第3章_直接序列扩频通信系统

直接序列扩频通信系统一、概述用高速PN码直接与待传送信息符号相乘简单易行、应用广泛本节以BPSK调制为例二、DS/BPSK工作原理待传送信息符号dn的BPSK调制：1,cos22sin200nnnnnnctsctScdcdtStx1,cos22sin200nnndtSddtStsDS符号dncn的BPSK调制：二、DS/BPSK工作原理DS/BPSK调制器框图BPSK调制ncndtxPN发生器ndtsncPN发生器BPSK调制tx二、DS/BPSK工作原理DS/BPSK发射/接收系统BPSK解调nctyrPN发生器ndtsncPN发生器BPSK调制txtr信道发射端接收端tJtntTb0cos2rtrbTdt0二、DS/BPSK工作原理接收机端bbbnnSTEnEdrtNtstyctrtntJtxty,如果设n是双边功率谱密度为n0/2的AWGN，则02Pr1|0PrnEQEndrPbbnb三、DS/BPSK抗干扰能力分析以下假设BPSK解调器的传递函数为H(f)；c(t)≡cn。1.抗窄带噪声能力（对应J(t)=0的情况）BPSK解调器输入噪声：tntctNncNRRRfPfPfPncNbnnffdffPS,三、DS/BPSK抗干扰能力分析因为0002022211111kkbkkbkkbckkbcckffpTkfpTkffTSapTkffTSappfpfP三、DS/BPSK抗干扰能力分析所以BPSK解调器输出噪声：fPfPfHfPfHfPncNN22001kkbnnckffPpfPfPpSSSpdfffPdfffPpdffPfPdffPSnnnfbnfbnffncffNNbbbbbbb22110000三、DS/BPSK抗干扰能力分析2.抗单频干扰能力（对应n(t)=0的情况）设BPSK解调器输入噪声：tJtctNJcNRRRfPfPfPJcN0002cosffffSfPSRJJJJtStJJ0cos2三、DS/BPSK抗干扰能力分析假设PN码的自相关函数是理想的三角波，则cccccccfTSaTfPTTTR2,0,1所以，在f0附近，cJcccJcJTSTffSaTffSaTSfPfP220202三、DS/BPSK抗干扰能力分析BPSK解调器输出噪声：fPfPfHfPfHfPJcNN220pSfTSdfTSdffPfPdffPSJbcJffcJffJcffNNbbbbbb22200三、DS/BPSK抗干扰能力分析3.抗多径干扰能力00201coscostAtytAtyty2ty1ty002022220cos12cos2cosAAAAxtxty令2,2220xSAS则合成信号功率为：00cos12SS三、DS/BPSK抗干扰能力分析若采用具有白噪声统计特性的信号形式，同样的前提下，合成信号的功率为：000*2222120122SrSRRSttEtEtEttES三、DS/BPSK抗干扰能力分析若采用具有限带白噪声统计特性的信号形式，功率谱密度函数和自相关函数分别为：00210cos2others,0,SaSRSP120122100cos212SaSS合成信号功率为：三、DS/BPSK抗干扰能力分析若采用m序列，其理想自相关函数为：others,0,12ccTTARothers,2,11200STTSScc合成信号功率为：四、DS-SS系统的扩频码同步技术（一）概述载波同步位同步群同步扩频码同步：分为两个阶段第一阶段：扩频码序列的捕获（相位误差在0.5码片宽度内）第二阶段：扩频码序列的跟踪（进一步减小相位误差，并能在包括噪声、时钟基准频率源的不稳定和运动的多普勒频移等各种外来因素干扰下也能保持高精度的相位对齐）捕获和跟踪过程如下图所示四、DS-SS系统的扩频码同步技术捕获和跟踪过程捕获过程跟踪过程四、DS-SS系统的扩频码同步技术扩频码同步的技术指标1.平均捕获时间指捕获系统从开始搜索到进入跟踪阶段的平均时间，反映了捕获系统的灵敏性；2.平均失锁时间指跟踪系统能维持同步的平均时间，反映了跟踪系统的鲁棒性；3.同步精度指在同步完成后，恢复的PN码相位和输入的PN码相位之间的偏差，包括静态相位误差和动态相位误差（相位抖动）两个指标。反映了跟踪系统的可靠性；四、DS-SS系统的扩频码同步技术（二）扩频码捕获技术原理利用PN序列尖锐的自相关特性和尽可能小的互相关特性来完成的；关键是相关检测器的设计和搜索相关值的方法；目的综合考虑实现复杂度，使平均捕获时间最小。四、DS-SS系统的扩频码同步技术1、相关检测器结构相关、积分、比较相关积分比较本地PN码门限输入输出由于干扰和噪声的作用，检测器可能做出错误判决。衡量检测器可靠性的两个概率参数：检测概率Pd和虚警概率Pfa。相干检测器相关检测器非相干检测器固定时间积分可变时间积分（序贯检测）有源相关（低速检测）无源相关（匹配滤波）单驻留时间多驻留时间四、DS-SS系统的扩频码同步技术SAW型、SAW卷积器、数字低通型分类带通型、低通型四、DS-SS系统的扩频码同步技术非相干带通型相关检测器结构相关BPF比较本地PN码门限输入输出积分()2四、DS-SS系统的扩频码同步技术非相干低通型相关检测器结构相关LPF比较本地PN码门限输入I输出相加()2相关LPF输入Q()2四、DS-SS系统的扩频码同步技术2、非相干有源相关检测器——单驻留时间积分原理本地PN码序列发生器以与发射机码序列发生器相同的速率与输入信号相乘（相关）后积分，累加完成一个完整的PN码周期后将累加值与门限进行比较，超出门限则认为达到同步进入跟踪阶段；如果低于门限则调整本地PN码输出时钟使输出PN码错过一个相位进行下一次捕获，直至捕获成功为止。设PN码周期为N，每一个码片分为两个观测相位，因此整个PN码周期长度共有Q=2N个观测相位，单驻留积分时间为T。Q个观测相位中只有一个同步相位，其余为非同步相位。四、DS-SS系统的扩频码同步技术捕获性能分析非相干有源相关检测器捕获性能分析普遍采用马尔可夫链模型，对应于同步相位和非同步相位，马尔可夫链的节点分为同步节点（Q）、非同步节点（i）和捕获完成节点（F）。设节点Q为同步节点，节点i（i=1,2,…,Q-1）为非同步节点，节点F为捕获完成节点。系统从节点s开始搜索，依次为s+1、s+2、…、Q-1、Q、1、2、…、s-1。节点与节点之间的转换有以下几种：z为延时算子，其指数代表以积分时间T为单位的总延时；判断虚警要经过K个积分时间，称为虚警惩罚时间；状态转移函数节点i节点i+1节点FAzPfazPfa1Kz四、DS-SS系统的扩频码同步技术（1）非同步节点i到非同步节点i+1之间的转换zPzPzHfaKfa11到捕获完成节点F的状态转移函数到捕获节点1的状态转移函数四、DS-SS系统的扩频码同步技术（2）同步节点Q到捕获完成节点F和节点1之间的转换zPzHdF节点QF节点1zPd1zPdzPzHd11当初始节点s位于同步节点Q时，捕获系统的转移函数为四、DS-SS系统的扩频码同步技术（3）各节点之间的转换关系zzHPzPzHzHzHzAQddQFQ111111节点Q-1节点1H(z)H(z)H1(z)HF(z)H(z)H(z)节点2节点s节点F节点Q当初始节点s位于非同步节点i时，捕获系统的转移函数为四、DS-SS系统的扩频码同步技术其捕获时间最短，为TPKPQPdzzdATTdfadzQQacq11111zzHPzzHPzHzHzHzHzAQdiQdQiQFi111111其捕获时间为TKPiQTPKPQPdzzdATTfadfadziiacq111111假设初始节点s位于各节点i的概率为1/Q，则平均捕获时间为四、DS-SS系统的扩频码同步技术当i=1时，属于最坏情况，捕获时间最长，其值为TPKPQTdfaacq1111QTPKPPTPKPQPTKPQTPKPQPTQTdfaddfadfadfadQiiacqacq21221122121111111实际中，Pd1，Pfa0，因此平均捕获时间大于NT。综上所述，平均捕获时间较长，与以下因素有关，且互相牵连：积分时间T检测概率Pd虚警概率Pfa四、DS-SS系统的扩频码同步技术在无噪声、无干扰的理想情况下，Pd=1，Pfa=0，则NTQTTacq21四、DS-SS系统的扩频码同步技术3、非相干有源相关检测器——多驻留时间积分概述单驻留时间积分非相干有源相关检测器电路简单，但平均捕获时间较长。由于检测概率、虚警概率和积分时间互相牵制，其平均捕获时间难以减少。为了解决这一问题，可以采用多个积分器，称为多驻留时间积分非相干有源相关检测器。如果能够快速排除大量非同步状态，又能维持虚警概率基本不变，从平均的观点看，其平均捕获时间会大大减少，这就是多驻留时间积分非相干有源相关检测器的基本思想。相关积分1比较本地PN码门限1输入输出积分2比较门限2输出控制四、DS-SS系统的扩频码同步技术原理积分器1的积分时间较短，积分器2的积分时间较长。四、DS-SS系统的扩频码同步技术捕获性能分析假设：1、积分器j的积分时间为Tj，其检测概率为Pdj，虚警概率为Pfaj，zj为对应Tj的延时算子；2、总积分时间为T=T1+T2；3、虚警惩罚时间为KT；4、两个条件概率Pd1/1、Pfa2/1。节点i节点i+1节点FA211/21zzPPfafa111zPfaKz2211/211zzPPfafa状态转移函数四、DS-SS系统的扩频码同步技术（1）非同步节点i到非同步节点i+1之间的转换211/21111211/2111zzPPzPzzPPzHfafafaKfafa节点QF节点1111zPd211/21zzPPdd211/211zzPPdd到捕获完成节点F的状态转移函数到节点1的状态转移函数四、DS-SS系统的扩频码同步技术（2）同步节点Q到捕获完成节点F和节点1之间的转换211/21zzPPzHddF211/2111111zzPPzPzHdd