【文章內(nèi)容簡介】 (PN)碼序列。 （ 4） 擴(kuò)頻調(diào)制方式多采用 BPSK 或 QPSK 等幅調(diào)制。擴(kuò)頻和解擴(kuò)的調(diào)制解調(diào)器多采用平衡調(diào)制器，制作簡單又能抑制載波。 （ 5） 模擬信息調(diào)制多采用頻率調(diào)制 (FM)，而數(shù)字信息調(diào)制多采用 脈沖編碼調(diào)制(PCM)或增量調(diào)制 (DM)。 （ 6） 接收端多采用產(chǎn)生本地偽隨機(jī)碼序列對接收信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，或采用匹配濾波器來解擴(kuò)信號。 （ 7） 擴(kuò)頻和解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼序列應(yīng)有嚴(yán)格的同步，碼的搜捕和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機(jī)碼的優(yōu)良的相關(guān)特性在延遲鎖定環(huán)中實(shí)現(xiàn)。 （ 8） 一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實(shí)現(xiàn)其抗干擾能力的提高。 輸出數(shù)據(jù) 調(diào)制器材 信道編碼器 信 道 解調(diào)器 信道解碼器 偽隨機(jī)序列發(fā)生器 偽隨機(jī)序列發(fā)生器 信息序列 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 直接序列擴(kuò)頻通信 的 擴(kuò)頻 和解擴(kuò) 過程 圖 信息的頻譜擴(kuò)展過程 圖 擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)過程 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 由上 圖 易得如下結(jié)論 ： （ 1） 在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的 PN 碼調(diào)制以后，頻譜被擴(kuò)展了。在收端，擴(kuò)頻信號經(jīng)同樣的 PN 碼解調(diào) 以后，信息碼被恢復(fù)； （ 2） 信息碼經(jīng)調(diào)制、擴(kuò)頻傳輸、解調(diào)然后恢復(fù)的過程，類似與 PN 碼進(jìn)行了二次模二相加 的過程。 （ 3） 待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降； （ 4） 擴(kuò)頻信號解擴(kuò)以后，寬帶信號恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升； （ 5） 相對與信息信號，脈沖干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 3 直接序列擴(kuò)頻通信原理 直擴(kuò)系統(tǒng)的同步 任何數(shù)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(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頻同步。只有實(shí)現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f沒有同步就沒有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。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，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。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調(diào)的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用。因此， 這里只重點(diǎn)討論 PN 碼碼元和序列的同步。 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(gè)階段： (1)接收機(jī)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(gè)捕獲過程，即在一定的頻率和時(shí)間范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號。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在相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在PN碼一個(gè)時(shí)片內(nèi)。 (2) 一旦完成這一階段后，則進(jìn)入跟蹤過程，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(diào)整，使收發(fā)信號仍然保持同步。 一般說來，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： (1) 收發(fā)信機(jī)的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差； (2) 收發(fā)信機(jī)相對不穩(wěn)定性引起的頻差； (3) 收發(fā)信機(jī)相對運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移； (4) 以及多徑傳播也會(huì)影響中心頻率的改變。 因此，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進(jìn)一步提高同步速率和精度的方法。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 同步原理框圖 接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。此時(shí)搜捕器件，調(diào)整壓控鐘源，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重復(fù)頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動(dòng)跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號保持同步。如果由于采樣原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。 因此，整個(gè)同步過程，是包含搜捕和跟蹤兩個(gè)階段閉環(huán)的自動(dòng)控制和調(diào)整過程。 起始同步：搜捕 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碼信號使本地 PN 碼信號與其同步。由于解擴(kuò)過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。 大多數(shù)搜捕方法都利用非相干檢測。所有的搜捕方法的共同特點(diǎn)是用本地信號與收到的信號相乘 (即相關(guān)運(yùn)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(rèn)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。 下面介紹三種常用的搜捕方法： (1)滑動(dòng)相關(guān)搜捕法 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)寬帶濾波器 解調(diào)器 搜捕器件 壓控鐘源 PN 碼發(fā)生器 碼跟蹤器 輸出 接收信號 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 序列在相位上相互滑動(dòng)。這種 滑動(dòng)動(dòng)過程就是兩個(gè)碼序列逐位進(jìn)行相關(guān)檢測的過程?？傆幸粋€(gè)時(shí)候，兩個(gè)序列的相位會(huì)滑動(dòng)到一致的時(shí)候。如果這時(shí)能使滑動(dòng)停止，則完成了搜捕過程，可以轉(zhuǎn)入跟蹤過程，達(dá)到系統(tǒng)同步。 圖 滑動(dòng)相關(guān)器的方框圖 圖 滑動(dòng)相關(guān)器的流程圖 接收到的信號與本地 PN 碼相乘后再積分，即求出它們的互相關(guān)值，然后在門限檢測器中某一門限值比較，以判斷是否已捕獲到有用信號。這里是利用 PN 碼序列的相關(guān)特性， 當(dāng)兩個(gè)相同的碼序列相位上一致時(shí)，其相關(guān)值有最大的輸出。一旦確認(rèn)搜捕完成，則搜捕指示信號的同步脈沖控制搜索控制鐘，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的 PN碼的重復(fù)頻率和相位，使之與收到的信號保持同步。 積分器 門限檢測器 搜索控制鐘 PN碼發(fā)生器 接收信號 同步 脈沖 放慢時(shí)鐘 停止搜捕 接收機(jī)是否鎖 定 ? 進(jìn)入跟蹤狀態(tài) 繼續(xù)搜捕 跟蹤 是 失控同步 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 由于滑動(dòng)相關(guān)器對兩個(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。由于滑動(dòng)相關(guān)器簡單，應(yīng)用很廣。它的缺點(diǎn)在于當(dāng)兩端 PN 碼鐘頻相差不多時(shí)，相對滑動(dòng)速度很慢，導(dǎo)致搜索時(shí)間過長?，F(xiàn)在常用的一些搜索方法大多在此法的基礎(chǔ)上，采取一些措施來限定搜索范圍或加快搜捕的時(shí)間，從而改善其性能。 (2)序貫估值搜捕法 為 了解決長碼搜捕時(shí)間過長的問題，一種快速搜捕的方法稱為序貫估值器搜捕法，圖 為其原理方框圖。 圖 搜捕過程原理框圖 如何才能縮短本地 PN 碼與外來 PN 碼在相位取得一致所需的時(shí)間呢 ? 一個(gè)簡單的辦法是把收到 PN 碼序列直接注入到本地碼發(fā)生器的移位寄存器中，強(qiáng)迫改變各級寄存器的起始狀態(tài)，使其產(chǎn)生的 PN 碼剛好與外來碼相位一致，則系統(tǒng)可以立即進(jìn)入同步跟蹤狀態(tài)。圖 中示出，從收到的碼信號中，先把 PN 碼檢測出來，通過開關(guān) “ 1” 進(jìn)入到 n 級 PN 碼發(fā)生器 的移位寄存器中。待整個(gè)碼序列全部進(jìn)入填滿后，開關(guān)接通 “ 2” 。所產(chǎn)生的 PN 碼與收到的碼信號在相關(guān)器中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，所得結(jié)果在比較器中與門限比較。如未超過門限，則繼續(xù)上述過程。如超過門限，則停止搜索，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。 在最理想的情況下，搜捕時(shí)間 Ts ＝ nTc， Tc 為 PN 碼片時(shí)間寬度。這個(gè)方法搜捕時(shí)間雖然很快，但問題之一是它的先決條件是對外來的 PN 碼先要進(jìn)行檢測出后才能注入移位寄存器。做到這一點(diǎn)有時(shí)是困難的。問題之二是此法對噪聲和干擾很脆弱，積分器 PN 碼檢測器 比較器 開關(guān) n 級 PN 碼發(fā)生器 搜索控制 接收碼信號 門限 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 因是一個(gè)時(shí)片一個(gè)時(shí)片進(jìn)行估值和判決的，并未利用 PN 碼的 抗干擾特性。但無 論如何，在無敵對干擾的條件下，仍有良好的快速起始同步性能。 (3)匹配濾波器搜捕法 因?yàn)槠ヅ錇V波器有識(shí)別碼序列的功能，可以利用它進(jìn)行快速捕獲。圖 為帶通匹配濾波器。 圖 帶通濾波器框圖 每個(gè)延遲元件的延遲時(shí)問等于碼的時(shí)鐘周期。由于輸出是多級輸出的累加結(jié)果，如有 n 級，則處理增益為 Gp＝ 10log2n。 上述匹配濾波器可在中頻或基帶進(jìn)行，即帶通型匹配濾波器及低通型匹配濾波器。前者互可用無源的 SAW 器件，后者則可由數(shù)字集成電路，如移位 寄存器構(gòu)成。顯然， PN 碼越長，級數(shù)越多， Gp 越高。但其長度受工藝、功耗、材料等限制。匹配濾波器工作性能的好壞，決定元件延遲時(shí)間是否準(zhǔn)確，能否與時(shí)鐘周期匹配。如有失配情況，則影響同步質(zhì)量。 SAW 卷積器是另一種匹配濾波器的類型。因它可以起到可編程匹配濾波器的作用，現(xiàn)已受到廣泛的重視。我們知道，兩個(gè)信號的頻譜函數(shù)的相加，相當(dāng)于兩個(gè)信號時(shí)間函數(shù)的卷積。因此，可以利用卷積運(yùn)算的器件來代替相關(guān)器或匹配濾波器進(jìn)行信號的檢測或搜捕。 SAW 卷積器也是在壓電材料的襯底基片上印制出叉指換能器，兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。一端輸入收到的 信號，另一端輸入本地參考信號。因要進(jìn)行卷積運(yùn)算，參考信號應(yīng)是輸入信號在時(shí)間上的鏡像。兩個(gè)電輸入信號引起壓電材料的振動(dòng)，以聲波速率相對傳播。當(dāng)輸入信號頻率與基片振動(dòng)頻率共振時(shí)，可以在輸出端獲得最大的共振峰值。正如池塘里兩個(gè)波源引起的水波的傳播一樣，在共振時(shí)可獲得最大的波峰。 SAW 卷積器由于沒有固定抽頭的限制，可以任意改變本地參考信號的碼型，起到可編程的作用，使用比較靈活。它的處理增益可達(dá) 40dB，但其長度和動(dòng)態(tài)范圍受帶通匹配濾波器 平方 律包洛檢波器 門限器件 接收信號 碼相位判決 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 到一定的限制?？捎?AGC 以限制輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍。另一個(gè)缺點(diǎn)是插入損耗較大，需要增加中頻放大器 方能把信號檢出。 保持同步：跟蹤 當(dāng)捕獲到有用信號后，即收發(fā) PN 碼相位差在半個(gè)時(shí)片以內(nèi)時(shí)，同步系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保持同步階段，有時(shí)也稱為細(xì)同步或跟蹤狀態(tài)。也就是無論什么外界因素引起收發(fā)兩端PN 碼的頻率或相位偏移，同步系統(tǒng)總能使接收端 PN 碼跟蹤發(fā)端 PN碼的變化。顯然，跟蹤的作用和過程都是閉環(huán)運(yùn)行的。當(dāng)兩端相位發(fā)生差別后，環(huán)路能根據(jù)誤差大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整以減小誤差。因而同步系統(tǒng)多采用鎖相技術(shù)。 跟蹤環(huán)路可分為相干與非相干兩類。前者是在確知發(fā)端信號的載波頻率和相位情況下工作的。后者則在不確知的情況下工作。大多數(shù) 實(shí)際情況屬于后者。常用的跟蹤環(huán)路是延遲鎖定環(huán)和 ?— 抖動(dòng)環(huán)環(huán)兩種。它們都是屬于提前一遲后類型的鎖相環(huán)。鎖相環(huán)的作用由收到的信號與本地產(chǎn)生的兩個(gè)相位差 (提前及延后 )的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算完成。延遲鎖定環(huán)是采用兩個(gè)獨(dú)立的相關(guān)器，而 ?— 抖動(dòng)環(huán)環(huán)則采用分時(shí)的單個(gè)相關(guān)器。 它是由兩個(gè)支路并連的相關(guān)器構(gòu)成的鎖相環(huán)路。輸入 PN 碼信號分別與本地產(chǎn)生的延遲相 差 1 個(gè)比特的 PN 碼進(jìn)行 相關(guān)運(yùn)算。這兩個(gè)相互延遲 1 比特的 PN 碼序列可由 PN 碼發(fā)生器的相鄰的兩級移位寄存器分別引出。相關(guān)器由乘法器 (即平衡調(diào)制器 )、帶通濾波器和平方律包絡(luò)檢波器組成 。按照 PN 碼相 關(guān)特性。輸入信號與本地 PN 碼的相關(guān)特性應(yīng)為三角波。但由于兩個(gè)相關(guān)支 路本地 PN 碼相差 1 比 特，兩個(gè)三角波的峰值也相差一比特。兩個(gè)三角波經(jīng)相加器反相合成以后則成 為一 S 形曲線 。此即鎖相環(huán)的鑒相特性。 圖 為這些曲線構(gòu)成情況 。 S 曲線表明，如果收到的信號與本地 PN碼相差有提前或延后，則加法器輸出為正的或負(fù)的電壓。此電壓經(jīng)環(huán)路濾波器后去控制本地壓控振蕩器 VCO。 它再去調(diào)整 PN 碼鐘發(fā)生器， 使 PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的 PN碼的頻率與相位跟蹤外來 PN 碼信號的變化。這就是延遲鎖定環(huán)的基本工作原理。 在正常情況，本地 振蕩器被鎖定在 S 曲線的 0 點(diǎn)。兩端有相差后再進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)本地 PN 碼與外來 PN碼信號相差 l／ 2 時(shí)片。所以從移位寄存器 末級取出的 PN 碼序列經(jīng)過 l／ 2 時(shí)片延遲后可以作為解碼相關(guān)器支路的本地 PN碼參考信號，它正為與收到的信號相位一致。第三支路經(jīng)信息數(shù)據(jù)解調(diào)器輸出有用信息。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 延遲鎖定環(huán)曲線圖 圖 示出一種跟蹤作用相 同，但結(jié)構(gòu)上只用一個(gè)相關(guān)器的較為簡化的 一抖動(dòng)環(huán)。但它多了一個(gè) ?— 抖動(dòng)環(huán)信號發(fā)生器。 ?— 抖動(dòng)環(huán)信號為一正負(fù)方波。用此方波去控制壓控鐘源 使 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地 PN 碼 在相位上有一個(gè)提前或遲后，從而使相關(guān)器輸出有一附加的振幅調(diào)制。 圖 跟蹤過程原理框圖 相關(guān)輸出 1 相關(guān)輸出 3 相關(guān)輸出 2 帶通濾波器 包洛檢波器 本地振蕩器 壓控鐘源 抖動(dòng)發(fā)生器 環(huán)路濾波器 PN 碼發(fā)生器 接收信號 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 應(yīng)該指出的是，延遲鎖定環(huán)和 ?— 抖動(dòng) 環(huán)不僅