扩频通信第7章

1、1第7章扩频码的同步跟踪2 扩频接收机的环路扩频接收机的环路引言扩频接收机有两个环路 （1）载波环 载波提取 采用锁相环技术 （2）码环 同步跟踪 采用延时锁定环路。延时锁定环（Delay Locked Loop，DLL） PLLDLL机理非线性反馈误差产生方式鉴相器/乘法器相关器控制对象VCO输出频率调整对象正弦波、方波的相位扩频码的时延3n 相干同步跟踪回路相干同步跟踪回路 利用接收信号相位信息（载波频率和相位精确已知）；n 非相干同步跟踪回路非相干同步跟踪回路 不利用接收信号相位信息（载波频率未知）。引言 扩频系统码跟踪回路分类扩频系统码跟踪回路分类延迟锁定鉴别器都要利用接收信号与本地参

2、考信号两个不同相位（超前和滞后超前和滞后）之间相关值的差值。n 全时间相关同步跟踪回路全时间相关同步跟踪回路 用两个独立相关器构成延迟锁定鉴别器。 -抖动相关同步跟踪回路抖动相关同步跟踪回路 单个相关器分时工作构成延迟锁定鉴别器根据相关运算的实现方式，跟踪回路可分为4引言 DLL设计要求设计要求n 均方跟踪误差（跟踪抖动）；均方跟踪误差（跟踪抖动）；n 跟踪动态性能。跟踪动态性能。在发射机和接收机之间有相对运动时，传输延迟Td 实际上是时间t的函数Td(t) 。同步跟踪回路就是要跟踪这个时间函数 。在噪声环境下，DLL带宽的设计要在下面两个因素间折衷考虑 u 回路带宽宽，跟踪的动态性能好，但进

3、入回路的噪声不能被有效滤除，回路跟踪抖动要增大；u 回路带宽窄，回路内噪声减小，跟踪抖动小，但跟踪的动态性能变差。57.1 延迟锁定跟踪环路的理论基础n 基带相关同步跟踪回路；基带相关同步跟踪回路；n 包络相关同步跟踪回路；包络相关同步跟踪回路；n -抖动同步跟踪回路；抖动同步跟踪回路；n 双抖动同步跟踪回路；双抖动同步跟踪回路；本课围绕四种环路展开研究 67.2 基带相关同步跟踪回路 基带相关同步跟踪回路组成基带相关同步跟踪回路组成 也称为基带相关延迟锁定回路。由延迟锁定鉴别器延迟锁定鉴别器、回回路滤波器路滤波器、压控振荡器压控振荡器(Voltage Control Oscillator，V

4、CO)与扩频码产生器扩频码产生器等组成。77.2.1 基带相关同步跟踪回路的鉴别特性11dd1( )() ()2cu tk Ac tT c tTT22dd1( )() ()2cu tk Ac tT c tTT设输入信号为d( )2()2 ( )r tAc tTn t【无噪声情况下无噪声情况下】超前与滞后相关支路乘法器输出为 n(t)是均值为零、双边功率谱密度为N0/2的基带高斯白噪声式中， k1与k2为超前与滞后相关支路乘法器增益。假设支路完全平衡、参数完全相等，即k1=k2=k。1( )u t2( )u t 与 中的时变分量称为码自噪声。由于扩频系统通常要在强干扰或噪声环境下工作，而码自噪声

5、中的大部分分量被相关支路中的低通滤波器滤除，其输出的码自噪声功率远低于干扰或热噪声功率，故在同步跟踪回路分析中可忽略码自噪声影响。码自噪声可以忽略不计码自噪声可以忽略不计如何得到的？如何得到的？87.2.1 基带相关同步跟踪回路的鉴别特性/21dd/211( )() ()()22ccNTcNTckAy tc tT c tTT dtkARNT/22dd/211( )() ()()22ccNTcNTckAy tc tT c tTT dtkARNT2( )u t1( )u t 与 中的直流(缓变)分量通过相关支路中的低通滤波器形成回路的跟踪误差信号。它们的直流分量为式中，NTc是c(t)的周期，而/

6、2dd/2111d22ccNTcccNTcRTc tTc tTTtNT/2dd/2111d22ccNTcccNTcRTc tTc tTTtNT式中， 是相对时延误差或相对跟踪误差。dd/cTTT 为什么这为什么这样求？样求？911( )22ccccDRTRT1( )0ccccTTRT【扩频码扩频码c c( (t t) )周期很长时周期很长时】，自相关函数近似为D()直接反映出同步跟踪回路输出信号的时延估值 对输入信号的时延 的跟踪误差，称为基带相关同步跟踪回路延迟锁定鉴别器的鉴别特性曲线，简称S曲线曲线。dTdT7.2.1 基带相关同步跟踪回路的鉴别特性延迟锁定鉴别器的输出是两相关支路低通滤波

7、器输出 与 之差)(2ty)(1ty21( , )( )( )( )e ty ty tkAD(7-5) (7-4) 103302233122211( )22313222302322NDN 延迟锁定鉴别器的鉴别特性曲延迟锁定鉴别器的鉴别特性曲线线7.2.1 基带相关同步跟踪回路的鉴别特性将(7-5)带入式(7-4)得 11( )22ccccDRTRT通常把D() 与呈线性关系的区域作为跟踪回路的正常工作区域跟踪回路的正常工作区域。基带相关同步跟踪回路的正常工作区域为(-Tc/2，Tc/2) 。117.3 包络相关同步跟踪回路n 基带相关同步跟踪回路基带相关同步跟踪回路1.跟踪回路的输入信号是扩频

8、码c(t)，这就要求扩频码c(t)必须在同步跟踪之前就已经存在，也就是说接收信号必须在扩频码接收信号必须在扩频码的同步跟踪之前就已经被解调的同步跟踪之前就已经被解调。扩频系统通常都是在信噪比非常低的环境中工作，在未对扩频信号解扩的条件下要完成这种在未对扩频信号解扩的条件下要完成这种解调是很困难的解调是很困难的。另外，调制是相干的，解调之前必须提取相干载波，在信噪比非常低的条件下，提取这种相干载波也是非提取这种相干载波也是非常困难的常困难的。2.任何一个扩频通信系统都是从发射机向接收机传送信息，接收信号是被被 调制的，而不仅仅是被调制的，而不仅仅是被 调制调制的。在基带相关同步跟踪回路的分析时，

9、我们忽略了信息信号忽略了信息信号d d( (t t) )的存在的存在。当信息信号存在时，延迟锁定鉴别器输出的信号不仅与回路的跟踪误差有关，而且又是信息信号的函数，这样基带相关同步跟踪回路不能正常工作。dd() ()d tT c tTd()c tT12图7-4 包络相关码跟踪回路的原理框图 7.3 包络相关同步跟踪回路137.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理回路输入信号回路输入信号dd00( )2() ()cos(2)( )r tAc tT d tTf tn t本地振荡器输出本地振荡器输出0IF( )2 2cos 2()bb tfft11d0IF22d0IF1( )2cos 2()21(

10、)2cos 2()2cbcba tk c tTTffta tk c tTTfft本地输入相关器信号本地输入相关器信号12kkk延迟锁定鉴别器的两支路完全平衡、参数完全相等，即147.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理【忽略噪声情况忽略噪声情况】，延迟锁定鉴别器的乘法器输出1dddIF0ddd0IF001( )()()cos(2)21()()cos 2(2)22ccu tkAc tT c tTTd tTf tkAc tT c tTTd tTfft2dddIF0ddd0IF001( )()()cos(2)21()()cos 2(2)22ccu tkAc tT c tTTd tTf tkAc t

11、T c tTTd tTfft设中频滤波器的中心频率为fIF ，单边等效噪声带宽是Bn 。设扩频码c(t) 、信息信号d(t)和载波相位0均相互独立。157.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理并设中频滤波器的带宽正好让 通过，所以信号u1(t) 中，只有 的直流分量与 的乘积能通过中频滤波器；而 的其他分量与 的频谱进行卷积后，落在中频滤波器的通带外。IF( )cos(2)bd tf tdd() (/ 2)cc tT c tTTIF( )cos(2)bd tf tdd() (/ 2)cc tT c tTTIF( )cos(2)bd tf t均，即dd() (/ 2)cc tT c tTT/2

12、dd/211d22ccNTcccNTcTc tTc tTtRTNT同理 /2dd/211d22ccNTcccNTcTc tTc tTtRTNT的直流分量直流分量是在一个周期内对时间求平16两支路中频滤波器输出两支路中频滤波器输出 1dIF02dIF01( )()cos(2)21( )()cos(2)2ccccw tkARTd tTf tw tkARTd tTf t2221IF02222IF01( )1 cos(2 22)221( )1 cos(2 22)22cccck Az tRTf tk Az tRTf t7.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理平方器件输出平方器件输出 17低通滤波器输出

13、低通滤波器输出22211( , )( )( )( )2e ty ty tk A D2211( )22ccccDRTRT7.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理222122221( )221( )22cccck Ay tRTk Ay tRT延迟锁定鉴别器输出延迟锁定鉴别器输出( (鉴别特性曲线）鉴别特性曲线） （7-30）18223302233122211( )22231322233022NDN 若系统的扩频处理增益较高，则有若系统的扩频处理增益较高，则有 （7-31）1( )0ccccTTRT（7-5）7.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理19包络相关同步跟踪回路延迟锁定鉴别器包络相关同

14、步跟踪回路延迟锁定鉴别器S曲线曲线 图7-7 包络相关码跟踪回路延迟锁定鉴别器的S曲线7.3.1 包络相关同步跟踪回路的工作原理20忽略码自噪声的情况下，仅考虑高斯白噪声影响。忽略码自噪声的情况下，仅考虑高斯白噪声影响。设输入噪声是带限零均值的高斯白噪声，其双边功率谱密度是N0/2 ，表示为0000( )2( )cos(2)2( )sin(2)csn tn tf tn tf t超前与滞后相关支路乘法器输出噪声分量为（忽略 项）IF02ff 1dIF0IF02dIF0IF01( )( )cos 2( )sin 221( )( )cos 2( )sin 22nccsnccsutkc tTTn tf

15、n tfutkc tTTn tfn tf（7-32）7.3.2 包络相关同步跟踪回路的数学模型及跟踪抖动下面，分析低通滤波器输出端噪声特性低通滤波器输出端噪声特性。21令IF0IF0( )( )cos(2)( )sin(2)csn tkn tf tkn tf t则有1d12d21( )( )( )21( )( )( )2ncncutc tTTn tn tutc tTTn tn t由于噪声 和扩频码c(t)相互独立，故进入中频滤波器的进入中频滤波器的噪声功率谱噪声功率谱应为它们功率谱的卷积积分，有)(tn12( )( )( )( )nnncSfSfSfSf（7-33）7.3.2 包络相关同步跟踪回路的数学模型及跟踪抖动22（7-34）由于中频滤波器等效噪声带宽都远小于输入噪声带宽与扩频码带宽，则在中频滤波器的等效噪声带宽内，扩频码功率谱密在中频滤波器的等效噪声带宽内，扩频码功率谱密度函数可近似认为是常数度函数可近似认为是常数。因此中频滤波器输出的噪声可认为是窄带高斯噪声可认为是窄带高斯噪声。可表示为11IF01IF022IF02IF0( )( )cos(2)( )sin(2)( )( )cos(2)( )sin(2)ncsncswtkntf tkntf twtkntf tkntf t功率谱功率谱为 112222( )( )( )(