第3章_直接序列扩频通信系统

1、直接序列扩频通信系统概述用高速PN码直接与待传送信息符号相乘 简单易行、应用广泛本节以BPSK调制为例二、DS/BPSK工作原理待传送信息符号必的BPSK调制：L 2 DS符号必c“的BPSK调制:712=dncn 41S cosco0t = cns(ts(/) = 41S sin(oQt -dn = dn 725 coscoQt, dn g ± 1土二、DS/BPSK工作原理 DS/BPSKW制器框图5土二、DS/BPSK工作原理 DS/BPSK发射/接收系统儿）V发射端接收端二、DS/BPSK工作原理接收机端< 40 = c” y(t) = 40+N(“r = J Eb +

2、 ",Eb = STb如果设是双边功率谱密度为o/2的AWGN,则Pb=Pr(r>Odn =>2Eb%三、DS/BPSK抗干扰能力分析以下假设BPSK解调器的传递函数为c（t）=cnO1.抗窄带噪声能力（对应的情况） BPSK解调器输入噪声：N（t） =砒）=&0臥）Pn&Hp.S严匸叨妙三、DS/BPSK抗干扰能力分析£丿do“三、DS/BPSK抗干扰能力分析>! s所以pc（/）*（/）<-£pn（f-）P R=_co BPSK解调器输出噪声：Sn° = ； Pn。（讪=二 £”）* Pn（f）dfJ

3、I 匚 p,Xf+人）+p.Xf - fb ）妙 = lf+M = L八 2 2 J p三、DS/BPSK抗干扰能力分析1=2.抗单频干扰能力（对应必）=0的情况） 设 J0=77 cos如 BPSK解调器输入噪声：N(t) =Rn (r) = Rc (rX (r)匕= £(/)* 匚RjC)=Sj COSd)0T三、DS/BPSK抗干扰能力分析假设PN码的自相关函数是理想的三角波，则1t <T Kb)二 L " cPc(f) = TcSa2frJ 0， 忖 > Tc所以，在/o附近，B * Pc(/) = y TcSa24f - f0>c + S/f +

4、 fQ比2%三、DS/BPSK抗干扰能力分析 BPSK解调器输出噪声：o(/) =(/) = |H")|乜(/)* 鬥(/)s旳寸"府二匸匚")*匕fb 2%三、DS/BPSK抗干扰能力分析3.抗多径干扰能力S。X(t) = Acos/of y2 (t) = Acos(v0t +(vot)y(t) = xcos(Qof + 0)=A2 + A2 + 2A2 cosg)qta 22A x=2 2贝lj合成信号功率为:S = 2S0(l + coso>0r)若采用具有白噪声统计特性的信号形式，同样的前提下，合 成信号的功率为：S二可旳+貞+)=氐2 0 + 论2

5、 (+)+2店(诫 + r)= 2S。1 +需=250 1 + r(r)=2S。若采用具有限带白噪声统计特性的信号形式，功率谱密度函 数和自相关函数分别为：合成信号功率为:cox < (d <(d2others<=> =1 + SaS = 2S°COSO。万四、DS-SS系统的扩频码同步技术%三、DS/BPSK抗干扰能力分析若采用加序列，其理想自相关函数为：恥）=牛丹00, others合成信号功率为:t<tcothers（_）概述 载波同步 位同步 群同步 扩频码同步：分为两个阶段第一阶段：扩频码序列的捕获（相位误差在05码片宽度内）第二阶段：扩频码序

6、列的跟踪（进一步减小相位误差，并能在包 括噪声、时钟基准频率源的不稳定和运动的多普勒频移等 各种外来因素干扰下也能保持高精度的相位对齐）捕获和跟踪过程如下图所示四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术捕获过程跟踪过程捕获和跟踪过程四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术1.2.3.性;扩频码同步的技术指标平均捕获时间指捕获系统从开始搜索到进入跟踪阶段的平均时间，反映了 捕获系统的灵敏性；平均失锁时间指跟踪系统能维持同步的平均时间，反映了跟踪系统的鲁棒同步精度指在同步完成后，恢复的PN码相位和输入的PN码相位之间 的偏差，包括静态相位误差和

7、动态相位误差（相位抖动）两 个指标。反映了跟踪系统的可靠性；（二）扩频码捕获技术 原理利用PN序列尖锐的自相关特性和尽可能小的互相关特性来完 成的；关键是相关检测器的设计和搜索相关值的方法;目的综合考虑实现复杂度，使平均捕获时间最小。1、相关检测器结构相关、积分、比较由于干扰和噪声的作用，检测器可能做出错误判决。衡量检测器可靠性的两个概率参数：检测概率巴和虚警概率©厂四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术有源相关 （低速检测）无源相关（匹配滤波）SAW型、SAW卷积器、数字低通型四、DS-SS系统的扩频码同步技术非相干带通型相关检测器结构非相干低通型相关

8、检测器结构四、DS-SS系统的扩频码同步技术2、非相干有源相关检测一单驻留时间积分原理本地PN码序列发生器以与发射机码序列发生器相同的速率与 输入信号相乘（相关）后积分，累加完成一个完整的PN码周 期后将累加值与门限进行比较，超出门限则认为达到同步进 入跟踪阶段；如果低于门限则调整本地PN码输出时钟使输 出PN码错过一个相位进行下一次捕获，直至捕获成功为止。设PN码周期为N,每一个码片分为两个观测相位，因此整个 PN码周期长度共有0=2N个观测相位，单驻留积分时间为几 0个观测相位中只有一个同步相位，其余为非同步相位。四、DS-SS系统的扩频码同步技术捕获性能分析非相干有源相关检测器捕获性能分

9、析普遍采用马尔可夫链模 型，对应于同步相位和非同步相位，马尔可夫链的节点分为 同步节点（0）、非同步节点&）和捕获完歳节点（F） o设节点0为同步节点，节点i （i=l, 2,，2-1）为非同步节点， 节点F为捕获完成节点。系统从节点s开始搜索，依次为$+1、s+2、0-1、Q、1> 2>节点与节点之间的转换有以下几种:四、DS-SS系统的扩频码同步技术(1)非同步节点倒非同步节点i+1之间的转换 节点FA节点i节点i+1 z为延时算子，其指数代表以积分时间T为单位的总延时;判断虚警要经过K个积分时间，称为虚警惩罚时间；状态转移函数H(z)=存&曲+ (1 _ pj

10、z四、DS-SS系统的扩频码同步技术(2)同步节点0到捕获完成节点F和节点1之间的转换节点QF到捕获完成节点F的状态转移函数HF(z) = Pdz到捕获节点1的状态转移函数耳(z) = (l-马)z（3）各节点之间的转换关系节点1 节点2节点s节点QJ 节点Q节点F当初始节点S位于同步节点0时，捕获系统的转移函数为四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术其捕获时间最短，为罗訂必e（z）_1 + （1-匕 X。-0（1Mb十KPtdzz=lPd当初始节点S位于非同步节点i时，捕获系统的转移函数为 Pd出叫）心歸瓣）1（“卄其捕获时间为Ti =tA（z）呵dzi+（TX

11、Q-iXi+®）八（Qxz=lpd四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术当时，属于最坏情况，捕获时间最长，其值为1+(°iXi+qjfT爲pi假设初始节点s位于各节点i的概率为1/0,则平均捕获时间为 心誌丈九罕興+码)卩+与1(1+«讣 0 Ird2=2 + (2-马X0T)(1 + K/%)t (2匕Xl + gJ的在无噪声、无干扰的理想情况下，pr, pfR,则- 1 Tacq=QT=NT实际中，Pdlf 0,因此平均捕获时间大于MT。综上所述，平均捕获时间较长，与以下因素有关，且互相牵连:积分时间T检测概率耳虚警概率乙四、DS

12、-SS系统的扩频码同步技术3、非相干有源相关检测 一多驻留时间积分概述单驻留时间积分非相干有源相关检测器电路简单，但平均捕 获时间较长。由于检测概率、虚警概率和积分时间互相牵制, 其平均捕获时间难以减少。为了解决这一问题，可以采用多 个积分器，称为多驻留时间积分非相干有源相关检测器。如果能够快速排除大量非同步状态，又能维持虚警概率基本 不变，从平均的观点看，其平均捕获时间会大大减少，这就 是多驻留时间积分非相干有源相关检测器的基本思想。积分器1的积分时间较短，积分器2的积分时间较长。四、DS-SS系统的扩频码同步技术1、2、3、4、捕获性能分析假设：积分器/的积分时间为巧，其检测概率为p驴虚警

13、概率为© 勺为对应7的延时算子；总积分时间为t=t1+t2；虚警惩罚时间为AT； 两个条件概率耳“、乙2/1。(1)非同步节点倒非同步节点i+1之间的转换 节点FAPfciPfci2l乙 2节点i节点i+1（1-饬）可鬥'alU Pfa2八）乙忆2状态转移函数H(z)話尽茁忆忆笄+(1-处+為(1-1床2（2）同步节点。到捕获完成节点F和节点1之间的转换 节点1节点Q O為匕2/忆忆2為1(1-匕2/1 k忆2o（1-匕1）Z1到捕获完成节点F的状态转移函数Hp（z） =匕月2/忆忆2到节点1的状态转移函数耳0 = （1-马1）备+爲（I-马2/|）牛2（3）各节点之间的转换

14、关系节点1节点2节点s节点节点Q节点F当初始节点S位于同步节点0时，捕获系统的转移函数为Hf（“1-耳（册叫）其捕获时间最短，为1 acq '耳 %（Z）| T %（z）Zi=Z2=l当初始节点s位于非同步节点i时，捕获系统的转移函数为其捕获时间为T % G)1 dzxZ1=Z2 = 1假设初始节点s位于各节点i的概率为1/0,则平均捕获时间为八+ P心KP/)_ 1 0 Tacq=ZK 0 i=< Pd = PdPd2八P厂Pfaf何八+ P佰2 +KP/2+石 KPfaT = KPfay（三）扩频码跟踪技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术1

15、、概述四、DS-SS系统的扩频码同步技术2、跟踪原理（参见下页图）鉴相：利用扩频序列的自相关特性; 调整：利用锁相环的反馈控制原理。3、两种实现方式 延时锁定环(DL Delay Locked Loop)擀动环(TDL Tau Dither Loop )四、DS-SS系统的扩频码同步技术自相关特性个恥）四、DS-SS系统的扩频码同步技术(1)延时锁定环(DLL)以DS/BPSK基带非相干相关器为例说明DLL的工作原理。设捕获完成后本地PN序列与输入序列相位差为Te，则(cl(t) = c(t-Te-TJ2)c2 (t) = c(t + Te +"2)若DS/BPSK扩频信号为$(t)

16、=7灵(&(”88(砂+e)+n(t) 则基带信号J/(r) = Vd(t)c(t)cos0 + nc 0 Q(t) = 4Sa(t)c(t) sin 9e +ns(0q ()/(/) = 4Sa(t)c (t)c(t)cos3e + Cj (t)nc (t)=4Sa(t)cco se + q (t)nc (t)cos?+ V?Q(T)c (/)c(/) - C (t)c(f)q = 4Sa(t)c sin 0e + cx (t)ns (t)=VSa(t)cl 0c0sin 0e + c (t)ns(t)+ VQ(r)c (?)c0- q (*0 sin 0e经低通滤波器后严(卩)卜1

17、&"(”=辰(”恥e -心 /2)cos0 +%(" H(P)C(Ofi(O=愿 U)R(J-Tc / 2)sin ee +(0再平方、相加Y严 S疋(乙一7；/2)+毗(r)+朮(J+ 2ysa(t)R(re -Tc /2nlc(t)cos0e +®$(/)sin0 同理丫2以疋(乙+7；/2)+戰)+必0+ 2ySa(t)R(re +7；/2)»2c(/)cos0 +n25(0sin<9JDLL的误差信号eC）胡-岭二-疋（乙+"2）+认,乙）经LPF后，得VCO控制信号石=戸二SW乙存疋亿+町其鉴相特性曲线如下页图所示。DL

18、L其鉴相特性曲线(2)灣动环(TDL )四、DS-SS系统的扩频码同步技术设捕获完成后本地PN序列与输入序列相位差为Te，则(cl(t) = c(t-Te-TJ2) c2 (t) = c(t + Te +"2)若DS/BPSK扩频信号为$(t)=7灵(&(”88(砂+e)+n(t) 则基带信号J/(r) = Vd(t)c(t)cos0 + nc 0 Q(t) = 4Sa(t)c(t) sin 9e +ns(0四、DS-SS系统的扩频码同步技术四、DS-SS系统的扩频码同步技术q ()/(/) = 4Sa(t)c (t)c(t)cos3e + Cj (t)nc (t)=4Sa(t)cco se + q (t)nc (t)cos?+ V?Q(T)c (/)c(/) - C (t)c(f)q = 4Sa(t)c sin 0e + cx (t)ns (t)=VSa(t)cl 0c0sin 0e + c (t)ns(t)+ VQ(r)c (?)c0- q (*0 sin 0e经低通滤波器后严(卩)卜1&"(”=辰(”恥e -心 /2)cos0 +%(" H(P)C(