低壓電力線信道噪聲環境下捕獲算法的改進

O 引 言
直接序列擴頻(DSSS)是使用偽隨機碼擴展載有信息數據的基帶信號的頻譜，從而形成覓帶低功率譜密度信號來發送。其中偽隨機碼比發送信息數據速率高許多倍。接收端再進行處理和解調，恢復原始數據信號，從而減少噪聲對信號的影響。隨著直接序列擴頻技術在各種領域的廣泛應用，接收端對直接序列擴頻信號碼同步技術的要求也越來越高。特別是當接收機處于信噪比較低的環境時，直接序列擴頻信號的同步具有很大的挑戰性。評價直接序列擴頻(DSSS)接收機性能的主要因素包括虛警概率、檢測概率和平均捕獲時間。傳統的滑動相關法在低信噪比環境下同步虛警率較高，捕獲時間也大大增加。在此，利用擴頻信號同步前后，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，提出了一種適用于低壓電力線信道噪聲環境下的改進捕獲算法。通過理論和仿真分析，驗證了該算法在低信噪比低壓電力線環境下，有較低的同步虛警概率和較高的檢測概率，可以提高擴頻接收機的捕獲性能。

l 傳統的單積分滑動相關算法
傳統方法的實現如圖1中的虛線所示，含有噪聲的接收信號經解擴處理后，變為中頻窄帶信號，經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為積分器的積分時間，在TD時刻輸出積分值，并清零，如此重復)。該值與門限比較器的門限值做比較，當它低于設定的某一門限值時，輸出一一個信號給時鐘電路，以控制時鐘電路的工作狀態，從而改變本地編碼序列的相位狀態。改變后的本地序列相位狀態再重復上述的解擴、中頻濾波、平方檢波、積分和比較過程。當積分器的輸出大于給定門限時，表示已完成對發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鐘電路的工作狀態，而是給跟蹤同步電路輸送信號，進入編碼序列的同步跟蹤。

2 基于低壓電力線的改進算法
在擴頻同步捕獲階段，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，而碼元同步偏移會對相關器的輸出造成影響，使有用信號的輸出功率下降，同時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、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，通帶外的信號能量為0；在不同步情況下，通帶外的能量要大于或者等于通帶內的能量。
在此，采用基于功率譜估計的改進捕獲算法。采用上通帶和下通帶兩個窄帶濾波器，分別對其濾出的信號功率譜進行分析和估計，如圖1所示。其中，上支路為傳統串行單積分滑動相關法，該支路用于濾出解擴后信號功率；下支路用于濾出解擴后上通帶以外噪聲的一部分功率作為估計。在低信噪比的電力線環境下，利用上下通帶內外功率差代替傳統使用帶內信號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 電力信道環境下信號的傳輸特性
擴頻系統使用的通信頻帶主要在100～450 kHz。在這個頻帶上，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、突發性噪聲、頻域窄帶脈沖噪聲4類。其中，背景噪聲對電力線擴頻通信的影響最大。在擴頻頻帶內背景噪聲基本保持水平狀態，其特性為平穩的高斯白噪聲；與工頻同步的周期性噪聲持續時間長，頻域覆蓋范圍廣，功率大。但高傳輸速率的通信系統由于數據包持續時間短，可在周期性噪聲的間隙進行傳輸，從而降低了這種噪聲的影響；突發性噪聲的能量主要集中在100 kHz以下，且其產生的頻率與每秒幾千比特的數據傳輸率相比很低，因而對擴頻傳輸系統的影響不是很大；頻域窄帶脈沖噪聲的特點是：一旦產生，持續時間長，能量大。如果通信系統采用單頻載波，且載波頻率恰好落在這種窄帶噪聲的頻率上，那對此系統的通信傳輸影響很大。
根據上述分析，針對其中影響比較大的兩類噪聲進行分析：背景噪聲與頻域窄帶脈沖噪聲。上帶通輸出的信號功率包括有用信號、部分背景噪聲、部分頻域窄帶脈沖噪聲；下通帶輸出的信號功率包括碼自噪聲、部分背景噪聲和部分頻域窄帶脈沖噪聲。