第3章_直接序列擴頻通信系統(tǒng).ppt

1、直接序列擴頻通信系統(tǒng),一、概述,用高速PN碼直接與待傳送信息符號相乘 簡單易行、應用廣泛 本節(jié)以BPSK調(diào)制為例,二、DS/BPSK工作原理,待傳送信息符號dn的BPSK調(diào)制：,DS符號dncn的BPSK調(diào)制：,二、DS/BPSK工作原理,DS/BPSK調(diào)制器框圖,二、DS/BPSK工作原理,DS/BPSK發(fā)射/接收系統(tǒng),二、DS/BPSK工作原理,接收機端,如果設n是雙邊功率譜密度為n0/2的AWGN，則,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,以下假設BPSK解調(diào)器的傳遞函數(shù)為H(f)；c(t)cn。 抗窄帶噪聲能力（對應J(t)=0的情況） BPSK解調(diào)器輸入噪聲：,三、DS/BPSK抗干擾能

2、力分析,因為,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,所以,BPSK解調(diào)器輸出噪聲：,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,抗單頻干擾能力（對應n(t)=0的情況） 設 BPSK解調(diào)器輸入噪聲：,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,假設PN碼的自相關函數(shù)是理想的三角波，則,所以，在f0附近，,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,BPSK解調(diào)器輸出噪聲：,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,抗多徑干擾能力,令,則合成信號功率為：,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,若采用具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式，同樣的前提下，合成信號的功率為：,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,若采用具有限帶白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式，功率譜

3、密度函數(shù)和自相關函數(shù)分別為：,合成信號功率為：,三、DS/BPSK抗干擾能力分析,若采用m序列，其理想自相關函數(shù)為：,合成信號功率為：,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（一）概述 載波同步 位同步 群同步 擴頻碼同步：分為兩個階段 第一階段：擴頻碼序列的捕獲（相位誤差在0.5碼片寬度內(nèi)） 第二階段：擴頻碼序列的跟蹤（進一步減小相位誤差，并能在包括噪聲、時鐘基準頻率源的不穩(wěn)定和運動的多普勒頻移等各種外來因素干擾下也能保持高精度的相位對齊） 捕獲和跟蹤過程如下圖所示,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,捕獲和跟蹤過程,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,擴頻碼同步的技術指標 平均捕獲時間 指捕

4、獲系統(tǒng)從開始搜索到進入跟蹤階段的平均時間，反映了捕獲系統(tǒng)的靈敏性； 平均失鎖時間 指跟蹤系統(tǒng)能維持同步的平均時間，反映了跟蹤系統(tǒng)的魯棒性； 同步精度 指在同步完成后，恢復的PN碼相位和輸入的PN碼相位之間的偏差，包括靜態(tài)相位誤差和動態(tài)相位誤差（相位抖動）兩個指標。反映了跟蹤系統(tǒng)的可靠性；,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（二）擴頻碼捕獲技術 原理 利用PN序列尖銳的自相關特性和盡可能小的互相關特性來完成的； 關鍵 是相關檢測器的設計和搜索相關值的方法； 目的 綜合考慮實現(xiàn)復雜度，使平均捕獲時間最小。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,1、相關檢測器 結構 相關、積分、比較,由于干擾和噪聲

5、的作用，檢測器可能做出錯誤判決。衡量檢測器可靠性的兩個概率參數(shù)：檢測概率Pd和虛警概率Pfa。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,SAW型、SAW 卷積器、數(shù)字低通型,分類,帶通型、低通型,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,非相干帶通型相關檢測器結構,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,非相干低通型相關檢測器結構,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,2、非相干有源相關檢測器單駐留時間積分 原理 本地PN碼序列發(fā)生器以與發(fā)射機碼序列發(fā)生器相同的速率與輸入信號相乘（相關）后積分，累加完成一個完整的PN碼周期后將累加值與門限進行比較，超出門限則認為達到同步進入跟蹤階段；如果低于門限則調(diào)整本地 P

6、N碼輸出時鐘使輸出PN碼錯過一個相位進行下一次捕獲，直至捕獲成功為止。 設PN碼周期為N，每一個碼片分為兩個觀測相位，因此整個PN碼周期長度共有Q=2N個觀測相位，單駐留積分時間為T。Q個觀測相位中只有一個同步相位，其余為非同步相位。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,捕獲性能分析 非相干有源相關檢測器捕獲性能分析普遍采用馬爾可夫鏈模型，對應于同步相位和非同步相位，馬爾可夫鏈的節(jié)點分為同步節(jié)點（Q）、非同步節(jié)點（i）和捕獲完成節(jié)點（F）。 設節(jié)點Q為同步節(jié)點，節(jié)點i（i=1, 2, , Q-1）為非同步節(jié)點，節(jié)點F為捕獲完成節(jié)點。系統(tǒng)從節(jié)點s開始搜索，依次為s+1、s+2、Q-1、Q、1、2

7、、s-1。 節(jié)點與節(jié)點之間的轉換有以下幾種：,z為延時算子，其指數(shù)代表以積分時間T為單位的總延時； 判斷虛警要經(jīng)過K個積分時間，稱為虛警懲罰時間； 狀態(tài)轉移函數(shù),四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（1）非同步節(jié)點i到非同步節(jié)點i+1之間的轉換,到捕獲完成節(jié)點F的狀態(tài)轉移函數(shù) 到捕獲節(jié)點1的狀態(tài)轉移函數(shù),四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（2）同步節(jié)點Q到捕獲完成節(jié)點F和節(jié)點1之間的轉換,當初始節(jié)點s位于同步節(jié)點Q時，捕獲系統(tǒng)的轉移函數(shù)為,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（3）各節(jié)點之間的轉換關系,當初始節(jié)點s位于非同步節(jié)點i時，捕獲系統(tǒng)的轉移函數(shù)為,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,

8、其捕獲時間最短，為,其捕獲時間為,假設初始節(jié)點s位于各節(jié)點i的概率為1/Q，則平均捕獲時間為,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,當i=1時，屬于最壞情況，捕獲時間最長，其值為,實際中，Pd0，因此平均捕獲時間大于NT。 綜上所述，平均捕獲時間較長，與以下因素有關，且互相牽連： 積分時間T 檢測概率Pd 虛警概率Pfa,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,在無噪聲、無干擾的理想情況下，Pd=1，Pfa=0，則,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,3、非相干有源相關檢測器多駐留時間積分 概述 單駐留時間積分非相干有源相關檢測器電路簡單，但平均捕獲時間較長。由于檢測概率、虛警概率和積分時間互相牽制

9、，其平均捕獲時間難以減少。為了解決這一問題，可以采用多個積分器，稱為多駐留時間積分非相干有源相關檢測器。 如果能夠快速排除大量非同步狀態(tài)，又能維持虛警概率基本不變，從平均的觀點看，其平均捕獲時間會大大減少，這就是多駐留時間積分非相干有源相關檢測器的基本思想。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,原理,積分器1的積分時間較短，積分器2的積分時間較長。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,捕獲性能分析 假設： 1、積分器j的積分時間為Tj，其檢測概率為Pdj，虛警概率為Pfaj，zj為對應Tj 的延時算子； 2、總積分時間為T=T1+T2； 3、虛警懲罰時間為KT； 4、兩個條件概率Pd1/1、P

10、fa2/1。,狀態(tài)轉移函數(shù),四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（1）非同步節(jié)點i到非同步節(jié)點i+1之間的轉換,到捕獲完成節(jié)點F的狀態(tài)轉移函數(shù) 到節(jié)點1的狀態(tài)轉移函數(shù),四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（2）同步節(jié)點Q到捕獲完成節(jié)點F和節(jié)點1之間的轉換,當初始節(jié)點s位于同步節(jié)點Q時，捕獲系統(tǒng)的轉移函數(shù)為,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（3）各節(jié)點之間的轉換關系,當初始節(jié)點s位于非同步節(jié)點i時，捕獲系統(tǒng)的轉移函數(shù)為,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,其捕獲時間最短，為,其捕獲時間為,假設初始節(jié)點s位于各節(jié)點i的概率為1/Q，則平均捕獲時間為,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,四、DS

11、-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（三）擴頻碼跟蹤技術 1、概述 2、跟蹤原理（參見下頁圖） 鑒相：利用擴頻序列的自相關特性； 調(diào)整：利用鎖相環(huán)的反饋控制原理。 3、兩種實現(xiàn)方式 延時鎖定環(huán)（DLLDelay Locked Loop） 抖動環(huán)（TDL Tau Dither Loop ）,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,（1）延時鎖定環(huán)（DLL） 以DS/BPSK基帶非相干相關器為例說明DLL的工作原理。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,若DS/BPSK擴頻信號為,設捕獲完成后本地PN序列與輸入序列相位差為e ,則,則基帶信號,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,經(jīng)低通濾波器后,再平方、相加,同理,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,DLL的誤差信號,經(jīng)LPF后，得VCO控制信號,其鑒相特性曲線如下頁圖所示。,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步技術,DLL其鑒相特性曲線,四、DS-SS系統(tǒng)的擴頻碼同步