讲义-第7讲-同步捕获和跟踪

2008级研究生扩频通信电子信息工程学院吴志军第八讲扩频通信系统的同步跟踪与捕获™同步不确定性的来源™同步过程™同步的几种方法™DS信号的同步™FH信号的同步™几种可以借鉴的策略„扩频系统对同步总的要求相类似，但由于其工作原理和调制方式的不同，所采用的同步方式亦不相同„同步是指到达接收机的编码信号与本地参考信号在码的图案位置和码时钟速率在时间上都是准确一致的。„在讨论扩频信号的相关解扩及解调时,假定接收机本地参考信号与输入信号同步(包括载波、码元及码字同步)为前提条件的。„如果到达接收机的编码信号与本地参考信号在码的图案位置和码时钟速率在时间上存在不一致就有了同步不确定性。由于这种不确定性带有随机性,不能预先补偿,只能通过同步系统来消除。™在扩频系统中，接收端一般有两类不确定的因素ƒ码相位：码相位的分辨率必须远小于1bit；ƒ载波频率：载波中心频率的分辨能力（即稳定度与准确度）必须使解扩后的信号落在相关滤波器频率范围内，并且使本地载波频率始终对准信号载波频率，以便使解调器能正常工作。™码相位的不确定性（时间不定区）包含：ƒ从发射点到接收点电波传播的时延及多径传播；ƒ收发双方启动码序列的时间差；ƒ收发双方时钟的不稳定性。™载波频率的不确定性（频率不定区）包含：ƒ收发双方基准频率源的不稳定性；ƒ多普勒频偏。8.1同步不确定性的来源8.2同步过程™数字通信系统中同步包含的内容：ƒ码时钟速率同步即码位同步（或码元同步）ƒ码字同步ƒ载波同步™同步分三个过程:ƒ起始同步(搜索)ƒ同步识别ƒ跟踪同步过程流程框图如下图所示™实现同步的几种方法ƒ独立信道同步法•利用一个专门的信道来传送同步信息，这个信道和传送信息码的信道互相占用不同的频率，收端根据同步信道提供的同步信息（起始时间），就可以解译主信道的信息。ƒ插入特殊码字同步法•用一组特殊的码字来代表同步信息，然后把这个码字周期性的插入编码数字信息序列里。收方根据同步码字的特点进行识别，就得到了码字同步的信息。ƒ自同步法•将发送端跳频信号中隐含的同步信息设法提取出来,控制接收跳频器,以实现跳频同步；不用专门的频带，也不占据专门的时隙，不需要专门的同步信号功率。即在节省频率资源和信号功率方面及抗干扰能力上,优于前两种方法,因而应用较为普遍。8.3同步方法™8.4.1同步原理ƒ同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。ƒ同步过程一般说来包含两个阶段：•接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号。•一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。8.4直扩系统的同步⊗同步系统与扩频方式、扩频码、信息调制与解调、扩频调制与相关解扩都有直接关系。它的性能好坏影响整个系统的可靠性和适用性，以及功能和性能指标。因此，可以说同步系统在直扩系统中起着核心的作用。8.4.2起始同步─搜捕™搜捕的作用就是在频率和时间(相位)不确定的范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号与其同步。由于解扩过程通常都在载波同步之前进行，载波相位在这里是未知的。™大多数搜捕方法都利用非相干检测。所有的搜捕方法的共同特点是用本地信号与收到的信号相乘(即相关运算)，获得二者相似性的量度，并与一门限值相比较，以判断其是否捕获到有用信号。如果确认为捕获到有用信号，则开始跟踪过程，使系统保持同步。否则又开始继续搜捕。™三种搜捕方法ƒ滑动相关搜捕法ƒ序贯估值搜捕法ƒ匹配滤波器搜捕法™滑动相关搜捕法门限检测器跟踪进入跟踪状态继续搜索停止搜索PN码发生器搜索控制钟较慢时钟⊗接收信号同步脉冲10(`)td∫接收机是否锁定？失控同步是接收到的信号与本地PN码相乘后再积分，即求出它们的互相关值，然后在门限检测器中某一门限值比较，以判断是否已捕获到有用信号。这里是利用PN码序列的相关特性，当两个相同的码序列相位上一致时，其相关值有昀大的输出。一旦确认搜捕完成，则搜捕指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整PN码发生器产生的PN码的重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。由于滑动相关器对两个PN码序列是顺序比较相关的，所以这种方法又称为顺序搜索法。由于滑动相关器简单，应用很广。它的缺点在于当两端PN码钟频相差不多时，相对滑动速度很慢，导致搜索时间过长。现在常用的一些搜索方法大多在此法的基础上，采取一些措施来限定搜索范围或加快搜捕的时间，从而改善其性能。™序贯估值搜捕法ƒ为了解决长码搜捕时间过长的问题，一种快速搜捕的方法称为序贯估值器搜捕法⊗0CnT∫为了缩短本地PN码与外来PN码在相位取得一致所需的时间是把收到PN码序列直接注入到本地码发生器的移位寄存器中，强迫改变各级寄存器的起始状态，使其产生的PN码刚好与外来码相位一致，则系统可以立即进入同步跟踪状态。在昀理想的情况下，搜捕时间Ts＝nTc,Tc为PN码片时间宽度。这个方法搜捕时间虽然很快，但问题：（1）它的先决条件是对外来的PN码先要进行检测出后才能注入移位寄存器。做到这一点有时是困难的；（2）此法对噪声和干扰很脆弱，因是一个时片一个时片进行估值和判决的，并未利用PN码的抗干扰特性。™匹配滤波器搜捕法ƒ因为匹配滤波器有识别码序列的功能，可以利用它进行快速捕获。ƒ每个延迟元件的延迟时间等于码的时钟周期。由于输出是多级输出的累加结果，如有n级，则处理增益为：Gp＝10log2n。延迟T滤波器延迟T延迟T延迟T延迟T⊕接收信号（a）延迟线匹配滤波器加权带通匹配滤波器平方律包络检波器门限包络(b)带通型匹配滤波器接收信号码相位判决（c）低通型匹配滤波器基带匹配滤波器平方律检波器基带匹配滤波器平方律检波器门限器件⊕码相位判决接收信号002cos()tϖφ+002sin()tϖφ+中频—无源的SAW器件基带—数字电路，如移位寄存器PN码越长，级数越多，Gp越高。但其长度受工艺、功耗、材料等限制。匹配滤波器工作性能的好坏，决定元件延迟时间是否准确，能否与时钟周期匹配。如有失配情况，则影响同步质量。™SAW卷积器是另一种匹配滤波器的类型。因它可以起到可编程匹配滤波器的作用，现已受到广泛的重视。SAW卷积器匹配滤波器信号输入参考输入波束压缩端声终端输出SAW卷积器是在压电材料的衬底基片上印制出叉指换能器，两个输入和一个输出。一端输入收到的信号，另一端输入本地参考信号。因要进行卷积运算，参考信号应是输入信号在时间上的镜像。两个电输入信号引起压电材料的振动，以声波速率相对传播。当输入信号频率与基片振动频率共振时，可以在输出端获得昀大的共振峰值。正如池塘里两个波源引起的水波的传播一样，在共振时可获得昀大的波峰。SAW卷积器由于没有固定抽头的限制，可以任意改变本地参考信号的码型，起到可编程的作用，使用比较灵活。它的处理增益可达40dB，但其长度和动态范围受到一定的限制。可用AGC以限制输入信号的动态范思。另一个缺点是插入损耗较大，需要增加中频放大器方能把信号检出。两个信号的频谱函数的相加，相当于两个信号时间函数的卷积。因此，可以利用卷积运算的器件来代替相关器或匹配滤波器进行信号的检测或搜捕。™8.4.3保持同步─跟踪ƒ当捕获到有用信号后，即收发PN码相位差在半个时片以内时，同步系统转入保持同步阶段，有时也称为细同步或跟踪状态。ƒ无论什么外界因素引起收发两端PN码的频率或相位偏移，同步系统总能使接收端PN码跟踪发端PN码的变化。跟踪的作用和过程都是闭环运行的。当两端相位发生差别后，环路能根据误差大小进行自动调整以减小误差。因而同步系统多采用锁相技术。ƒ跟踪环路可分为两类：•相干—在确知发端信号的载波频率和相位情况下工作的。•非相干—在不确知的情况下工作（大多数实际情况）。ƒ常用的跟踪环路是延迟锁定环和τ—抖动环两种。它们都是属于提前—迟后类型的锁相环。锁相环的作用由收到的信号与本地产生的两个相位差(提前及延后)的信号进行相关运算完成。•延迟锁定环是采用两个独立的相关器，•τ—抖动环则采用分时的单个相关器。™工作在中频的非相干DS扩频信号BPSK调制的延迟锁定环ƒ它是由两个支路并连的相关器构成的锁相环路。输入PN码信号分别与本地产生的延迟相差1个比特的PN码进行相关运算。这两个相互延迟1比特的PN码序列可由PN码发生器的相邻的两级移位寄存器分别引出。ƒ相关器由乘法器(即平衡调制器)、带通滤波器和平方律包络检波器组成。ƒ按照PN码相关特性。输入信号与本地PN码的相关特性应为三角波。但由于两个相关支路本地PN码相差1比特，两个三角波的峰值也相差一比特。两个三角波经相加器反相合成以后则成为一S形曲线。此即锁相环的鉴相特性。+−S曲线表明，如果收到的信号与本地PN码相差有提前或延后，则加法器输出为正的或负的电压。此电压经环路滤波器后去控制本地压控振荡器VCO。它再去调整PN码钟发生器，使PN码发生器产生的PN码的频率与相位跟踪外来PN码信号的变化。这就是延迟锁定环的基本工作原理。在正常情况，本地振荡器被锁定在S曲线的0点。两端有相差后再进行调整。此时本地PN码与外来PN码信号相差l／2时片。所以从移位寄存器末级取出的PN码序列经过l／2时片延迟后可以作为解码相关器支路的本地PN码参考信号，它正为与收到的信号相位一致。第三支路经信息数据解调器输出有用信息。延迟锁定环τ一抖动环™只用一个相关器的较为简化的τ一抖动环（它多了一个τ一抖动信号发生器）。™τ一抖动信号为一正负方波。用此方波去控制压控钟源使PN码发生器产生的本地PN码在相位上有一个提前或迟后，从而使相关器输出有一附加的振幅调制。ττ在两端码相位一致时，工作在相关特性的峰值处。此时附加的抖动电压，工作在“3”位置，经环路滤波输出附PN码超前或迟后，则抖动电压工作在“1”或“2”位置。此时产生的附加电压A为“一”或“十”，由其控制压控钟源的频率及相位使本地PN码跟踪接收到的PN码的变化。故τ一抖动环的作用与延迟锁定环是相同的。如果PN码的附加调制只有l/5—1/l0时片，则τ一抖动环的跟踪误差只比延迟锁定环大1--2dB。™延迟锁定环和τ一抖动环不仅能起跟踪作用，如果应用滑动相关的概念，使本地VCO一开始与接收信号有一定的频差，也能起到搜捕的作用。此外，另加一相关器，还可以起到解码的作用。8.5FH信号的同步™同步的含义：ƒ跳频图案相同,跳变的频率序列(也称频率表)相同，跳变的起止时刻(也称相位)相同。ƒ为了实现收、发双方的跳频同步，收端首先必须获得有关发端的跳频同步的信息：•跳频图案•频率序列•起跳时刻和起跳频率•不断地校正收端本地时钟，使其与发端时钟一致。相关器包络检波抽样判决计数器N钟源频率合成器门限本地伪码发生器ƒ根据收端获得发端同步信息和校对时钟的方法不同而有各种不同的跳频同步方式，采用一种数字式跳频同步搜索电路。™跳频同步还需考虑系统的捕获概率和虚警概率：ƒ在没有同步信息时，由于存在单频干扰(有意施放的干扰或者无意的其他跳频信号形成的干扰)，这种频率落到相应的频隙内,就有可能被认为同步信号，形成虚警；ƒ在有同步信号时，由于干扰抵消了有用信号，因此将引起同步的漏检或失误。ƒ正是由于虚警和漏检的存在，所以通常规定N个跳频点中只需K个被检测到，即确认同步。8.5.1FH信号的同步的几种可以借鉴的策略™自适应捕获策略ƒ系统自适应地利用干扰的间隙、采用一些简单的同步方法快速地建立起同步，当干扰来临时，由于FH系统已经开始正常地工作，抗干扰性能得以正常地发挥，那么系统就能够“既不牺牲系统的抗干扰性能，又能够快速地建立起同步”了。ƒ假设一个采用滑动相关捕获法的FH系统中有N个跳频频率，取其中的m(1mN)个频率作为同步头频率，并把这m个同步头频率确定的跳频图案称为“同步头跳频图案”，或简称“同步头图案”，那么“自适应捕获”过程就是捕获“同步头跳频图案”的过程。LT™快速扫描式自同步方法ƒ快速扫描式自同步方案的接收频率合成器有两种工作状态：•跳频工作状态：在PN码作用下，按跳频图案输出本地跳频信号；•扫描工作状态：这时频率合成