【文章內容簡介】 （ 4） 擴頻調制方式多采用 BPSK 或 QPSK 等幅調制。擴頻 和解擴的調制解調器多采用平衡調制器，制作簡單又能抑制載波。 （ 5） 模擬信息調制多采用頻率調制 (FM)，而數(shù)字信息調制多采用脈沖編碼調制(PCM)或增量調制 (DM)。 （ 6） 接收端多采用產生本地偽隨機碼序列對接收信號進行相關解擴，或采用匹配濾波器來解擴信號。 （ 7） 擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的同步，碼的搜捕和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機碼的優(yōu)良的相關特性在延遲鎖定環(huán)中實現(xiàn)。 （ 8） 一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實現(xiàn)其抗干擾能力的提高。 輸出數(shù)據(jù) 調制器材 信道編碼器 信 道 解調器 信道解碼器 偽隨機序列發(fā)生器 偽隨機序列發(fā)生器 信息序列 沈陽理工大學學士學位論文 9 直接序列擴頻通信 的 擴頻 和解擴 過程 圖 信息的頻譜擴展過程 圖 擴頻信號的解擴過程 沈陽理工大學學士學位論文 10 由上 圖 易得 如下結論 ： （ 1） 在發(fā)端，信息碼經碼率較高的 PN碼調制以后，頻譜被擴展了。在收端，擴頻信號經同樣的 PN 碼解調以后，信息碼被恢復； （ 2） 信息碼經調制、擴頻傳輸、解調然后恢復的過程，類似與 PN 碼進行了二次模二相加 的過程。 （ 3） 待傳信息的頻譜被擴展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降； （ 4） 擴頻信號解擴以后，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升； （ 5） 相對與信息信號，脈沖干擾只經過了一次被模二相加的調制過程，頻譜被擴展，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。 沈陽理工大學學士學位論文 11 3 直接序列擴頻通信原理 直擴系統(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，才能正確地解調出信息。擴頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、 PN 碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f沒有同步就沒有擴頻通信系統(tǒng)。同步系統(tǒng)是擴頻通信的關鍵技術。在上述幾種同步中，信息碼元時鐘可以和 PN碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關系，一個實現(xiàn)了同步，另一個自 然也就同步了。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用。因此，這里只重點討論 PN 碼碼元和序列的同步。 同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產生的 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階段： (1)接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個捕獲過程，即在一定的頻率和時間范圍內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，即在PN碼一個時片 內。 (2) 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤過程，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)能加以調整，使收發(fā)信號仍然保持同步。 一般說來，在發(fā)射機和接收機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)信機的距離引起傳播的延遲產生的相位差； (2) 收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性引起的頻差； (3) 收發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移； (4) 以及多徑傳播也會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，需要采取進一步提高同步速率和精度的方法。 沈陽理工大學學士學位論文 12 圖 同步原理框圖 接收到的信號經寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN碼進行相關運算。此時搜捕器件，調整壓控鐘源，調整 PN碼發(fā)生器產生的本地脈序列偽重復頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調整壓控鐘源，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，整個同步過程，是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán) 的自動控制和調整過程。 起始同步：搜捕 搜捕的作用就是在頻率和時間 (相位 )不確定的范圍內捕獲有用的 PN碼信號使本地 PN 碼信號與其同步。由于解擴過程通常都在載波同步之前進行，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是用本地信號與收到的信號相乘 (即相關運算 )，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)滑動相 關搜捕法 當收到的 PN 碼序列與本地 PN 碼序列的鐘頻不同時，在示波器上可以看到兩個序列在相位上相互滑動。這種滑動動過程就是兩個碼序列逐位進行相關檢測的過程。寬帶濾波器 解調器 搜捕器件 壓控鐘源 PN 碼發(fā)生器 碼跟蹤器 輸出 接收信號 沈陽理工大學學士學位論文 13 總有一個時候，兩個序列的相位會滑動到一致的時候。如果這時能使滑動停止，則完成了搜捕過程，可以轉入跟蹤過程，達到系統(tǒng)同步。 圖 滑動相關器的方框圖 圖 滑動相關器的流程圖 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 碼序列的相關特性，當兩個相同的碼序列相位上一致時，其相關值有最大的輸出。一旦確認搜捕完成，則搜捕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碼的重復頻率和相位，使之與收到的信號保持同步。 由于滑動相關器對兩個 PN 碼序列是順序比較相關的，所以這種方法又稱為順序搜索法。由于滑動相關器簡單，應用很廣。它的缺點在于當兩端 PN 碼鐘頻相差不多積分器 門限檢測器 搜索控制鐘 PN碼發(fā)生器 接收信號 同步 脈沖 放慢時鐘 停止搜捕 接收機是否鎖 定 ? 進入跟蹤狀態(tài) 繼續(xù)搜捕 跟蹤 是 失控同步 沈陽理工大學學士學位論文 14 時，相對滑動速度很慢，導致搜索時間過長?，F(xiàn)在常用的一些搜索方法大多在此法的基礎上，采取一些措施來限定搜索范圍或加快搜捕的時間，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間呢 ? 一個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，強迫改變各級寄存器的起始狀態(tài)，使其產生的 PN 碼剛好與外來碼相位一致，則系統(tǒng)可以立即進 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 “ 1” 進入到 n 級 PN 碼發(fā)生器的移位寄存器中。待整個碼序列全部進入填滿后，開關接通 “ 2” 。所產生的 PN 碼與收到的碼信號在相關器中進行相關運算，所得結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)轉入跟蹤狀態(tài)。 在最理想的情況下，搜捕時間 Ts ＝ nTc， Tc 為 PN 碼片時間寬度。這個方法搜捕時間雖然很快，但問題之一是它的先決條件是對外來的 PN 碼先要進行檢測出后才能注入移位寄存器。做到這一點有時是困難 的。問題之二是此法對噪聲和干擾很脆弱，因是一個時片一個時片進行估值和判決的，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。 積分器 PN 碼檢測器 比較器 開關 n 級 PN 碼發(fā)生器 搜索控制 接收碼信號 門限 沈陽理工大學學士學位論文 15 (3)匹配濾波器搜捕法 因為匹配濾波器有識別碼序列的功能，可以利用它進行快速捕獲。圖 為帶通匹配濾波器。 圖 帶通濾波器框圖 每個延遲元件的延遲時問等于碼的時鐘周期。由于輸出是多級輸出的累加結果，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，決定元件延遲時間是否準確，能否與時鐘周期匹配。如有失配情況，則影響同步質量。 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，兩個信號的頻譜函數(shù)的相加，相當于兩個信號時間函數(shù)的卷積。因此，可以利用卷積運算的器件來代替相關器或匹配濾波器進行 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，兩個輸入和一個輸出。一端輸入收到的信號，另一端輸入本地參考信號。因要進行卷積運算，參考信號應是輸入信號在時間上的鏡像。兩個電輸入信號引起壓電材料的振動，以聲波速率相對傳播。當輸入信號頻率與基片振動頻率共振時，可以在輸出端獲得最大的共振峰值。正如池塘里兩個波源引起的水波的傳播一樣，在共振時可獲得最大的波峰。 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 40dB，但其長 度和動態(tài)范圍受到一定的限制?？捎?AGC 以限制輸入信號的動態(tài)范圍。另一個缺點是插入損耗較大，需要增加中頻放大器方能把信號檢出。 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 沈陽理工大學學士學位論文 16 保持同步：跟蹤 當捕獲到有用信號后，即收發(fā) PN 碼相位差在半個時片以內時，同步系統(tǒng)轉入保持同步階段，有時也稱為細同步或跟蹤狀態(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)運行的。當兩端相位發(fā)生差別后，環(huán)路能根據(jù)誤差大小進行自動調整以減小誤差。因而同步系統(tǒng)多采用鎖相技術。 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生的兩個相位差 (提前及延后 )的信號進行相關運算完成。延遲鎖定環(huán)是采用兩個獨立的相關器，而 ?— 抖動環(huán)環(huán)則采用分時的單個相關器。 它是由兩個支路并連的相關器構成的鎖相環(huán)路。輸入 PN 碼信號分別與本地產生的延遲相 差 1 個比特的 PN 碼進行 相關運算。這兩個相互延遲 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。相關器由乘法器 (即平衡調制器 )、帶通濾波器和平方律包絡檢波器組成。按照 PN 碼相 關特性。輸入信號與本地 PN碼的相關特性應為三角波。但由于兩個相關支 路本地 PN 碼相差 1 比 特，兩個三角波的峰值也相差一比特。兩個三角波經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的電壓。此電壓經環(huán)路濾波器后去控制本地壓控振蕩器 VCO。 它再去調整 PN 碼鐘發(fā)生器， 使 PN碼發(fā) 生器產生的 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。兩端有相差后再進行調整。此時本地 PN碼與外來 PN碼信號相差 l／ 2 時片。所以從移位寄存器 末級取出的 PN 碼序列經過 l／ 2 時片延遲后可以作為解碼相關器支路的本地 PN碼參考信號，它正為與收到的信號相位一致。第三支路經信息數(shù)據(jù)解調器輸出有用信息。 沈陽理工大學學士學位論文 17 圖 延遲鎖定環(huán)曲線圖 圖 示出一種跟蹤作用相 同，但結構上只 用一個相關器的較為簡化的 一抖動環(huán)。但它多了一個 ?— 抖動環(huán)信號發(fā)生器。 ?— 抖動環(huán)信號為一正負方波。用此方波去控制壓控鐘源 使 PN 碼發(fā)生器產生的本地 PN 碼 在相位上有一個提前或遲后，從而使相關器輸出有一附加的振幅調制。 圖 跟蹤過程原理框圖 相關輸出 1 相關輸出 3 相關輸出 2 帶通濾波器 包洛檢波器 本地振蕩器 壓控鐘源 抖動發(fā)生器 環(huán)路濾波器 PN 碼發(fā)生器 接收信號 沈陽理工大學學士學位論文 18 應該指出的是，延遲鎖定環(huán)和 ?— 抖動 環(huán)不僅能起跟蹤作用，如果應用滑動相