下相位编码信号的检测。利用信道化提高检测灵敏度的同时,使用信道化后子信道内的零中频数据进行小波变换,避免了检测相位跳变时的小波尺度盲区,保证了单一尺度下使用小波变换模值进行相位跳变点检测的可靠性。仿真结果表明,两级信道化结构提高了信号检测的灵敏度,降低了调相信号检测对信噪比的要求,利用小波变换能够实现相位编码信号的正确检测。本文在数据处理过程中仅选择单一尺度进行小波变换,后续可以综合多尺度小波变换的结果进一步提高识别灵敏度和正确率。参考文献1 P A C E P E.D e t e c t i n g a n d C l a s s i f y i n g L o w P r o b a b i l i t y o f I n t e r c e p t R a d a r M.N o r w o o d,MA:A r t e c h H o u s e,2 0 0 4.2 李国华.E S M系统对扩谱雷达信号的侦收J.舰船电子对抗,2 0 0 5,2 8(3):3 5 3 7.3 时海,蒋丹,吴玮琦.对相位编码信号的部分相关检测J.电子信息对抗技术,2 0 0 9,2 4(1):1 7 1 9.4 HO K C,P R OKO P I W W,CHAN Y T.M o d u l a t i o n i-d e n t i f i c a t i o n o f d i g i t a l s i g n a l s b y t h e w a v e l e t t r a n s f o r mJ.I E E E P r o c e e d i n g sR a d a r,S o n a r a n d N a v i g a t i o n,2 0 0 0,1 4 7(4):1 6 9 1 7 6.5 王晓峰,张国毅,田润澜,等.相位编码信号码速率估计的最优小波尺度选择J.电讯技术,2 0 1 5,5 5(5):5 3 95 4 4.6 李云杰,高梅国.带宽准匹配的高灵敏度数字信道化接收 机J.北 京 理 工 大 学 学 报,2 0 0 9,2 9(1 2):1 1 1 01 1 1 3.7 X U J,WANG F P,WANG Z J.T h e i m p r o v e m e n t o f s y m b o l r a t e e s t i m a t i o n b y t h e w a v e l e t t r a n s f o r mC/I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o mm u n i c a t i o n s,C i r c u i t s a n d S y s t e m s,P i s c a t a w a y:I E E E,2 0 0 5:1 0 0 1 0 3.(上接第7 2页)图5 速率2、S NR=-1 0 d B同步捕获相关峰值及速率判决方法将输入数据进行量化,减少数据位宽,采用时分复用方式将数据由并行转为串行处理,将XY路并行数据转化为X路,节省了Y倍的资源开销;在单路数据进行实数复相关操作时采用查找表代替乘法运算,同时利用绝对值求和代替传统的开方计算模值,显著降低了逻辑资源消耗和处理延时,在工程应用领域具有明显的应用价值。参考文献1 刘乔.快速跳频系统同步捕获技术研究D.成都:电子科技大学,2 0 1 0.2 程郁凡,李少谦.F F H/B F S K系统的一种基于频率和P N序列双图案的早迟门同步捕获方法J.电子与信息学报,2 0 0 9,3 1(3):6 6 6 6 7 0.3 彭伟夫.短波高速跳频系统的同步捕获技术D.成都:电子科技大学,2 0 0 9.4 赵花荣,赵明生,罗康生.具有强抗干扰性的快速跳频捕获方案设计J.清华大学学报(自然科学版),2 0 0 7(4):5 4 6 5 5 0.5 范磊,李天昀,李艳福.一种高效的短波多路信号并行接收算法设计与分析J.信息工程大学学报,2 0 1 6,1 7(3):2 7 0 2 7 5.6 魏苗迪.短波通信分集接收关键技术研究及实现D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 2.7 S I MON M K,OMUR A J K,S CHO L T Z R A,e t a l.S p r e a d S p e c t r u m C o mm u n i c a t i o n s H a n d b o o kM.北京:人民邮电出版社,2 0 0 2.8 YOON S,S ON G I,KWON H.A n o v e l a c q u i s i t i o n t e c h n i q u e o f s p r e a d s p e c t r u m s i g n a l s u s i n g t w o c o r-r e c t c e l l s j o i n t l yC/M i l i t a r y C o mm u n i c a t i o n s C o n f e r-e n c e.M I L C OM C o mm u n i c a t i o n s f o r N e t w o r k-C e n t r i c O p e r a t i o n s,2 0 0 1:1 0 2 9 1 0 3 3.88舰 船 电 子 对 抗第4 6卷