第6章 扩频码的同步捕获-2014春
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特点： DS系统和频率FH系统都适用；特别适用于对接收机体积、重 量和成本有严格限制的系统。 （1）接收机简单； （2）抗干扰能力差： 以降低系统抗干扰性能、加大接收机输出噪声或降低输 出信噪比为代价。
特点： 本地参考码由发射机产生，再发送到接收机。扩频码 同时对两载波进行调制，信息仅对载波fc1调制，两载 波相差一中频 。接收机混频后为已解扩的中频信号。
则2N个相关器中，第i个输出最大：
TD iT iT vi (t ) A c(t Td )c(t c )dt N (t )c(t c )dt 0 0 2 2 ATD (1 ) Ni (TD ) TD
v j (t ) ATD Rk ( j i ) N j (TD )
设扩频码序列长为N，码元宽度Tc，周期NTc 。 设检测概率为Pd =1 ，虚警概率为Pfa = 0 ，搜索相位改变增量为Tc/2 ，则: 最大同步捕获时间： 最小同步捕获时间：
T AC max 2 NTD
T AC min TD
平均同步捕获时间（各相位等概出现）
图6-5 扩频码序列相位搜索捕获法
6.2 扩频码同步捕获方法
同步捕获分类：
根据使用器件不同： 相关器同步捕获，匹配滤波器同步捕获等，匹配滤波器同步 捕获又有： 声表面波器件（Surface Acoustic Wave，SAW）同步捕获； 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）同步捕获。 小结： 不论如何分类，都是通过调整本地参考扩频码的相位，求解 扩频码相关函数值，尽可能准确地估计出接收扩频码相位。 在简化同步捕获设备量的同时缩短同步捕获时间。
2014-04-09 4
6.1 扩频码的同步
6.1 扩频码的同步 扩频码同步方法： 发射参考信号法； 统一定时法； 突发同步法； 自同步法；
2014-04-09
图6-1 扩频通信系统原理框图
5
2014-04-09
6
哈尔滨工业大学通信技术研究所
1
6.1.1 发射参考信号法
6.1.1 发射参考信号法
6.1.2 统一定时法： 在卫星通信中已得到应用。 在统一定时扩频通信系统中，可以采用像原子钟（铷 钟，铯钟）那样准确度极高的时钟。 若卫星轨道参数可以精确知道，传输延迟也可精确计 算出来。接收机只要经过极短的搜索时间就可捕获接 收到的扩频码信号，从而实现扩频码同步。 空间应用的原子时钟： 铯钟；精度最高、(2000万年差 1 秒)，GPS系统 铷钟； 氢钟；
Rk ( j i )
τ Tc
r 1 λ
( j i)
Tc17
2014-04-09
18
哈尔滨工业大学通信技术研究所
3
6.1.4 自同步法
其它相关器输出 ： 所以，在λ＞r 的情况下，下列不等式成立
6.1.4 自同步法
扩频码同步捕获时间:
TAC TD
其中， TD Tc rTc ,
23 2014-04-09 24
2014-04-09
哈尔滨工业大学通信技术研究所
4
6.2.1 搜索区域的确定
无码相位信息： 通常假设相位在2N个单元中服从均匀分布。只能采用顺序搜 索办法。搜索可以从2N个单元位置中的任意一个开始，直到 获得扩频码同步捕获为止。 已知码相位信息： 如果已有扩频码相位先验信息，则不宜采用顺序搜索。 例如：GPS接收机，在上一次接收卫星信息时，通过卫星的 授时系统修正接收机时钟，使得接收机的时钟与卫星时钟基 本保持一致；通过上一次扩频码同步信息就可以推断出本次 接收信号中扩频码可能相位。
TAC
TAC max TAC min 1 ( N )TD NTD 2 2
(6-2)
只使用一个相关器；积分时间为0→TD； 本地参考扩频码相 位状态变化量为Tc/2 。
2014-04-09 27
结论：序列相位搜索捕获法平均同步捕获时间，比使用2N个 扩频码序列相关器捕获时间约大N倍。
2014-04-09
2014-04-09
■
9
石英晶体：误差每天不大于千分之一秒
10
6.1.3 突发同步法： 原理： 发射机发射一个短促的高功率低占空比脉冲信号， 给接收机提供快速同步信息，告诉接收机随后而来 的是DSSS信号或FHSS信号的起始相位（起始时 间）。 特点： 信号突然发射，突然消失，容易被干扰者（敌方） 忽视，即使要进行干扰也要连续发射大功率的干扰 信号才能奏效。
( j i) 0
Rk ( j i ) 是扩频码中长为λ个码元的部分自相关，一般当λ>r
式中：
Td i 1 为归一化时间差。 Tc 2 2
时，有：
RN ( )
2014-04-09
1 NTc
NTc 0
c(t )c(t )dt
N 1 1 N Tc RN ( τ ) 1 N
2014-04-09 25
Hale Waihona Puke Baidu
6.2.1 搜索区域的确定
已知码相位信息： 若已知扩频码相位所在位置先验概率P(k) ，首先应搜索那些 最可能的扩频码相位单元，而后搜索次可能相位单元。 例如： 假设扩频码相位服从高 斯分布，较合理的搜索 方法是先搜索以最可能 的相位位置为中心的一 个标准偏差范围内的单 元。如没有搜到，扩大 到两个标准偏差范围， 依此类推。
2014-04-09 12
■
11
哈尔滨工业大学通信技术研究所
2
6.1.4 自同步法
6.1.4 自同步法
图6-3 扩频码序列的同步捕获原理
说明：采用2N个相关器。使用同一本地参考码序列，相位各 不相同，依次滞后半个码元。积分器采用积分-清零方 式。 2N个结果哪个最大，对应的码相位就是输入序列 相位状态（接近），从而实现扩频码序列同步捕获。
图6-4 高斯分布时搜索区域的确定示意图
2014-04-09
26
6.2.2 序列相位搜索捕获法
工作原理： 扩频码捕获原理用2N个并联相关器结构来实现，设备量太大。 可以使用一个相关器来完成扩频码相位的搜索，称为扩频码 序列相位搜索法。
6.2.2 序列相位搜索捕获法
性能分析：
（1）无漏检和虚警情况； （2）有漏检和虚警情况； （1）无漏检和虚警情况；
2014-04-09 19
2r 1 N
特点： ① 扩频码同步捕获时间最短； ② 使用2N个相关器，当N＞＞1时，扩频码同步捕获电路设备 量很大。 例如：当N＝2047时（处理增益为33.1dB），同步捕获要 用4094个相关器，过于庞大。
2014-04-09 20
6.2 扩频码同步捕获方法
本地载波：
TD Tc ,
ˆ t ˆ0 ) 2 cos(2πf 0
积分器输出：
2r 1 N
若载波已同步(频率和相位都同步)，低通滤波器输出为：
vi (t ) A
TD 0
c(t Td )c(t
v (t ) Ad (t Td )c(t Td ) N (t )
本章内容：
扩频码同步捕获问题是扩频通信中的一个核心问题。 理论上：扩频码同步捕获原理就是计算并比较扩频码在 2N 个相位状态下的相关值。 工程上：扩频码同步捕获包含两方面内容: （1）设备简单 （2）时间短 同步捕获步骤： （1）确定搜索扩频码的相位区域 （2） 调整本地参考扩频码相位 （3） 求解扩频码相关函数值 （4） 对相关值进行判决
2014-04-09
6.1.4 自同步法
自同步的理论依据： 基于接收码字序列本身所作的任何一种测度，只要同步和非 同步状态能显示出明显差别，就可用于鉴别同步，一切同步 技术根本原理。 扩频码同步捕获依据 伪随机码序列由于具有优良自相关特性，码序列同步时，相关 函数取最大值；不同步时，相关函数取值较小或接近零。 同步捕获操作 接收机选择和调整本地参考码序列相位，使它与接收扩频码序 列相位一致。此过程就是捕获接收码序列相位的过程，又称为 扩频码序列初始同步。
2014-04-09 13 2014-04-09 14
6.1.4 自同步法
扩频接收机接收信号：
6.1.4 自同步法
假设：积分时间TD 小于信息码元Tb，则d(t)可用一固定电平 信号(如+1)代替。
r (t ) Ad (t Td )c(t Td ) cos(2πf 0t 0 ) N (t )
本章内容：
第六章
扩频码 同步捕获
2014-04-09
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
扩频码的同步 扩频码同步捕获方法 匹配滤波器同步捕获法 声表面波器件捕获法 滑动相关捕获法 跳频系统的同步捕获
2
引言： 扩频码同步： 扩频码同步是指到达接收机的扩频编码信号与本地 参考扩频信号，在码图案位置和码时钟速率，在时 间上都是准确一致的。 扩频通信体制成败的关键性问题； 所有扩频通信系统必不可少环节； 对期望信号实现解扩和对非期望信号进行频谱扩 展的关键；
2 3 T fa TD Pfa 2TD Pfa 3TD Pfa
存在虚警情况：
虚警惩罚时间(False Alarm Penalty Time) 假如某次积分处理出现虚警，则相位搜索控制电路不改变本地 码相位，再作一次积分处理来证实是否发生虚警。 若此次积分处理不发生虚警，即证实前次积分处理是一次虚警， 则下次积分处理将使相位改变Tc/2 ，接着重新开始搜索。 两次积分处理，本地参考码相位仅改变了Tc/2 ，出现虚警后的 这次积分处理仅证实虚警发生，对相位改变毫无贡献，将此时 间称为虚警惩罚时间，表示由于虚警浪费的时间。
2014-04-09 15 2014-04-09
TD iTc iT )dt N (t )c(t c )dt 0 2 2 i 0, 1, 2, , 2 N 1
16
6.1.4 自同步法
若相位延迟Td 满足：
iTc (i 1)Tc Td 2 2
6.1.4 自同步法
其它相关器输出 ：
21 2014-04-09 22
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
2014-04-09
扩频码的同步 扩频码同步捕获方法 匹配滤波器同步捕获法 声表面波器件捕获法 滑动相关捕获法 跳频系统的同步捕获
6.2 扩频码同步捕获方法
同步捕获分类：
根据区域搜索方法： 相位顺序搜索法，相位概率分布搜索法等； 根据改变本地参考码相位方法： 序列相位步进捕获法，序列滑动相关捕获法等； 根据同步捕获判决方法： 单积分判决和多积分判决同步捕获等；
2014-04-09 3
引言： 扩频码同步包含两个步骤： （1）同步捕获(Acquisition，粗同步)： 使本地参考码与接收码的相位（延时）之差小于半 个码元（切普）宽度，要求本地振荡中心频率精确 到使解扩后信号频谱落在中频滤波器的通频带之内， 保证解调器能很好地工作。 （2）同步跟踪(Tracking，精同步)： 同步捕获后，本地参考码必须尽可能精确跟踪接收 信号的变化，使本地参考码相位与接收码相位的差 别尽可能的小，以期在相关器获得最大相关输出。
2014-04-09 7 2014-04-09
只要能进入接收机射频通道的两个频率差为fIF 的干扰信 号都能对接收机造成干扰，而不受扩频处理增益抑制。 接收机参考信号不是本地产生，而是经传输得到，在传 输过程中必然会受到干扰或噪声的污染而使接收机输出 噪声增大。
8
6.1.1 发射参考信号法
特点： （3）效率低： 从能量角度看，由于载波fc2不携带信息，对输出信噪比 改善毫无贡献，浪费发射机功率资源。 （4）不适用于CDMA体制： 作为地址码的扩频序列，由发射机产生，系统内任一接 收机都能接收系统内任一发射机发出的信号。
vi (t ) v j (t )
j 0, 1,
2,, 2 N 1, 但j i
因此，若vi(t)最大，可知道 c(t iTc / 2) 最接近接收扩频码序列 iTc / 2 就是同步捕获电 的相位，实现了扩频码序列的同步捕获， 路给出的本地参考码的同步相位，即对Td的粗略估计值。
2014-04-09 28
6.2.2 序列相位搜索捕获法
（2）有漏检和虚警情况；
存在虚警情况； 存在漏检情况； 综合考虑情况；
6.2.2 序列相位搜索捕获法
（2）有漏检和虚警情况； 存在虚警情况： 若证实虚警发生的这次积分处理又发生了虚警，即接连出现两 次虚警。由于虚警后本地参考码相位不发生变化，所以连续出 现两次虚警惩罚时间为2TD。同理，连续出现三次虚警的惩罚 时间为3TD ，…。则完成一次成功捕获的虚警惩罚时间为：
特点： 本地参考码由发射机产生，再发送到接收机。扩频码 同时对两载波进行调制，信息仅对载波fc1调制，两载 波相差一中频 。接收机混频后为已解扩的中频信号。
则2N个相关器中，第i个输出最大：
TD iT iT vi (t ) A c(t Td )c(t c )dt N (t )c(t c )dt 0 0 2 2 ATD (1 ) Ni (TD ) TD
v j (t ) ATD Rk ( j i ) N j (TD )
设扩频码序列长为N，码元宽度Tc，周期NTc 。 设检测概率为Pd =1 ，虚警概率为Pfa = 0 ，搜索相位改变增量为Tc/2 ，则: 最大同步捕获时间： 最小同步捕获时间：
T AC max 2 NTD
T AC min TD
平均同步捕获时间（各相位等概出现）
图6-5 扩频码序列相位搜索捕获法
6.2 扩频码同步捕获方法
同步捕获分类：
根据使用器件不同： 相关器同步捕获，匹配滤波器同步捕获等，匹配滤波器同步 捕获又有： 声表面波器件（Surface Acoustic Wave，SAW）同步捕获； 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）同步捕获。 小结： 不论如何分类，都是通过调整本地参考扩频码的相位，求解 扩频码相关函数值，尽可能准确地估计出接收扩频码相位。 在简化同步捕获设备量的同时缩短同步捕获时间。
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6.1 扩频码的同步
6.1 扩频码的同步 扩频码同步方法： 发射参考信号法； 统一定时法； 突发同步法； 自同步法；
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图6-1 扩频通信系统原理框图
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哈尔滨工业大学通信技术研究所
1
6.1.1 发射参考信号法
6.1.1 发射参考信号法
6.1.2 统一定时法： 在卫星通信中已得到应用。 在统一定时扩频通信系统中，可以采用像原子钟（铷 钟，铯钟）那样准确度极高的时钟。 若卫星轨道参数可以精确知道，传输延迟也可精确计 算出来。接收机只要经过极短的搜索时间就可捕获接 收到的扩频码信号，从而实现扩频码同步。 空间应用的原子时钟： 铯钟；精度最高、(2000万年差 1 秒)，GPS系统 铷钟； 氢钟；
Rk ( j i )
τ Tc
r 1 λ
( j i)
Tc17
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3
6.1.4 自同步法
其它相关器输出 ： 所以，在λ＞r 的情况下，下列不等式成立
6.1.4 自同步法
扩频码同步捕获时间:
TAC TD
其中， TD Tc rTc ,
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6.2.1 搜索区域的确定
无码相位信息： 通常假设相位在2N个单元中服从均匀分布。只能采用顺序搜 索办法。搜索可以从2N个单元位置中的任意一个开始，直到 获得扩频码同步捕获为止。 已知码相位信息： 如果已有扩频码相位先验信息，则不宜采用顺序搜索。 例如：GPS接收机，在上一次接收卫星信息时，通过卫星的 授时系统修正接收机时钟，使得接收机的时钟与卫星时钟基 本保持一致；通过上一次扩频码同步信息就可以推断出本次 接收信号中扩频码可能相位。
TAC
TAC max TAC min 1 ( N )TD NTD 2 2
(6-2)
只使用一个相关器；积分时间为0→TD； 本地参考扩频码相 位状态变化量为Tc/2 。
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结论：序列相位搜索捕获法平均同步捕获时间，比使用2N个 扩频码序列相关器捕获时间约大N倍。
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石英晶体：误差每天不大于千分之一秒
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6.1.3 突发同步法： 原理： 发射机发射一个短促的高功率低占空比脉冲信号， 给接收机提供快速同步信息，告诉接收机随后而来 的是DSSS信号或FHSS信号的起始相位（起始时 间）。 特点： 信号突然发射，突然消失，容易被干扰者（敌方） 忽视，即使要进行干扰也要连续发射大功率的干扰 信号才能奏效。
( j i) 0
Rk ( j i ) 是扩频码中长为λ个码元的部分自相关，一般当λ>r
式中：
Td i 1 为归一化时间差。 Tc 2 2
时，有：
RN ( )
2014-04-09
1 NTc
NTc 0
c(t )c(t )dt
N 1 1 N Tc RN ( τ ) 1 N
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6.2.1 搜索区域的确定
已知码相位信息： 若已知扩频码相位所在位置先验概率P(k) ，首先应搜索那些 最可能的扩频码相位单元，而后搜索次可能相位单元。 例如： 假设扩频码相位服从高 斯分布，较合理的搜索 方法是先搜索以最可能 的相位位置为中心的一 个标准偏差范围内的单 元。如没有搜到，扩大 到两个标准偏差范围， 依此类推。
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6.1.4 自同步法
6.1.4 自同步法
图6-3 扩频码序列的同步捕获原理
说明：采用2N个相关器。使用同一本地参考码序列，相位各 不相同，依次滞后半个码元。积分器采用积分-清零方 式。 2N个结果哪个最大，对应的码相位就是输入序列 相位状态（接近），从而实现扩频码序列同步捕获。
图6-4 高斯分布时搜索区域的确定示意图
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6.2.2 序列相位搜索捕获法
工作原理： 扩频码捕获原理用2N个并联相关器结构来实现，设备量太大。 可以使用一个相关器来完成扩频码相位的搜索，称为扩频码 序列相位搜索法。
6.2.2 序列相位搜索捕获法
性能分析：
（1）无漏检和虚警情况； （2）有漏检和虚警情况； （1）无漏检和虚警情况；
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2r 1 N
特点： ① 扩频码同步捕获时间最短； ② 使用2N个相关器，当N＞＞1时，扩频码同步捕获电路设备 量很大。 例如：当N＝2047时（处理增益为33.1dB），同步捕获要 用4094个相关器，过于庞大。
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6.2 扩频码同步捕获方法
本地载波：
TD Tc ,
ˆ t ˆ0 ) 2 cos(2πf 0
积分器输出：
2r 1 N
若载波已同步(频率和相位都同步)，低通滤波器输出为：
vi (t ) A
TD 0
c(t Td )c(t
v (t ) Ad (t Td )c(t Td ) N (t )
本章内容：
扩频码同步捕获问题是扩频通信中的一个核心问题。 理论上：扩频码同步捕获原理就是计算并比较扩频码在 2N 个相位状态下的相关值。 工程上：扩频码同步捕获包含两方面内容: （1）设备简单 （2）时间短 同步捕获步骤： （1）确定搜索扩频码的相位区域 （2） 调整本地参考扩频码相位 （3） 求解扩频码相关函数值 （4） 对相关值进行判决
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6.1.4 自同步法
自同步的理论依据： 基于接收码字序列本身所作的任何一种测度，只要同步和非 同步状态能显示出明显差别，就可用于鉴别同步，一切同步 技术根本原理。 扩频码同步捕获依据 伪随机码序列由于具有优良自相关特性，码序列同步时，相关 函数取最大值；不同步时，相关函数取值较小或接近零。 同步捕获操作 接收机选择和调整本地参考码序列相位，使它与接收扩频码序 列相位一致。此过程就是捕获接收码序列相位的过程，又称为 扩频码序列初始同步。
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6.1.4 自同步法
扩频接收机接收信号：
6.1.4 自同步法
假设：积分时间TD 小于信息码元Tb，则d(t)可用一固定电平 信号(如+1)代替。
r (t ) Ad (t Td )c(t Td ) cos(2πf 0t 0 ) N (t )
本章内容：
第六章
扩频码 同步捕获
2014-04-09
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
扩频码的同步 扩频码同步捕获方法 匹配滤波器同步捕获法 声表面波器件捕获法 滑动相关捕获法 跳频系统的同步捕获
2
引言： 扩频码同步： 扩频码同步是指到达接收机的扩频编码信号与本地 参考扩频信号，在码图案位置和码时钟速率，在时 间上都是准确一致的。 扩频通信体制成败的关键性问题； 所有扩频通信系统必不可少环节； 对期望信号实现解扩和对非期望信号进行频谱扩 展的关键；
2 3 T fa TD Pfa 2TD Pfa 3TD Pfa
存在虚警情况：
虚警惩罚时间(False Alarm Penalty Time) 假如某次积分处理出现虚警，则相位搜索控制电路不改变本地 码相位，再作一次积分处理来证实是否发生虚警。 若此次积分处理不发生虚警，即证实前次积分处理是一次虚警， 则下次积分处理将使相位改变Tc/2 ，接着重新开始搜索。 两次积分处理，本地参考码相位仅改变了Tc/2 ，出现虚警后的 这次积分处理仅证实虚警发生，对相位改变毫无贡献，将此时 间称为虚警惩罚时间，表示由于虚警浪费的时间。
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TD iTc iT )dt N (t )c(t c )dt 0 2 2 i 0, 1, 2, , 2 N 1
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6.1.4 自同步法
若相位延迟Td 满足：
iTc (i 1)Tc Td 2 2
6.1.4 自同步法
其它相关器输出 ：
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6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
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扩频码的同步 扩频码同步捕获方法 匹配滤波器同步捕获法 声表面波器件捕获法 滑动相关捕获法 跳频系统的同步捕获
6.2 扩频码同步捕获方法
同步捕获分类：
根据区域搜索方法： 相位顺序搜索法，相位概率分布搜索法等； 根据改变本地参考码相位方法： 序列相位步进捕获法，序列滑动相关捕获法等； 根据同步捕获判决方法： 单积分判决和多积分判决同步捕获等；
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引言： 扩频码同步包含两个步骤： （1）同步捕获(Acquisition，粗同步)： 使本地参考码与接收码的相位（延时）之差小于半 个码元（切普）宽度，要求本地振荡中心频率精确 到使解扩后信号频谱落在中频滤波器的通频带之内， 保证解调器能很好地工作。 （2）同步跟踪(Tracking，精同步)： 同步捕获后，本地参考码必须尽可能精确跟踪接收 信号的变化，使本地参考码相位与接收码相位的差 别尽可能的小，以期在相关器获得最大相关输出。
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只要能进入接收机射频通道的两个频率差为fIF 的干扰信 号都能对接收机造成干扰，而不受扩频处理增益抑制。 接收机参考信号不是本地产生，而是经传输得到，在传 输过程中必然会受到干扰或噪声的污染而使接收机输出 噪声增大。
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6.1.1 发射参考信号法
特点： （3）效率低： 从能量角度看，由于载波fc2不携带信息，对输出信噪比 改善毫无贡献，浪费发射机功率资源。 （4）不适用于CDMA体制： 作为地址码的扩频序列，由发射机产生，系统内任一接 收机都能接收系统内任一发射机发出的信号。
vi (t ) v j (t )
j 0, 1,
2,, 2 N 1, 但j i
因此，若vi(t)最大，可知道 c(t iTc / 2) 最接近接收扩频码序列 iTc / 2 就是同步捕获电 的相位，实现了扩频码序列的同步捕获， 路给出的本地参考码的同步相位，即对Td的粗略估计值。
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6.2.2 序列相位搜索捕获法
（2）有漏检和虚警情况；
存在虚警情况； 存在漏检情况； 综合考虑情况；
6.2.2 序列相位搜索捕获法
（2）有漏检和虚警情况； 存在虚警情况： 若证实虚警发生的这次积分处理又发生了虚警，即接连出现两 次虚警。由于虚警后本地参考码相位不发生变化，所以连续出 现两次虚警惩罚时间为2TD。同理，连续出现三次虚警的惩罚 时间为3TD ，…。则完成一次成功捕获的虚警惩罚时间为：