第五章-擴(kuò)譜通訊系統(tǒng)的同步跟蹤與捕獲課件

第五章擴(kuò)譜通訊系統(tǒng)的同步跟蹤與捕獲

任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號(hào)的傳輸，要求收發(fā)兩端信號(hào)在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調(diào)出信息。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。一個(gè)相干擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作。可以說(shuō)沒(méi)有同步就沒(méi)有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。同步不確定性的來(lái)源同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。在上述幾種同步中，信息碼元時(shí)鐘可以和PN碼元時(shí)鐘聯(lián)系起來(lái)，有固定的關(guān)系，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了同步，另一個(gè)自然也就同步了。對(duì)于載波同步來(lái)說(shuō)，主要是針對(duì)相于解調(diào)的相位同步而言。常見(jiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)載波同步。只討論P(yáng)N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(lái)源擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)中，對(duì)同步來(lái)說(shuō)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(kuò)頻接收機(jī)能夠正常工作之前必須解決這個(gè)不確定性，否則系統(tǒng)就不能正常地接收擴(kuò)頻信號(hào)。碼相位的分辨力必須小于1切普，從接收機(jī)看，中心頻率的分辨率必須使解擴(kuò)后的信號(hào)落到相關(guān)濾波器的頻帶范圍內(nèi)，并且將本地載波頻率始終對(duì)準(zhǔn)輸入信號(hào)的載波頻率，以便使解調(diào)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(dá)到的最起碼的要求。同步不確定性的來(lái)源一般說(shuō)來(lái)，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(jī)的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差；收發(fā)信機(jī)相對(duì)不穩(wěn)定性引起的頻差；收發(fā)信機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移；以及多徑傳播也會(huì)影響中心頻率的改變。同步不確定性的來(lái)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(kuò)頻系統(tǒng)中，頻率不確定性的影響是顯而易見(jiàn)的。頻率源頻率的漂移，將引起碼元時(shí)鐘速率的偏移，積累為碼相位的偏移；還會(huì)引起載波頻率的漂移，使系統(tǒng)性能下降。對(duì)數(shù)字通信而言，最嚴(yán)重的還是碼相位的偏移，使系統(tǒng)性能下降。一般的擴(kuò)頻系統(tǒng)都要求有很高的頻率穩(wěn)定度的頻率源，至少應(yīng)達(dá)10－6數(shù)量級(jí)以上。頻率源的漂移如果接收機(jī)能夠精確地知道通信距離和發(fā)射時(shí)間，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都具有足夠準(zhǔn)確的頻率源，它們就能得到所需的定時(shí)，就沒(méi)有同步問(wèn)題了，但這些假設(shè)本身就只是一種假設(shè)。對(duì)移動(dòng)情況，由于位置的變化，必將導(dǎo)致傳輸時(shí)間的變化，因而接收機(jī)仍然需要不斷地跟蹤發(fā)射機(jī)的頻率和相位。多徑是在傳輸過(guò)程中由于多路徑（反射、折射）傳播引起的。多徑效應(yīng)對(duì)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(shí)延與多徑效應(yīng)多卜勒頻移會(huì)引起載波和碼速率的偏移。發(fā)射機(jī)／接收機(jī)的每一次相對(duì)位置的改變，就會(huì)引起碼相位的變化。加到接收信號(hào)上的多卜勒頻率不確定的大小是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相對(duì)速率及發(fā)射頻率的函數(shù)。多卜勒頻移的大小為多卜勒頻移同步過(guò)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(shí)間短同步概率大、虛同步概率低具有很強(qiáng)的抗干擾特別是抗人為干擾的能力易實(shí)現(xiàn)體積小、成本低等同步要求直擴(kuò)系統(tǒng)同步過(guò)程同步系統(tǒng)的作用就是要實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的信號(hào)中的PN碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過(guò)程一般說(shuō)來(lái)包含兩個(gè)階段：(1)接收機(jī)在一開(kāi)始并不知道對(duì)方是否發(fā)送了信號(hào)，因此，需要有一個(gè)搜捕過(guò)程，即在一定的頻率和時(shí)間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號(hào)。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對(duì)方發(fā)來(lái)的信號(hào)與本地信號(hào)的相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在PN碼一個(gè)切普內(nèi)。(2)跟蹤過(guò)程是在初始同步的基礎(chǔ)上，使碼相位的誤差進(jìn)一步減小，保證本地碼的相位一直跟隨接收到的信號(hào)碼的相位，在一規(guī)定的允許范圍內(nèi)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(shuō)，無(wú)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(diào)整，使收發(fā)信號(hào)仍然保持同步。直擴(kuò)系統(tǒng)同步過(guò)程同步原理同步流程直擴(kuò)系統(tǒng)同步捕獲搜捕的作用就是在頻率和時(shí)間(相位)不確定的范圍內(nèi)捕獲有用的PN碼信號(hào)使本地PN碼信號(hào)與其同步。由于解擴(kuò)過(guò)程通常都在載波同步之前進(jìn)行，載波相位在這里是未知的，因此，大多數(shù)搜捕方法都利用非相干檢測(cè)。所有的搜捕方法的共同特點(diǎn)是用本地信號(hào)與收到的信號(hào)相乘(即相關(guān)運(yùn)算)，獲得二者相似性的量度，并與一門(mén)限值相比較，以判斷其是否捕獲到有用信號(hào)。如果確認(rèn)為捕獲到有用信號(hào)，則開(kāi)始跟蹤過(guò)程，使系統(tǒng)保持同步。否則又開(kāi)始繼續(xù)搜捕。捕獲方法滑動(dòng)相關(guān)法(最簡(jiǎn)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(hào)法發(fā)射公共時(shí)鐘基準(zhǔn)法(統(tǒng)一定時(shí)法)突發(fā)同步用特殊碼建立同步匹配濾波器同步法順序估計(jì)快速捕獲(RAES)法并行捕獲法滑動(dòng)相關(guān)法當(dāng)收到的PN碼序列與本地PN碼序列的鐘頻不同時(shí)，在示波器上可以看到兩個(gè)序列在相位上相互滑動(dòng)。這種滑動(dòng)動(dòng)過(guò)程就是兩個(gè)碼序列逐位進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)的過(guò)程。采用與發(fā)端頻率有差別的時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)本地碼（碼型已知），由于時(shí)鐘差，引起接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的相對(duì)滑動(dòng)?；瑒?dòng)過(guò)程中，碼不重疊時(shí)，相關(guān)器輸出噪聲，當(dāng)兩碼接近重合和重合時(shí)，有相關(guān)峰出現(xiàn)，經(jīng)包絡(luò)檢波、積分后輸出脈沖電壓。當(dāng)輸出的脈沖電壓超過(guò)門(mén)限時(shí)，表示已檢測(cè)到碼位同步（至少到1切普之內(nèi)），于是給出停止搜索，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)的控制信號(hào)?；瑒?dòng)相關(guān)法同步相關(guān)原理同步相關(guān)流程乘法器＋中頻濾波器＋積分清洗相關(guān)器無(wú)載波同步滑動(dòng)相關(guān)法由于滑動(dòng)相關(guān)器對(duì)兩個(gè)PN碼序列是順序比較相關(guān)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(guān)器的積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)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(jī)碼的切普寬度，N為擴(kuò)頻系數(shù)。滑動(dòng)相關(guān)器簡(jiǎn)單，應(yīng)用很廣。其缺點(diǎn)在于當(dāng)兩端PN碼鐘頻相差不多時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度很慢，導(dǎo)致搜索時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。現(xiàn)在常用的一些搜索方法大多在此法的基礎(chǔ)上，采取一些措施來(lái)限定搜索范圍或加快搜捕的時(shí)間，從而改善其性能。相關(guān)峰值低，原因是碼速率不一致，不可能全部重合所致。相關(guān)器相關(guān)峰還與相關(guān)器的作用時(shí)間有關(guān)?；瑒?dòng)相關(guān)法為了減小噪聲，提高檢測(cè)概率，相關(guān)后的帶寬（包括帶通和積分器）要窄；從縮短捕獲時(shí)間來(lái)看，應(yīng)加快滑動(dòng)速度，即加大收發(fā)時(shí)鐘頻率差，又要求帶寬要寬，這兩者是矛盾的。當(dāng)滑動(dòng)快時(shí)，相關(guān)器輸出的相關(guān)脈沖窄，窄的脈沖將不易通過(guò)后面的低通濾波器；當(dāng)滑動(dòng)慢時(shí)，相關(guān)器輸出的脈沖寬，有利于通過(guò)低通濾波器。滑動(dòng)快滑動(dòng)慢滑動(dòng)相關(guān)法為了使相關(guān)器輸出的相關(guān)峰值通過(guò)低通濾波器，相對(duì)滑動(dòng)速度受到低通濾波器上升時(shí)間或帶寬的限制。設(shè)RC和R′C分別為發(fā)端和收端偽隨機(jī)碼的速度，BW為相關(guān)器后的低通濾波器的帶寬，則低通濾器的階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為0.35/BW。每秒鐘相對(duì)滑動(dòng)的切普速率為R′C—RC，則滑過(guò)兩切普的時(shí)間為2／（RC，－RC），要使相關(guān)峰值通過(guò)低通濾波器，則要求滑過(guò)兩切普的時(shí)間大于低濾波器的上升時(shí)間，因此有滑動(dòng)相關(guān)法[例子]一系統(tǒng)的相關(guān)器后面的低通濾波器帶寬為1KHz，則相對(duì)的滑動(dòng)速率最大為5.7Kc/s。如果碼序列很長(zhǎng)，偏移若干兆切普，滑動(dòng)到相關(guān)點(diǎn)的時(shí)間可能是非常長(zhǎng)的，可達(dá)幾十分鐘，甚至幾小時(shí)、幾天的時(shí)間。如前述條件，1KHz的帶寬，最大相對(duì)滑動(dòng)速率為5.7Kc/s，若碼序列長(zhǎng)為108，則最長(zhǎng)捕獲時(shí)間為108／5.7×103＝4.8小時(shí)，這在實(shí)際中是難以忍受的。

滑動(dòng)-保持同步法大多數(shù)擴(kuò)頻接收機(jī)的搜索過(guò)程是使接收機(jī)的碼與希望接收的碼在滑動(dòng)相關(guān)上實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)相位滑動(dòng)過(guò)程是這樣實(shí)現(xiàn)的，即對(duì)接收機(jī)時(shí)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(diǎn)為止，然而很少使用這種方法。代替這個(gè)搜索方法的，一般是采用以某個(gè)很小的增量將接收機(jī)的時(shí)鐘周期性地移相。因此這兩個(gè)碼就互相以跳動(dòng)方式“滑動(dòng)”，這種方式稱為“滑動(dòng)－保持”同步法。滑動(dòng)-保持同步法本地碼的碼速率與發(fā)端相同，未檢測(cè)到同步時(shí)，處于搜索狀態(tài)，步進(jìn)滑動(dòng)1／N切普，與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)。若檢測(cè)到同步時(shí)，就轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。采用這種滑動(dòng)－保持方法搜索時(shí)，對(duì)碼的相關(guān)函數(shù)有一定的影響。時(shí)鐘偏移是連續(xù)變化的，其相關(guān)函數(shù)為一平滑的三角波，而步進(jìn)搜索時(shí)變成一階梯形的三角波。階梯函數(shù)的精確形狀因基本時(shí)