第5章擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步

1、第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 第第5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.1 同步不確定性的來源同步不確定性的來源 5.2 直擴(kuò)系統(tǒng)的同步直擴(kuò)系統(tǒng)的同步 5.3 滑動相關(guān)檢測滑動相關(guān)檢測 5.4 直擴(kuò)同步的跟蹤直擴(kuò)同步的跟蹤 5.5 跳頻系統(tǒng)的同步跳頻系統(tǒng)的同步 5.6 跳頻系統(tǒng)的掃瞄駐留同步法跳頻系統(tǒng)的掃瞄駐留同步法 思考與練習(xí)題思考與練習(xí)題 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.1 同步不確定性的來源同步不確定性的來源 1. 頻率源的漂移 一般通信系統(tǒng)中所用的頻率并不像我們希望的那 樣穩(wěn)定, 它們對頻率不確定的影響是不能忽略的。 在擴(kuò) 頻系統(tǒng)中, 頻率不確定性

2、的其它結(jié)果也是顯而易見的。 頻率源頻率的漂移, 將引起碼元時鐘速率的偏移, 積累 為碼相位的偏移; 頻率源頻率的漂移, 還會引起載波頻 率的漂移, 使系統(tǒng)性能下降。圖5 - 1說明了各種相對碼 速率偏移對系統(tǒng)的積累偏移的影響。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 1 不同碼速時相對速率偏移每日積累偏移 106 105 104 103 102 10 10 1110 1010 910 810 710 6 相對速率偏移 每天積累漂移的比特數(shù) 1 Mb/s 10 Mb/s 100 Mb/s 1 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 2. 電波傳播的時延 同步不確定的主要來

3、源是那些與時間和頻率有關(guān) 的因素。 如果接收機(jī)能夠精確地知道通信距離和發(fā)射 時間, 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都具有足夠準(zhǔn)確的頻率源, 它們 就能得到所需的定時, 就沒有同步問題了, 但這些假設(shè) 本身就只是一種假設(shè)。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 3. 多卜勒頻移 在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中使用精確的頻率源, 可以去掉 大部分碼速率、 相位和載頻的不確定性,但不能完全克 服由于多卜勒頻移引起的載波和碼速率的偏移。 隨著 移動式發(fā)射機(jī)接收機(jī)的每一次相對位置的改變,就會 引起碼相位的變化。 加到接收信號上的多卜勒頻率不 確定的大小是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相對速率及發(fā)射頻率的 函數(shù)。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的

4、同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 多卜勒頻移的大小為 )(Hz c f f (5 - 1) c f ff 發(fā)收 (5 - 2) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 4. 多徑效應(yīng) 多徑是在傳輸過程中由于多路徑(反射、 折射)傳 播引起的。 多徑效應(yīng)對系統(tǒng)的影響主要是引起碼相位、 載波頻率相位延遲, 造成同步的不確定性。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.2 直擴(kuò)系統(tǒng)的同步直擴(kuò)系統(tǒng)的同步 直擴(kuò)系統(tǒng)的同步有以下幾種: (1) 偽隨機(jī)碼同步。 (2) 位同步。 (3) 幀同步。 (4) 載波同步。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 一般的同步可分為兩步進(jìn)行: (1) 初始同步

5、,或稱粗同步、捕獲。它主要解決載波 頻率和碼相位的不確定性,保證解擴(kuò)后的信號能通過相關(guān) 器后面的中頻濾波器,這是所有問題中最難解決的問題。 (2) 跟蹤, 或稱精同步。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 2 同步流程圖 調(diào) 整 時 鐘搜 索捕 獲停 止 搜 索 是 轉(zhuǎn) 入 跟 蹤跟 蹤同 步 鎖 定失 步 是 否 初 始 同 步 否 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.2.1 同步過程 一般同步系統(tǒng)的同步過程可用圖5 - 2來描述。 接 收機(jī)對接收到的信號, 首先進(jìn)行搜索, 對收到的信號與 本地碼相位差的大小進(jìn)行判斷, 若不滿足捕獲要求, 即 收發(fā)相位差大

6、于一個碼元, 則調(diào)整時鐘再進(jìn)行搜索。直 到使收發(fā)相位差小于一個碼元時, 停止搜索, 轉(zhuǎn)入跟蹤 狀態(tài)。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.2.2 初始同步方法 接收機(jī)剛開始工作時, 對所接收的信號的頻率和相 位只能大致確定一個范圍, 這個范圍主要根據(jù)發(fā)射機(jī)和 接收機(jī)的頻率與時鐘的相對差值、 信道傳輸?shù)念l率不 穩(wěn)定性、 傳播時延以及收發(fā)信機(jī)本身信號源與時鐘的 穩(wěn)定度來確定。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 1. 滑動相關(guān)法 接收機(jī)在搜索同步的過程中, 本地碼序列發(fā)生器以不 同于發(fā)射端的碼速率工作, 這就相當(dāng)于兩碼彼此“滑動”。 2. 同步頭法 同步頭法的實(shí)質(zhì)是在滑動相

7、關(guān)器中, 使用一種特殊的 碼序列, 這種碼序列較短, 短得足以使滑動相關(guān)器在合理的 時間內(nèi)通過各種可能的碼狀態(tài), 完成起始同步的搜索。 這 種專門用來建立起始同步的碼, 稱為“同步頭”。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 3. 跳頻同步法 跳頻系統(tǒng)使用的偽隨機(jī)碼速率要比直擴(kuò)系統(tǒng)使用 的偽隨機(jī)碼速率低得多, 因而同步建立時間也就短得多。 由于使用的碼速低, 為達(dá)到給定的時鐘誤差, 積累就慢 得多。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 4. 發(fā)射參考信號法 當(dāng)接收系統(tǒng)必須盡可能簡單時, 發(fā)射參考信號可以 用于起始同步捕獲、 跟蹤或同時用于兩者。 發(fā)射參考 信號法的接收機(jī)既不用

8、偽隨機(jī)碼發(fā)生器, 也不用其它的 本地參考振蕩器, 相應(yīng)的偽隨機(jī)碼參考信號也是發(fā)射機(jī) 產(chǎn)生的, 并同所要的載有信息的信號同時發(fā)送。 跳頻和 直擴(kuò)兩種系統(tǒng)都適合發(fā)射參考信號法。 圖5 - 3為該系 統(tǒng)的原理框圖。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 3 發(fā)射參考信號的同步方法 調(diào) 制 器 PN碼 發(fā) 生 器 調(diào) 制 器 fc1 不 含 信 息 fc2 含 信 息 分 路 高 放 高 放 fc1 fc2 中 放 r1(t) r(t) r2(t) fIF fc1 fc2 s1(t) s2(t) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 發(fā)送端把含有信息的已調(diào)信號與不含信息的f

9、c1同偽 隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制后, 合并、 放大, 然后發(fā)送出去。 在接 收端, 兩個頻率的信號分別在兩個通道中放大, 經(jīng)過相 關(guān)運(yùn)算后, 取出中頻, 解調(diào)后還原出信息。 設(shè)發(fā)送的兩 個信號分別為s1(t)和s2(t), 即 s1(t)=c(t) cosc1t (5 - 3) 和 s2(t)=a(t)c(t) cosc2t (5 - 4) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 式中c(t)和a(t)分別為偽隨機(jī)碼和傳送的信息。 在接 收端, r1(t)和r2(t)分別對應(yīng)于s1(t)和s2(t )。 不考慮衰減問 題, r1(t)和r2(t)相乘后得 r(t)=r1(t)r2(t) =a(t

10、)c2(t) cosc1tcosc2t =a(t) cosc1tcosc2t (5 - 5) 經(jīng)中頻濾波后, 為 ttattatr ccc121 cos)( 2 1 )cos()( 2 1 )( (5 - 6) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5. 發(fā)射公共時鐘基準(zhǔn)法 發(fā)射公共時鐘基準(zhǔn)法是以某個高精度的時間作為基 準(zhǔn), 向其他用戶提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘, 各用戶定期地和基準(zhǔn)時鐘 核對, 這樣就可大大減少各用戶之間的時間的不確定性。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 6. 突發(fā)同步 突發(fā)同步法是指發(fā)射機(jī)在發(fā)送信息之前, 首先發(fā)射 一個短促的高速脈沖, 供給接收機(jī)以足夠的信息, 以

11、便 使接收機(jī)建立同步。 在突發(fā)同步期間, 除了碼字以及載 波同步之外, 不發(fā)送信息, 突發(fā)同步后被發(fā)送的信息跟 著轉(zhuǎn)換到直擴(kuò)信號的發(fā)射上。 這種方式也可用于跳頻 系統(tǒng)。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 7. 用特殊碼建立同步 在一些系統(tǒng)中, 采用特殊碼來完成同步捕獲, 對擴(kuò)頻 系統(tǒng)的迅速鎖定很有好處。 在測距系統(tǒng)中, 要求同步建 立時間短, 就采用了一種JPL組合碼, 它由幾個短碼組成。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 4 典型的JPL碼發(fā)生器 序列發(fā)生器 (2m1)bit 序列發(fā)生器 (2n1)bit 序列發(fā)生器 (2r1)bit 時鐘b碼 a碼 輸出

12、JPL碼 abc (2m1)(2 n1)(2r1) bit c碼 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 8. 匹配濾波器同步法 這里的匹配濾波器同步與一般的匹配濾波器 積分、 清洗檢測器不是同一類, 盡管兩者都是匹配濾波 器。 由最佳接收理論知, 若接收信號為s(t), 則匹配濾波 器的沖激響應(yīng)h(t)為 h(t)=s(T-t) (5 - 7) 式中T為信號s(t)的持續(xù)時間。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 5 基帶數(shù)字匹配濾波器 T1T2T3T4T5T6T7 輸入信號 輸出 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.3 滑動相關(guān)檢測滑動相關(guān)檢測 5

13、.3.1 滑動相關(guān)同步器 滑動相關(guān)檢測是一種最簡單、 最實(shí)用的捕獲方法, 圖5 - 6為滑動相關(guān)同步的原理框圖。 采用與發(fā)端頻率 有差別的時鐘來驅(qū)動本地碼(碼型已知), 由于時鐘差, 引 起接收信號與本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的相對滑動。圖5 - 7為滑動相關(guān)的流程圖。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 6 滑動相關(guān)同步原理框圖 混 頻相 關(guān) 器包 絡(luò) 檢 波積 分 清 洗門 限 判 決 本 振本 地 碼時 鐘邏 輯 電 路 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 7 滑動相關(guān)同步流程圖 放 慢 時 鐘 接 收 機(jī) 鎖 定 停 止 搜 索 是 否 繼 續(xù) 搜

14、索 跟 蹤 進(jìn) 入 跟 蹤 狀 態(tài) 失 步 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 8 偽隨機(jī)碼的相關(guān)特性 判決門限 1 R() o Tc Tc N 1 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 在滑動相關(guān)過程中, 因?yàn)闆]有載波同步, 不可能進(jìn) 行相干檢測, 因而采用包絡(luò)檢波器進(jìn)行非相干檢測。 相 關(guān)器中包括乘法器、 中頻濾波器、 積分清洗電路等, 為了控制干擾和噪聲這是必須的, 積分時間應(yīng)長些, 比 如接近Ta=NTc,這里Ta和Tc分別表示信息碼寬度和偽隨 機(jī)碼的切普寬度, N為擴(kuò)頻系數(shù)。 由第3章已知, 偽隨機(jī)碼具有良好的相關(guān)性能, 如圖 5 - 8所示。 第第5

15、5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 為了減小噪聲, 提高檢測概率, 相關(guān)后的帶寬(包括 帶通和積分器)要窄; 從縮短捕獲時間來看, 應(yīng)加快滑動 速度, 即加大收發(fā)時鐘頻率差, 又要求帶寬要寬, 這兩者 是矛盾的。 當(dāng)滑動快時, 相關(guān)器輸出的相關(guān)脈沖窄, 窄 的脈沖將不易通過后面的低通濾波器; 當(dāng)滑動慢時, 相 關(guān)器輸出的脈沖寬, 有利于通過低通濾波器。 圖5 - 9給 出了兩種情況下相關(guān)器的輸出, 對應(yīng)滑動的兩個切普 (并不是指偽隨機(jī)碼的兩個切普寬度2Tc, 相對滑動后切 普寬度隨相對滑動速率改變)。 為了使相關(guān)器輸出的相 關(guān)峰值通過低通濾波器, 相對滑動速度受到低通濾波器 上升時間或帶寬的

16、限制。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 9 滑動相關(guān)器輸出波形 (a) 滑動快; (b) 滑動慢 相關(guān)輸出相關(guān)輸出 oo (a)(b) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 設(shè)Rc和Rc分別為發(fā)端和收端偽隨機(jī)碼的速率, BW為 相關(guān)器后的低通濾波器的帶寬, 則低通濾器的階躍響應(yīng) 的上升時間為0.35/BW。 每秒鐘相對滑動的切普速率 為Rc-Rc,則滑過兩切普的時間為2(Rc-Rc), 要使相關(guān)峰 值通過低通濾波器, 則要求滑過兩切普的時間大于低濾 波器的上升時間, 因此有 BWRR cc 35. 02 (5 - 8) 由此可得兩碼相對滑動速率與低通濾波器帶寬

17、的關(guān)系為 35. 0 2BW RR cc (5 - 9) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.3.2 “滑動-保持”同步器 大多數(shù)擴(kuò)頻接收機(jī)的搜索過程是使接收機(jī)的碼與 希望接收的碼在滑動相關(guān)上實(shí)現(xiàn)的。 這個相位滑動過 程是這樣實(shí)現(xiàn)的, 即對接收機(jī)時鐘給以一定大小的偏移, 并保持這種偏移直到合適的同步點(diǎn)為止, 然而很少使用 這種方法。 代替這個搜索方法的, 一般是采用以某個很 小的增量將接收機(jī)的時鐘周期性地移相。 因此這兩個 碼就互相以跳動方式“滑動”, 這種方式稱為“滑動 保持”同步法, 其原理如圖5 - 10所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 10

18、 “滑動-保持”同步法 相關(guān)器包絡(luò)檢波積分清洗門限判決 本地碼鐘頻 N N門電路邏輯電路 中頻輸入 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 11 搜索過程相關(guān)函數(shù) (a) 連續(xù)時鐘頻率偏移; (b) 離散時鐘頻率偏移 (a) (b) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 本地碼的碼速率與發(fā)端相同, 未檢測到同步時, 處 于搜索狀態(tài), 步進(jìn)滑動1N切普, 與接收到的信號進(jìn)行 相關(guān)。 若檢測到同步時, 就轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。 采用這種 “滑動-保持”方法搜索時, 對碼的相關(guān)函數(shù)有一定的 影響, 如圖5 - 11所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.4 直擴(kuò)同

19、步的跟蹤直擴(kuò)同步的跟蹤 5.4.1 延遲鎖定環(huán) 延遲鎖定環(huán)又叫早-遲碼跟蹤環(huán), 圖5 - 12是延遲鎖定 環(huán)的原理圖。 輸入的中頻信號是受偽隨機(jī)碼調(diào)制的信號 (也可以同時受到信息調(diào)制), 本地偽隨機(jī)碼發(fā)生器(也就是 捕獲時的碼發(fā)生器的相位與輸入碼相位的差在一個偽隨機(jī) 碼切普寬度Tc內(nèi))的時鐘現(xiàn)由VCO控制, 其時鐘頻率與發(fā)端 碼時鐘頻率相等。 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)由兩路相關(guān)器組成, 兩路相關(guān) 器輸入的本地偽隨機(jī)碼的相位差為, 分別從碼發(fā)生器的 第r級和第r-1級輸出, 這里Tc。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 12 跟蹤環(huán) BPF包絡(luò)檢波 BPF包絡(luò)檢波 環(huán)路濾波 輸入信號 n

20、n11時 鐘VCO 本地碼發(fā)生器 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 下面我們來分析這種環(huán)路的跟蹤原理。 設(shè)本地碼 與發(fā)端碼經(jīng)捕獲后的時差為, 應(yīng)小于偽隨機(jī)碼的切普 寬度Tc, 即Tc。 圖5 - 13(a)和(b)為兩路相關(guān)器的輸出 經(jīng)包絡(luò)檢波器檢波后的相關(guān)函數(shù)波形。 由圖中可以看 出, 兩個相關(guān)器的相關(guān)特性是相同的, 差別在于其相對 位置相差一個, 這是由所加的本地參考碼的延遲所致。 由于送入環(huán)路濾波器的信號是兩個相關(guān)器的差動輸出 信號, 可得整個相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)函數(shù)波形或誤差函數(shù)波 形, 如圖5 - 13(c)所示, 此特性即為延遲鎖定環(huán)的鑒相特 性。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的

21、同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖5 - 13(c)中給出了跟蹤點(diǎn)的位置, 令此時的o處為 坐標(biāo)原點(diǎn), 則由鎖相原理可知, 當(dāng)|2時則可以鎖定, 即跟蹤范圍為-/2+2。 由于環(huán)路的反饋?zhàn)饔? 相關(guān) 網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波后, 控制VCO的輸出, 從而調(diào)整本地偽隨機(jī)碼發(fā)生器的相位, 使剩余相差很小, 即在0的附近工作。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 13 DLL的相關(guān)波形 (a) 相關(guān)器1的相關(guān)波形; (b) 相關(guān)器2的相關(guān)波形; (c) 合成的相關(guān)波形 2 2 o 2 2 (a) (b) (c) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 由于真正的跟蹤點(diǎn)在0, 因此

22、本地產(chǎn)生的偽隨機(jī) 碼不能直接用于對接收信號的相關(guān)解擴(kuò), 只有將其延遲 或超前2后, 才能用于解擴(kuò), 如圖5 - 14所示。 由于這 種環(huán)路的跟蹤范圍為-/2+2的一個范圍內(nèi), 故又 稱之為單值延遲鎖定環(huán)。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 14 采用單DLL跟蹤環(huán)的解擴(kuò)單元 BPF中 放解 調(diào) PN碼發(fā)生器時鐘 輸入信號 2 c T 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.4.2 雙值延遲鎖定環(huán) 雙值延遲鎖定環(huán)的跟蹤原理與單值延遲鎖定環(huán) 相同, 惟一的差別是用于兩個相關(guān)器的本地參考碼的相 位不同。 在圖5 - 12中的單值延遲鎖定環(huán)中是用本地 偽隨機(jī)碼發(fā)生器的

23、第r級和第r-1的輸出分別與接收信號 進(jìn)行相關(guān), 而雙值延遲鎖定環(huán)則采用本地偽隨機(jī)碼發(fā) 生器的第r級和第r-2級的輸出對接收信號進(jìn)行相關(guān), 如 圖5 - 15所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 兩個相關(guān)器的本地碼的相位差為2。 用與單值延遲 鎖定環(huán)相同的分析方法, 可得兩個相關(guān)器的相關(guān)波形和 雙值延遲鎖定環(huán)的鑒相特性, 如圖5 - 16所示。 由此可 見, 只要輸入偽隨機(jī)碼與本地的時差|時, 雙值延 遲鎖定環(huán)就可以鎖定。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 15 雙值DLL的本地碼發(fā)生器 nn 1 n 21 到解擴(kuò)器 到第2相關(guān)器 到第1相關(guān)器 第第5

24、5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 16 雙值DLL的相關(guān)波形 (a) 相關(guān)器1的相關(guān)波形; (b) 相關(guān)器2的相關(guān)波形; (c) 合成的相關(guān)函數(shù)波形 2 2 o 2 2 (a) (b) (c) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 將雙值延遲鎖定環(huán)與單值延遲鎖定環(huán)相比較, 可 以看出: (1) 雙值延遲鎖定環(huán)的跟蹤范圍比單值延遲鎖定 環(huán)的跟蹤范圍大一倍, 即前者的跟蹤范圍為-+, 后者 為-/2+2; (2) 單值延遲鎖定環(huán)在跟蹤范圍內(nèi)相關(guān)函數(shù)的斜 率比雙值延遲鎖定環(huán)的斜率大一倍, 這意味著單值 延遲鎖定環(huán)控制靈敏度高。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 (

25、3) 雙值延遲鎖定環(huán)可從本地碼產(chǎn)生器的第r-1級 輸出, 直接用于信號的解擴(kuò), 而不必像單值延遲鎖定環(huán) 那樣, 需將偽隨機(jī)碼時移Tc2后才能用于解擴(kuò), 因而得 以簡化。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.4.3 -抖動環(huán) -抖動環(huán)只用一個相關(guān)支路, 如圖5 - 17所示, 其工作 原理與延遲鎖定環(huán)類似。 本地偽隨機(jī)碼發(fā)生器輸入到 相關(guān)器的碼, 在第r級和第r-1級之間跳動。 包絡(luò)檢波器 的輸出是一方波,這是因?yàn)樗颖镜卮a在跳變, 相關(guān)器處 于相關(guān)與不相關(guān)兩種狀態(tài), 或處于強(qiáng)相關(guān)與弱相關(guān)兩種 狀態(tài)。 包絡(luò)檢波器輸出的方波信號經(jīng)環(huán)路濾波和全波 整流后, 得到一直流信號去控制VCO,

26、 從而達(dá)到跟蹤的 目的。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 17 -抖動環(huán) BPF包 絡(luò) 檢 波 輸 入 信 號 PN碼 發(fā) 生 器VCO全 波 整 流環(huán) 路 濾 波 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.5 跳頻系統(tǒng)的同步跳頻系統(tǒng)的同步 5.5.1 跳頻同步的內(nèi)容和要求 1. 跳頻同步的內(nèi)容 在跳頻系統(tǒng)中, 接收機(jī)本地輸出的跳變頻率必須與 發(fā)送端的跳頻器產(chǎn)生的頻率嚴(yán)格地同步, 才能正確地相 關(guān)解跳, 使得接收到的有用信號恢復(fù)成受信息調(diào)制的固 定中頻信號(窄帶), 從而從中解調(diào)出有用信號。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 跳頻系統(tǒng)中的同步一般有

27、以下幾種: (1) 載波同步。 (2) 跳頻圖案的同步。 (3) 信息碼同步。 (4) 幀同步。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 18 跳頻圖案的同步 (a) 頻率時間均同步; (b) 時間同步頻率不同步; (c) 頻率同步, 時間不同步 o f t o f t f t o (a)(b)(c) 發(fā) 收 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 跳頻圖案的同步可分為兩步進(jìn)行: 捕獲和跟蹤。 捕 獲是使收發(fā)雙方的跳頻圖案的差在時間上小于一跳的 時間Th, 如圖5 - 18(c)所示。 同步的頻率精度由頻率合 成器的性能指標(biāo)保證, 同步的時間精度應(yīng)小于兩端的轉(zhuǎn) 換時間,

28、 如圖5 - 19所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 19 跟蹤 fx發(fā) 收 x f 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 2. 跳頻同步的主要要求 對跳頻系統(tǒng)的同步的主要要求為: (1) 能自動快速實(shí)現(xiàn)同步; (2) 在容限信號電平情況下仍能正常工作; (3) 抗干擾能力強(qiáng); (4) 只對正確的跳頻碼信號進(jìn)行同步; (5) 網(wǎng)內(nèi)的跳頻電臺任何時間入網(wǎng)都可以實(shí)現(xiàn)同步; (6) 不影響信息傳輸質(zhì)量; (7) 能夠抗敵方施放的虛假同步信號。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.5.2 跳頻圖案的同步 1. 外同步法 外同步法又分為精確時鐘定時法和

29、同步字頭法。 (1) 精確時鐘定時法。 (2) 同步字頭法。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 2. 自同步法 為了避免外同步法的不足, 可直接從接收到的跳頻 信號中獲取同步信息。 這種方法可自動迅速地從接收 到的跳頻信號中提取同步信息, 不需要同步頭, 可節(jié)省 功率, 且有較強(qiáng)的抗干擾能力和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。 但其 同步時間相對于外同步法要長, 因而主要用于那些同步 時間要求不太高的系統(tǒng)。 自同步法是將同步信息離散 地插入跳頻信號的一個或多個頻率中, 接收機(jī)從這些頻 率中將離散的同步信息提取出來, 用來調(diào)整接收機(jī)的有 關(guān)參數(shù)(比如偽隨機(jī)碼的相位等)從而完成同步。 發(fā)射 信號的幀結(jié)構(gòu)

30、如圖5 - 20所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 20 發(fā)射信號的幀結(jié)構(gòu) f1f2 f2 f2f3 同 步 信 息 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 檢測離散的同步信息的方法有如下幾種: (1) 串行搜索法。從理論上講, 這種方法與后驗(yàn)技 術(shù)相比是準(zhǔn)最佳的, 且實(shí)現(xiàn)簡單, 它通過逐個搜索碼相 位單元的方式來完成對跳頻信號的捕獲, 圖5 - 21為串 行搜索的原理框圖。 (2) 并行搜索法。 這種方法又稱為匹配濾波器法, 其原理框如圖5 - 22所示。 (3) 兩級捕獲法。 圖5 - 23是這種方案的原理框圖。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的

31、同步 圖 5 - 21 串行搜索同步器 BPF檢 測 跳 頻 信 號 頻 率 合 成 器 比 較脈 沖 計 數(shù) 與 控 制 PN碼 發(fā) 生 器時 鐘 門 限 已 同 步 ， 停 止 搜 索 未 同 步 ， 調(diào) 整 時 鐘 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 22 并行搜索同步器 f1 BPF1檢 測時延( m1) Tn f2 BPF2檢 測時延( m2) Tn fm BPFm檢 測 跳頻信號 比 較 門限 同步指示 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 23 兩級捕獲同步器 搜 索 鑒 別 比較 比較 VT 2 有源 相關(guān) 器組 VT 1 比較 匹配濾

32、波器 BPF解 調(diào) 頻率合成器 PN碼發(fā)生器搜索控制 檢測電路 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 從分析的結(jié)果可以看出, 采用兩級捕獲方案的優(yōu)點(diǎn) 如下： 該方案的性能參數(shù)與跳速無關(guān), 這就從根本上避 開了跳周期資源不足的困難。 選擇較多的頻率數(shù)及跳頻圖案數(shù), 可在信噪比較 低的情況下獲得較高的檢測概率, 捕獲時間隨著跳率的 增加而減小。 可改變跳頻圖案。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 3. 利用FFT實(shí)現(xiàn)快速捕獲 圖5 - 24是利用FFT實(shí)現(xiàn)快速捕獲的原理框圖, 實(shí)際 上是在現(xiàn)代譜估計的基礎(chǔ)上提出來的。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 2

33、4 利用FFT實(shí)現(xiàn)快速捕獲 頻率/偽碼相位轉(zhuǎn)換 頻率確定及誤差修正 FFT V T1 PN碼發(fā)生器 檢 測 V T 2 同步控制頻率合成器 K 同步指示 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 4. 利用自遞歸譜估計實(shí)現(xiàn)同步 圖5 - 25為該方案的原理框圖。 由于在每一跳內(nèi)對 應(yīng)一發(fā)射頻率, 可首先利用自遞歸譜估計技術(shù)估測出每 一時隙內(nèi)的頻率, 然后由碼捕獲邏輯求出與該頻率對應(yīng) 的偽隨機(jī)碼的最高碼位, 并將其置入本地碼發(fā)生器。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 25 利用自遞歸譜估計同步器 PN碼 發(fā) 生 器 頻 率 合 成 器 碼 捕 獲 邏 輯 頻 率 估

34、測 算 法 自 適 應(yīng) 濾 波 檢 測捕 獲 控 制 同 步 指 示 時 鐘 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.6 跳頻系統(tǒng)的掃瞄駐留同步法跳頻系統(tǒng)的掃瞄駐留同步法 5.6.1 基本原理 在戰(zhàn)術(shù)通信中, 為了提高戰(zhàn)術(shù)電臺同步系統(tǒng)的抗干 擾性能和保密性能, 其跳頻圖案不是簡單地由一偽隨機(jī) 碼去控制, 還需加上另外的保密、 抗干擾措施, 以防止 敵方對同步頭的故意干擾。 一般需加入原始密鑰 PK(Prime Key)和時間信息TOD(Time of Day), 由偽隨機(jī) 碼、 PK、 TOD經(jīng)非線性運(yùn)算后來確定跳頻圖案, 如圖 5 - 26所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻

35、系統(tǒng)的同步 圖 5 - 26 跳頻圖案產(chǎn)生框圖 32位移位寄存器32位移位寄存器 非線性運(yùn)算時鐘 輸出碼 (063) PKTOD 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.6.2 同步頭的結(jié)構(gòu) 發(fā)端在發(fā)送信號之前首先發(fā)送一個同步頭, 同步頭 由n個頻率組成, 按f1, f2, , fn編號, 依次發(fā)送。 這些同 步頭頻率的產(chǎn)生與跳頻圖案中的頻率的產(chǎn)生方法類似。 為提高跳頻同步頭頻率的隨機(jī)性和抗干擾性能, 這些同 步頭頻率也是隨時間變化的, 每經(jīng)過T1時間更換一個頻 率, 經(jīng)nT1時間后, 同步頭頻率就變成一個全新的頻率集。 同步頭頻率數(shù)n和換頻時間T1與同步保持時間有密切的 關(guān)系, 與

36、同步頭的抗干擾性和隨機(jī)性也有很大的關(guān)系, 同步頭的結(jié)構(gòu)如圖5 - 27所示, 同步頭由n(n1+n2)個頻 率組成。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 27 同步頭結(jié)構(gòu) 相關(guān)跳1相關(guān)跳2 f1 fnf1 fnf1 fnf1 fnf1 fnf1 fnf1 fnf1 fnf1 fn 相關(guān)跳n1TOD1TOD2 TODn2 n1n跳n2n跳 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 28 同步頭幀結(jié)構(gòu) (a) LLLLL (b) NNNNNNNN 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.6.3 掃瞄駐留同步 掃瞄駐留同步分兩步進(jìn)行, 即掃瞄和駐留。

37、掃瞄是 完成同步頭頻率的捕獲, 駐留是從同步頭頻率中提取同 步信息, 從而完成收發(fā)雙方的同步。 圖5 - 29為這種同 步方法的示意圖。 上圖為發(fā)端發(fā)送的信號。 每次通話 (發(fā)送信號)時, 發(fā)端一按 PTT(Push To Talk)開關(guān), 首先把 同步頭發(fā)送出去(n(n1+n2)個頻率), 然后再發(fā)送要傳輸 的信息(信息跳)。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 29 掃瞄駐留同步 f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5f1f2f3f4f5 1 f

38、0 f 1 f 1 f 駐留 捕獲 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 5.6.4 性能分析 1. 同步時間 同步時間是指完成同步所需的時間。 在掃瞄駐留 同步過程中, 同步時間就是同步頭的時間,同步頭的頻率 數(shù)為n(n1+n2), 則同步時間ts為 ts=n(n1+n2)Th (5 - 11) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 2. 同步保持時間 由于同步是由 TOD決定的, 收發(fā)雙方的TOD完全一 致, 雙方就可同步。 但TOD是由一頻率源提供的, 雖然 其精度可能很高, 但也會有一定的誤差, 隨著時間的消 逝, 時鐘的誤差積累, 將導(dǎo)致收發(fā)雙方的TOD不一致。 同步

39、保持時間是指在同步后, 下一次能通過同步頭進(jìn)入 同步的最大時間間隔, 為 2 ) 1(Tn th (5 - 12) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 3. 捕獲性能 1) 特征碼檢測概率 在掃瞄過程中, 只要收到K個長為L的特征碼就完成 了捕獲。 對特征碼的檢測采用數(shù)字相關(guān)、 大數(shù)判決的 方法來完成, 超過門限值就認(rèn)為捕獲到一個特征碼, 如 圖5 - 30所示。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 30 數(shù)字相關(guān)器 32位 移 位 寄 存 器 32位 寄 存 器 算 術(shù) 加 法 器比 較 判 決 輸 出 門 限 d(T t iTc) 數(shù) 據(jù) Tc 第第5 5章

40、章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 采用數(shù)字相關(guān)器的方法檢測特征碼, 可大大提高特 征碼的檢測概率, 在信道條件比較惡劣的條件下, 仍可 以較高的檢測概率完成特征碼的捕獲。 若恢復(fù)的基帶 信號誤比特率為Pb, 特征碼長度為L, 檢測門限為l1, 則特 征碼的正確檢測概率PD為 iL b i h L li LD PPCP )1 ( 1 (5 - 13) 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 表5 1 L=16, PD與l1、 Pb的關(guān)系 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 表5 - 2 L32時, PD與l1、 Pb的關(guān)系 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 2) 捕獲

41、概率 捕獲的標(biāo)志是捕捉到K個特征碼, 因此同步頭的捕獲 概率PA為 PAPKD (5 - 14) 表5 - 3和表5 - 4分別給出k=3時, 不同L、 l1、 Pb時的PA。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 表5 3 L16時, K3, PA與l1、 Pb的關(guān)系 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 表5 - 4 L32時, K3, PA與l1、 Pb的關(guān)系 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 3) 平均捕獲時間 掃瞄捕獲過程可用圖5 - 31的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來表示, 這是一個有吸收壁的馬爾可夫鏈, PD為一特征碼的檢測 概率, qD1PD為漏檢概率。 第第5 5章章 擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步 圖 5 - 31 捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 S0S1S2Sk 1L0 1 PDPDPD PDPD qD qD qD qD S0： 初 始 狀 態(tài) ； L 0： 捕 獲