扩频通信第7章.

1第7章扩频码的同步跟踪2扩频接收机的环路引言扩频接收机有两个环路（1）载波环载波提取采用锁相环技术（2）码环同步跟踪采用延时锁定环路。延时锁定环（DelayLockedLoop，DLL）PLLDLL机理非线性反馈误差产生方式鉴相器/乘法器相关器控制对象VCO输出频率调整对象正弦波、方波的相位扩频码的时延3相干同步跟踪回路利用接收信号相位信息（载波频率和相位精确已知）；非相干同步跟踪回路不利用接收信号相位信息（载波频率未知）。引言扩频系统码跟踪回路分类延迟锁定鉴别器都要利用接收信号与本地参考信号两个不同相位（超前和滞后）之间相关值的差值。全时间相关同步跟踪回路用两个独立相关器构成延迟锁定鉴别器。τ-抖动相关同步跟踪回路单个相关器分时工作构成延迟锁定鉴别器根据相关运算的实现方式，跟踪回路可分为4引言DLL设计要求均方跟踪误差（跟踪抖动）；跟踪动态性能。在发射机和接收机之间有相对运动时，传输延迟Td实际上是时间t的函数Td(t)。同步跟踪回路就是要跟踪这个时间函数。在噪声环境下，DLL带宽的设计要在下面两个因素间折衷考虑回路带宽宽，跟踪的动态性能好，但进入回路的噪声不能被有效滤除，回路跟踪抖动要增大；回路带宽窄，回路内噪声减小，跟踪抖动小，但跟踪的动态性能变差。57.1延迟锁定跟踪环路的理论基础基带相关同步跟踪回路；包络相关同步跟踪回路；-抖动同步跟踪回路；双抖动同步跟踪回路；本课围绕四种环路展开研究67.2基带相关同步跟踪回路基带相关同步跟踪回路组成也称为基带相关延迟锁定回路。由延迟锁定鉴别器、回路滤波器、压控振荡器(VoltageControlOscillator，VCO)与扩频码产生器等组成。77.2.1基带相关同步跟踪回路的鉴别特性11dd1ˆ()()()2cutkActTctTT22dd1ˆ()()()2cutkActTctTT设输入信号为d()2()2()rtActTnt【无噪声情况下】超前与滞后相关支路乘法器输出为n(t)是均值为零、双边功率谱密度为N0/2的基带高斯白噪声式中，k1与k2为超前与滞后相关支路乘法器增益。假设支路完全平衡、参数完全相等，即k1=k2=k。1()ut2()ut与中的时变分量称为码自噪声。由于扩频系统通常要在强干扰或噪声环境下工作，而码自噪声中的大部分分量被相关支路中的低通滤波器滤除，其输出的码自噪声功率远低于干扰或热噪声功率，故在同步跟踪回路分析中可忽略码自噪声影响。码自噪声可以忽略不计如何得到的？87.2.1基带相关同步跟踪回路的鉴别特性/21dd/211ˆ()()()[()]22ccNTcNTckAytctTctTTdtkARNT/22dd/211ˆ()()()[()]22ccNTcNTckAytctTctTTdtkARNT2()ut1()ut与中的直流(缓变)分量通过相关支路中的低通滤波器形成回路的跟踪误差信号。它们的直流分量为式中，NTc是c(t)的周期，而/2dd/2111ˆd22ccNTcccNTcRTctTctTTtNT/2dd/2111ˆd22ccNTcccNTcRTctTctTTtNT式中，是相对时延误差或相对跟踪误差。ddˆ/cTTT为什么这样求？911()22ccccDRTRT1()0ccccTTRT【扩频码c(t)周期很长时】，自相关函数近似为D(ε)直接反映出同步跟踪回路输出信号的时延估值对输入信号的时延的跟踪误差，称为基带相关同步跟踪回路延迟锁定鉴别器的鉴别特性曲线，简称S曲线。dˆTdT7.2.1基带相关同步跟踪回路的鉴别特性延迟锁定鉴别器的输出是两相关支路低通滤波器输出与之差)(2ty)(1ty21(,)()()()etytytkAD(7-5)(7-4)103302233122211()22313222302322NDN延迟锁定鉴别器的鉴别特性曲线7.2.1基带相关同步跟踪回路的鉴别特性将(7-5)带入式(7-4)得11()22ccccDRTRT通常把D(ε)与ε呈线性关系的区域作为跟踪回路的正常工作区域。基带相关同步跟踪回路的正常工作区域为(-Tc/2，Tc/2)。117.3包络相关同步跟踪回路基带相关同步跟踪回路存在的问题1.跟踪回路的输入信号是扩频码c(t)，这就要求扩频码c(t)必须在同步跟踪之前就已经存在，也就是说接收信号必须在扩频码的同步跟踪之前就已经被解调。扩频系统通常都是在信噪比非常低的环境中工作，在未对扩频信号解扩的条件下要完成这种解调是很困难的。另外，调制是相干的，解调之前必须提取相干载波，在信噪比非常低的条件下，提取这种相干载波也是非常困难的。2.任何一个扩频通信系统都是从发射机向接收机传送信息，接收信号是被调制的，而不仅仅是被调制的。在基带相关同步跟踪回路的分析时，我们忽略了信息信号d(t)的存在。当信息信号存在时，延迟锁定鉴别器输出的信号不仅与回路的跟踪误差有关，而且又是信息信号的函数，这样基带相关同步跟踪回路不能正常工作。。dd()()dtTctTd()ctT12图7-4包络相关码跟踪回路的原理框图7.3包络相关同步跟踪回路137.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理回路输入信号dd00()2()()cos(2π)()rtActTdtTftnt本地振荡器输出0IF()22cos2π()bbtfft11d0IF22d0IF1ˆ()2cos2π()21ˆ()2cos2π()2cbcbatkctTTfftatkctTTfft本地输入相关器信号12kkk延迟锁定鉴别器的两支路完全平衡、参数完全相等，即147.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理【忽略噪声情况】，延迟锁定鉴别器的乘法器输出1dddIF0ddd0IF001ˆ()()()cos(2π)21ˆ()()cos2π(2)22ccutkActTctTTdtTftkActTctTTdtTfft2dddIF0ddd0IF001ˆ()()()cos(2π)21ˆ()()cos2π(2)22ccutkActTctTTdtTftkActTctTTdtTfft设中频滤波器的中心频率为fIF，单边等效噪声带宽是Bn。设扩频码c(t)、信息信号d(t)和载波相位0均相互独立。157.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理并设中频滤波器的带宽正好让通过，所以信号u1(t)中，只有的直流分量与的乘积能通过中频滤波器；而的其他分量与的频谱进行卷积后，落在中频滤波器的通带外。IF()cos(2π)bdtftddˆ()(/2)cctTctTTIF()cos(2π)bdtftddˆ()(/2)cctTctTTIF()cos(2π)bdtft均，即ddˆ()(/2)cctTctTT/2dd/211ˆd22ccNTcccNTcTctTctTtRTNT同理/2dd/211ˆd22ccNTcccNTcTctTctTtRTNT的直流分量是在一个周期内对时间求平16两支路中频滤波器输出1dIF02dIF01()()cos(2π)21()()cos(2π)2ccccwtkARTdtTftwtkARTdtTft2221IF02222IF01()1cos(2π22)221()1cos(2π22)22cccckAztRTftkAztRTft7.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理平方器件输出17低通滤波器输出22211(,)()()()2etytytkAD2211()22ccccDRTRT7.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理222122221()221()22cccckAytRTkAytRT延迟锁定鉴别器输出(鉴别特性曲线）（7-30）18223302233122211()22231322233022NDN若系统的扩频处理增益较高，则有（7-31）1()0ccccTTRT（7-5）7.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理19包络相关同步跟踪回路延迟锁定鉴别器S曲线图7-7包络相关码跟踪回路延迟锁定鉴别器的S曲线7.3.1包络相关同步跟踪回路的工作原理20忽略码自噪声的情况下，仅考虑高斯白噪声影响。设输入噪声是带限零均值的高斯白噪声，其双边功率谱密度是N0/2，表示为0000()2()cos(2π)2()sin(2π)csntntftntft超前与滞后相关支路乘法器输出噪声分量为（忽略项）IF02ff1dIF0IF02dIF0IF01ˆ()()cos2π()sin2π21ˆ()()cos2π()sin2π2nccsnccsutkctTTntfntfutkctTTntfntf（7-32）7.3.2包络相关同步跟踪回路的数学模型及跟踪抖动下面，分析低通滤波器输出端噪声特性。21令IF0IF0()()cos(2π)()sin(2π)csntkntftkntft则有1d12d21ˆ()()()21ˆ()()()2ncncutctTTntntutctTTntnt由于噪声和扩频码c(t)相互独立，故进入中频滤波器的噪声功率谱应为它们功率谱的卷积积分，有)(tn12()()()()nnncSfSfSfSf（7-33）7.3.2包络相关同步跟踪回路的数学模型及跟踪抖动22（7-34）由于中频滤波器等效噪声带宽都远小于输入噪声带宽与扩频码带宽，则在中频滤波器的等效噪声带宽内，扩频码功率谱密度函数可近似认为是常数。因此中频滤波器输出的噪声可认为是窄带高斯噪声。可表示为11IF01IF022IF02IF0()()cos(2π)()sin(2π)()()cos(2π)()sin(2π)ncsncswtkntftkntftwtkntftkntft功率谱为112222()()()()()()nnwnwnSfSfHfSfSfHf式中，H(f)是中频滤波器的传输函数。7.3.2包络相关同步跟踪回路的数学模型及跟踪抖动23由于中频滤波器的等效噪声带宽远小于扩频码的带宽，因此有120IFIF022()()02nnnwwnNBffSfSfBff(7-35)0022()02bnnnNBfSfBf(7-36)7.3.2包络相关同步跟踪回路的数学模型及跟踪抖动功率谱形状相同，仅仅是中心频率位于1212(),(),(),()ccssntntntnt零频率处