扩频通信中的多普勒频移及补偿方法.

扩频通信中的多普勒频移及补偿方法

一多普勒频移概述

在高动态环境下，运动的载体存在速度、加速度，这将导致在通信过程中载波存在多普勒频移。当发射源和接收者之间有径向运动时，接收到的信号频率将发生变化，这就是多普勒效应。这一现象首先在声学上由澳大利亚物理学家多普勒(J.Doppler)于1842年发现，1930年左右开始将这一规律应用于电磁波领域。

常用信号为窄带信号(带宽远小于中心频率)，其发射信号可以表示为：

其中，Re表示取实部，u(t)为调制信号的复

包络，

w0

为发射角频率。则自由目标反射的回波信号为：

] 其中，为回波滞后于发射信

号的时间，其中R为收发双方间的距离，c为电磁波的传播速度（光速），k为回波的衰减系数。

当目标和基站之间没有相对运动时，则距离R为常数。回波与发射信号之间有固定相位差

，它是电磁波往返于基站

与目标之间所产生的相位滞后。而当目标与基站站之间有相对运动时，则距离R 随时间变化。设目标和基站作匀速相向运动，则在时间t时刻目标与信源间的距离R(t)为：其中，R0为t=0时的距离，vr为目标和基站的相对径向运动速度。

由于通常基站和目标间的相对运动速度vr远小于电磁波速度c，故时延可近似

为：相位差为：

2c

回波信号比起发射信号来，

2

可见，相位差是时

间t的函数。在径向速度vr为常数时，产生的频率差为

这就是多普勒频移，它正比于相对于运动的速度而反比于工作波长。当目标和基

站做相向运动时，多普勒频率为正值，即接收信号的频率高于发射信号的频率；而当目标和基站做背离运动时，多普勒频率为负值，即接收信号的频率低于发射信号的频率。

二多普勒频移补偿方法

在扩频通信系统中，这种频移将给伪码的捕获及后续的数据解调造成困难，为实现可靠通信，必须对载波的偏移进行补偿。

常用的载波频率估计方法有叉积鉴频器、快速傅立叶变换等。当采用傅立叶变换法估计载波的频偏时，其频谱分辨率与采样点数成反比，采样点数越多，频偏分辨率越小，跟踪精度越高。但是在采样间隔固定的条件下，采样点数的增加意味着数据的准备时间加大，远远大于采用DSP进行FFT运算所需的时间。

因此采用傅立叶变换估计调整载波的频偏是不现实的。在相干接收机系统中，恢复出与调制载波同频同相的相干载波是系统设计的关键。扩频接收机载波的同步包括捕获和跟踪两个过程，载波捕获即多普勒频移的粗略估计，通常包含在伪码同步过程中，而精确的载波相位及多普勒频移则通过FLL（锁频环）和PLL（锁相环）跟踪来实现。

锁频环具有较好的动态性能，但跟踪精度较低, 锁相环具有较高的跟踪精度，但对通信链路干扰的容忍能力差，特别是受载体动态引入的多普勒频移影响较大；而载波跟踪环的跟踪精度决定了最后定位测量的精度。当多普勒频移高于

±40kHz ，多普勒频率一次变化率为

4kHz/s ，二次变化率为200Hz/s时，接收机的PLL将不能稳定工作。由于在系统设计中，多普勒频移远小于这一极限值，另外，锁频环鉴别器需要两组相关积分采样点用于计算频率差值，并且这两组采样值应该在同一个数据位时间区间之内。系统中，由于积分时间与调制数据位宽度相同，每次得到的相关采样值将位于不同的数据位区间内，不适合使用锁频环，故只采用锁相环完成载波频率和相位的跟踪。

三锁相环设计

在实际工程中，常把位置信号、速度信号和加速度信号作为典型输入量来分析各种控制系统的性能。在锁相环中也是这样，只不过环路的输入量是相位，所以三种典型的暂态信号是相位阶跃信号、相位斜升信号和相位加速度信号。

这三种信号在实际工程中是由收发信机的相对运动产生的。因此，不妨通过研究收发信机的相对位置和相位之间的关系来研究这三种信号。

设发射机发射信号的频率为ωi，瞬时相位为ωit。若收发信机相对距离为R(t)，则接收机接收信号的瞬时相位为ωi[t−R(t)/c]，锁相环的输入量为：θi=ωiR(t)/c 式中c为光速。

接收信号的瞬时功率为：ωi t =ωi[1−dR(t)

cdt] 由此可见，若

收发信机的距离不变，则R(t)=Ro ，则环路的输入量不变；若收发信机的距离发生突变时，则接收信号的相位将发生阶跃变化；若收发信机作相对匀速运动，则R(t)=Ro+vt ,（v为相对速度），环路输入量作斜升变化，斜升速度为ωiv/c ；若收信机作加速度变化，相位变化加速度为ωia/c 。

常规接收机中载波跟踪是在数字延迟锁定环对伪码相关解扩的基础上，通过科斯塔斯环（PLL的一种）重构载波相位解调BPSK数据实现的。Costas环又称同相正交环，是

PLL的一种，由于它对载波调制数据不敏感而在高动态扩频接收机中得到了普遍应用。科思塔斯载波跟踪环由载波鉴相器、载波环路滤波器和载波NCO组成。其结构原理图如下所示。

Costas环工作原理

在通信中，由于发射端高速移动或者发射端距离接收端比较远，使得发回的信号很微弱，又由于移动引起的多普勒效应，频率漂移严重。在这种情况下，如果采用普通接收机，势必要求它有足够的带宽，这样势必会有更多的噪声没有被滤掉，从而使得接收机的输出信噪比

将严重下降而无法有效地检出有用信号。如果采用下图所示的锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，就可以十分有效的提高输出信噪比，获得满意的接收结果。

锁相接收机

锁相接收机实际上是一个窄带跟踪环路，它比一般的锁相环回路多了一个混频器和中频放大器，由压控振荡器输出电压作为本振电压（频率为ωo），它与外加接收信号（频率为ωi）相混后，输出中频电压，经过中频放大后加到鉴相器与本地标准中频参考信号进行相位比较，在环路锁定时，加到鉴相器上的两个中频信号频率相等。当外界输入频率发生变化时，压控振荡器的频率也会发生变化，使中频信号自动维持在标准中频上不变。这样，中频放大器的通带就可以做得很窄，从而保证鉴相器输入端有足够的信噪比，这样就提高了接收机的灵敏度。

四总结

锁相接收机是一个窄带跟踪环路的调整。比一般的锁相环回路多了一个混频器和中频放大器。外界输入频率发生变化时，压控振荡器的频率也会发生变化，使中频信号自动维持在标准中频上不变。因此，

可以是的中频的带宽作的很窄，从而使得噪声的带宽减小，另噪声的功率减小，从而提高信噪比。此外，由于锁相环的跟踪特质，使得接收端可以在与发射端相对运动速度较大时稳定可靠的跟踪信号频率和相位，从而准确的接收信息。

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