第三章 扩频通信系统的解调和解扩 (2)

每增加一级混频-分频基本单元，输出信号的频率间隔就减 少为前一级频率间隔的1/N0
一种实现混频-分频基本单元的门电路
“和频”－“分频”式频率合成器能够提供的频率总数 与参考频率的数目及混频次数有关，如果有M个混频-分频基 本单元级联，参考信号的频率数为k，则最后输出的频率总 数为kM。 最小输出频率间隔： F f M 1 K
三. OQPSK( Offset QPSK，偏移四相相移 键控 )调制
d 2 (t )c2 (t ) 支路相对于 d1 (t )c1 (t )支路延迟半个码元宽度， d 这样当 d1 (t )c1 (t )符号发生变化时， 2 (t )c2 (t )符号不变。因此，
OQPSK调制信号的相位改变只能是0o、±90o，没有 180o。 OQPSK调制信号具有比QPSK信号更好的频谱特性。

应用场合： 频率转换时间在毫秒量级，适合于中、 慢速跳频。
3.直接数字频率合成

直接数字合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)


发明人及时间：美国学者J.Tierney等人， 1971年。 特点：频率转换速率快、频率分辨率高、 相位噪声低、输出相位连续、可产生宽 带正交信号、可编程及全数字化等，是 传统频率合成技术难以获得的。

平方环的原理

平方环的缺点在于，环路工作在载波的 二倍频上，工作频率更高，环路的设计 制造难度大，稳定性差。

三. Costas环解调器 Costas环解调器也是用来解调抑制载波信号的。
Costas环的优缺点


Costas环在噪声性能上与平方环完全等效。 Costas环与平方环一样可以解调抑制载波的信 号，而且环路的工作频率与载波频率完全相同， 这一点优于平方环。 在Costas环中，I支路和Q支路的不对称会引起 第三个相乘器输出产生偏移，可能对载波的跟 踪产生不良影响。因此要求两路的对称性要好。



三. 载波抑制度不足和码不平衡的影响 载波抑制度不足即载波泄露。 危害 (1)载波频率容易被检测出来，失去扩频通信的 隐蔽性。 (2)浪费了发射功率。 (3)增加了接收端的干扰。 (4)使接收端解调器中的锁相环发生错锁。

例3.1-2 以平方环为例推导BPSK扩频系统有 残留载波分量时对信号解调的影响。

二. QPSK调制 QPSK的优点 在相同信息速率下，码元速率是BPSK的 一半，因此所需带宽也是BPSK的一半； 在相同码元速率下，信息速率是BPSK的 2倍。
发送端

单通道调制与双通道调制
单通道调制:d1(t) = d2(t)
双通道调制:d1(t) ≠d2(t)
接收端


跳频器的主要参数 (1)频率范围：指频率合成器输出信号的频率范 围。越宽越好。 (2)频率间隔：频率合成器输出的两个相邻频率 之间的最小间隔。为避免相邻频带相互干扰， 频率间隔应不小于基带信号带宽的2倍。 (3)频率转换时间：频率合成器输出信号的频率 改变后，达到稳定状态所需要的时间，记为Tt。 频率转换时间越短，可达到的调频速度就越高， 并且越有利于抑制干扰。通常要求Tt远小于驻 留时间Ts。
第三章 扩频通信系统的解调和解扩
3.1直接序列扩频系统的解调和解扩

3.1.1直扩系统的简单回顾



直扩系统对接收信号的处理过程：解调+ 解扩。 直扩系统接收信号的特点：弱信号，低 信噪比。 要求接收机在信噪比为-30dB~0dB的条 件下正常工作，设计优良的接收机甚至 要在-50dB~-20dB的条件下工作。
3.1.4直扩信号的频谱特性

直扩信号频谱特性的推导
3.1.5 载波同步


由于相干解调是高斯白噪声环境的最佳解调 器，所以通常都是采用相干解调的方法。这 就需要在接收端产生与发送端载波同频同相 的载波信号。 在接收端产生本地载波通常都采用锁相环 (Phase Lock Loop, PLL)。


四.码定时偏移对相关器输出的影响 直扩系统接收端的相关解扩器只有在本 地参考序列与输入信号序列之间严格同 步时才能达到最大输出。 在实际的系统中要实现严格的同步是很 困难的。




产生码定时偏移的原因 (1)收发两方振荡器的振荡频率和初始相 位的差别。 (2)传输延迟。 (3)传输过程中信道衰落和干扰信号的影 响。 码定时偏移的影响：产生输出信噪比的 损失。


(4)频率准确度与稳定度：频率准确度指 频率合成器输出信号频率的实际值偏离 规定值的数值，即频率误差。频率稳定 度是指在指定的时间间隔内，频率合成 器输出信号的频率偏离规定值的情况。 (5)频谱纯度
频率合成器

跳频系统所使用的频率合成器有直接式、间接 式和直接式数字频率合成DDS。
1.直接式频率合成器





基本原理：利用采样定理，通过查表法 产生输出信号的波形。 数学推导：
DDS 由相位累加器、波形存储器(ROM)、数模转换器 DAC、低通 滤波器 LPF 和参考时钟等部件组成。ROM中存有正弦波表的幅值 编码。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字 K 进行线 性累加，得到的相位序列φ(n)，作为取样地址码去寻址ROM，周 期性地读取ROM 中的数据，得到一系列离散的幅度编码。该幅 度编码经DAC 变换后得到模拟的阶梯电压，再经低通滤波器 LPF 平滑后即得到所需的正弦信号。
其中F为参考频率间隔 。

例3.2-2 如下图所示直接式频率合成器，输入信号频率为 200MHz，参考频率为f1＝142.5MHz， f2 ＝147.5MHz， f3 ＝152.5MHz， f4 =157.5MHz。整个频率合成器由6个基本 单元串联而成。求（1）频率总数，（2） 输出最小频率间 隔。(4096，2.441kHz)

外差式相关解扩的优点： 1.避免了同频干扰直通 2.使后续电路在较低的频率下工作，性 能更为稳定，设计也更为简单。
3.1.3直扩系统的调制解调方式

在扩频系统中常用的调制方式是相移键 控，如BPSK，QPSK和OQPSK等。

一.BPSK调制

BPSK直扩系统数学表达式 发送端 接收端 可以看出，混频器输出信号中不再含有 扩频码，即扩频信号被解扩了，而由信 息码d(t)仍保留在中频信号中。

基本原理：用一频率系列 经和频和差频(利用混频方法)获得大量 的合成频率。
直接式频率合成器


使用混频方法的直接式频率合成器必须 用滤波器来取出和频和差频。当合成频 率数很多时，滤波器的数目太多，在工 程上无法实现。 在实际中直接式频率合成通常是用混频 和分频基本单元级联而成的，能提供随 机选取上千个以至上百万个跳变频率的 频率合成器。
基本单元的级联
点 1 2
频带(MHz) 192.5~207.5 48.125~51.875
频率间隔(kHz) 5000 1250 4 4
频率数
3
4 5 6 7 8 9 10 11
190.625~209.375
47.65625~52.09375 190.15625~209.59375 47.534062~52.398437 190.034062~20.898437 47.508515~209.974609 190.008515~209.974609 47.502128~52.493652 190.002128~209.993652

DDS输出信号的频率与参考时钟频率及 控制字之间的关系： K
f0 2
N
fR

1 频率分辨率：f N f R 2


DDS的优点：
(1) 频率分辨率高。取决于相位累加器的字长 f R / 2N ， N及参考时钟频率fR，频率分辨率为 只要N足够大，就可获得足够高的分辨率，一 般可达mHz级。 例3.2-3 DDS的参考时钟频率为50MHz，相位 累加器字长为40位，求频率分辨率为多少？ (4.55×10E(-5)Hz)
1178.5
277.343 303.710 76.005 775.950 19.399 19.498 4.874 2.441
16
16 64 64 256 256 1024 1024 4096
直接式频率合成器优点与缺点


优点： 具有频率分辨率高、转换速度快(微秒级)、工作稳 定可靠、输出信号频谱纯度高等优点。 缺点： (1) 由于采用大量的混频、分频和滤波等模拟硬件 设备，不能实现单片集成，体积大、电路复杂、 成本高。 (2)由于任一信号的输出都必须通过多级滤波器， 影响跳频时间最关键的是带通滤波器的延迟特性。 多级级联滤波器的总时延将限制跳频器的跳变速 率。
3.1.2直扩信号的解扩

一. 直接式相关解扩

直接式相关解扩的优缺点 优点：结构简单 缺点：对干扰信号有直通现象。

二. 外差式相关解扩 外差式相关解扩是将本地参考扩频序列 和某个中频载波的乘积与接收信号进行 相关运算，在解扩的同时完成了混频， 将原调制信号的频率从射频搬移到中频。
3.1.6直扩系统的几个参数及抗干扰能力

一.直扩系统的射频带宽 直扩系统的射频带宽与信息带宽决定了 系统的处理增益，因此射频带宽是直扩 系统的重要参数。

总功率的90.3%包含 在等于2倍码比特速 率的带宽内；总功率 的95%包含在等于4 倍码比特速率的带宽 内；总功率的96.6% 包含在等于6倍码比 特速率的带宽内。
3.2 跳频扩频系统
3.2.1简单回顾
跳频系统各点信号波形示意图(未考虑信息信号)
3.2.2 跳频系统的频谱
信道间隔△f≥2B
△f<2B

例3.2-1若允许射频带宽BRF＝10MHz，信 源的数据速率是1kb/s，为确保邻近频道 不发生串扰，求跳频频道数。
3.2.3 跳频信号的产生

2.间接式频率合成器
锁相(PLL)频率合成又称为间接式频率合成。 工作原理：参考频率通过锁相环控制一个可变振荡器，得 到不同的输出频率。 当环路锁定以后，有 f 0 NfR ，输出频率 f 0 完全由参 考频率 f R 和可变分频器的分频比N决定。


间接式频率合成的优缺点 优点： 频率稳定度取决于参考频率的稳定度， 因而一般有较高的频率稳定度。 结构简单、体积小、易集成。

一.锁相环解调器的基本原理

二.平方环解调器 为何要使用平方环？ 因为为了防止载波泄露，现在的调制方式都是 采用抑制载波的平衡调制，载波都被抑制了几 十dB，因此很难用普通的锁相环将载波提取出 来。因此可以采用平方的办法产生二倍频分量， 再用锁相环跟踪二倍频分量，最后再通过二分 频并90°移相的办法产生本地载波。


缺点： 存在转换时间与频率分辨率之间的矛盾。锁相 环中环路滤波器的带宽越窄，输出信号的频谱 越纯，相位噪声越小，但频率捕获的时间就越 长，从而增加频率转换时间。 因此一般的锁相频率合成器难以同时满足频率 合成器在频带带宽、频率分辨率和频率转换时 间等多方面的性能要求。

解决转换时间与频率分辨率之间的矛盾可采用双锁相 环路。


单个锁相环的频率锁定时间，要远小于频率驻留时间， 限制了频率分辨率或跳频速率。采用双环技术，两个 锁相环轮流输出，跳频速率可以大大提高。 如单个频率合成器的锁定时间为100微秒，驻留时间为 900微秒，则系统跳频速率为1000跳/s。如采用双环， 则在一个环锁定的同时，另一个环输出。设锁定时间 和驻留时间都为200微秒，不但增加了频率分辨率，而 且跳数增加为5000跳/s。


通常取功率谱主瓣的宽度为直扩系统的 射频带宽。 直扩系统的射频带宽的大小。

二.直扩系统的处理增益 处理增益表明了系统抗干扰能力的大小。 直扩系统的处理增益的计算
Rc Gp Rb

Biblioteka 直扩系统的处理增益不可能无限制地增加，原 因 (1)射频带宽不能太高，因为伪码时钟速率越高， 对于伪码发生器电路的要求就越高。 (2)当伪码速率增大到一定程度以后，干扰电平 减小到与接收机热噪声电平相当，这时若再继 续增大伪码速率，对接收机输出信噪比改善并 不明显。 例3.1-1见教材P51