1、第五章第五章 扩谱通讯系统的同步跟踪与捕获扩谱通讯系统的同步跟踪与捕获 任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载波同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。同步不确定性的来源同步系统是扩频通信的关键技术。在上述几种同步中，信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载波同步来说，主要是针对相于解调的相位同步而言。常见的载波提取和跟踪
2、的方法都可采用，例如用跟踪锁相环来实现载波同步。只讨论PN码码元同步、序列(码字)同步和跳频图案同步。同步不确定性的来源扩展频谱系统中，对同步来说存在两类一般的不确定，即码相位和载波频率的不确定。在扩频接收机能够正常工作之前必须解决这个不确定性，否则系统就不能正常地接收扩频信号。码相位的分辨力必须小于1切普，从接收机看，中心频率的分辨率必须使解扩后的信号落到相关滤波器的频带范围内，并且将本地载波频率始终对准输入信号的载波频率，以便使解调器能正常工作，这就是解决相位不确定性和载波频率不确定性要达到的最起码的要求。同步不确定性的来源一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和
3、相位的不确定性。但引起不确定性的因素有以下一些：收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差；收发信机相对不稳定性引起的频差；收发信机相对运动引起的多普勒频移；以及多径传播也会影响中心频率的改变。同步不确定性的来源一般通信系统中所用的频率并不十分稳定，其影响是不能忽略的。在扩频系统中，频率不确定性的影响是显而易见的。频率源频率的漂移，将引起码元时钟速率的偏移，积累为码相位的偏移；还会引起载波频率的漂移，使系统性能下降。对数字通信而言，最严重的还是码相位的偏移，使系统性能下降。一般的扩频系统都要求有很高的频率稳定度的频率源，至少应达106数量级以上。频率源的漂移如果接收机能够精确地知道通信距离和发射
4、时间，发射机和接收机都具有足够准确的频率源，它们就能得到所需的定时，就没有同步问题了，但这些假设本身就只是一种假设。对移动情况，由于位置的变化，必将导致传输时间的变化，因而接收机仍然需要不断地跟踪发射机的频率和相位。多径是在传输过程中由于多路径（反射、折射）传播引起的。多径效应对系统的影响主要是引起相位、载波频率相位延迟造成同步的不确定性。电波传播时延与多径效应多卜勒频移会引起载波和码速率的偏移。发射机接收机的每一次相对位置的改变，就会引起码相位的变化。加到接收信号上的多卜勒频率不确定的大小是接收机和发射机相对速率及发射频率的函数。多卜勒频移的大小为多卜勒频移)(Hzcvfvf同步过程主要包括
5、捕获（初始同步或粗同步）和跟踪（同步保持或精同步）两步。同步要求：同步时间短同步概率大、虚同步概率低具有很强的抗干扰特别是抗人为干扰的能力易实现体积小、成本低等 同步要求 直扩系统同步过程 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。同步过程一般说来包含两个阶段：(1)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。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号的相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个切普内。(2)跟踪过程是在初始同步的基础上，使码相位的误
6、差进一步减小，保证本地码的相位一直跟随接收到的信号码的相位，在一规定的允许范围内变化，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。直扩系统同步过程 调整时钟搜索捕获？停止搜索转入跟踪跟踪同步锁定失步？初始同步是否是否同步原理同步流程宽带滤波器乘法器解调器搜 捕 器 件压 控 钟 源PN码发生器码跟踪器件接收信号输出直扩系统同步捕获 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，因此，大多数搜捕方
7、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。捕获方法 滑动相关法(最简单、最基本方法)插入特殊码子同步法(同步头法)跳频同步法 发射参考信号法发射公共时钟基准法(统一定时法)突发同步 用特殊码建立同步 匹配滤波器同步法 顺序估计快速捕获(RAES)法并行捕获法滑动相关法当收到的PN码序列与本地PN码序列的钟频不同时，在示波器上可以看到两个序列在相位上相互滑动。这种滑动动过程就是两个码序列逐位进行相关检测的
8、过程。采用与发端频率有差别的时钟来驱动本地码（码型已知），由于时钟差，引起接收信号与本地产生的伪随机码的相对滑动。滑动过程中，码不重叠时，相关器输出噪声，当两码接近重合和重合时，有相关峰出现，经包络检波、积分后输出脉冲电压。当输出的脉冲电压超过门限时，表示已检测到码位同步（至少到1切普之内），于是给出停止搜索，转入跟踪状态的控制信号。滑动相关法同步相关原理同步相关流程乘法器中频滤波器积分清洗相关器无载波同步滑动相关法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。为了控制干扰和噪声，相关器的积分时间应长些，比如接近Ta=NTc，这里Ta和Tc分别表示信息码宽度和伪
9、随机码的切普宽度，N为扩频系数。滑动相关器简单，应用很广。其缺点在于当两端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。相关峰值低，原因是码速率不一致，不可能全部重合所致。相关器相关峰还与相关器的作用时间有关。滑动相关法为了减小噪声，提高检测概率，相关后的带宽（包括带通和积分器）要窄；从缩短捕获时间来看，应加快滑动速度，即加大收发时钟频率差，又要求带宽要宽，这两者是矛盾的。当滑动快时，相关器输出的相关脉冲窄，窄的脉冲将不易通过后面的低通滤波器；当滑动慢时，相关器输出的脉冲宽，有利于
10、通过低通滤波器。滑动快滑动慢滑动相关法为了使相关器输出的相关峰值通过低通滤波器，相对滑动速度受到低通滤波器上升时间或带宽的限制。设RC和RC分别为发端和收端伪随机码的速度，BW为相关器后的低通滤波器的带宽，则低通滤器的阶跃响应的上升时间为0.35/BW。每秒钟相对滑动的切普速率为RCRC，则滑过两切普的时间为2（RC，RC），要使相关峰值通过低通滤波器，则要求滑过两切普的时间大于低滤波器的上升时间，因此有35.02BWRRcc滑动相关法例子例子一系统的相关器后面的低通滤波器带宽为1KHz，则相对的滑动速率最大为5.7Kc/s。如果码序列很长，偏移若干兆切普，滑动到相关点的时间可能是非常长的，可
11、达几十分钟，甚至几小时、几天的时间。如前述条件，1KHz的带宽，最大相对滑动速率为5.7Kc/s，若码序列长为108，则最长捕获时间为1085.71034.8小时，这在实际中是难以忍受的。滑动-保持同步法大多数扩频接收机的搜索过程是使接收机的码与希望接收的码在滑动相关上实现的。这个相位滑动过程是这样实现的，即对接收机时钟给以一定大小的偏移，并保持这种偏移直到合适的同步点为止，然而很少使用这种方法。代替这个搜索方法的，一般是采用以某个很小的增量将接收机的时钟周期性地移相。因此这两个码就互相以跳动方式“滑动”，这种方式称为“滑动保持”同步法。滑动-保持同步法本地码的码速率与发端相同，未检测到同步时
12、，处于搜索状态，步进滑动1N切普，与接收到的信号进行相关。若检测到同步时，就转入跟踪状态。采用这种滑动保持方法搜索时，对码的相关函数有一定的影响。时钟偏移是连续变化的，其相关函数为一平滑的三角波，而步进搜索时变成一阶梯形的三角波。阶梯函数的精确形状因基本时钟相位关系而不同。滑动-保持同步法相关器包络检波器积分清洗门限判决本地码钟 频N1/N门电路逻辑电路输入滑动-保持同步法每一台阶宽度为积分时间，台阶越少，表明积分时间越长，可以滤除噪声，减小错误的同步判决，但同步精度差。若台阶数多，表明积分时间短，捕获同步的概率较大，但错误同步概率（虚警概率）也大。若两码间不确定时间为Tn，总的捕获时间为TA为sTTTcnA式中，TC伪随机码切普宽度，s为每切普的台阶数，为积分时间。
