第五章 擴譜通訊系統(tǒng)的同步跟蹤與捕獲

1、第五章 擴譜通訊系統(tǒng)的同步跟蹤與捕獲,,任何數字通信系統(tǒng)都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調出信息。擴頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴頻數字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現信息碼元同步、PN碼碼元和序列同步和射頻載波同步。只有實現了這些同步，直擴系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f沒有同步就沒有擴頻通信系統(tǒng)。,同步不確定性的來源,,同步系統(tǒng)是擴頻通信的關鍵技術。在上述幾種同步中，信息碼元時鐘可以和PN碼

2、元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關系，一個實現了同步，另一個自然也就同步了。對于載波同步來說，主要是針對相于解調的相位同步而言。常見的載波提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實現載波同步。只討論PN碼碼元同步、序列(碼字)同步和跳頻圖案同步。,同步不確定性的來源,,擴展頻譜系統(tǒng)中，對同步來說存在兩類一般的不確定，即碼相位和載波頻率的不確定。在擴頻接收機能夠正常工作之前必須解決這個不確定性，否則系統(tǒng)就不能正常地接收擴頻信號。碼相位的

3、分辨力必須小于1切普，從接收機看，中心頻率的分辨率必須使解擴后的信號落到相關濾波器的頻帶范圍內，并且將本地載波頻率始終對準輸入信號的載波頻率，以便使解調器能正常工作，這就是解決相位不確定性和載波頻率不確定性要達到的最起碼的要求。,同步不確定性的來源,,一般說來，在發(fā)射機和接收機中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素有以下一些： 收發(fā)信機的距離引起傳播的延遲產生的相位差； 收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性

4、引起的頻差； 收發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移； 以及多徑傳播也會影響中心頻率的改變。,同步不確定性的來源,,一般通信系統(tǒng)中所用的頻率并不十分穩(wěn)定，其影響是不能忽略的。在擴頻系統(tǒng)中，頻率不確定性的影響是顯而易見的。頻率源頻率的漂移，將引起碼元時鐘速率的偏移，積累為碼相位的偏移；還會引起載波頻率的漂移，使系統(tǒng)性能下降。對數字通信而言，最嚴重的還是碼相位的偏移，使系統(tǒng)性能下降。一般的擴頻系統(tǒng)都要求有很高的頻率穩(wěn)定度的頻率源，

5、至少應達10－6數量級以上。,頻率源的漂移,,如果接收機能夠精確地知道通信距離和發(fā)射時間，發(fā)射機和接收機都具有足夠準確的頻率源，它們就能得到所需的定時，就沒有同步問題了，但這些假設本身就只是一種假設。對移動情況，由于位置的變化，必將導致傳輸時間的變化，因而接收機仍然需要不斷地跟蹤發(fā)射機的頻率和相位。多徑是在傳輸過程中由于多路徑（反射、折射）傳播引起的。多徑效應對系統(tǒng)的影響主要是引起相位、載波頻率相位延遲造成同步的不確定性。,電波傳播時

6、延與多徑效應,,多卜勒頻移會引起載波和碼速率的偏移。發(fā)射機／接收機的每一次相對位置的改變，就會引起碼相位的變化。加到接收信號上的多卜勒頻率不確定的大小是接收機和發(fā)射機相對速率及發(fā)射頻率的函數。多卜勒頻移的大小為,多卜勒頻移,,同步過程主要包括捕獲（初始同步或粗同步）和跟蹤（同步保持或精同步）兩步。同步要求：同步時間短同步概率大、虛同步概率低具有很強的抗干擾特別是抗人為干擾的能力易實現體積小、成本低等,同步要求,,直擴系統(tǒng)同步

7、過程,同步系統(tǒng)的作用就是要實現本地產生的PN碼與接收到的信號中的PN碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段： (1) 接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間范圍內搜索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號的相位之差納入同步保持范圍內，即在PN碼一個切普內。 (2) 跟蹤過程是在初始同步的基礎上，使碼相位的誤差進一步減小

8、，保證本地碼的相位一直跟隨接收到的信號碼的相位，在一規(guī)定的允許范圍內變化 ，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調整，使收發(fā)信號仍然保持同步。,,直擴系統(tǒng)同步過程,同步原理,同步流程,,直擴系統(tǒng)同步捕獲,搜捕的作用就是在頻率和時間(相位)不確定的范圍內捕獲有用的PN碼信號使本地PN碼信號與其同步。由于解擴過程通常都在載波同步之前進行，載波相位在這里是未知的，因此，大多

9、數搜捕方法都利用非相干檢測。所有的搜捕方法的共同特點是用本地信號與收到的信號相乘(即相關運算)，獲得二者相似性的量度，并與一門限值相比較，以判斷其是否捕獲到有用信號。如果確認為捕獲到有用信號，則開始跟蹤過程，使系統(tǒng)保持同步。否則又開始繼續(xù)搜捕。,,捕獲方法,滑動相關法 (最簡單、最基本方法)插入特殊碼子同步法(同步頭法) 跳頻同步法 發(fā)射參考信號法發(fā)射公共時鐘基準法 (統(tǒng)一定時法)突發(fā)同步 用特殊碼建立同步 匹配濾波器同

10、步法 順序估計快速捕獲(RAES)法并行捕獲法,,滑動相關法,當收到的PN碼序列與本地PN碼序列的鐘頻不同時，在示波器上可以看到兩個序列在相位上相互滑動。這種滑動動過程就是兩個碼序列逐位進行相關檢測的過程。采用與發(fā)端頻率有差別的時鐘來驅動本地碼（碼型已知），由于時鐘差，引起接收信號與本地產生的偽隨機碼的相對滑動?；瑒舆^程中，碼不重疊時，相關器輸出噪聲，當兩碼接近重合和重合時，有相關峰出現，經包絡檢波、積分后輸出脈沖電壓。當輸出的脈

11、沖電壓超過門限時，表示已檢測到碼位同步（至少到1切普之內），于是給出停止搜索，轉入跟蹤狀態(tài)的控制信號。,,滑動相關法,同步相關原理,同步相關流程,,,,,乘法器＋中頻濾波器＋積分清洗,相關器,無載波同步,滑動相關法,由于滑動相關器對兩個PN碼序列是順序比較相關的，所以這種方法又稱為順序搜索法。為了控制干擾和噪聲，相關器的積分時間應長些，比如接近Ta=NTc，這里Ta和Tc分別表示信息碼寬度和偽隨機碼的切普寬度，N為擴頻系數?；瑒酉嚓P

12、器簡單，應用很廣。其缺點在于當兩端PN碼鐘頻相差不多時，相對滑動速度很慢，導致搜索時間過長?，F在常用的一些搜索方法大多在此法的基礎上，采取一些措施來限定搜索范圍或加快搜捕的時間，從而改善其性能。相關峰值低 ，原因是碼速率不一致，不可能全部重合所致。相關器相關峰還與相關器的作用時間有關。,滑動相關法,為了減小噪聲，提高檢測概率，相關后的帶寬（包括帶通和積分器）要窄；從縮短捕獲時間來看，應加快滑動速度，即加大收發(fā)時鐘頻率差，又要求帶寬要

13、寬，這兩者是矛盾的。當滑動快時，相關器輸出的相關脈沖窄，窄的脈沖將不易通過后面的低通濾波器；當滑動慢時，相關器輸出的脈沖寬，有利于通過低通濾波器。,,,,,,,,,,,,,滑動快,滑動慢,滑動相關法,為了使相關器輸出的相關峰值通過低通濾波器，相對滑動速度受到低通濾波器上升時間或帶寬的限制。設RC和R′C分別為發(fā)端和收端偽隨機碼的速度，BW為相關器后的低通濾波器的帶寬，則低通濾器的階躍響應的上升時間為0.35/BW。每秒鐘相對滑動的切普

14、速率為R′C—RC，則滑過兩切普的時間為2／（RC，－RC），要使相關峰值通過低通濾波器，則要求滑過兩切普的時間大于低濾波器的上升時間，因此有,滑動相關法,[例子]一系統(tǒng)的相關器后面的低通濾波器帶寬為1KHz，則相對的滑動速率最大為5.7Kc/s。如果碼序列很長，偏移若干兆切普，滑動到相關點的時間可能是非常長的，可達幾十分鐘，甚至幾小時、幾天的時間。如前述條件，1KHz的帶寬，最大相對滑動速率為5.7Kc/s，若碼序列長為108，則最長

15、捕獲時間為108／5.7×103＝4.8小時，這在實際中是難以忍受的。,滑動-保持同步法,大多數擴頻接收機的搜索過程是使接收機的碼與希望接收的碼在滑動相關上實現的。這個相位滑動過程是這樣實現的，即對接收機時鐘給以一定大小的偏移，并保持這種偏移直到合適的同步點為止，然而很少使用這種方法。代替這個搜索方法的，一般是采用以某個很小的增量將接收機的時鐘周期性地移相。因此這兩個碼就互相以跳動方式“滑動”，這種方式稱為“滑動－保持”同步法

16、。,滑動-保持同步法,本地碼的碼速率與發(fā)端相同，未檢測到同步時，處于搜索狀態(tài)，步進滑動1／N切普，與接收到的信號進行相關。若檢測到同步時，就轉入跟蹤狀態(tài)。采用這種滑動－保持方法搜索時，對碼的相關函數有一定的影響。時鐘偏移是連續(xù)變化的，其相關函數為一平滑的三角波，而步進搜索時變成一階梯形的三角波。階梯函數的精確形狀因基本時鐘相位關系而不同。,滑動-保持同步法,滑動-保持同步法,每一臺階寬度為積分時間，臺階越少，表明積分時間越長，可以濾除