CDMA系統(tǒng)的PN碼技術

1、CDMA系統(tǒng)的PN碼技術CDMA系統(tǒng)中的PN碼同步原理發(fā)射機和接收機采用高精確度和高穩(wěn)定度的時鐘頻率源，以保證頻率和相位的穩(wěn)定性。 但在實際應用中，存在許多事先無法估計的不確定因素，如收發(fā)時鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時刻不確 定、信道傳輸時延及干擾等，尤其在移動通信中，這些不確定因素都有隨機性，不能預先補 償，只能通過同步系統(tǒng)消除。因此，在CDMA擴頻通信中，同步系統(tǒng)必不可少。PN碼序列同步是擴頻系統(tǒng)特有的，也是擴頻技術中的難點。CDMA系統(tǒng)要求接收機的 本地偽隨機碼與接收到的PN碼在結構、頻率和相位上完全一致，否則就不能正常接收所發(fā) 送的信息，接收到的只是一片噪聲。若實現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步，也無法

2、準確可靠地 獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。因此，PN碼序列的同步是CDMA擴頻通信的關鍵技術。CDMA系統(tǒng)中的PN碼同步過程分為PN碼捕獲（精同步）和PN碼跟蹤（細同步）兩 部分。PN碼捕獲是精調本地PN碼的頻率和相位，使本地產生的PN碼與接收到的PN碼間 定時誤差小于1個碼片間隔Tc，可采用基于滑動相關的串行捕獲方案或基于時延估計問題 的并行捕獲方案。PN碼跟蹤則自動調整本地碼相位，進一步縮小定時誤差，使之小于碼片 間隔的幾分之一，達到本地碼與接收PN碼頻率和相位精確同步。典型的PN碼跟蹤環(huán)路分 基于遲早門定時誤差檢測器的延遲鎖定環(huán)及t抖動環(huán)兩種。接收信號經寬帶濾波器后，在乘地器中與本地PN碼進行相

3、關運算。捕獲器件調整壓控 時鐘源，用以調整PN碼發(fā)生器產生的本地PN碼序列的頻率和相位，捕獲有用信號。一旦 捕獲到有用信號，啟動跟蹤器件，用以調整壓控鐘源，使本地PN碼發(fā)生器與外來信號保持 精確同步。如果由于某種原因引起失步，則重新開始新一輪捕獲和跟蹤。同步過程包含捕獲和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調整。PN碼序列捕獲PN碼序列捕獲指接收機在開始接收擴頻信號時，選擇和調整接收機的本地擴頻PN序 列相位，使它與發(fā)送的擴頻PN序列相位基本一致，即接收機捕捉發(fā)送的擴頻PN序列相位， 也稱為擴頻PN序列的初始同步。在CDMA系統(tǒng)接收端，一般解擴過程都在載波同步前進 行，實現(xiàn)捕獲大多采用非相干檢測。接收

4、到擴頻信號后，經射頻寬帶濾波放大及載波解調后， 分別送往2N擴頻PN序列相關處理解擴器（N是擴頻PN序列長）。2N個輸出中哪個輸出 最大，該輸出對應的相關處理解擴器所用的擴頻PN序列相位狀態(tài)，就是發(fā)送的擴頻信號的 擴頻PN序列相位，從而完成擴頻PN序列捕獲。捕獲的方法有多種，如滑動相干法、序貫估值法及匹配濾波器法等，滑動相關法是最常 用的方法。2.1滑動相關法接收系統(tǒng)在搜索同步時，它的碼序列發(fā)生器以與發(fā)射機碼序列發(fā)生器不同的速率工作， 致使這兩個碼序列在相位上互相滑動，只有在達到一致點時，才停下來，因此稱之為滑動相關法。接收信號與本地PN碼相乘后積分，求出它們的互相關值，然后與門限檢測器的某一

5、門 限值比較，判斷是否已捕獲到有用信號。它利用了 PN碼序列的相關徨性，當兩個相同的碼 序列相位一致時，其相關值輸出最大。一旦確認捕獲完成，捕獲指示信號的同步脈沖控制搜 索控制鐘，調整PN碼發(fā)生器產生的PN碼重復頻率和相位，使之與收到的信號保持同步。由于滑動相關器對兩個PN碼序列按順序比較相關，所以該方法又稱順序搜索法?；瑒?相關器簡單，應用簋廣，缺點是當兩個PN碼的時間差或相位差過大時，相對滑動速度簋慢， 導致搜索時間過長，特別是對長PN碼的捕獲時間過長，必須采取措施限定捕獲范圍，加快 捕獲時間，改善其性能。使滑動相關器實用的有效方法之一是采用特殊碼序列，特殊碼序列要足夠短，以便在合 理時間

6、內對所有碼位進行搜索。至于短到什么程度，由滿足相關性要求限定。這種加前置碼 的方法稱同步引導法。引導碼同步要求低、簡單易實現(xiàn)，是適合各種應用的同步方法?？刹洞a由若干較短碼序列組合而成，其碼序列應與各組成碼序列保持一定的相關關系。 這類碼中最著名的是JPL碼。2.2序貫估值法序貫估值法是另一種減少長碼捕獲時間的快速捕獲方法，它把收到的PN碼序列直接輸 入本地碼發(fā)生器的移位寄存器，強制改變各級寄存器的起始狀態(tài)，使其產生的PN碼與外來 碼相位一致，系統(tǒng)即可立即進行同步跟蹤狀態(tài)，縮短了本地PN碼與外來PN碼相位一致所 需的時間。該方法先檢測收到碼信號中的PN碼，通過開關，送入n級PN碼發(fā)生器的移位寄存

7、器。 待整個碼序列全部進入填滿后，在相關器中，將產生的PN碼與收到的碼信號進行相關運算， 在比較器中將所得結果與門限進行比較。若未超過門限，則繼續(xù)上述過程。若超過門限，則 停止搜索，系統(tǒng)轉入跟蹤狀態(tài)。理想情況下，捕獲時間Ts=nTc，（Tc為PN碼片時間寬度）。 該方法捕獲時間雖短，但存在一些問題，它先要對外來的PN碼進行檢測，才能送入移位寄 存器，要做到這一點有時很困難。另外，此法抗干擾能力很差，因為逐一時片進行估值和判 決，并未利用PN碼的抗干擾特性。但在無干擾條件下，它仍有良好的快速初始同步性能。2.3匹配濾波器法用于PN同步捕獲的匹配濾波器一般采用延時線匹配濾波器，其目的是識別碼序列，

8、它 能在特殊結構中識別特殊序列，而且只識別該序列。假設一個輸入信號是7bit碼序列1110010 雙相調制的信號，每當碼有1-0過渡時，反相信號進入延時線，直到第1bit在T7，第2bit 在T6。當全部時延元件都填滿，而且信號調制碼與濾波器時延元件相位一致時，T2的信號 相位與T5、T6、T7的相位相同，時延元件T1、T3、T4也具有相同的信號相位。把T2、 T5、T6、T7與T1、T3、T4兩組分別相加，把T1、T3、T4之和倒相輸出，再將這 兩個結果相加，包含在全部7個元件中的信號能量同相相加，整個輸出是未處理的7倍。根 據(jù)該能量關系可以識別碼序列。要增強產生的信號，可以靠附加更多的時延

9、元件實現(xiàn)，在這種結構中得到的處理增益為 Gp=10lgn（n是參加求和的時延元件數(shù)）。在要求快速鎖定及使用長碼的CDMA擴頻通信中，宜采用SAW-TDL-MF作同步器。 對于待定信號，匹配濾波器具有時間自動能力，無需PN碼時鐘同步與RF載波相位鎖定， 既避免了數(shù)據(jù)信息比特以外的同步，又完成了擴頻信號的相關處理。引導碼進入程控編碼 SAW-TDL-MF后，其輸出是噪聲基底上的底尖相關峰。在擴頻通信中，噪聲功率控制接收 機的AGC，因而信號功率（即相關峰值）在起伏的噪聲環(huán)境中變化很大。門限計算器的功 能根據(jù)包絡檢測輸出，確定動態(tài)門限電平，提供給同步檢測器，保證在低SNR時有可允許 的同步誤差。動態(tài)

10、門限電平取在主峰高度與最大旁峰之間時，噪聲引起的底同步誤差最小。 當SAW-TDL檢波輸出包絡超過動態(tài)門限時，同步檢測器為接收機寬帶頻率合成器提供一個 邏輯電平同步信號。3.PN碼序列跟蹤當同步系統(tǒng)完成捕獲過程后，同步系統(tǒng)轉入跟蹤狀態(tài)。所謂跟蹤，是使本地碼的相位一 直隨接收到的偽隨機碼相位改變，與接收到的偽隨機碼保持較精確的同步。跟蹤環(huán)路不斷校 正本地序列的時鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致，實現(xiàn)對接收 信號的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，正常接收擴頻信號。跟蹤是閉環(huán)運行的，當兩端相 位出現(xiàn)差別后，環(huán)路能根據(jù)誤差大小自動調整，減小誤差，因此同步系統(tǒng)多采用鎖相技術。跟蹤環(huán)路

11、可分為相干與非相干兩種。前者在確知發(fā)端信號載波頻率和相位的情況下工 作，后者在不確知的情況下工作。實際上大多數(shù)應用屬于后者。常用的跟蹤環(huán)路有延遲鎖定 環(huán)及t抖動環(huán)兩種，延遲鎖定環(huán)采用兩個獨立的相關器，t抖動環(huán)采用分時的單個相關器。3.1延遲鎖相環(huán)當本地PN碼產生器第（n2）和第n級移位寄存器輸出PN碼相位超前于接收到的偽 隨機碼相位時（即兩碼的相對時差0t3.2 t抖動跟蹤環(huán)抖動環(huán)是跟蹤環(huán)的另一種形式，與延時鎖定環(huán)相同，接收信號與本地產生PN序列的超 前滯后形式相關，誤差信號由單個相關器以交替的形式相關后得到。PN碼序列產生器由一 個信號驅動，時鐘信號的相位二元信號的變化來回“擺動”，去除了必

12、須保證兩個通道傳遞函 數(shù)相同的要求，因此抖動環(huán)路實現(xiàn)簡單。與延時鎖定環(huán)相比，信噪比性能惡化大約3dB。延遲鎖定環(huán)及t抖動環(huán)不僅能起跟蹤作用，如果采用滑動相關概念，使本地VCO開始 時就與接收信號有一定頻差，也能起到捕獲作用。此外，另加一相關器，還可以起到解碼作 用。上述兩種跟蹤環(huán)路的主要跟蹤對象是單徑信號，但在移動信道中，由于受到多徑衰落及 多普勒頻移等多種復雜因素影響，不能得到令人滿意的跟蹤性能，所以CDMA擴頻通信系 統(tǒng)應采用適合多徑衰落信道的跟蹤環(huán)。基于能量窗重心的定時跟蹤環(huán)就是其中之一。CDMA數(shù)字蜂窩移動系統(tǒng)采用擴頻技術，其擴頻帶寬使系統(tǒng)具有較強的多徑分辨能力。 接收機不斷搜索可分辨多徑信號分量，選出其中能