擴頻 第7章(1)

1、第第7 7章章 擴頻系統(tǒng)信號的接擴、解調與同步擴頻系統(tǒng)信號的接擴、解調與同步Spread Spectrum Communication1擴頻信號的相關解擴擴頻信號的相關解擴7.1基帶解調（基帶恢復）與載波同步基帶解調（基帶恢復）與載波同步7.2基帶信號的同步基帶信號的同步7.32 擴頻通信系統(tǒng)接收信號一般很微弱擴頻通信系統(tǒng)接收信號一般很微弱設計良好的相關器（例如乘積檢波器），可以允許在輸入信噪比低達 -50 -20dB的條件下，從強干擾噪聲中檢測出微弱信號。因此大多數(shù)擴頻信號的解擴都使用相關檢測器，也有一些簡單的擴頻通信系統(tǒng)使用非相關檢測器。接收信號功率通常約為10-1210-15W（-90d

2、Bm-120dBm）左右，而信道中的大氣噪聲在擴頻通帶內的功率約為10-13W（-100dBm）左右，其它干擾信號的功率更要大得多，有用信號被干擾和噪聲所淹沒。所以擴頻接收機一般要在輸入端信噪比為-300dB條件下進行信號處理。 相關器具有很強的微弱信號檢測能力相關器具有很強的微弱信號檢測能力引言3（1）對擴頻信號進行解擴/跳；（2）對解擴/跳后的載有信息的信號進行解調。引言 擴頻信號解調需要兩步來完成擴頻信號解調需要兩步來完成對DS或FH系統(tǒng)，解擴/跳是通過與本地參考信號相乘來完成。 結構上結構上：本地參考信號在結構上與發(fā)端信號相同； 相位上相位上：在時間或相位上與由發(fā)端信號同步?；鶐盘柣?/p>

3、 復是傳統(tǒng)的解調問題。47.1 擴頻信號的相關解擴7.1.1 相干通信的基本概念p 信號的相干性信號的相干性u相干信號：是指信號的信號的某個特定標記（通常指相位）在時間坐標上有確定的關系，具有這種性質的信號稱為相干信號。u若兩個電信號電信號具有相同振蕩頻率，相同電矢量振動方向，且有固定的相位差，則這兩個信號就是相干的。即使是相干信號，它的某些參數(shù)也可能是隨機的。u在實際振蕩器中，無論相位如何穩(wěn)定，都會有隨機成分。只要隨機成分占的比例很小，可以忽略，或影響可分析和控制，那么工程上仍可認為是相干信號或部分相干信號。5設波形為7.1.1 相干通信的基本概念)()()(tntstr相關運算就是用一個與

4、s(t) 有密切相干關系的本地參考信號sr(t) 與r(t) 相乘后積分，即p 相關運算（相關運算（Correlation）ttstrrd)()(圖7-1 相干檢測原理圖本地參考信號sr(t)與信號s(t) 的頻率相同，且相位是相干的。相乘器可用鑒相器（或環(huán)形平衡混頻器）來實現(xiàn)，低通濾波器起到積分的作用。6u相干檢測的低通濾波器（積分器）可以消除一部分噪聲分量影響，從而改善接收系統(tǒng)輸出信號質量。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，特別是PSK信號，采用相干檢測可以減少誤碼，它在占用功率、帶寬和抗干擾等方面性能優(yōu)越。相干檢測過程與理論上相干檢測過程與理論上分析的在白噪聲干擾下的最佳解調方法相符分析的在白噪聲干擾下

5、的最佳解調方法相符。u相干檢測性能指標與相干檢測性能指標與本地參考線號和輸入信號的相干程度本地參考線號和輸入信號的相干程度有關。有關。p 本地相干參考信號的產生本地相干參考信號的產生u本地參考信號是由鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路產生的。u什么是鎖相環(huán)路？ u信號檢測理論知：鎖相環(huán)路是信號相鎖相環(huán)路是信號相位檢測的最佳估計設備位檢測的最佳估計設備。鎖相環(huán)路可等效為信號相位的線性系統(tǒng)?？稍O計成對信號相位進行最優(yōu)跟蹤（指動態(tài)跟蹤誤差與噪聲隨機誤差的均方值最小）。如果我們實現(xiàn)了信號相位的最優(yōu)跟蹤，就可以實現(xiàn)完善的相干通信了。7.1.1 相干通信的基本概念7u對于擴頻信號，接收端要復制一個與發(fā)射端擴頻碼結構相同、碼

6、元同步的本地參考擴頻碼信號。收、發(fā)兩端擴頻碼同步信號相乘并積分的過收、發(fā)兩端擴頻碼同步信號相乘并積分的過程為相關解擴程為相關解擴。u完成解擴功能的載波同步及碼元同步的是一些特殊的鎖相環(huán)，如利用平方環(huán)、Costas環(huán)等進行載波同步；利用包絡檢波法、延遲相干法等完成碼元同步；利用延遲鎖定環(huán)、-抖動環(huán)以及匹配濾波器等完成擴頻碼同步。uDS和FH系統(tǒng)相關處理（解擴）的過程是一樣的。區(qū)別：本地參考信號是DS信號還是FH信號。共同點：接收機的Gp都是在相關處理中把有用的寬帶信號變換成窄帶信號，把無用的窄帶信號或寬帶信號（干擾）變換成寬帶信號，從而降低了干擾信號的功率譜密度，提高了窄帶濾波器輸出端的信噪比，

7、而獲得系統(tǒng)處理增益。u擴頻信號的相關解擴器一般有兩種形式：擴頻信號的相關解擴器一般有兩種形式：“直接式直接式”和和“外差式外差式”。 p 相關解擴相關解擴7.1.1 相干通信的基本概念87.1.2 直接式相關解擴器圖7-3 直接式相關解擴器（1）（2）（3）（4）9特點特點（1）優(yōu)點：結構簡單；（2）缺點：對于干擾信號有直通直通現(xiàn)象；7.1.2 直接式相關解擴器在載波附近的窄帶干擾信號（比有用信號強）可能繞過相關解擴器，如通過空間波耦合形式直接泄漏出去。此時，干擾信號沒有參與相關運算就直接到達解擴器輸出端，失去了在相關處理過程中所能獲得的處理增益。因此，直接式相關解擴的抗干直接式相關解擴的抗干

8、擾能力較低，僅用在一些對抗干擾能力要求不高的擴頻系統(tǒng)中擾能力較低，僅用在一些對抗干擾能力要求不高的擴頻系統(tǒng)中。107.1.3 外差式相關解擴器特點特點（1）輸出信號與輸入信號的載波頻率不同。在相關的同時，完成信號混頻，變換到一個中頻上，避免了載波附近干擾信號直接泄漏到輸出端的可能性，簡化接收機設計。（2）相關解擴器后的電路工作在較低頻率，故性能較為穩(wěn)定，可進行標準化設計和制作。被DS和FH系統(tǒng)廣泛使用。圖7-4 直接序列和跳頻系統(tǒng)中外差式相關解擴器 頻率跳變外差式相關器 直接序列外差式相關器117.1.3 外差式相關解擴器n 頻譜特性頻譜特性圖7-5 直接序列系統(tǒng)外差式相關器中信號的頻譜 12

9、相關器輸出中，不僅包含有用信號，接收系統(tǒng)的內部噪聲和外部干擾同樣在輸出中表現(xiàn)。另外，接收系統(tǒng)的不理想不僅使有用信號的輸出幅度降低，而且還以某種噪聲的形式出現(xiàn)在相關器輸出中。DS或FH系統(tǒng)中，相關器主要作用：使本地參考信號與輸入的有用信號進行匹配，使有用信號達到最大輸出，將隱藏在噪聲中的載有信息的信號恢復出來。 相關器主要作用相關器主要作用 相關器輸出特點相關器輸出特點 碼元同步偏移的影響； 載波抑制度不足和碼不平衡的影響； 干擾的影響； 噪聲對相關器輸出的影響因素噪聲對相關器輸出的影響因素7.1 擴頻信號的相關解擴137.1.4 碼元同步偏移對相關處理的影響實際系統(tǒng)中，由于收發(fā)兩端振蕩器頻率和

10、初始相位的微小差別，或由于收發(fā)信機間電波傳播中受到干擾和傳輸延遲而產生差別，使接收擴頻碼與發(fā)射擴頻碼間碼元同步碼元同步發(fā)生偏移。 碼元同步發(fā)生偏移的產生碼元同步發(fā)生偏移的產生傳輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的任何不理想情況，都將使輸出信號的質量下降。碼元同步偏移在相關處理過程中必然導致部分有用部分有用信號功率轉換為噪聲功率，其大小取決于碼元同步偏移的大小信號功率轉換為噪聲功率，其大小取決于碼元同步偏移的大小。 碼元同步偏移的后果碼元同步偏移的后果 目標目標有必要研究碼元同步狀態(tài)發(fā)生偏移對相關器輸出的影響。147.1.4 碼元同步偏移對相關器輸出的影響m序列的自相關器最大輸出發(fā)生在兩個碼的相對位移為0時刻，此時輸

11、出信噪比最大。當不完全同步時（碼元同步偏移），有用信號的一部分與本地參考碼的功率譜進行卷積而被展寬為噪聲，因此輸出噪聲總輸出噪聲總量取決于同步程度量取決于同步程度。當完全不同步時，相關器輸出幾乎全部為噪聲。p 碼元同步偏移的產生碼元同步偏移的產生圖7-6 二進制碼序列的自相關波形157.1.4 碼元同步偏移對相關器輸出的影響p 從相關器輸出端看到的噪聲從相關器輸出端看到的噪聲P97擴頻碼沒有完全同步時，混頻過程將產生許多新的頻率分量。同步時，輸入信號被變換為中頻窄帶信號；不同步時，它們形成的信號協(xié)方差功率不為零，變?yōu)樵肼曌優(yōu)樵肼?。其一部分將落在中頻帶寬內，降低系統(tǒng)輸出信噪比。p 碼元同步偏移的

12、影響碼元同步偏移的影響碼元同步偏移可造成碼元同步偏移可造成有用信號輸出功率下降有用信號輸出功率下降及及輸出噪聲功率增加輸出噪聲功率增加。167.1.5 載波抑制不足和碼不平衡對相關器輸出的影響（2）主瓣零點）主瓣零點主瓣寬度2Rc 。中心頻率點f0處譜密度不為0，是由于抑制不足而產生的殘留載波；器而產生的寄生調制信號。頻譜第二個零點 f0+2Rc及f0-2Rc處的寄生調制信號是位同步時鐘的二次諧波分量。圖7-7 載波抑制不足和碼時鐘泄露時DS信號的頻譜（1）中心頻點）中心頻點頻譜主瓣零點f0+Rc與f0-Rc處，信號的譜密度不為0是由于調制碼中，包含的位同步時鐘分量進入調制p 載波抑制不足和碼

13、鐘泄露的影響載波抑制不足和碼鐘泄露的影響17（1 1）載波抑制不足的影響載波抑制不足的影響殘留載波相當于單頻正弦波干擾信號。通過相關解擴器后，增加了相關器的輸出噪聲，降低了接收機輸出信號的信噪比。（2）碼鐘泄露的影響碼鐘泄露的影響主瓣零點處寄生調制信號（調制碼位同步時鐘進入調制器造成），使得已調波產生寄生調幅，同樣也相當于單頻正弦波干擾信號相當于單頻正弦波干擾信號。通過相關器后，使接收機輸出噪聲增加，輸出信噪比降低。由于擴頻接收機的射頻帶寬通常為2Rc，故 f0+2Rc及 f0-2Rc處的寄生調制信號不影響。（3 3）本地參考信號的影響本地參考信號的影響在外差式相關處理過程中，要求本地參考信號

14、的平衡調制器也必須對載波和位同步時鐘所產生的寄生調制信號有良好的抑制度。否則，也會增加接收機輸出噪聲，降低輸出信噪比。7.1.5 載波抑制不足和碼不平衡對相關器輸出的影響18提高載波抑制度提高載波抑制度要求DS系統(tǒng)平衡調制器的載波抑制度至少等于系統(tǒng)處理增益。例如，系統(tǒng)擴頻帶寬為20MHz，檢測帶寬為10kHz，則Gp=33dB，于是平衡調制器載波抑制度至少要有33dB。若系統(tǒng)處理增益很高時，如60dB，則需要精心設計平衡調制器來達到所要求的載波抑制度（因為常用的平衡調制器載波抑制度一般為2040dB）。設計碼接口電路設計碼接口電路盡量加大調制碼接口電路帶寬，使碼元失真和畸變盡量減小。已調信號中

15、位同步時鐘分量是由于輸入調制碼不理想造成的。理想的NRZ碼中不包含位同步時鐘分量，由于接口電路不理想，如帶寬不夠寬，將造成調制碼失真或畸變，如“0”和“1”碼元寬度不相等，使得部分NRZ碼產生非線性失真，變成RZ碼，從而使頻譜變寬，在位同步時鐘分量處產生線譜（離散譜）。7.1.5 載波抑制不足和碼不平衡對相關器輸出的影響197.1.6 有干擾時相關器的輸出干擾增加，DS接收機相關器輸出信噪比下降。當干擾功率在系統(tǒng)干擾容限之內，該系統(tǒng)能有效工作，解調器仍能產生可用的輸出信號。此時，相關器輸出受干擾影響很小，相關器輸出質量（信噪比）完全滿足系統(tǒng)要求。當干擾功率超過系統(tǒng)干擾容限，則需要特殊的抗干擾算

16、法首先消除大部分干擾功率，然后在進行相關的處理。擴頻系統(tǒng)的主要特征之一是具有較強的抑制干擾能力。p 干擾的影響干擾的影響20(1) (1) 干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響SYS( )( )( )s tj tnt7.1.6 有干擾時相關器的輸出輸入到相關器的信號為 poutinSSGJJ相關器的輸出信擾比和輸入信擾比之間的關系 圖7-9 直接序列接收機模型21(1) (1) 干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響圖7-10 直接序列相關器中各點的信號頻譜7.1.6 有干擾時相關器的輸出輸入到相關器的信號為 22(1) (1) 干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影

17、響干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響WIF()pBGB本地參考信號帶寬（中頻濾波器帶寬）7.1.6 有干擾時相關器的輸出擴頻接收機的處理增益pJJ G中頻濾波器輸出的干擾信號的功率pSJSGJ中頻濾波器的輸出功率PoutSGSSNJJ中頻濾波器的輸出信噪比23 寬帶干擾信號寬帶干擾信號 寬帶干擾信號j2(t)功率為J2 ，帶寬2Rc。根據(jù)頻域卷積定理，得干擾信號的帶寬被擴展為本地參考信號帶寬的兩倍中頻濾波器輸出的噪聲功率為 。在同樣強度干擾下，與窄帶干擾相比，寬在同樣強度干擾下，與窄帶干擾相比，寬帶干擾信號的輸出功率降低了帶干擾信號的輸出功率降低了3dB。ss(22224),ncccBBRRR2p/

18、JG7.1.6 有干擾時相關器的輸出 窄帶干擾信號窄帶干擾信號 窄帶干擾信號輸入到相關器與本地參考擴頻信號相乘，根據(jù)頻域內卷積的原理，干擾信號的功率譜被本地參考信號展寬，帶寬與本地參考信號的帶寬相等 經(jīng)中頻濾波器后，只有少量干擾功率能通過中頻帶通濾波器輸出。24對DS-SS接收機，輸入干擾信號功率一定時，其帶寬越寬，對系統(tǒng)的影響就越小。所以直接序列擴頻系統(tǒng)對寬帶干擾的反應不敏感直接序列擴頻系統(tǒng)對寬帶干擾的反應不敏感，它的抗寬帶干擾的能力為Gp。如果把連續(xù)波單頻干擾認為是最窄的窄帶干擾，而把寬帶干擾的帶寬上限定為參考信號帶寬，則相關器輸出干擾信號的功率在3dB的范圍內變化。n 小結小結7.1.6

19、 有干擾時相關器的輸出相關器輸出的干擾信號功率ssssp2JnBNJBB G25(1) (1) 干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響干擾信號對直接序列系統(tǒng)的影響WIF()pBGB本地參考信號帶寬（中頻濾波器帶寬）7.1.6 有干擾時相關器的輸出擴頻接收機的處理增益pJJ G中頻濾波器輸出的干擾信號的功率pSJSGJ中頻濾波器的輸出功率PoutSGSSNJJ中頻濾波器的輸出信噪比2611002000222020JJNJ如果干擾功率仍為J，帶寬為20MHz的鄰臺干擾信號輸入到同一系統(tǒng)時，則相關器輸出的干擾信號功率為200020002202020JJNJ考慮到系統(tǒng)噪聲時，相關器輸出的信噪比為ssoutSYS

20、outssp2nSSBNJNBB G即為接收機信息解調器或同步檢測器的輸入信噪比。7.1.6 有干擾時相關器的輸出一個功率為J，帶寬為2MHz的干擾信號，輸入到Gp=33dB，本地參考信號帶寬為20MHz的直接序列擴頻接收機時，通過相關器后輸出干擾信號的帶寬被展寬為22MHz，相關器輸出的干擾信號功率為 27(2) 干擾信號對頻率跳變系統(tǒng)的影響干擾信號對頻率跳變系統(tǒng)的影響FH-SS系統(tǒng)以“躲避”方式抑制干擾。接收端本地參考信號是一個與發(fā)射端同步的并以同樣速率跳變的一些頻率信號。在外差式相關解擴器中，其頻率與發(fā)射信號的頻率相差一個中頻。針對寬帶干擾，帶寬覆蓋了跳頻帶寬的大部或全部，每個頻點的信號都受到干擾污染。因而頻率跳變系統(tǒng)對寬帶干擾信號的反應是敏感頻率跳變系統(tǒng)對寬帶干擾信號的反應是敏感，任何跳變頻率都無法“躲避”這種寬帶干擾，故寬帶大功率干擾信號對于頻率跳變系統(tǒng)的危害較大寬帶大功率干擾信號對于頻率跳變系統(tǒng)的危害較大。7.1.6 有干擾時相關器的輸出28（a）假定頻道內當干擾信號功率Je 時，認為輸出信噪比不能滿足要求。則（