【正文】 擴(kuò)頻碼的同步捕獲 第 6章 1 擴(kuò)頻碼同步是指到達(dá)接收機(jī)的擴(kuò)頻編碼信號(hào)與本地參考擴(kuò)頻信號(hào)在碼的圖案位置和碼時(shí)鐘速率在時(shí)間上都是準(zhǔn)確一致的 .本地參考碼是否與接收擴(kuò)頻碼同步是對(duì)期望信號(hào)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)和對(duì)非期望信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展的關(guān)鍵。 引言 擴(kuò)頻碼同步包含兩個(gè)步驟 （ 1） 同步捕獲 (Acquisition， 粗同步 )：使本地參考擴(kuò)頻碼與接收擴(kuò)頻碼的相位 （ 延時(shí) ） 之差小于半個(gè)碼元 （ 切普 ） 寬度 ， 要求本地振蕩的中心頻率精確到使解擴(kuò)后的信號(hào)頻譜落在中頻濾波器的通頻帶之內(nèi) ， 保證解調(diào)器能很好地工作 。 （ 2） 同步跟蹤 (Tracking， 精同步 )：擴(kuò)頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻碼同步捕獲后 ， 本地參考擴(kuò)頻碼必須盡可能精確地跟蹤接收信號(hào)的變化 ， 使本地參考擴(kuò)頻碼相位與接收擴(kuò)頻碼相位的差別盡可能的小 ， 以期在相關(guān)器獲得最大相關(guān)輸出 。 2 擴(kuò)頻碼的同步 圖 61 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)原理框圖 3 本地參考擴(kuò)頻碼不是在接收機(jī)中產(chǎn)生 ， 而由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生 ，再發(fā)送到接收機(jī) 。 擴(kuò)頻碼 c(t)同時(shí)對(duì)兩載波進(jìn)行調(diào)制 ， 信息僅對(duì)載波 fc1調(diào)制 ， 兩載波相差一中頻 。 它們?cè)诮邮諜C(jī)中經(jīng)混頻后自然成為已解擴(kuò)的中頻信號(hào) 。 發(fā)射參考信號(hào)法 4 對(duì)直接序列系統(tǒng)和頻率跳變系統(tǒng)都適用，特別適用于對(duì)接收機(jī)的體積、重量和成本有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)中。 特點(diǎn) （ 1） 接收機(jī)簡(jiǎn)單 ； （ 2） 抗干擾能力差 ： 只要能進(jìn)入接收機(jī)射頻通道的兩個(gè)頻率差為 fIF 的干擾信號(hào)都能對(duì)接收機(jī)造成干擾 ， 而不受擴(kuò)頻處理增益抑制 。 接收機(jī)參考信號(hào)不是本地產(chǎn)生 ， 而是經(jīng)傳輸?shù)玫?， 在傳輸過程中必然會(huì)受到干擾或噪聲的污染而使接收機(jī)輸出的噪聲增大 。 （ 3） 效率低 ： 由于載波 fc2不攜帶信息 ， 對(duì)輸出信噪比的改善毫無貢獻(xiàn) ， 浪費(fèi)了發(fā)射機(jī)功率資源 。 （ 4） 不適用于 CDMA體制：作為地址碼的擴(kuò)頻序列 ， 由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生 ， 系統(tǒng)內(nèi)的任一接收機(jī)都能接收系統(tǒng)內(nèi)任一發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào) 。 5 統(tǒng)一定時(shí)法 在衛(wèi)星通信中已得到應(yīng)用。在統(tǒng)一定時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，可以采用像原子鐘那樣準(zhǔn)確度極高的時(shí)鐘，而衛(wèi)星軌道參數(shù)可以精確知道，傳輸延遲也可精確計(jì)算出來。接收機(jī)只要經(jīng)過極短的搜索時(shí)間就可捕獲接收到的擴(kuò)頻碼信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻碼同步。 突發(fā)同步法 發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)短促的高功率低占空比脈沖信號(hào)，給接收機(jī)提供快速同步信息，告訴接收機(jī)隨后而來的是直接序列信號(hào)或頻率跳變信號(hào)的起始相位（起始時(shí)間）。信號(hào)突然發(fā)射，突然消失，容易被干擾者（敵方）忽視，即使要進(jìn)行干擾也要連續(xù)發(fā)射大功率的干擾信號(hào)才能奏效。 6 自同步法 基于接收碼字序列本身所作的任何一種測(cè)度，只要它在同步和非同步狀態(tài)下能顯示出明顯差別，就可用于鑒別同步與非同步的測(cè)度，這是一切同步技術(shù)的根本原理。 自同步的理論依據(jù) 擴(kuò)頻碼同步捕獲依據(jù) ： 對(duì)于偽隨機(jī)碼序列，由于其具有優(yōu)良的自相關(guān)特性，碼序列同步時(shí)，相關(guān)函數(shù)取最大值；不同步時(shí)，相關(guān)函數(shù)取值較小或接近零。 同步捕獲操作 ： 接收機(jī)開始接收擴(kuò)頻信號(hào)時(shí) ， 選擇和調(diào)整接收機(jī)本地參考擴(kuò)頻碼序列的相位 ， 使它與接收擴(kuò)頻碼序列相位一致 。 這一過程就是接收機(jī)捕獲接收擴(kuò)頻碼序列相位的過程 ， 又稱為擴(kuò)頻碼序列的初始同步 。 7 說明 ： 采用 2N個(gè)相關(guān)器。它們使用同一本地參考擴(kuò)頻碼序列，但序列的相位各不相同，依次滯后半個(gè)碼元。積分器采用積分 清零方式。 2N個(gè)哪個(gè)輸出最大，其對(duì)應(yīng)的碼相位就是輸入序列的相位狀態(tài)（接近），從而實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻碼序列的同步捕獲。 圖 63 擴(kuò)頻碼序列的同步捕獲原理 8 擴(kuò)頻接收機(jī)接收信號(hào) 若載波已同步 (頻率和相位都同步 )，低通濾波器輸出為 假設(shè)：積分時(shí)間 TD小于信息碼元 Tb，則 d(t)可用一固定電平信號(hào) (如 +1)代替。 0d 0d( ) ( ) ( ) c os ( 2 π ) ( )r t A d t c t f t N tTT ?? ? ? ? ?本地載波 )??π2c os (200 ??tfdd( ) ( ) ( ) ( )v t A d t T c t T N t?? ? ? ?積分器的輸出 d00( ) ( ) ( ) d ( ) ( ) d220 , 1 , 2 , , 2 1DDTT ccii T i Tv t A c t T c t t N t c t tiN?? ? ? ? ?????D , 2 1rcT T N??? ? ? ?9 如果相位延遲 Td 滿足 則 2N個(gè)相關(guān)器中，第 i個(gè)輸出最大 d( 1 )22cciT i TT ???Dd0D0D( ) ( ) ( ) d ( ) ( ) d22()( 1 )DTT cciiiT iTv t A c t T c t t N t c t tTAT N??? ? ? ? ??????d 122cT iT? ? ? ?式中： 為歸一化時(shí)間差。 其它相關(guān)器的輸出 DD( ) ( ) ( ) ( ) 0j k jv t A T R j i N T j i? ? ? ? ?是擴(kuò)頻碼中長(zhǎng)為 l個(gè)碼元的部分自相關(guān)，一般當(dāng) ()kR j i??r 時(shí)，有 1( ) ( )krR j i j iλ?? ? ?10 在 ?＞ r 的情況下，下列不等式成立 ? ?( ) ( ) 0 , 1 , 2 , 2 1 ,ijv t v t j N j i? ? ? ?但因此，若 vi(t)最大，可知道 最接近接收擴(kuò)頻碼序列的相位，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻碼序列的同步捕獲， 就是同步捕獲電路給出的本地參考碼的同步相位，即對(duì) Td的粗略估計(jì)值。 )2/( ciTtc ?/2ciT擴(kuò)頻碼同步捕獲時(shí)間 AC DTT?D , 2 1rccT T rT N??? ? ? ? ?其中 ， ? 特點(diǎn) 擴(kuò)頻碼同步捕獲時(shí)間最短 。 但是 ， 接收機(jī)要使用 2N個(gè)相關(guān)器 ，當(dāng) N＞＞ 1（ 一般情況如此 ） 時(shí) ， 擴(kuò)頻碼序列同步捕獲電路的設(shè)備量就很大 。 例如 ， 當(dāng) N＝ 2047時(shí) （ 處理增益為 ） ， 同步捕獲要用 4094個(gè)相關(guān)器 ， 過于龐大 。 11 擴(kuò)頻碼同步捕獲方法 擴(kuò)頻碼同步捕獲問題是擴(kuò)頻通信中的一個(gè)核心問題。 理論上 ： 擴(kuò)頻碼同步捕獲原理就是計(jì)算并比較擴(kuò)頻碼在 2N 個(gè)相位狀態(tài)下的相關(guān)值。 工程上 ： 擴(kuò)頻碼同步捕獲包含兩方面內(nèi)容 : （ 1）簡(jiǎn)單的同步捕獲設(shè)備； （ 2）短的同步捕獲時(shí)間。 同步捕獲步驟 ： （ 1）確定要搜索的擴(kuò)頻碼相位區(qū)域； （ 2）調(diào)整本地參考擴(kuò)頻碼相位； （ 3）求解擴(kuò)頻碼的相關(guān)函數(shù)值； （ 4）對(duì)所求相關(guān)值進(jìn)行判決 。 12 1）根據(jù)區(qū)域的搜索方法，可分為 序列相位順序搜索法，序列相位概率分布搜索法等； 2）根據(jù)改變本地參考擴(kuò)頻碼相位的方法，可以分為 序列相位步進(jìn)捕獲法，序列滑動(dòng)相關(guān)捕獲法等； 3）根據(jù)同步捕獲的判決方法，可分為 單積分判決和多積分判決同步捕獲等； 4）根據(jù)使用的器件不同，可分為 相關(guān)器同步捕獲，匹配濾波器同步捕獲等，匹配濾波器同步捕獲又有聲表面波器件同步捕獲與電荷耦合器件同步捕獲。 同步捕獲的分類 不論如何分類，都是通過調(diào)整本地參考擴(kuò)頻碼的相位，求解擴(kuò)頻碼的相關(guān)函數(shù)值，盡可能準(zhǔn)確地估計(jì)出接收擴(kuò)頻碼的相位，利用一切可利用的條件，在簡(jiǎn)化同步捕獲設(shè)備量的同時(shí)縮短同步捕獲時(shí)間。 13 搜索區(qū)域的確定 在沒有得到接收擴(kuò)頻碼相位任何信息情況下，通常假設(shè)相位在 2N個(gè)單元中服從均勻分布。只能采用順序搜索的辦法。搜索可以從 2N個(gè)單元位置中的任意一個(gè)開始，直到獲得擴(kuò)頻碼的同步捕獲為止。 無碼相位信息 如果已有擴(kuò)頻碼相位的先驗(yàn)信息 ， 則不宜采用順序搜索 。 例如： GPS接收機(jī) ， 在上一次接收衛(wèi)星信息時(shí) ， 通過衛(wèi)星的授時(shí)系統(tǒng)修正接收機(jī)的時(shí)鐘 ， 使得接收機(jī)的時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘基本保持一致；通過上一次擴(kuò)頻碼同步的信息就可以推斷出本次接收信號(hào)中擴(kuò)頻碼可能的相位 。 已知碼相位的先驗(yàn)信息 14 圖 64 高斯分布時(shí)搜索區(qū)域的確定示意圖 例如：假設(shè)擴(kuò)頻碼相位服從高斯分布，較合理的搜索方法是先搜索以最可能的相位位置為中心的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)的單元。如沒有搜到，擴(kuò)大到兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍，依此類推。 若已知擴(kuò)頻碼相位所在位置的先驗(yàn)概率 P(k) ，首先應(yīng)當(dāng) 搜索那些