第6章-扩频码的同步捕获-2014春

哈尔滨工业大学通信技术研究所1扩频码同步捕获第六章2014-04-0926.1扩频码的同步6.2扩频码同步捕获方法6.3匹配滤波器同步捕获法6.4声表面波器件捕获法6.5滑动相关捕获法6.6跳频系统的同步捕获本章内容：2014-04-093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。引言：扩频码同步：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；2014-04-094引言：（1）同步捕获(Acquisition，粗同步)：扩频码同步包含两个步骤：（2）同步跟踪(Tracking，精同步)：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。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。2014-04-0956.1扩频码的同步图6-1扩频通信系统原理框图2014-04-096扩频码同步方法：6.1扩频码的同步发射参考信号法；统一定时法；突发同步法；自同步法；哈尔滨工业大学通信技术研究所22014-04-097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。6.1.1发射参考信号法特点：2014-04-0986.1.1发射参考信号法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。特点：（1）接收机简单；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。（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。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。2014-04-0996.1.1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。■2014-04-09106.1.2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；石英晶体：误差每天不大于千分之一秒2014-04-09116.1.3突发同步法：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）。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。原理：特点：■2014-04-09126.1.4自同步法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。自同步的理论依据：扩频码同步捕获依据同步捕获操作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。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。哈尔滨工业大学通信技术研究所32014-04-09136.1.4自同步法2014-04-09146.1.4自同步法说明：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6-3扩频码序列的同步捕获原理2014-04-09156.1.4自同步法扩频接收机接收信号：若载波已同步(频率和相位都同步)，低通滤波器输出为：00()()()cos(2π)()ddrtAdtctfTtNtT本地载波：)ˆˆπ2cos(200tf()()()()ddvtAdtTctTNt2014-04-09166.1.4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。积分器输出：00()()()d()()d220,1,2,,21DDTTccidiTiTvtActTcttNtcttiN,21rDcTTN2014-04-09176.1.4自同步法若相位延迟Td满足：则2N个相关器中，第i个输出最大：(1)22ccdiTiTT00()()()(1)d()()d22()DDTTccidiDDiTiTvtActTcttNtcttTATN11()1ccNcNτTNTRτTN01()()()dcNTNcRctcttNT122dcTiT式中：为归一化时间差。2014-04-09186.1.4自同步法其它相关器输出：()()()()0jDkjDvtATRjiNTji是扩频码中长为λ个码元的部分自相关，一般当λr时，有：()kRji1()()krRjijiλ哈尔滨工业大学通信技术研究所42014-04-09196.1.4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()()ijvtvt因此，若vi(t)最大，可知道最接近接收扩频码序列的相位，实现了扩频码序列的同步捕获，就是同步捕获电路给出的本地参考码的同步相位，即对Td的粗略估计值。)2/(ciTtc/2ciT0,1,2,,21,jNji但2014-04-09206.1.4自同步法扩频码同步捕获时间:特点：DACTT,21rDccTTrTN其中，①扩频码同步捕获时间最短；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。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。2014-04-09216.1扩频码的同步6.2扩频码同步捕获方法6.3匹配滤波器同步捕获法6.4声表面波器件捕获法6.5滑动相关捕获法6.6跳频系统的同步捕获本章内容：2014-04-09226.2扩频码同步捕获方法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2014-04-09236.2扩频码同步捕获方法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；同步捕获分类：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；2014-04-09246.2扩频码同步捕获方法同步捕获分类：小结：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（SurfaceAcousticWave，SAW）同步捕获；电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）同步捕获。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。哈尔滨工业大学通信技术研究所52014-04-09256.2.1搜索区域的确定通常假设相位在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。无码相位信息：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。已知码相位信息：2014-04-09266.2.1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。图6-4高斯分布时搜索区域的确定示意图例如：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。2014-04-0927图6-5扩频码序列相位搜索捕获法6.2.2序列相位搜索捕获法扩频码捕获原理用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。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。工作原理：2014-04-09286.2.2序列相位搜索捕获法设扩频码序列长为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: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；最大同步捕获时间：DACNTT2max最小同步捕获时间：DACTTmin平均同步捕获时间（各相位等概出现）maxmin1()22ACACACDDTTTNTNT(6-2)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。2014-04-09296.2.2序列相位搜索捕获法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。（2）有漏检和虚警情况；虚警惩罚时间(FalseAlarmPenaltyTime)存在虚警情况；存在漏检情况；综合考虑情况；存在虚警情况：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。2014-04-09306.2.2序列相位搜索捕获法（2）有漏检和虚警情况；考虑虚警惩罚时间后的平均同步捕获时间：存在虚警情况：12(1)faACDfaDDfaPTNTTNTTP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：23223(1)fafaDfaDfaDfaDfaPTTPTPTPTP哈尔滨工业大学通信技术研究所62014-04-09316.2.2序列相位搜索捕获法（2）有漏检和虚警情况；存在漏检情况：若门限比较器的正确检测概率Pd1，则有(1-Pd)的概率,在已经搜索到同步相位时，门限比较器不能给出完成捕获的输出信号（漏检），而要再做一次紧随其后的、相差NTc（正好一个周期）的相位搜索。2(12)DfaDfaPTPNT（最后一项是虚警惩罚时间）作一次这种搜索需要的平均同步捕获时间为：（可理解为漏检惩罚时间）。2014-04-09326.2.2序列相位搜索捕获法（2）有漏检和虚警情况；存在漏检情况：扩频码序列已经捕获，但出现了概率为(1-Pd)的不正确检测，则又要搜索NTc个相