第5章 扩频信号的解扩与解调-讲义-6页格式

共同点：
系统处理增益Gp都是在相关处理中，把有用的宽带信号变换 成窄带信号，把无用的窄带信号或宽带信号（干扰）变换成 宽带信号，从而降低干扰信号功率谱密度，提高窄带滤波器 输出端信噪比的方式获得的。
扩频信号的相关解扩器一般有两种形式： 直接式相关解扩器 外差式相关解扩器
2012/4/25
10
5.1.2 直接式相关解扩器
将各相关函数合并，得：
RPc
(
,
)
1
2
N N
1
N N
1
( ) (
Tc
k
ຫໍສະໝຸດ Baidu
kTc )
N N
1
( ) (
Tc
k
kNTc )
Tc
( )
Tc
sin(πfTc πfTc
)
2
(
k
kNTc )
1 NTc
(f
k
k) NTc
2012/4/25
29
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
相关器具有很强的微弱信号检测能力
设计良好的相关器（例如乘积检波器），可允许在输入信噪 比低达 -50 ~ -20dB条件下，从强干扰噪声中检测出微弱信 号。因此大多数扩频信号的解扩都使用相关检测器。
2012/4/25
2
引言：
扩频信号解调需要两步来完成 （1）对扩频信号进行解扩/跳； （2）对解扩/跳后的信号进行解调。
【码元同步时间内】，输入扩频码与本地参考扩频码重叠， 并且被变换为中频窄带信号；
【码元不同步时间内】，输入扩频码与本地扩频码不重叠部 分，两者相乘所形成的信号协方差功率不为零，并以噪声形 式输出。其中一部分将落在中频带宽之内，从而降低系统输 出信噪比。
码元同步偏移可造成有用信号输出功率下降及输出噪声功 率增加。因此扩频系统对码元同步要求十分严格。
对DS或FH系统，解扩/跳是通过与本地参考信号相乘来完成。 结构上：本地参考信号在结构上与发端信号相同； 相位上：在时间或相位上与由发端信号同步。
基带信号恢复是传统的解调问题。
2012/4/25
3
本章内容：
5.1 扩频信号的相关解扩 5.2 各类噪声对相关输出的影响 5.3 基带解调与载波同步 5.4 频率跳变信号的解跳和解调 5.5 采用声表面波器件解跳器 5.6 基带信号的同步 5.7 扩频接收机灵敏度与自动增益控制
2012/4/25
16
5.2 各类噪声对相关器输出的影响
噪声对相关器输出的影响因素：
码元同步偏移的影响；
载波抑制度不足和码不平衡的影响；
干扰的影响；
2012/4/25
17
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步发生偏移产生原因：
实际系统，由于收发两端振荡器频率和初始相位的微小差别， 或由于收发信机间电波传播中受到干扰和传输延迟而产生差 别，使接收扩频码与发射扩频码间码元同步发生偏移。
2012/4/25
20
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响分析：
理想同步： Td Tˆd 0
c(t Td )c(t Tˆd ) c2 (t Td ) 1
直流分量；
非理想同步： Td Tˆd 0
c(t Td )c(t Tˆd ) 中不仅包含有直流分量，还包含一些 干扰或噪声分量（不期望）。
DS外差式相关器
FH外差式相关器
（1）输出、输入信号载波频率不同。相关解扩同时，完成信 号混频，变换到中频上，避免载波附近干扰信号直接泄 漏到输出端的可能性，简化接收机设计。
（2）后续电路工作在较低频率，性能更为稳定，可进行标准 化设计和制作。被DSSS和FHSS广泛使用。
2012/4/25
13
2012/4/25
方法：通过求解自相关函数来获得信号的功率谱密度。
2012/4/25
22
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响分析： Pc (t, ) 可分解为*：
Pc (t, ) c(t)c(t Tc ) p(t, ) q(t, )
式中: p(t, ) 是二进制周期函数； q(t, ) 是三电平伪随机函数,原始序列的移位序列。
注意：相乘器可用鉴相器（或环形平衡混频器）来实现，低通 滤波器起到积分的作用。
2012/4/25
6
哈尔滨工业大学通信技术研究所
1
5.1.1 相干通信的基本概念
本地相干参考信号的产生： 相干检测的低通滤波器（积分器）可消除一部分噪声分量， 从而改善接收系统输出信号质量。
在数字传输系统中，特别是PSK信号，采用相干检测可以减少 误码，它在占用功率、带宽和抗干扰等方面性能优越。
完成解扩功能的载波同步及码元同步的是一些特殊的锁相环：
扩频码同步：
延迟锁定环、τ-抖动环、匹配滤波器等。
载波同步：
平方环、科斯塔斯环（Costas环又称同相正交环）等；
码元同步：
包络检波法、延迟相干法等；
2012/4/25
9
5.1.1 相干通信的基本概念
相关解扩：
DSSS和FHSS相关处理（解扩）的过程是一样的。
锁相环路可等效为信号相位的线性系统。可实现对信号相位 最优跟踪（指动态跟踪误差与噪声随机误差的均方值最小）。 从而可实现相干通信。
2012/4/25
8
5.1.1 相干通信的基本概念
相关解扩：
扩频信号：接收端复制一个与发射端扩频码结构相同、码元 同步的本地参考扩频码信号。
相关解扩：收、发两端扩频码同步信号相乘并积分的过程。
相干检测过程与理论上分析的在白噪声干扰下的最佳解调方 法相符。
相干检测性能指标：
与本地参考信号和输入信号的相干程度有关。
2012/4/25
7
5.1.1 相干通信的基本概念
本地相干参考信号的产生： 针对载波，由锁相环路产生：
图5-2 相干参考信号产生原理图
信号检测理论：锁相环路是信号相位检测的最佳估计设备。
图5-5 DS-SS外差式相关器信号频谱
14
本章内容：
5.1 扩频信号的相关解扩 5.2 各类噪声对相关输出的影响 5.3 基带解调与载波同步 5.4 频率跳变信号的解跳和解调 5.5 采用声表面波器件解跳器 5.6 基带信号的同步 5.7 扩频接收机灵敏度与自动增益控制
5.2 各类噪声对相关器输出的影响
5.1 扩频信号的相关解扩
5.1.1 相干通信的基本概念
信号的相干性 相干性（Coherence）
若两个波的相位差别为常数，则其频率必定相同，称这两个 波为相干的。
若两个电信号具有相同振荡频率，相同电矢量振动方向，且 有固定相位差，则它们相干。
注意：即使是相干信号，某些参数也可能是随机的。 例如：实际振荡器，无论相位如何稳定，都会有随机成分。 只要随机成分占的比例很小，可以忽略，或影响可分析和控 制，那么工程上仍可认为是相干信号或部分相干信号。
图5-6 二进制码序列的自相关波形
当不完全同步时（码元同步偏移），有用信号的一部分与 本地参考码的功率谱进行卷积而被展宽为噪声，因此输出 噪声总量取决于同步程度。当完全不同步时，相关器输出 几乎全部为噪声。
2012/4/25
19
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响：
扩频码没有完全同步时，混频过程将产生许多新的频率分量。
2012/4/25
5
5.1.1 相干通信的基本概念
相关运算（Correlation）：
设波形为： r(t) s(t) n(t)
相关运算用一个与s(t) 有密切相干关系的本地信号sr(t) 与r(t) 相乘后积分，即：
r(t)sr (t)dt
图5-1 相干检测原理图
本地信号sr(t)与信号s(t) 频率相同，且相位相干。
RPc ( , )
Pc
(t
,
)
Pc
(t
,
)dt
Rp ( , ) Rq ( , ) Rpq ( , ) Rpq ( , )
Rp ( , ) Rq ( , ) 2Rpq ( , )
技术路线：
0
1/ 2
Rp Rq
( (
, ,
); );
R
pq
(
,
);
1/ 2
1
Rp Rq
( (
码元同步偏移后果：
码元同步偏移在相关处理过程中将导致相关损失——部分有 用信号功率转换为噪声功率，其大小取决于码元同步偏移的 大小，使输出信号质量下降。
2012/4/25
18
哈尔滨工业大学通信技术研究所
3
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响：
m序列自相关器最大输出 发生在两码的相对位移为 0时刻，此时输出信噪比 最大。
(2) 当0 1 / 2时的 Rq ( , )
由于ε≠0 ，乘积中形成一个新的m码分量，该m码结构为原m码 的位移码。
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
(3) 当0 1 / 2时的 Rpq ( , )
整R理q (得 ,： ) ( ) ( k NTc )
Rq
2012/4/25
23
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响分析： 例子：周期N=15的m序列：
码元相对偏移 Tc ； 码元不相同部分宽度为 Tc ；
相同部分宽度为 1 Tc 。
p(t, ) 是周期为Tc 的单极性脉冲信号，
占空比为 Tc Tc / Tc 1 。
5.1.2 直接式相关解扩器
特点：
图5-3 直接式相关解扩器
（1）优点：结构简单； （2）缺点：对于干扰信号有直通现象；
2012/4/25
图5-3 直接式相关解扩器
原因：相关解扩器输入与输出载波频率相同。载波附近的窄 带干扰信号（比有用信号强）有可能绕过相关解扩器， 如通过空间波耦合形式直接泄漏出去。
第五章
扩频信号 解扩和解调
引言：
扩频通信系统接收信号一般很微弱 接收信号功率：10-12~10-15W（-90dBm~-120dBm）； 大气噪声在扩频通带内功率：10-13W（-100dBm）；其它干扰 信号功率更大。有用信号被干扰和噪声所淹没。扩频接收机 一般要在输入端信噪比为-30~0dB条件下进行信号处理。
后果：干扰信号没有参与相关运算就直接到达解扩器输出端， 失去了解扩过程中所获得的处理增益。
注意：直接式相关解扩的抗干扰能力较低，仅用在一些对抗 干扰能力要求不高的系统中。
11
2012/4/25
12
哈尔滨工业大学通信技术研究所
2
5.1.2 外差式相关解扩器
5.1.2 外差式相关解扩器 频谱特性：
特点：
q(t, ) 是双极性脉冲信号，占空比为 ， 码结构是原扩频码位移序列。
2012/4/25
24
图5-7 摘自J.K.霍姆斯《相干扩展频谱系统》 1991 P450-462
哈尔滨工业大学通信技术研究所
4
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响分析：
Pc (t, ) 的自相关函数为：
Gill. W J. and Spilker. J,J “An interesting Decomposition Property for the SelfProducts of Random or Pseudorandom Binary Sequences.” IEEE Trans. Communication Systems. June. 1963
相关器主要作用：
DSSS或FHSS中，使本地参考信号与输入信号进行匹配， 使有用信号达到最大输出，将隐藏在噪声中的载有信息 的信号恢复出来。
相关器输出特点：
相关器输出中，不仅包含有用信号，还有接收系统内部噪 声和外部干扰。
注意：接收系统的不理想不仅使有用信号的输出幅度降 低，而且还以某种噪声形式出现在相关器输出中。
(
,
)
NNNTcTc1(
k
)Tc ( )
k
k(
k(Tc )kNTNc
)
Tc
N(
)
Tc
() k((k
k
(5-1)
NTkcT)c )
2012/4/25
27
Rpq
(
,
)
N
N
( ) (
Tc
k
kTc )
2012/4/25
28
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
(4) 当0 1 / 2时的相关函数
2012/4/25
21
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
码元同步偏移的影响分析： 假设：Td Tˆd Tc , 0 1 为两码的相对时延（同步偏移） 研究： Pc (t, ) c(t)c(t Tc ) 功率谱密度。
PN t T n t
Pc (t, )
PN t T
, ,
); );
Rpq
(
,
);
2012/4/25
RPc
(
,
)
SPc ( f , )
25
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响
(1) 当0 1 / 2时的 Rp ( , )
Rp ( , ) (1 2 ) ( ) ( kTc )
Tc
k
2012/4/25
26
5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响