扩展频谱技术

扩展频谱技术（4）扩频系统的相关接收内容提要•相关接收的最佳接收机•相关接收方法•相关器•跳频器扩频系统的相关接收•扩频信号的接收一般分为两步进行，即解扩与解调，这是关系到系统性能优劣的关键。解扩是在伪随机码同步的情况下，通过对接收信号的相关处理，从而获得处理增益，提高解调器输入端的信噪比（或信干比），使系统的误码性能得以改善。•解扩与解调的顺序一般是不能颠倒的，通常是先进行解扩后进行解调，这是因为在未解扩之前的信噪比是很低的，一般的解调方法很难实现（如载波提取、门限效应等）。相干检测与相关接收•扩频通信系统通常采用信号的相干性来检测淹没在噪声中的有用信号。•信号相干性：信号的某个特定标记（如振幅、频率、相位等）在时间座标上有规定的时间关系。具有这种性质的信号称为相干信号。•相干检测：由于相干信号具有相干性，因此可以对相干信号与噪声（或干扰）的混合波形进行某种时域的运算，然后再根据某种法则进行判别，从而把原来的相干信号与噪声（或干扰）加以分离。上述处理称为相干检测。•实现相干检测的常用方法是相关接收。相关接收机•设发送端发送的信号为和，持续时间为（0，T）,且具有相等的能量，即dttsdttsETT)()(022021接收机输入端的噪声n(t)为高斯白噪声，单边功率谱为。接收机接收到的信号为0nTttntststr0)()()()(21或)(1ts)(2ts相关接收机•发射或时出现r(t)的概率密度和分别为})]()([1exp{)(02101TsdttstrnFrf})]()([1exp{)(02202TsdttstrnFrf0121Q2Q)(1rfs)(2rfsr)(1ts)(2ts相关接收机•判决法则为)()(1020tsrrtsrr判为判为当发射而判为的错误概率和发射而判为的错误概率分别为)(1ts)(2ts)(2ts)(1ts1Q2Q0)(11rsdrrfQ0)(22rsdrrfQ总的判错概率为2211)()(QsPQsPPe式中和分别为发送和的先验概率。)(1sP)(2sP)(1ts)(2ts相关接收机•是判决门限值的函数，求其极限故最佳门限值应满足最佳判决为eP0r0)()()()(0220110rfsPrfsPrPsse)()()()(1221sPsPrfrfss)()()()(1221sPsPrfrfss判为)(1ts)()()()(1221sPsPrfrfss)(2ts判为相关接收机•如果＝＝1/2，则上式可化为判为)(1ts)(2ts判为)(1sP)(2sP)(1rfs)(2rfs)(1rfs)(2rfs上式称为最大似然判决准则，和称为似然概率密度函数。)(1rfs)(2rfs•由最佳判决规则可得})]()([1exp{)(02101TdttstrnsP})]()([1exp{)(02202TdttstrnsP判为)(1ts判为)(2ts})]()([1exp{)(02101TdttstrnsP})]()([1exp{)(02202TdttstrnsP相关接收机•对式子两边取对数，有判为)(1ts)(2ts判为。对上式进一步简若不等式符号相反，则化，并考虑TdttstrsPn02110)]()([)(1lnTdttstrsPn02220)]()([)(1lndttsdttsETT)()(022021可得TTdttstrUdttstrU022011)()()()(判为)(1ts若不等式符号相反，则判为)(2ts)(ln2)(ln2202101sPnUsPnU相关接收机•若＝＝1/2，则判为)(1ts)(2ts判为。由此得到的接收若不等式符号相反，则机为最佳接收机。)(2sP)(1sPTTdttstrdttstr0201)()()()(»ý·ÖÆ÷»ý·ÖÆ÷±È½ÏÆ÷)(tr输出Ïà³ËÆ÷Ïà³ËÆ÷)(1ts)(2ts比较器是在时刻进行比较的，可理解为一抽样判决电路。Tt相关接收机•完成和运算的部件是最佳接收机的关键部件。由于它们可看成与或的互相关函数Tdttstr01)()(Tdttstr02)()()(tr)(1ts)(2tsTrsdttstrR011)()()(TrsdttstrR022)()()(故称之为相关器，得到的接收机也称为相关接收机。•如果是或，则上述两式正好是或的自相关函数。)(tr)(1ts)(2ts)(2ts)(1ts匹配滤波器实现•上述最佳接收机的判决准则是最小差错概率，但最终归结为两个检测统计量的比较。而这两个检测统计量是由接收信号经线性变换得到的，因此，把输入到一线性滤波器，在其输出端就可以得到统计量和，从而得到另一种与上述结构等效的最佳接收机，只不过以最大输出信噪比为判决准则罢了。TdttstrG011)()(TdttstrG022)()(1G2G匹配滤波器实现•设线性滤波器的时域冲击响应为，频域的传输函数为，两者为一付氏变换对。根据线性叠加原理，线性滤波器的输出可分为两部分，即信号部分和噪声部分，用公式表示为)(th)(H)()()(00tntstg2,1)()(21)()()(0ideSHthtststjii)(0tn的平均功率为0NdHndnHN20020)(42)(21匹配滤波器实现•令为某一指定时刻，则滤波器输出的瞬时信号功率与噪声平均功率之比为0tdHndeSHNtstji2020200)(4)()(21)(如果0)()(tjiekSH则有0202220/2)(4)()(41nEdHndSdHi即线性滤波器的最大输出信噪比为0max0/2nE匹配滤波器实现•由此可知，在白噪声情况下，按H(W)式设计的线性滤波器将能在给定时刻上获得最大输出信噪比。•由于其传输特性与信号的复共轭一致，故称之为匹配滤波器。对H(W)式进行付氏变换，可得匹配滤波器的冲击响应为即为信号的镜像信号在时间上平移。•匹配滤波器与相关器在时刻是等效的，换句话说，在每一个数字信号码元的结束时刻才给出最佳的判决结果。0t)()(0ttksthi)(tsi)(tsi0t匹配滤波器最佳接收机TttTsth0)()(11TttTsth0)()(22比较器)(tr输出1G2G相关接收机•扩频通信中的接收机的功能与普通无线通信中的接收机的功能是相似的，即在强干扰和噪声存在的情况下，成功解调所需信号。只不过扩频接收机要多一个相关解扩的过程。•扩频接收机的结构与普通接收机没有什么不同，只是由于DSP技术、MCM（multi-chipmodule）技术和专用集成电路（ASIC）等技术的高速发展，使得近年来出现了各种各样的接收机拓扑结构。超外差接收机•超外差（superheterodyne）接收机，就是通过变频（一次或多次）将射频已调信号变频到易处理的中频上，最终对中频已调信号进行处理——放大、滤波与解调。超外差体系结构被认为是最可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度。由于有多个变频级，DC补偿和泄漏问题没有妨碍接收机的性能。超外差接收机•超外差接收机需要付出一些成本以获得充分的性能。•镜象干扰抑制和信道选择所需要的外部高Q带通滤波器增大了成本和尺寸。由于在第一中频分级实现信道选择，所以本机振荡器(LO)要求一个外部缓冲器以得到良好的相位噪声性能。所有这些权衡使得在单芯片上集成收发器变得很困难。•结构复杂、调整困难、体积和功耗大以及运用不灵活等是其固有的缺点。数字中频接收机•又称数字变换接收机，其典型的接收机结构仍是超外差型，只不过是由模拟频率变换把RF频谱变到较低的中频，然后在此低IF上进行数字化，而用DSP技术来实现信号提取和解调。•用于数字中频接收机的DSP技术主要有直接数字式合成器（DDS）、数字下变换（DDC）、高速数字滤波（DF）以及多速率（multi-rate）技术等。数字中频接收机BPF双工器BPFBPFA/D数字解调abcdeLO1LO2OH(ω)RFωaWIF2H(ω)bωIF滤波器特性WIF2cH(ω)ooωo2π4πH(Ω)Ωdo数字滤波器H(Ω)Ωe数字中频接收机•数字中频接收机是基于采样的固有混叠特性来实现的。•采样定理：当采样速率不小于信号最高频率的两倍时，采样后可真实地保留原模拟信号的信息。数字中频接收是利用这样一个事实：低通同相和正交部分可以表示为带通信号的采样（样本），接收机对带通信号进行采样，只要采样速率满足下面条件：ffksIF421此带通信号就可在上采样和重建，式中，fs为采样频率，fIF为原模拟中频信号频率，k为镜像数。当带限的带通信号被采样后，会产生频谱折叠，我们实现数字中频接收时需要在和DSP的复杂度之间进行折衷选择。数字中频接收机•数字中频接收的最大优点就是可以共享RF/IF模块，由于解调和同步均采用数字化处理，灵活方便，也便于产品的集成和小型化。但是，在宽带通信中，射频的频率较高，若选取较高的数字中频，也就意味着需要有高速的A/D变换器、高速的大动态范围的宽带采样保持电路以及速度足够快的数字处理芯片。而这些器件或芯片的价格都是比较昂贵的，因此在设计中应该综合考虑。•采用数字中频接收方式的典型ASIC芯片有StanfordTelecom公司的Stel-2000A等。直接变换接收机•直接变换接收机（DCR），就是外差接收的本振（正交注入混频器）频率与变频前信号载频相同，从而使变频后的中频频率为零。其中，D表示所需信号，表示干扰。接收RF信号经双工器送入低噪声放大器，再经低通滤波后由功分器分别馈向正交混频器。直接变换接收机BPF双工器LPFLPFA/D功分RX频合π/2A/DIQabcDI2I1Of功率aDI1，I2OfbDI1，I2OfcfLfc功率功率直接变换接收机•全部射频频谱下变频到DC。高滚降低通滤波器（LPF）用来实现信道选择。•由于信号载频和本振频率重合，没有镜像分量，故对变频前的射频放大器及变频器的选择性要求大为降低，因此无需使用外部高Q镜象干扰抑制滤波器。•变频输出采用容易实现的低通滤波器，解调器可用DSP实现。信号带宽为已调信号的一半，接收门限得到改善。•变频后信号频率的降低，使得对A/D变换器的要求大大降低。•通常只需一次变频，不需中频滤波，元器件少，结构简单，功耗低，易集成。直接变换接收机•接收本振是由模拟PLL在RF或IF上锁定的，不易满足高速突发通信中载波同步快速锁定的要求。•实现直接变换接收的关键是需要一个高增益、高隔离度和高线性度、宽动态范围和低噪声的混频器，并且对I和Q支路的平衡性（幅度和相位）有较高的要求。•由于随时间而改变的DC补偿、本振泄漏和闪烁噪声引起的问题会妨碍信号的检测。当然，通过使用适当的数字信号处理器（DSP）或自动归零功能，DC补偿问题可以得到纠正。零中频接收机•零中频接收机与直接变换接收机的结构非常相似，主要差别在于前者的接收本振不需锁定，是一个固定的自由振荡器，而解调则在接收机主增益后完成。•零中频接收也是由数字无线电向软件无线电转变的过渡方案。零中频接收机相乘器相乘器极坐标变换本振RF输入I(t)90。带通低通低通量化量化解调锁相数据输出Q(t)00影响零中频接收机性能的主要因素有正交混频器的隔离度、动态范围和噪声系数，接收机I和Q支路的不平衡性（幅度和相位）以及收发频率和时钟的偏差等。零中频接收机•正交混频器提供两路具有同样带宽的正交信号，它们包含输入RF信号的所有信息，但并不表示已解调的信号。•由于接收本振与发送载频并不完全匹配，其频率和相位必然存在一定的偏差，因此，在解调过程中一定要消除这些偏差，否则将会影响系统性能。图中的锁相模块正是为消除上述偏差而设置的。