擴頻通信中直接擴頻系統(tǒng)的同步技術(shù)

1、 摘要擴頻通信作為一種新型的通信體制，具有很多獨特的優(yōu)點，在軍用和民用領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。擴頻通信中一個關(guān)鍵性的問題就是擴頻信號的同步，包括捕獲和跟蹤兩個步驟，同步性能的優(yōu)劣直接影響到整個擴頻通信系統(tǒng)的性能。因此，對直擴系統(tǒng)同步的研究具有很大的實用價值。本文深入研究了擴頻通信中直接擴頻系統(tǒng)的同步技術(shù)，包括偽隨機(PN)序列的捕獲、跟蹤和載波同步。在偽隨機(PN)序列的捕獲中研究了串并結(jié)合的大步進方法。研究了偽碼串行-載波并行、偽碼并行-載波串行、偽碼串行-載波并行、偽碼并行-載波并行4種捕獲方法。在特定的參數(shù)下，設(shè)計出直擴通信系統(tǒng)，并在高斯信道條件下，仿真得出了直擴系統(tǒng)的誤碼率性能曲線，

2、在此基礎(chǔ)上運用了偽碼并行-載波串行的方法進行仿真分析，從MATLAB仿真結(jié)果可以看出捕獲方案確實可行。關(guān)鍵詞：擴頻通信；同步；捕獲；跟蹤AbstractAsanewtypeofcommunicationssystem,spreadspectrumcommunicationshasmanyuniqueadvantages,andhasbeenwidelyusedinbothmilitaryandcivilianfields.Thesynchronizationofspreadspecturnsignal,includingacquisitionandtracking,isthekeyproble

3、mofspreadspecturncommunication.Theperformanceofsynchronizinghasdirectimpactonthewholespreadspectruncommunicationsystem.Asaresult,itsveryimportanttodiscussthisproblem.Thispaperresearchesintosynchronizationtechniquesofdirect-sequencespreadspectrumsystems,whichincludePNcodeacquisition,PNcodetrackingand

4、carrierrecovery.westudiedPNacquisitionscheme,largestepacquisionscheme.ThispaperdiscussesfourcapturemethodsaboutserialPNcode,serialcarrier,parallelPNcode,serialcarrier,serialPNcode,parallelcarrier,andparallelPNcode,parallelcarrier.Incertainparameters,designofdirectsequencespreadspectrumcommunications

5、ystem,andintheGausschannelconditions,simulationofthecurveoftheBERperformanceofDSSSsystem,onthebasisofusingtheparallelPNcode,carrierserialsimulation,simulationresultscanbeseenfromtheMATLABcaptureschemeisfeasible.Keywords:SpreadSpectrumCommunications;Synchronization;Acquisition;Tracking目錄TOC o 1-5 h z

6、 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1緒論1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 直接序列擴頻通信的理論基礎(chǔ)42.1擴頻通信的理論基礎(chǔ)42.1.1基本理論42.1.2擴頻通信的特點5直接序列擴頻通信系統(tǒng)62.3偽隨機序列9m序列10 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 直接序列擴頻系統(tǒng)的同步12同步機理12信號捕獲12信號跟蹤17載波跟蹤技術(shù)173.3.2鎖相環(huán)原理183.3.3鎖頻環(huán)原理203.3.4鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)的性能比較21 HYPERLINK

7、l bookmark14 o Current Document 直擴系統(tǒng)的仿真分析23設(shè)計參數(shù)234.2直擴通信系統(tǒng)的原理框圖234.3直擴通信系統(tǒng)的仿真分析24直擴系統(tǒng)的抗干擾性能分析30 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 5同步仿真分析315.1同步參數(shù)設(shè)計31PN碼的自相關(guān)性仿真315.3捕獲325.4跟蹤36結(jié)論39致謝40參考文獻41 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 附錄A英文原文43 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 附錄B中文翻譯

8、55 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 附錄C程序64沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1緒論擴頻通信是建立在ClaudeE.Shannon信息論基礎(chǔ)之上的一種新型現(xiàn)代通信體制。這種通信體制由于采用偽隨機編碼調(diào)制和信號相關(guān)處理,具有很多獨特的優(yōu)點:用于通信中，抗干擾能力強，發(fā)射功率低，具有低截獲率，保密性能好，具有碼分多址和任意選址的功能;在測距中，利用偽隨機碼測距，可大大提高測距精度，所以自從問世便引起世界各國的極大關(guān)注,并率先應(yīng)用在軍事通信中。近年來,隨著微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及一些新型元器件的應(yīng)用,擴頻通信

9、在技術(shù)上已邁上了一個新的臺階。在軍事上,擴頻通信己經(jīng)成為電子對抗環(huán)境下提高通信設(shè)備抗干擾能力的最有效手段,并在近十幾年來爆發(fā)的幾場現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮了巨大的作用。此外,擴頻通信技術(shù)在無線局域網(wǎng)2G/3G移動通信、衛(wèi)星通信、航空航天和深空探測等諸多民用通信領(lǐng)域中也都得到較為廣泛的應(yīng)用。在這些民用和國防軍事通信的強烈需求下,擴頻通信的地位變得越來越重要1。擴頻技術(shù)將基帶信號的頻譜擴展至很寬的頻帶進行傳輸，在接收端采用相關(guān)接收的原理，將擴展的頻譜恢復(fù)到基帶信號的頻譜，從而抑制傳輸過程中加入的干擾。香農(nóng)(E.Shannon)信息論的基本理論證明，擴頻通信是有效的抗干擾通信方式。香農(nóng)在1945年、1948

10、年和1949年連續(xù)發(fā)表了有關(guān)信息論和通信加密以及系統(tǒng)安全住等3篇論文，這些理論成為擴頻技術(shù)的理論依據(jù)。擴展頻譜的優(yōu)勢可以從信息論的角度來闡述。依據(jù)香農(nóng)信息理論，定義受到加性高斯白噪聲干擾的信道，信道帶寬題，信噪比為S/N,信道容量為：C二BLog2(1+S/N)(1.1)從公式可以看出：給定的信道容量C可以匹配不同的帶寬B和信噪比S/N的組合來傳輸。如果減小帶寬B就必須增加信噪比S/N以保證信道容量C值不變。相反的，如果信噪比S/N較小，可以通過增加帶寬B來保持傳輸容量C值不變，即所謂的用帶寬B換取功率C的辦法。擴頻通信也就是把原始信號的頻譜擴展到10倍1000倍，然后再進行傳輸，因而提高了通

11、信系統(tǒng)的抗干擾能力，這樣系統(tǒng)在強干擾環(huán)境下仍能保證可靠的通信質(zhì)量。通常音頻電話的頻率范圍為300Hz3300Hz則B=3300Hz-300Hz=3000Hz。而一般鏈路典型的信噪比足30dB，即S/N=1000，因此有C=3000XLog2(1000),近似等于30kb/s。假如對上述系統(tǒng)進行擴頻傳輸，在傳輸速率小變的情況下，將帶寬擴展100倍，信號可以在0.25dB的低信噪比下傳輸。由此可見，擴頻通信系統(tǒng)町以在更惡劣的環(huán)境下正常工作。這一點在衛(wèi)星通信和軍事通信中非常重要，衛(wèi)星通信由于電離層的干擾往往工作在低信噪比條件下，采用擴頻通信可以克服這個問題，軍事通信則往往采用擴頻技術(shù)將信號隱蔽在噪聲

12、中，從而保證信號不被敵人發(fā)現(xiàn)。擴頻技術(shù)首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其發(fā)展經(jīng)歷了一個很長的過程，日前擴頻技術(shù)處于繁榮階段。擴頻技術(shù)的發(fā)展歷程可以分為三個階段：第一階段是雛形階段20世紀(jì)20年代中期誕生的RADAR(RadioDetectionAndRanging)系統(tǒng),利用回波證明了電離層的存在，其發(fā)射頻譜寬度大于回波聲音頻譜寬度，具備了擴頻通信系統(tǒng)的基本特征。第二階段是基本模型階段這個時期完成了擴頻通信的一些關(guān)鍵技術(shù)的論證,使得擴頻通信的實現(xiàn)具備了足夠的條件,并出現(xiàn)了基本的擴頻模型。20世紀(jì)40年代，赫蒂(HedyKMarkey)第一個提出利用跳頻技術(shù)來實現(xiàn)抗干擾通信系統(tǒng)的構(gòu)想。迪羅薩(Derosa)

13、和羅戈夫(Rogoff)于1949年完成丁世界上第一個直接序列擴頻系統(tǒng)，并成功運用在新澤西州(NewJersey)和加利福尼亞州(Cal.fornia)之間的通信線路上。第三階段是擴頻通信的繁榮階段20世紀(jì)50年代，美國麻省理T學(xué)院成功研制出了N0MAC系統(tǒng)，這是一種成熟的擴頻通信系統(tǒng)。從此，對擴頻通信系統(tǒng)的研究十分活躍，擴頻通信廣泛應(yīng)用于軍事通信、空間探測、衛(wèi)星偵查、導(dǎo)彈制導(dǎo)等方面。同步是擴頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),同步不僅需要一般數(shù)字通信系統(tǒng)的同步過程(載波同步、位同步、幀同步等),還需要實現(xiàn)擴頻碼同步(碼時鐘同步、碼相位同步)。當(dāng)碼同步定時偏移超過DS系統(tǒng)1個碼元時，接收機就不能對接收到的擴頻

14、信號正確解擴，即使同步偏差小于地址碼元寬度也會引起有用信號功率損失,使輸出有用信號功率下降,處理增益降低。所以擴頻系統(tǒng)同步不僅比一般數(shù)字通信系統(tǒng)同步更為復(fù)雜，其要求也更為嚴(yán)格。對擴頻系統(tǒng)性能要求越高，對同步系統(tǒng)要求也越復(fù)雜、越嚴(yán)格。在各種實際擴頻系統(tǒng)中，設(shè)計優(yōu)良的同步系統(tǒng)往往是最困難的。在人為干擾情況下PN碼同步電路如果失效將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)完全癱瘓。在擴頻通信中，接收端一般有兩類不確定性因素，就是載波頻率和碼相位的不確定性。若發(fā)射機和接收機使用精確頻率源，則可消除大部分碼速率和載波頻率不確定性，但不能消除由多普勒頻移引起的載波和碼速率偏移,而且即使是固定位置的收發(fā)站也會由于

15、電波傳播多徑效應(yīng)引起碼速率和載波中心頻率的改變。由于收發(fā)時鐘不一致,電波傳播時延等因素,接收端啟動時擴頻序列與接收發(fā)送擴頻序列相位開始總是不同的。因此,接收機需要通過一定同步手段使本地擴頻序列與接收擴頻序列相位相同。這一過程分為兩個階段,第一階段為捕獲過程即粗調(diào)過程,它通過調(diào)節(jié)送到解擴器的本地碼相位實現(xiàn)兩個偽碼之間初始同步,當(dāng)捕獲過程完成時用于解擴的本地參考信號碼相位與接收擴頻信號碼相位偏差將小于直擴系統(tǒng)一個PN碼單元，這時接收機能大致正常解調(diào)出信息。第二階段為PN碼的定時跟蹤即細調(diào)過程，跟蹤是通過相位鎖定方法不斷調(diào)節(jié)補償本地碼相位漂移,以達到進一步縮小同步誤差和保持這種精確同步的目的。在擴頻

16、碼同步系統(tǒng)工作過程中，同步捕獲和跟蹤伏態(tài)應(yīng)該可以相互轉(zhuǎn)換。在捕獲出現(xiàn)假鎖或因強干擾引起失步時，同步系統(tǒng)必須能夠能迅速地從跟蹤狀態(tài)重新轉(zhuǎn)入捕獲狀態(tài)。而在捕獲真正鎖定時，同步系統(tǒng)也應(yīng)迅速轉(zhuǎn)入到跟蹤狀態(tài)。所以同步系統(tǒng)應(yīng)采用同步識別控制系統(tǒng)以控制捕獲和跟蹤之間的相互轉(zhuǎn)換2。本論文從研究直接擴頻通信系統(tǒng)理論開始，采用BPSK調(diào)制，加入10級m序列進行擴頻，再次基礎(chǔ)上，運用偽碼并行-載波串行的大步進方法進行捕獲，得到本地信號。直接序列擴頻通信的理論基礎(chǔ)擴頻通信的理論基礎(chǔ)2.1.1基本理論擴頻通信是利用比發(fā)送數(shù)據(jù)速率高得多的偽隨機碼對發(fā)送信號進行調(diào)制,將信號的頻譜進行擴展,形成帶寬相當(dāng)大的低功率譜密度信號發(fā)

17、射,在接收端再利用相關(guān)接收的原理,將信號的頻譜壓縮,使其恢復(fù)成原來的窄帶信號,通過使用不同的偽隨機碼,不同的用戶可以在同一頻段同一時間,互不影響或影響很小的工作,它是一種新型的通信體制。與傳統(tǒng)的通信體制相比,擴頻通信具有抗干擾能力強、可以實現(xiàn)碼分多址功能、保密性能強、可高精度測距和抗多徑干擾等優(yōu)點,所以在通信領(lǐng)域備受關(guān)注,廣一泛地應(yīng)用于軍事和民用通信領(lǐng)域。香農(nóng)定理信道容量公式指出了在高斯白噪聲干擾的條件下,通信系統(tǒng)具有無差錯傳輸信息的能力,可表示為：C二BLog2(1+S/N)(2.1)式中，C是信道容量(bit/s),B是傳輸帶寬(Hz),S是信號的平均功率(W),N是噪聲功率(W),從式(

18、2.1)可以看出如果信道容量不變可以通過增加信號傳輸帶寬的方法獲取對信噪比要求的降低,即在低信噪比情況下也能實現(xiàn)信號的可靠傳輸。擴頻通信正是利用這一理論基礎(chǔ),用高速的擴頻碼來擴展待傳輸信號的帶寬,從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。香農(nóng)編碼定理指出只要信息速率小于信道容量,總可以找到一種編碼方式,使得在碼字相當(dāng)長的條件下,能夠幾乎無差錯地從被高斯白噪聲干擾的信號中恢復(fù)出原始的信號。香農(nóng)又提出了實現(xiàn)編碼的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號,因為白噪聲信號具有尖銳的自相關(guān)特性,而哈爾凱維奇也早在20世紀(jì)50年代,從理論上證明了要克服多徑干擾的影響,信道中傳輸?shù)淖罴研盘栃问綉?yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式。

19、由于白噪聲信號迄今為止還是難以產(chǎn)生、加工和復(fù)制,擴頻通信中采用統(tǒng)計特性近似高斯白噪聲統(tǒng)計特性且易于產(chǎn)生和控制的偽隨機碼對發(fā)送信號進行編碼3。在衡量擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能時,通常引入“擴頻處理增益”來描述,定義為接收機解擴器的輸出信噪比與接收機輸入信噪比的比值,即:2.2)G_(S/N)_Routcp(S/N)Rinb式中,Rc表示擴頻碼碼片速率(bit/s),Rb表示信息數(shù)據(jù)碼速率(bit/s),Gp表示經(jīng)過擴頻接收機解擴處理后,使信號增強的同時抑制輸入到接收機干擾信號能力的大小,從式(2.2)可以看出擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力與擴頻倍數(shù)成正比。另外在衡量擴頻系統(tǒng)在干擾環(huán)境下工作的能力時,又引入了

20、干擾容限的概念,干擾容限表示的是考慮了一個可用系統(tǒng)對輸出信噪比的要求以及估計系統(tǒng)內(nèi)部信噪比損耗時,系統(tǒng)能正常工作所允許的最大干擾功率比信號功率高出的分貝數(shù),它定義為:M二G-L+(S/N)(2.3)jpsysout式中,所有變量都是用單位dB表示的,Lsys表示系統(tǒng)的執(zhí)行損耗或?qū)崿F(xiàn)損耗,(S/N)out表示系統(tǒng)正常時要求基帶濾波器或中頻濾波器輸出的信噪比。2.1.2擴頻通信的特點擴頻通信技術(shù)大大擴展了信號的頻譜寬度,是一種新型的通信體制,與傳統(tǒng)的通信方式相比,它具有一系列優(yōu)良的性能。抗干擾能力強。由于擴頻通信采用了頻譜擴展技術(shù),在接收端干擾信號被展寬到一個很寬的頻帶上,使之進入信號通頻帶內(nèi)的干

21、擾功率大大降低,從而增加了輸出端的信噪比,使系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力。信號隱蔽性能好。擴頻通信中,發(fā)射端信號經(jīng)擴頻處理后,信號功率被均勻地分布在很寬的頻帶上,功率譜密度很低,通常都隱藏在噪聲功率譜密度之下,很難被發(fā)現(xiàn),即使被發(fā)現(xiàn)由于擴頻碼對第三方是未知的,也很難進行正確接收。具有多址能力。擴頻通信使用不同的擴頻碼組建不同的通信網(wǎng),其每一個接收機都分配規(guī)定的擴頻碼組作為地址,發(fā)送端用不同的擴頻碼組去調(diào)制發(fā)射機,并利用擴頻碼組之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性,接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴,在分配不同用戶不同碼型情況下可以區(qū)分不同用戶的有用信號,這樣一來,在同一寬頻帶上的許多對用戶就可以同時通信而

22、互不干擾,從而實現(xiàn)碼分多址的通信4?？顾ヂ浜涂苟鄰礁蓴_能力強。擴頻信號占據(jù)很寬的頻帶,當(dāng)遇到衰落時,只有一小部分頻譜會發(fā)生衰落,不會使信號發(fā)生嚴(yán)重的畸變。由于擴頻碼尖銳的自相關(guān)特性能使多徑信號完全分離獨立,當(dāng)遇到多徑干擾時可以通過相關(guān)技術(shù)從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號。直接序列擴頻通信系統(tǒng)擴頻系統(tǒng)主要包括直接序列擴頻(DirectSequence,DS)、跳頻擴頻(FrequenceHopping,FH)、跳時擴頻(TimeHopping,TH)和混合擴頻、線性調(diào)頻這幾種形式。直接序列擴頻通信系統(tǒng)(DSSS)，簡稱直擴系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種擴頻通信系統(tǒng)。早期一些軍事領(lǐng)域的研究開發(fā)

23、，如美國的國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)AV-VSC-28、全球定位系統(tǒng)(GPS)、航天飛機通信用的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)等都是DSSS應(yīng)用的實例，而我國自主開發(fā)的北斗系統(tǒng)也是直接序列擴頻通信系統(tǒng)。直擴系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端，在發(fā)送端用比信息比特率高得多的一組二進制偽碼序列c(t)與二進制數(shù)字信號d(t)相乘，得到擴頻信號d(t)c(t),再對載波進行調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)射進入信道傳輸，如圖2.1所示。擴頻通信中載波調(diào)制方式一般都是QPSK或BPSK,本論文中使用BPSK方式。圖2.1直接擴頻通信的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送端的BPSK信號的表達式為：s(t)=*2Pd(t)c(t)cos(2吋t+p)(2.4)

24、00式中，P為恒包絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)制載波功率，f為載波頻率，申為隨機相位。其中二進制00數(shù)字信號的碼速率為Rb,數(shù)據(jù)位寬為Tb=1/Rb，偽隨機碼的碼速率為Rc,數(shù)據(jù)位寬為Tc=1/Rc,Tc也叫做擴頻碼的“切普”(chip)寬度，一個“切普”就表示一個偽隨機碼碼片。由于d(t)和c(t)相乘后再進行BPSK調(diào)制，也就相當(dāng)于對數(shù)據(jù)寬度為Tc的二進制數(shù)據(jù)進行BPSK調(diào)制，而BPSK信號的功率譜密度可表示為：S(f)=2PTsincf+fo)TZc(f-f)門3式中，T表示二進制數(shù)據(jù)的寬度，擴頻前T=Tb，擴頻T=Tc,可見擴頻調(diào)制的作用是發(fā)射信號的寬度擴展為原來的Tb/Tc倍，而把功率譜密度降低到原始數(shù)

25、據(jù)信號功率譜密度的Tb/Tc倍。從圖2.2中可以很清楚的看出擴頻前后功率譜密度的變化。發(fā)射信號的帶寬取決于偽隨機碼c(t)的碼速率Rc，BPSK調(diào)制下，s(t)的帶寬等于兩倍的偽隨機碼的碼速率，即BRF=2Rc,幾乎與數(shù)字信號d(t)的碼速率無關(guān)。2功率譜TbnA1bPT功率譜(a)擴頻前2b(b)擴頻后圖2.2擴頻前后的數(shù)據(jù)單邊功率譜密度在接收端，通過產(chǎn)生用一組和發(fā)送端精確同步的本地參考偽隨機碼對接收信號進行相關(guān)處理，這一相關(guān)處理過程稱為解擴，解擴后的信號送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出原始的數(shù)字信號，這一過程如圖2.3所示。圖2.3直接擴頻通信的接收系統(tǒng)假設(shè)發(fā)射信號通過無失真信道進行傳輸，并且信道中

26、存在著噪聲n(t)和干擾信號J(t),干擾包括窄帶干擾、人為瞄準(zhǔn)式干擾、單頻干擾、多徑干擾和碼分多址干擾等,則接收信號可以表示為：r(t)=/2Pd(tf)c(tf)cos(2吋0+(p)+n(t)+J(t)(2.6)由于解擴時本地參考偽隨機碼與接收信號包含的偽隨機碼同步，所以解擴的輸出為：r(t)c(t-if)=41Pd(t-f)cos(2ft+p)+n(t)c(t-f)+J(t)c(t-if)(2.7)可以看出，由于有用信號與本地偽隨機碼有良好的相關(guān)性，通過解擴之后其頻帶被壓縮到帶寬為Bb=2Rb的頻帶內(nèi)，而噪聲與干擾信號和本地偽隨機碼相關(guān)后，其頻帶被擴展，而其功率譜密度被降低，所以接收機

27、在對有用信號進行解擴的同時對噪聲和干擾信號進行了擴展，而相關(guān)器后的窄帶濾波器(通常通頻帶B=2Rb)會把落在通頻帶外的絕大部分的噪聲和干擾信號濾除，這樣就大大改善了系統(tǒng)的輸出信噪比，如圖2.4所示5。:干擾信號干擾信號Bb2Rc4Rc圖2.4解擴前后信號功率譜密度示意圖2.3偽隨機序列擴頻碼在擴頻通信中起著很重要的作用,在發(fā)送端它被用來擴展信號的頻譜,接收端則利用它來壓縮信號頻譜并將干擾信號的頻譜展寬,從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。在擴頻通信中,系統(tǒng)的抗干擾性、抗噪聲、抗衰落、抗截獲、信息的隱蔽和保密、多址通信以及實現(xiàn)捕獲與跟蹤都與擴頻碼的性能緊密相關(guān),系統(tǒng)對擴頻碼一般有以下要求:必須具有尖銳的自

28、相關(guān)函數(shù),而互相關(guān)函數(shù)值應(yīng)接近于零。有足夠長的碼周期使第三方難以從擴頻碼的一小段去重建整個碼序列。有足夠的獨立地址數(shù),以實現(xiàn)碼分多址的要求。工程上易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制與控制。理論上來說,當(dāng)然是使用高斯白噪聲來擴展信號頻譜最理想,它作為一種平穩(wěn)隨機過程,瞬時值服從正態(tài)分布,功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的,具有極其優(yōu)良的相關(guān)特性,但是它難以重復(fù)產(chǎn)生和處理,所以在工程中所使用的均是具有類似白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機序列。偽隨機序列具有良好的隨機性和接近于白噪聲的相關(guān)函數(shù),并月有預(yù)先的可確定性和可重復(fù)性,可以人為的復(fù)制和產(chǎn)生,通常由二進制移位寄存器來產(chǎn)生,它具有如下特點:序列中0元素與1元素出現(xiàn)的個數(shù)近似

29、相等,每個周期內(nèi)最多相差一個。如果把n個元素連續(xù)出現(xiàn)叫做一個長度為n的元素游程，則序列中長度為n的元素游程出現(xiàn)的次數(shù)比長度為n+1的元素游程出現(xiàn)次數(shù)多一倍。(3)序列有類似白噪聲的自相關(guān)函數(shù)。在擴頻通信中,應(yīng)用最多的偽隨機序列就是m序列和gold序列6。2.3.1m序列m序列是最長線性移位寄存器序列,它具有優(yōu)良的自相關(guān)函數(shù)，易于產(chǎn)生和復(fù)制,在擴頻通信中得到了廣泛的應(yīng)用,m序列也是研究和構(gòu)造其他序列的基礎(chǔ)。m序列是由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的，如圖2.5所示。圖中a0,a1.,an-表示移位寄存器的狀態(tài),C0,C1,.,Cn為對應(yīng)級移位寄存器的反饋系數(shù)，Ci=0表示該反饋斷開,Ci=l表示反饋存在

30、,在m序列產(chǎn)生器中，c0=cn=i。圖2.5線性反饋移位寄存器原理方框圖對于反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列，取決于反饋系數(shù)，其反饋邏輯為：f(x)=c+ex+cx2+.+cXn=cXi(2.8)012ni式(2.8)稱為序列的特征多項式，即特征多項式一旦確定，那么其產(chǎn)生的序列也就確定了，經(jīng)嚴(yán)格的證明：若反饋移位寄存器的特征多項式為本原多項式，則移位寄存器就能產(chǎn)生m序列，且其周期為N=2n-1。M序列具有如下性質(zhì)刀：均衡性：在m序列的一個周期中，“1”和“0”的數(shù)目基本相等。準(zhǔn)確地說，“1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多一個。游程分布：我們把一個序列中取值相同的那些相繼的(連在一起的)元素合稱為一個“游程(r

31、un)”。在一個游程中元素的個數(shù)稱為游程長度。一般說來，在m序列中，長度為1的游程占游程總數(shù)的1/2；長度為2的游程占游程總數(shù)的1/4；長度為3的游程占1/8；。嚴(yán)格講，長度為k的游程數(shù)目占游程總數(shù)的2-k，其中1k(n-1)。而且在長度為k的游程中(其中1k(n-2),連“1”的游程和連“0”的游程各占一半。移位相加特性：一個m序列Mp與其經(jīng)過任意次延遲移位產(chǎn)生的另一個不同序列Mr模2相加，得到的仍是Mp的某次延遲移位序列Ms,即Mp3Mr=Ms尖銳的自相關(guān)性：先把m序列變換稱為碼元寬度為Tc、周期為NTc的m碼，然后來計算m碼的自相關(guān)函數(shù)，因為m碼是周期的，所以其自相關(guān)函數(shù)也是周期的，那么

32、只需計算0NTc一個周期內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)，再進行周期擴展就能得到m碼的相關(guān)函數(shù)了。一個周期內(nèi)m碼的自相關(guān)函數(shù)為：Rn(T)=NtjI)c(t+T皿二c1-山巴NTc-1c-N|T|Tc(2.9)M序列自相關(guān)函數(shù)如圖2.6所示:圖2.6m序列自相關(guān)波形直接序列擴頻系統(tǒng)的同步3.1同步機理直擴通信機理是發(fā)送方將數(shù)據(jù)信息通過相應(yīng)處理調(diào)制到所需頻帶上發(fā)射，接收方則通過對應(yīng)逆處理提取原始數(shù)據(jù)信息。然而，對于接收方而言，提取或恢復(fù)有效數(shù)據(jù)信息的關(guān)鍵所在是解決人為環(huán)境所造成的不確定度，解決此不確定度的過程被稱為同步。同步的重點是要求系統(tǒng)收發(fā)兩端的信號在頻率上和相位上保持一致，這樣才能正確地解調(diào)出信息。其作用就

33、是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的信號與接收到的信號在頻率及相位上保持一致。同步過程一般說來包含兩個階段：捕獲與跟蹤。（1）接收端由于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(nèi)搜索信號，也就是要把發(fā)送方發(fā)來的信號與本地信號的相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在擴頻偽碼一個碼元時片內(nèi)，這一階段稱為粗同步，也叫捕獲。（2）當(dāng)捕獲完成后，則需要進一步調(diào)整偽碼及頻率誤差。無論由于何種因素導(dǎo)致頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)都能加以調(diào)整，使得繼續(xù)保持同步，這一階段稱為精同步，也叫跟蹤9。3.2信號捕獲直擴系統(tǒng)采用碼分多址（CDMA）技術(shù)，應(yīng)用不同的偽隨機序列碼對不同發(fā)射終端的信息數(shù)據(jù)進行擴

34、頻解調(diào)，為接收某一發(fā)射終端的信息數(shù)據(jù)，就必須復(fù)現(xiàn)調(diào)制該信息數(shù)據(jù)的擴頻偽碼，講復(fù)現(xiàn)的偽碼同輸入偽碼在不同相位誤差上做相關(guān)運算，使二者同步，從而完成對信息數(shù)據(jù)的解擴，該過程稱為偽碼捕獲；由于發(fā)射終端與接收終端之間存在徑向移動，會產(chǎn)生Doppler頻移，因此為完成對某一發(fā)射終端信息數(shù)據(jù)的解調(diào)，必須搜索到相應(yīng)發(fā)射終端所產(chǎn)生的Doppler頻移的數(shù)值，該過程稱為載波捕獲。因此，對于直擴系統(tǒng)信號的捕獲是一個二維捕獲過程。捕獲結(jié)果是使本地參考碼和接收碼相位差值小于一個碼元寬度，且收發(fā)碼時鐘頻率基本一致，同時使載波相位對準(zhǔn)，從而實現(xiàn)輸入信號與本地信號的粗同步。一個碼相位單元和一個Doppler頻率單元構(gòu)成一個

35、信號搜索單元，實現(xiàn)時域（偽碼相位）和頻域（Doppler頻率）的二維順序搜索。搜索控制邏輯通過設(shè)置載波NCO來產(chǎn)生要搜索的Doppler頻率，同時通過向偽隨機碼預(yù)置歩進模塊發(fā)出滑動1/2個碼片命令來產(chǎn)生要搜索的碼相位，這樣就使本地產(chǎn)生的信號對準(zhǔn)某一搜索單元。若該本地復(fù)制信號與輸入信號的數(shù)字相關(guān)器輸出幅度大于檢測閾值，則搜索成功，停止搜索；否則，碼相位步進一個搜索單元(1/2碼片)，繼續(xù)進行相關(guān)累加和檢測判決。直擴信號捕獲方式如圖3.1所示10。一個多普勒單元圖3.1直擴信號的捕獲由上述可知，為捕獲到直擴系統(tǒng)信號，需要同時復(fù)現(xiàn)發(fā)射終端的碼相位和載波頻率，對直擴系統(tǒng)信號的搜索和捕獲通常有以下4種方

36、法：(1)偽碼串行-載波串行采用該方法進行信號捕獲僅需要單個碼相關(guān)器及單個載波相關(guān)器。其捕獲過程為：先預(yù)置載波NCO為某一Doppler頻率，在該Doppler頻點上將本地擴頻偽碼相位每次移動半個碼元，與輸入信號進行相關(guān)運算，其結(jié)果與捕獲門限比較，若其值低于門限閾值，則本地多普勒預(yù)置值不動，繼續(xù)將本地擴頻偽碼移動半個碼元再次與輸入信號相關(guān)，如果本地擴頻偽碼移動一個碼長周期后仍未捕獲到信號，則講本地多普勒值作適當(dāng)調(diào)整后重復(fù)上述過程，直到相關(guān)結(jié)果超過捕獲門限閾值，此時將捕獲到的載波頻率和偽碼相位值作為跟蹤環(huán)路的輸入值并進行信號跟蹤，至此，完成直擴系統(tǒng)的信號捕獲過程。偽碼串行、載波串行捕獲原理，如圖

37、3.2所示。使用該方法的優(yōu)點是硬件實現(xiàn)簡單；缺點是捕獲時間較長。因此，該方法適用于硬件資源簡單而對捕獲時間要求不高的場合，也適用于能提供準(zhǔn)確先驗信息的場合11。圖3.2偽碼串行、載波串行原理框圖(2)偽碼串行-載波并行使用該捕獲方法需要單個碼相關(guān)器和N個載波相關(guān)器，對偽碼進行串行捕獲而對載波在Dopper范圍內(nèi)進行并行捕獲。N的取值和捕獲范圍有關(guān)，通常在捕獲范圍與相關(guān)器帶寬的比值。使用該策略進行捕獲時，碼的移動過程與方法1一致，在各個碼相位上對Doppler范圍內(nèi)的載波作并行相關(guān)運算，取其中最大值與捕獲門限值作比較，若超過門限值，則將當(dāng)前碼相位及最大值所對應(yīng)的載波Doppler值傳遞給后續(xù)跟蹤

38、環(huán)路并行進行信號跟蹤，否則將移動半個碼元，重復(fù)上述過程。偽碼串行、載波并行原理，如圖3.3所示。該捕獲方法的優(yōu)點是電路規(guī)模與碼長關(guān)系不大，可以在相同硬件條件下兼容多重碼長；其缺點為捕獲時間與碼長成正比，碼長增加導(dǎo)致捕獲時間增加12。圖3.3偽碼串行、載波并行原理框圖偽碼并行-載波串行該方法采用N個獨立的碼相關(guān)器和一個載波相關(guān)器，載波Doppler采用串行掃描方式進行相關(guān)捕獲，其二維捕獲過程與方法2相類似13。假定相關(guān)器的帶寬為f=1/T，Tbbb為偽碼周期，也是數(shù)據(jù)周期，對于土fHZ的Doppler范圍，則在載波軸上至少需要劃分d2f/f個區(qū)間，db依次掃描，在一個區(qū)間掃描結(jié)束后，取N個相關(guān)器

39、中能量最大值與捕獲門限進行比較，若小于門限，則轉(zhuǎn)入下一個區(qū)間；若超過門限，則判為捕獲，并根據(jù)載波區(qū)間和能量最大相關(guān)器的位置獲取載波Doppler和偽碼相位估計值，以此值作為跟蹤環(huán)路的輸入值。偽碼并行、載波串行原理，如圖3.4所示。該方法的優(yōu)點是捕獲快，每個載波區(qū)間只要一個碼長周期即可分析完畢，在無先驗信息條件下，最多只需掃描2f/f個db區(qū)間即可完成捕獲，在有先驗信息條件下，只需掃描一個區(qū)間即可14。圖3.4偽碼并行、載波串行原理框圖偽碼并行-載波并行采用該方法進行直擴系統(tǒng)信號捕獲，需N個獨立碼相關(guān)器和M個載波相關(guān)器。其中碼相位相關(guān)器之間碼相位依次相差1/2個碼元，若相關(guān)器的帶寬為f=1/T，

40、Tb為偽碼周bb期,也是數(shù)據(jù)周期，同樣對于土fHZ的Doppler范圍，則在載波軸上至少需要劃分2f/fddb個區(qū)間，依次掃描各個區(qū)間，在一個區(qū)間掃描結(jié)束后，取N個相關(guān)器中能量最大值與捕獲門限進行比較，若小于門限，則轉(zhuǎn)入下一個區(qū)間；若超過門限，則判為捕獲。偽碼并行、載波并行原理，如圖3.5所示。該方法的優(yōu)點是捕獲非常快，在無先驗信息的情況下，只需一個碼長周期就可以實現(xiàn)信號的捕獲，不足之處是數(shù)據(jù)處理量大且硬件實現(xiàn)復(fù)雜。圖3.5偽碼并行、載波并行原理框圖3.3信號跟蹤3.3.1載波跟蹤技術(shù)在完成直擴信號的捕獲后，收發(fā)擴頻偽碼相位差在一個碼元之內(nèi)，從而轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。由于載波頻率和偽碼相位并非精準(zhǔn)已知

41、的先驗信息，所以必須建立非相干碼環(huán)來對偽碼進行跟蹤接收，即偽碼跟蹤環(huán)是建立在碼環(huán)結(jié)構(gòu)基于載波頻率未知這一假定基礎(chǔ)上的。在載波偏離額定指數(shù)的某個確定范圍內(nèi)，這種碼環(huán)必須能夠承受并發(fā)揮作用?；谏鲜隹紤]，就普通直擴系統(tǒng)接收終端的信號跟蹤而言，可以采用非相干全時間超前滯后結(jié)構(gòu)形式的延遲鎖定環(huán)DLL作為偽碼跟蹤環(huán)。這種偽碼跟蹤環(huán)的相關(guān)運算采用了兩個獨立的相關(guān)器：超前碼（早碼）相關(guān)器和滯后碼（晚碼）相關(guān)器。輸入信號分成兩路：一路同超前本地參考碼（早碼）相關(guān)；另一路同滯后本地參考碼（晚碼）相關(guān)。相關(guān)結(jié)果再經(jīng)過積分或累加、平方、加減運算完成鑒相16。偽碼跟蹤環(huán)原理框圖如圖3.6所示。圖3.6偽碼跟蹤環(huán)原理框

42、圖偽碼跟蹤環(huán)由碼相關(guān)器、碼環(huán)路濾波器、碼NCO和碼產(chǎn)生器4部分組成。其中，碼相關(guān)器起鑒相的作用、輸入的數(shù)字中頻信號分為兩路，和本地載波I、Q兩路相乘后進入碼相關(guān)器，分別和早、晚兩路偽碼進行相關(guān)，得到4路相關(guān)結(jié)果，作加減運算后得到相位誤差信號。而相位誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波后用于修正碼NCO的頻率控制字，使碼NCO的輸出頻率按輸入頻率的動態(tài)變化。環(huán)路濾波器的作用不僅僅是濾除噪聲，而且要能跟蹤信號的動態(tài)。環(huán)路濾波器決定了偽碼跟蹤環(huán)的動態(tài)性能15。對于載波跟蹤，可采用鎖相環(huán)及科斯塔斯環(huán)實現(xiàn)，其作用是對偽碼跟蹤環(huán)的輸出信號進行解調(diào)，得到數(shù)據(jù)信息，其中科斯塔斯環(huán)載波跟蹤原理如圖3.7所示。其由載波鑒相器、載波

43、環(huán)路濾波器和載波NCO組成。輸入信號經(jīng)解擴后進入載波跟蹤環(huán)，和本地載波I、Q兩路進行混頻，再分別經(jīng)過低通濾波后相乘，得到相位誤差信號，數(shù)據(jù)解調(diào)從I路輸出16。解調(diào)輸出LPF輸入信號載波NCO載波環(huán)路濾波器LPFv.(t)廠J1n(t)圖3.8鎖相環(huán)路組成原理載波鑒相器LPF圖3.7科斯塔斯環(huán)載波跟蹤原理框圖科斯塔斯鎖相環(huán)和普通鎖相環(huán)一樣，對動態(tài)應(yīng)力是敏感的，然而它們能產(chǎn)生最精準(zhǔn)的速度測量值。對于給定的信號功率電平，科斯塔斯鎖相環(huán)也提供差錯發(fā)生最少的數(shù)據(jù)解調(diào)，因此是載波跟蹤環(huán)最希望的穩(wěn)態(tài)跟蹤模式17。鎖相環(huán)原理鎖相環(huán)路是一個頻率與相位的同步控制系統(tǒng),其性能與同步系統(tǒng)的功能緊密相連。它的工作過程可

44、用圖3.8所示的組成框圖來說明:在上圖中，環(huán)路輸入是信號v(t)二Vsinwt+9(t)與加性噪聲n(t)之和。它與壓控振ii0蕩器(VCO)的輸出v(t)=Vsinwt+(t)一起加到相乘器(此處為鑒相器PD)上,相乘器000的鑒相作用產(chǎn)生一個誤差電壓v(t)，該電壓的大小與波形變化取決于v(t)與v(t)之間di0的頻率與相位的差值以及加性噪聲n(t)。誤差信號v(t)經(jīng)環(huán)路濾波器(LP)處理后，可改d變VCO輸出信號的頻率及相位，使之跟蹤上輸入信號的頻率與相位。在VCO輸出信號v(t)的表達式中，9(t)表示輸入信號的頻率與相位的跟蹤估值。因此在無噪聲時，當(dāng)9(t)0與9(t)取得一致,

45、即可獲得完全的同步18。隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，尤其大規(guī)模集成電路及微處理器的廣泛應(yīng)用，鎖相環(huán)路的各部件全用數(shù)字電路實現(xiàn)，稱之為數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)。全數(shù)字鎖相環(huán)一般分為四類:觸發(fā)器型數(shù)字鎖相環(huán)(FF一DPLL):利用一雙穩(wěn)觸發(fā)器作數(shù)字鑒相器，分別受輸入信號與本地受控時鐘信號的正向過零點觸發(fā)，產(chǎn)生的置位與復(fù)位脈沖之間的間隔就反映了相位誤差19。奈奎斯特速率型數(shù)字鎖相環(huán)(NRDPLL):在輸入信號進入數(shù)字鑒相器之前先以奈奎斯特速率(固定速率的脈沖)進行抽樣，然后與本地受控時鐘進行數(shù)字相乘，產(chǎn)生數(shù)字式相位誤差。過零檢測式數(shù)字鎖相環(huán)(CZ一DPLL):環(huán)路用本地受控時鐘脈沖對輸入信號的過零點抽樣，

46、如不能正好在過零點抽樣，則實際抽樣值大小就反映著相位誤差，可用來調(diào)節(jié)本地時鐘信號的相位20。超前滯后型數(shù)字鎖相環(huán)(LL一DPLL):環(huán)路鑒相器逐周地比較輸入信號與本地時鐘信號相位，根據(jù)相位的超前或者滯后輸出相應(yīng)的超前或者滯后脈沖，用來相應(yīng)地調(diào)節(jié)本地時鐘相位21。以下為幾種常用鎖相環(huán)鑒別器的輸出誤差和特性：表3.1常用鎖相環(huán)鑒別器的輸出誤差及特性鑒別器算法輸出相位誤差特性Sign(I)Qpspssin0在咼信噪比時接近取佳，斜率與信號幅度成正比，運算量要求最低。IQsin20在低信噪比時接近最佳，斜率與信psps號幅度的平方成正比，運算量要求中等。Q/Itan0次最佳，但在咼和低的信噪比時良ps

47、ps好，斜率與信號幅度大小無關(guān)，運算量要求較咼，并且必須核對，以區(qū)分出接近土900時的0誤差。0四象限反正切，在咼和低的信噪比ATAN2(Q，I)時最佳(最大似然估計器)，斜率不依賴psps于信號幅度，運算量要求較咼。一般情況下在直擴接收機中會使用科斯塔斯(Costas)載波跟蹤環(huán)，這是因為對接收到的擴頻信號作載頻和碼信號剝離之后，數(shù)據(jù)調(diào)制信號還保留著。如果I和Q信號的預(yù)檢測積分時間不跨越數(shù)據(jù)的位過渡,Costas環(huán)對工和Q信號的180度相位翻轉(zhuǎn)不敏感。Costas環(huán)特別的性質(zhì)在于Costas鑒別器和在接收機預(yù)檢測積分區(qū)中相對于接收機的自然時鐘相位而言的相位調(diào)節(jié)能力22。為了防止積分跨越數(shù)據(jù)的

48、過渡邊界，需要有積分和累加功能的相位調(diào)節(jié)特性23。Costas鎖相環(huán)鑒別器的輸出相位誤差和特性同純PLL基本相似，前3個鑒別器與在純鎖相環(huán)中所用的鑒別器是完全相同的。第四種鑒別器，純鎖相環(huán)使用的是四象限反正切，而Cosats環(huán)鑒別器使用的是二象限反正切。四象限ATAN功能鎖相環(huán)鑒別器在整個土180。的輸入誤差范圍內(nèi)都保持為線性，而二象限Cosats鑒別器在半個輸入誤差范圍內(nèi)(土900)保持為線性24。鎖頻環(huán)原理鎖相環(huán)復(fù)現(xiàn)接收信號的準(zhǔn)確相位，以完成載波剝離功能。鎖頻環(huán)(FLL)則復(fù)現(xiàn)近似的頻率以完成載波剝離過程。因此也稱鎖頻環(huán)為自動頻率控制(ACF)環(huán)。擴頻接收機的鎖相環(huán)必須對I和Q信號中的18

49、0度翻轉(zhuǎn)不敏感。因此，I和Q信號的采樣時間不應(yīng)跨越數(shù)據(jù)位的過渡。在初始相位截獲期間，那時接收機并不知道數(shù)據(jù)過渡的邊界在哪里，在完成位同步的同時，與相位鎖定相比，一般來說更容易與接收到的信號保持頻率鎖定。這是因為鎖頻環(huán)鑒別器對于某些I和Q信號的確跨越了數(shù)據(jù)位過渡不那么敏感Q。表3.2小結(jié)了幾種鎖頻環(huán)鑒別器的輸出頻率誤差及特性。交叉tt21sin（e-e）21-tt21ATAN2（交叉，點）（tt）36021ee2+-（tt）36021在低信噪比時接近最佳，斜率與信號的平方成正比，運算量要求最低。四象限反正切，最大似然估計器，在高與低信噪比時最佳。斜率與信號幅度無關(guān)，表3.2通用鎖頻環(huán)鑒別器鑒別器

50、算法輸出頻率誤差特性符號(點)交叉sin2（ee）21在咼信噪比時接近取佳，斜tt21tt21率與信號幅度成正比，適中點二II+QQps1ps2ps1ps2的運算量要求。交叉=IIQQps1ps2ps1ps2對運算量的要求較高。鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)的性能比較鎖相環(huán)(PLL)具有較好的噪聲性能，但對通信鏈路干擾的容忍能力較差，特別是受載體動態(tài)引入的多普勒頻移影響較大。為適應(yīng)載體的動態(tài)性，鎖相環(huán)或科斯塔斯環(huán)必須具有相對寬的帶寬，這意味著跟蹤精度的降低，而當(dāng)多普勒頻移足夠大，接收機的PLL將有可能不能保持穩(wěn)定跟蹤，從而導(dǎo)致載波跟蹤失鎖?？扑顾弓h(huán)與純PLL環(huán)均能直接跟蹤載波相位，通過載波鑒相器提取并輸出相

51、位估計誤差，而鎖頻環(huán)(FLL)則直接跟蹤載波頻率，通過載波鑒頻器輸出載頻頻移估計量。通常，PLL直接對載波相位進行跟蹤，當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定閉環(huán)時具有較高的跟蹤精度26。然而在高動態(tài)環(huán)境下，采用PLL跟蹤的高動態(tài)擴頻接收機必須承受環(huán)路帶寬與動態(tài)性能之間的折衷，即噪聲引入跟蹤誤差隨環(huán)路帶寬降低而增加，較難同時滿足跟蹤精度與動態(tài)性能的要求27。相比之下，非相干解調(diào)FLL跟蹤則具有較好的動態(tài)性能，但跟蹤精度卻比PLL跟蹤精度低，二者存在一定的矛盾。在高動態(tài)擴頻接收機設(shè)計中，載波跟蹤環(huán)的環(huán)路鑒相/頻器與環(huán)路濾波器的選擇也是存在矛盾的。為容忍接收機載體的動態(tài)效應(yīng)，通常希望接收機鑒別器采用FLL直接跟蹤頻率變化、環(huán)

52、路濾波器帶寬應(yīng)寬;而為了獲得精確（低噪聲）的積分載波相位觀測量，則希望接收機鑒別器采用PLL直接跟蹤相位變化，因而環(huán)路濾波器帶寬應(yīng)該較窄。實際設(shè)計中必須采用折衷的原則解決上述矛盾。由于載頻頻差不確定性的存在，直接捕獲載波相位有較大的難度，而頻率捕獲卻能夠較快地消除大部分多普勒頻移的影響。較理想的載波跟蹤環(huán)是以FLL跟蹤與較大的濾波器帶寬閉合跟蹤環(huán)路，然后轉(zhuǎn)入科斯塔斯環(huán)跟蹤，在容許預(yù)期動態(tài)影響的前提下，盡量采用窄的濾波器噪聲帶寬以維持環(huán)路的跟蹤狀態(tài)，當(dāng)動態(tài)增強時，轉(zhuǎn)入FLL跟蹤，重復(fù)上述過程。即當(dāng)動態(tài)性變化時，環(huán)路自動實現(xiàn)FLL與PLL跟蹤方式的切換28。高斯信道偽隨機碼載波直擴系統(tǒng)的仿真分析4

53、.1設(shè)計參數(shù)在使用MATLAB軟件進行直擴系統(tǒng)仿真時，所需要的所有參數(shù)如表4.1所示:表4.1設(shè)計參數(shù)參數(shù)數(shù)值信息碼速率Rb1023bit/s采樣頻率fs16*10230HZ載波頻率f20460HZPN碼速率PN10230bit/s信道的信噪比SNR-10dB時間t1s4.2直擴通信系統(tǒng)的原理框圖信息碼輸入抽樣判決低通濾波信息碼輸出本地信號圖4.1直擴通信系統(tǒng)的原理框圖10級線性反饋移位寄存器設(shè)計如下本原多項式：f(x)二X10+X3+1沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文21初始狀態(tài)：a9a8a7.a0=l0001010104.3直擴通信系統(tǒng)的仿真分析一秒內(nèi)生成的載波波形與信息碼如圖4.3所示:載波團形

54、00.70.80.91信息碼波形圖圖4.3載波與信息碼波形將載波與信息碼放大后的波形如圖4.4所示，本文列舉信息碼的前十個碼元為1001010101。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 圖4.4放大后的載波與信息碼波形產(chǎn)生m序列，將信息碼加入偽隨機碼進行擴頻，如圖4.5所示:圖4.5m序列與擴頻后信息碼波形m序列與擴頻后的信息碼放大后的波形如圖4.6所示：沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文25EditPlotm序列泯形圖擴頻后的信息碼xia0.5-0卜1II卜00.611.522.533.54xia圖4.6m序列與擴頻后信息碼放大后的波形圖將擴頻碼極性轉(zhuǎn)換后與載波相乘，得到BPSK信號，并進行傅里葉變換后得到BP

55、SK的幅度譜和功率譜，如圖4.7所示，由圖可以看出，信號功率譜的主瓣寬度近似為2000HZ,近似于2倍的信息碼元傳輸速率。日PSK時域波形圖00.0.80.91日PSK信號譜幅度3000200010000-1-0.8-0.6-0.4-0.60.81x10圖4.7BPSK時域波形和信號功率譜圖沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 放大后的波形如圖4.8所示，可以清晰的看出載波反向點。日PSK時域波形圖ElPSK信方譜幅度3000200010000-1-0.8-0.6-0.4-0.60.81x10圖4.8放大后BPSK時域和幅度譜波形圖將BPSK信號通過-10dB的高斯信道，得到加噪后

56、的BPSK信號，如圖4.9所示:1001圖4.9BPSK功率譜與加噪后的波形圖將加噪的BPSK信號進行傅里葉變換，得到其頻譜圖和功率譜圖如圖4.10所示:將偽隨機碼與載波相乘得到本地信號，再將加噪的BPSK信號與本地信號相乘并通過fir1濾波器，得到濾波后的波形。如圖4.11所示：本地信號_2II|00.40.50.1濾波后的波形0.40.50.1圖4.11本地信號與濾波后的波形圖放大后的波形圖如圖4.12所示:圖4.12放大后的本地信號波形圖將濾波后的波進行抽樣判決，得出輸出碼，如圖4.13所示:輸出碼波形團圖4.13輸出碼波形圖放大后的輸出碼波形如圖4.14所示：圖4.14放大后的輸出碼波

57、形圖愉出碼浪形團4.4直擴系統(tǒng)的抗干擾性能分析根據(jù)分析解調(diào)后得到的輸出碼元信號的誤碼率，可以判斷在不同信噪比情況下直擴系統(tǒng)的抗干擾能力。本文計算出了從-50dB至OdB,間隔-1OdB如圖4.15所示，從仿真曲線可以看出，隨著信噪比的降低，誤碼率越來越大，在OdB信噪比的情況下，此時的誤碼率為0。0.5a450.3025020.05信嗥比SNH-5Q-45-40圖4.15誤碼率曲線圖0.350.165同步仿真分析5.1同步參數(shù)設(shè)計在上述直擴系統(tǒng)的條件下設(shè)計參數(shù)如表5.1所示：表5.1同步參數(shù)設(shè)計參數(shù)數(shù)值多普勒頻移2000HZPN碼延遲20個碼元多普勒步進200HZ捕獲時的判決門限0.1跟蹤時的

58、判決門限0.35.2PN碼的自相關(guān)性仿真圖5.1自相關(guān)特性曲線放大后的自相關(guān)波形圖如圖5.2所示，當(dāng)移動的次數(shù)為850次時，輸入信號與本地同步信號相差半個偽隨機碼，此時能夠進入跟蹤狀態(tài)，因為移動次數(shù)為850次時的相關(guān)性大約為0.2,而小于850次時的相關(guān)性遠小于0.1,則此時可設(shè)定門限為0.1。圖5.2放大后的自相關(guān)波形圖5.3捕獲在設(shè)定的捕獲門限下，采用偽碼并行-載波串行的方式，載波的步長為200HZ，偽碼相移半個碼片，當(dāng)相關(guān)性大于0.1是則進入跟蹤狀態(tài)，此時m序列的相關(guān)性如圖5.3所示，當(dāng)移動次數(shù)為850次時，相關(guān)性大于捕獲時的門限，則轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。圖5.3捕獲時放大后m序列的相關(guān)性圖上述

59、為在-10dB信噪比下的相關(guān)性圖，當(dāng)在不同的信噪比條件下時，其相關(guān)性是不同的，本文以下列出了在-20dB、-3OdB和-40dB信噪比情況下的圖像。在-20dB信噪比下的捕獲時的相關(guān)性如圖5.4所示：圖5.4-20dB下的相關(guān)性圖-20dB下放大后的相關(guān)性如圖5.5所示:圖5.5-20dB下放大后的相關(guān)性圖在-30dB信噪比下的捕獲時的相關(guān)性如圖5.6所示，此時當(dāng)移動次數(shù)等于850次時的相關(guān)性小于-20dB時的相關(guān)性，但依然大于門限值，能進入跟蹤階段，但是移動此時小于850次時的相關(guān)性波動比較大，有的接近門限值，m序列的相關(guān)性已經(jīng)不太明顯，可能在某些情況未到850次就默認捕獲成功了。圖5.6-

60、30dB下的相關(guān)性圖-30dB下放大后的相關(guān)性如圖5.7所示:圖5.7-30dB下放大后的相關(guān)性圖在-40dB信噪比下的捕獲時的相關(guān)性如圖5.8所示，此時m序列的相關(guān)性由于較低的信噪比已經(jīng)不能準(zhǔn)確的捕獲，說明低信噪比對同步捕獲有較大的影響。當(dāng)在低于-40dB5.4跟蹤為了進一步縮小本地信號與輸入信號的延時差，必須設(shè)定一個較高的門限，根據(jù)m序列的相關(guān)性曲線，設(shè)定為0.3,在設(shè)定的跟蹤門限下，此時偽碼的步長為0.05個碼片,進一步增大m序列的相關(guān)性，當(dāng)其大于0.3時則默認為同步。此時的輸出本地信號如圖5.11所示，由Matlab運算的數(shù)據(jù)可知，此時的本地信號與輸入的信號只相差0.3個偽隨機碼片。0