第5章 扩频系统的同步

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扩频系统的同步
106 105 104 103 102 每天积累漂移的比特数 10 1 10－6
100 Mb/s 10 Mb/s 1 Mb/s
10－7
10－8 10－9 10－10 相对速率偏移
10－11
图 5 - 1 不同码速时相对速率偏移每日积累偏移
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2. 电波传播的时延 同步不确定的主要来源是那些与时间和频率有关 的因素。 如果接收机能够精确地知道通信距离和发射 时间 , 发射机和接收机都具有足够准确的频率源 , 它们 就能得到所需的定时 , 就没有同步问题了 , 但这些假设 本身就只是一种假设。
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式中c(t)和a(t)分别为伪随机码和传送的信息。 在接 收端, r1(t)和r2(t)分别对应于s1(t)和s2(t )。 不考虑衰减问 题, r1(t)和r2(t)相乘后得 r(t)=r1(t)r2(t) =a(t)c2(t) cosωc1t·cosωc2t =a(t) cosωc1t·cosωc2t 经中频滤波后, 为 (5 - 5)
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5.4 直扩同步的跟踪
5.4.1 延迟锁定环 延迟锁定环又叫早 - 迟码跟踪环 , 图 5 - 12 是延迟锁定 环的原理图。 输入的中频信号是受伪随机码调制的信号 (也可以同时受到信息调制), 本地伪随机码发生器(也就是 捕获时的码发生器的相位与输入码相位的差在一个伪随机 码切普宽度Tc内)的时钟现由VCO控制, 其时钟频率与发端 码时钟频率相等。 相关网络由两路相关器组成, 两路相关 器输入的本地伪随机码的相位差为Δ, 分别从码发生器的 第r级和第r-1级输出, 这里Δ＝Tc。
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初始同步
调整时钟
搜 索
捕 获 否
是
停止搜索
是
失 步 否
同步锁定
跟 踪
Leabharlann Baidu
转入跟踪
图 5 - 2 同步流程图
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5.2.1 同步过程 一般同步系统的同步过程可用图 5 - 2 来描述。 接 收机对接收到的信号 , 首先进行搜索 , 对收到的信号与 本地码相位差的大小进行判断 , 若不满足捕获要求 , 即 收发相位差大于一个码元, 则调整时钟再进行搜索。直 到使收发相位差小于一个码元时 , 停止搜索 , 转入跟踪 状态。
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7. 用特殊码建立同步 在一些系统中, 采用特殊码来完成同步捕获, 对扩频 系统的迅速锁定很有好处。 在测距系统中, 要求同步建 立时间短, 就采用了一种JPL组合码, 它由几个短码组成。
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序列发生器Ⅰ a 码 (2m－1)bit 时钟 序列发生器Ⅱ b 码 (2n－1)bit 序列发生器Ⅲ c码 (2r－1)bit 输出JPL码 a b c
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为了减小噪声 , 提高检测概率 , 相关后的带宽 ( 包括 带通和积分器)要窄; 从缩短捕获时间来看, 应加快滑动 速度, 即加大收发时钟频率差, 又要求带宽要宽, 这两者 是矛盾的。 当滑动快时, 相关器输出的相关脉冲窄, 窄 的脉冲将不易通过后面的低通滤波器 ; 当滑动慢时 , 相 关器输出的脉冲宽, 有利于通过低通滤波器。 图5 - 9给 出了两种情况下相关器的输出 , 对应滑动的两个切普 (并不是指伪随机码的两个切普宽度2Tc, 相对滑动后切 普宽度随相对滑动速率改变)。 为了使相关器输出的相 关峰值通过低通滤波器, 相对滑动速度受到低通滤波器 上升时间或带宽的限制。
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相关输出
相关输出
o (a)

o (b)

图 5 - 9 滑动相关器输出波形 (a) 滑动快; (b) 滑动慢
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设Rc和 R′c分别为发端和收端伪随机码的速率 , BW 为相关器后的低通滤波器的带宽, 则低通滤器的阶跃响 应的上升时间为 0.35/BW 。 每秒钟相对滑动的切普速 率为R′c-Rc,则滑过两切普的时间为2／(R′c-Rc), 要使相 关峰值通过低通滤波器, 则要求滑过两切普的时间大于 低滤波器的上升时间, 因此有
o 1 N

图 5 - 8 伪随机码的相关特性
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在滑动相关过程中 , 因为没有载波同步 , 不可能进 行相干检测, 因而采用包络检波器进行非相干检测。 相 关器中包括乘法器、 中频滤波器、 积分清洗电路等, 为了控制干扰和噪声这是必须的 , 积分时间应长些 , 比 如接近 Ta=NTc, 这里 Ta 和 Tc 分别表示信息码宽度和伪随 机码的切普宽度, N为扩频系数。 由第3章已知, 伪随机码具有良好的相关性能, 如图 5 - 8所示。
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5.2.2 初始同步方法 接收机刚开始工作时 , 对所接收的信号的频率和相 位只能大致确定一个范围, 这个范围主要根据发射机和 接收机的频率与时钟的相对差值、 信道传输的频率不 稳定性、 传播时延以及收发信机本身信号源与时钟的 稳定度来确定。
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1. 滑动相关法 接收机在搜索同步的过程中, 本地码序列发生器以不 同于发射端的码速率工作, 这就相当于两码彼此“滑动”。 2. 同步头法 同步头法的实质是在滑动相关器中 , 使用一种特殊的 码序列, 这种码序列较短, 短得足以使滑动相关器在合理的 时间内通过各种可能的码状态, 完成起始同步的搜索。 这 种专门用来建立起始同步的码, 称为“同步头”。
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5.1 同步不确定性的来源 5.2 直扩系统的同步 5.3 滑动相关检测 5.4 直扩同步的跟踪 5.5 跳频系统的同步 5.6 跳频系统的扫瞄驻留同步法 思考与练习题
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5.1 同步不确定性的来源
1. 频率源的漂移 一般通信系统中所用的频率并不像我们希望的那 样稳定, 它们对频率不确定的影响是不能忽略的。 在扩 频系统中, 频率不确定性的其它结果也是显而易见的。 频率源频率的漂移 , 将引起码元时钟速率的偏移 , 积累 为码相位的偏移 ; 频率源频率的漂移 , 还会引起载波频 率的漂移, 使系统性能下降。图5 - 1说明了各种相对码 速率偏移对系统的积累偏移的影响。
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中频输入
相关器
包络检波
积分清洗
门限判决
本地码
钟频× N
÷N
门电路
逻辑电路
图 5 - 10 “滑动-保持”同步法
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(a)
(b)
图 5 - 11 搜索过程相关函数 (a) 连续时钟频率偏移; (b) 离散时钟频率偏移
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本地码的码速率与发端相同 , 未检测到同步时 , 处 于搜索状态, 步进滑动1／N切普, 与接收到的信号进行 相关。 若检测到同步时 , 就转入跟踪状态。 采用这种 “滑动 - 保持 ”方法搜索时 , 对码的相关函数有一定的影 响, 如图5 - 11所示。
1 1 r(t ) a (t ) cos( c1 c 2 )t a (t ) cos c1t 2 2
(5 - 6)
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5. 发射公共时钟基准法 发射公共时钟基准法是以某个高精度的时间作为基 准, 向其他用户提供标准时钟, 各用户定期地和基准时钟 核对, 这样就可大大减少各用户之间的时间的不确定性。
n r (2m－1)(2 －1)(2 －1) bit
图 5 - 4 典型的JPL码发生器
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8. 匹配滤波器同步法 这里的匹配滤波器同步与一般的匹配滤波器 —— 积 分、 清洗检测器不是同一类, 尽管两者都是匹配滤波器。 由最佳接收理论知, 若接收信号为s(t), 则匹配滤波器的 冲激响应h(t)为 h(t)=s(T-t) 式中T为信号s(t)的持续时间。 (5 - 7)
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3. 跳频同步法 跳频系统使用的伪随机码速率要比直扩系统使用 的伪随机码速率低得多, 因而同步建立时间也就短得多。 由于使用的码速低 , 为达到给定的时钟误差 , 积累就慢 得多。
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4. 发射参考信号法 当接收系统必须尽可能简单时, 发射参考信号可以 用于起始同步捕获、 跟踪或同时用于两者。 发射参考 信号法的接收机既不用伪随机码发生器, 也不用其它的 本地参考振荡器, 相应的伪随机码参考信号也是发射机 产生的, 并同所要的载有信息的信号同时发送。 跳频和 直扩两种系统都适合发射参考信号法。 图 5 - 3 为该系 统的原理框图。
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3. 多卜勒频移 在发射机和接收机中使用精确的频率源, 可以去掉 大部分码速率、 相位和载频的不确定性,但不能完全克 服由于多卜勒频移引起的载波和码速率的偏移。 随着 移动式发射机／接收机的每一次相对位置的改变,就会 引起码相位的变化。 加到接收信号上的多卜勒频率不 确定的大小是接收机和发射机相对速率及发射频率的 函数。
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多卜勒频移的大小为
f f c
( Hz )
(5 - 1)
f收 f发
f
c
(5 - 2)
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4. 多径效应 多径是在传输过程中由于多路径 ( 反射、 折射 ) 传 播引起的。 多径效应对系统的影响主要是引起码相位、 载波频率相位延迟, 造成同步的不确定性。
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混 频
相关器
包络检波
积分清洗
门限判决
本 振
本地码
时 钟
逻辑电路
图 5 - 6 滑动相关同步原理框图
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放慢时钟
接收 机锁定 否
是
停止搜索
进入跟踪状态
失步
继续搜索
跟 踪
图 5 - 7 滑动相关同步流程图
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R( ) 1 判决门限 － Tc Tc
2 0.35 Rc BW Rc
2 BW Rc Rc 0.35
(5 - 8)
由此可得两码相对滑动速率与低通滤波器带宽的关系为 (5 - 9)
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5.3.2 “滑动-保持”同步器 大多数扩频接收机的搜索过程是使接收机的码与 希望接收的码在滑动相关上实现的。 这个相位滑动过 程是这样实现的, 即对接收机时钟给以一定大小的偏移, 并保持这种偏移直到合适的同步点为止, 然而很少使用 这种方法。 代替这个搜索方法的, 一般是采用以某个很 小的增量将接收机的时钟周期性地移相。 因此这两个 码就互相以跳动方式“滑动”, 这种方式称为“滑动－保 持”同步法, 其原理如图5 - 10所示。
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fc 1 不含信息
调制器 PN码 发生器
s1(t )
fc 1
高放
r1(t ) fIF＝ fc 1－ fc 2
分路
r(t )
中放
fc 2 含信息
调制器
s2(t )
fc 2
高放
r2(t )
图 5 - 3 发射参考信号的同步方法
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发送端把含有信息的已调信号与不含信息的fc1同伪 随机码进行调制后, 合并、 放大, 然后发送出去。 在接 收端 , 两个频率的信号分别在两个通道中放大 , 经过相 关运算后, 取出中频, 解调后还原出信息。 设发送的两 个信号分别为s1(t)和s2(t), 即 s1(t)=c(t) cosωc1t 和 s2(t)=a(t)c(t) cosωc2t (5 - 4) (5 - 3)
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6. 突发同步 突发同步法是指发射机在发送信息之前, 首先发射 一个短促的高速脉冲 , 供给接收机以足够的信息 , 以便 使接收机建立同步。 在突发同步期间, 除了码字以及载 波同步之外 , 不发送信息 , 突发同步后被发送的信息跟 着转换到直扩信号的发射上。 这种方式也可用于跳频 系统。
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T1 T2 输入信号
T3 T4
T5
T6 T7
输出
图 5 - 5 基带数字匹配滤波器
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5.3 滑动相关检测
5.3.1 滑动相关同步器 滑动相关检测是一种最简单、 最实用的捕获方法, 图5 - 6为滑动相关同步的原理框图。 采用与发端频率 有差别的时钟来驱动本地码(码型已知), 由于时钟差, 引 起接收信号与本地产生的伪随机码的相对滑动。图 5 7为滑动相关的流程图。
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5.2 直扩系统的同步
直扩系统的同步有以下几种: (1) 伪随机码同步。 (2) 位同步。 (3) 帧同步。 (4) 载波同步。
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一般的同步可分为两步进行: (1) 初始同步 , 或称粗同步、捕获。它主要解决载波 频率和码相位的不确定性,保证解扩后的信号能通过相关 器后面的中频滤波器,这是所有问题中最难解决的问题。 (2) 跟踪, 或称精同步。