扩频 第7章(1)

1、第第7 7章章 扩频系统信号的接扩、解调与同步扩频系统信号的接扩、解调与同步Spread Spectrum Communication1扩频信号的相关解扩扩频信号的相关解扩7.1基带解调（基带恢复）与载波同步基带解调（基带恢复）与载波同步7.2基带信号的同步基带信号的同步7.32 扩频通信系统接收信号一般很微弱扩频通信系统接收信号一般很微弱设计良好的相关器（例如乘积检波器），可以允许在输入信噪比低达 -50 -20dB的条件下，从强干扰噪声中检测出微弱信号。因此大多数扩频信号的解扩都使用相关检测器，也有一些简单的扩频通信系统使用非相关检测器。接收信号功率通常约为10-1210-15W（-90d

2、Bm-120dBm）左右，而信道中的大气噪声在扩频通带内的功率约为10-13W（-100dBm）左右，其它干扰信号的功率更要大得多，有用信号被干扰和噪声所淹没。所以扩频接收机一般要在输入端信噪比为-300dB条件下进行信号处理。 相关器具有很强的微弱信号检测能力相关器具有很强的微弱信号检测能力引言3（1）对扩频信号进行解扩/跳；（2）对解扩/跳后的载有信息的信号进行解调。引言 扩频信号解调需要两步来完成扩频信号解调需要两步来完成对DS或FH系统，解扩/跳是通过与本地参考信号相乘来完成。 结构上结构上：本地参考信号在结构上与发端信号相同； 相位上相位上：在时间或相位上与由发端信号同步。基带信号恢

3、 复是传统的解调问题。47.1 扩频信号的相关解扩7.1.1 相干通信的基本概念p 信号的相干性信号的相干性u相干信号：是指信号的信号的某个特定标记（通常指相位）在时间坐标上有确定的关系，具有这种性质的信号称为相干信号。u若两个电信号电信号具有相同振荡频率，相同电矢量振动方向，且有固定的相位差，则这两个信号就是相干的。即使是相干信号，它的某些参数也可能是随机的。u在实际振荡器中，无论相位如何稳定，都会有随机成分。只要随机成分占的比例很小，可以忽略，或影响可分析和控制，那么工程上仍可认为是相干信号或部分相干信号。5设波形为7.1.1 相干通信的基本概念)()()(tntstr相关运算就是用一个与

4、s(t) 有密切相干关系的本地参考信号sr(t) 与r(t) 相乘后积分，即p 相关运算（相关运算（Correlation）ttstrrd)()(图7-1 相干检测原理图本地参考信号sr(t)与信号s(t) 的频率相同，且相位是相干的。相乘器可用鉴相器（或环形平衡混频器）来实现，低通滤波器起到积分的作用。6u相干检测的低通滤波器（积分器）可以消除一部分噪声分量影响，从而改善接收系统输出信号质量。在数字传输系统中，特别是PSK信号，采用相干检测可以减少误码，它在占用功率、带宽和抗干扰等方面性能优越。相干检测过程与理论上相干检测过程与理论上分析的在白噪声干扰下的最佳解调方法相符分析的在白噪声干扰下

5、的最佳解调方法相符。u相干检测性能指标与相干检测性能指标与本地参考线号和输入信号的相干程度本地参考线号和输入信号的相干程度有关。有关。p 本地相干参考信号的产生本地相干参考信号的产生u本地参考信号是由锁相环路锁相环路产生的。u什么是锁相环路？ u信号检测理论知：锁相环路是信号相锁相环路是信号相位检测的最佳估计设备位检测的最佳估计设备。锁相环路可等效为信号相位的线性系统。可设计成对信号相位进行最优跟踪（指动态跟踪误差与噪声随机误差的均方值最小）。如果我们实现了信号相位的最优跟踪，就可以实现完善的相干通信了。7.1.1 相干通信的基本概念7u对于扩频信号，接收端要复制一个与发射端扩频码结构相同、码

6、元同步的本地参考扩频码信号。收、发两端扩频码同步信号相乘并积分的过收、发两端扩频码同步信号相乘并积分的过程为相关解扩程为相关解扩。u完成解扩功能的载波同步及码元同步的是一些特殊的锁相环，如利用平方环、Costas环等进行载波同步；利用包络检波法、延迟相干法等完成码元同步；利用延迟锁定环、-抖动环以及匹配滤波器等完成扩频码同步。uDS和FH系统相关处理（解扩）的过程是一样的。区别：本地参考信号是DS信号还是FH信号。共同点：接收机的Gp都是在相关处理中把有用的宽带信号变换成窄带信号，把无用的窄带信号或宽带信号（干扰）变换成宽带信号，从而降低了干扰信号的功率谱密度，提高了窄带滤波器输出端的信噪比，

7、而获得系统处理增益。u扩频信号的相关解扩器一般有两种形式：扩频信号的相关解扩器一般有两种形式：“直接式直接式”和和“外差式外差式”。 p 相关解扩相关解扩7.1.1 相干通信的基本概念87.1.2 直接式相关解扩器图7-3 直接式相关解扩器（1）（2）（3）（4）9特点特点（1）优点：结构简单；（2）缺点：对于干扰信号有直通直通现象；7.1.2 直接式相关解扩器在载波附近的窄带干扰信号（比有用信号强）可能绕过相关解扩器，如通过空间波耦合形式直接泄漏出去。此时，干扰信号没有参与相关运算就直接到达解扩器输出端，失去了在相关处理过程中所能获得的处理增益。因此，直接式相关解扩的抗干直接式相关解扩的抗干

8、扰能力较低，仅用在一些对抗干扰能力要求不高的扩频系统中扰能力较低，仅用在一些对抗干扰能力要求不高的扩频系统中。107.1.3 外差式相关解扩器特点特点（1）输出信号与输入信号的载波频率不同。在相关的同时，完成信号混频，变换到一个中频上，避免了载波附近干扰信号直接泄漏到输出端的可能性，简化接收机设计。（2）相关解扩器后的电路工作在较低频率，故性能较为稳定，可进行标准化设计和制作。被DS和FH系统广泛使用。图7-4 直接序列和跳频系统中外差式相关解扩器 频率跳变外差式相关器 直接序列外差式相关器117.1.3 外差式相关解扩器n 频谱特性频谱特性图7-5 直接序列系统外差式相关器中信号的频谱 12

9、相关器输出中，不仅包含有用信号，接收系统的内部噪声和外部干扰同样在输出中表现。另外，接收系统的不理想不仅使有用信号的输出幅度降低，而且还以某种噪声的形式出现在相关器输出中。DS或FH系统中，相关器主要作用：使本地参考信号与输入的有用信号进行匹配，使有用信号达到最大输出，将隐藏在噪声中的载有信息的信号恢复出来。 相关器主要作用相关器主要作用 相关器输出特点相关器输出特点1. 码元同步偏移的影响； 2. 载波抑制度不足和码不平衡的影响； 3. 干扰的影响； 噪声对相关器输出的影响因素噪声对相关器输出的影响因素7.1 扩频信号的相关解扩137.1.4 码元同步偏移对相关处理的影响实际系统中，由于收发

10、两端振荡器频率和初始相位的微小差别，或由于收发信机间电波传播中受到干扰和传输延迟而产生差别，使接收扩频码与发射扩频码间码元同步码元同步发生偏移。 码元同步发生偏移的产生码元同步发生偏移的产生传输系统中出现的任何不理想情况，都将使输出信号的质量下降。码元同步偏移在相关处理过程中必然导致部分有用部分有用信号功率转换为噪声功率，其大小取决于码元同步偏移的大小信号功率转换为噪声功率，其大小取决于码元同步偏移的大小。 码元同步偏移的后果码元同步偏移的后果 目标目标有必要研究码元同步状态发生偏移对相关器输出的影响。147.1.4 码元同步偏移对相关器输出的影响m序列的自相关器最大输出发生在两个码的相对位移

11、为0时刻，此时输出信噪比最大。当不完全同步时（码元同步偏移），有用信号的一部分与本地参考码的功率谱进行卷积而被展宽为噪声，因此输出噪声总输出噪声总量取决于同步程度量取决于同步程度。当完全不同步时，相关器输出几乎全部为噪声。p 码元同步偏移的产生码元同步偏移的产生图7-6 二进制码序列的自相关波形157.1.4 码元同步偏移对相关器输出的影响p 从相关器输出端看到的噪声从相关器输出端看到的噪声P97扩频码没有完全同步时，混频过程将产生许多新的频率分量。同步时，输入信号被变换为中频窄带信号；不同步时，它们形成的信号协方差功率不为零，变为噪声变为噪声。其一部分将落在中频带宽内，降低系统输出信噪比。p

12、 码元同步偏移的影响码元同步偏移的影响码元同步偏移可造成码元同步偏移可造成有用信号输出功率下降有用信号输出功率下降及及输出噪声功率增加输出噪声功率增加。167.1.5 载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响（2）主瓣零点）主瓣零点主瓣宽度2Rc 。中心频率点f0处谱密度不为0，是由于抑制不足而产生的残留载波；器而产生的寄生调制信号。频谱第二个零点 f0+2Rc及f0-2Rc处的寄生调制信号是位同步时钟的二次谐波分量。图7-7 载波抑制不足和码时钟泄露时DS信号的频谱（1）中心频点）中心频点频谱主瓣零点f0+Rc与f0-Rc处，信号的谱密度不为0是由于调制码中，包含的位同步时钟分量进入调制p

13、载波抑制不足和码钟泄露的影响载波抑制不足和码钟泄露的影响17（1 1）载波抑制不足的影响载波抑制不足的影响残留载波相当于单频正弦波干扰信号。通过相关解扩器后，增加了相关器的输出噪声，降低了接收机输出信号的信噪比。（2）码钟泄露的影响码钟泄露的影响主瓣零点处寄生调制信号（调制码位同步时钟进入调制器造成），使得已调波产生寄生调幅，同样也相当于单频正弦波干扰信号相当于单频正弦波干扰信号。通过相关器后，使接收机输出噪声增加，输出信噪比降低。由于扩频接收机的射频带宽通常为2Rc，故 f0+2Rc及 f0-2Rc处的寄生调制信号不影响。（3 3）本地参考信号的影响本地参考信号的影响在外差式相关处理过程中，

14、要求本地参考信号的平衡调制器也必须对载波和位同步时钟所产生的寄生调制信号有良好的抑制度。否则，也会增加接收机输出噪声，降低输出信噪比。7.1.5 载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响18提高载波抑制度提高载波抑制度要求DS系统平衡调制器的载波抑制度至少等于系统处理增益。例如，系统扩频带宽为20MHz，检测带宽为10kHz，则Gp=33dB，于是平衡调制器载波抑制度至少要有33dB。若系统处理增益很高时，如60dB，则需要精心设计平衡调制器来达到所要求的载波抑制度（因为常用的平衡调制器载波抑制度一般为2040dB）。设计码接口电路设计码接口电路尽量加大调制码接口电路带宽，使码元失真和畸变尽量

15、减小。已调信号中位同步时钟分量是由于输入调制码不理想造成的。理想的NRZ码中不包含位同步时钟分量，由于接口电路不理想，如带宽不够宽，将造成调制码失真或畸变，如“0”和“1”码元宽度不相等，使得部分NRZ码产生非线性失真，变成RZ码，从而使频谱变宽，在位同步时钟分量处产生线谱（离散谱）。7.1.5 载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响197.1.6 有干扰时相关器的输出干扰增加，DS接收机相关器输出信噪比下降。当干扰功率在系统干扰容限之内，该系统能有效工作，解调器仍能产生可用的输出信号。此时，相关器输出受干扰影响很小，相关器输出质量（信噪比）完全满足系统要求。当干扰功率超过系统干扰容限，则需

16、要特殊的抗干扰算法首先消除大部分干扰功率，然后在进行相关的处理。扩频系统的主要特征之一是具有较强的抑制干扰能力。p 干扰的影响干扰的影响20(1) (1) 干扰信号对直接序列系统的影响干扰信号对直接序列系统的影响SYS( )( )( )s tj tnt7.1.6 有干扰时相关器的输出输入到相关器的信号为 poutinSSGJJ相关器的输出信扰比和输入信扰比之间的关系 图7-9 直接序列接收机模型21(1) (1) 干扰信号对直接序列系统的影响干扰信号对直接序列系统的影响图7-10 直接序列相关器中各点的信号频谱7.1.6 有干扰时相关器的输出输入到相关器的信号为 22(1) (1) 干扰信号对

17、直接序列系统的影响干扰信号对直接序列系统的影响WIF()pBGB本地参考信号带宽（中频滤波器带宽）7.1.6 有干扰时相关器的输出扩频接收机的处理增益pJJ G中频滤波器输出的干扰信号的功率pSJSGJ中频滤波器的输出功率PoutSGSSNJJ中频滤波器的输出信噪比23 宽带干扰信号宽带干扰信号 宽带干扰信号j2(t)功率为J2 ，带宽2Rc。根据频域卷积定理，得干扰信号的带宽被扩展为本地参考信号带宽的两倍中频滤波器输出的噪声功率为 。在同样强度干扰下，与窄带干扰相比，宽在同样强度干扰下，与窄带干扰相比，宽带干扰信号的输出功率降低了带干扰信号的输出功率降低了3dB。ss(22224),nccc

18、BBRRR2p/JG7.1.6 有干扰时相关器的输出 窄带干扰信号窄带干扰信号 窄带干扰信号输入到相关器与本地参考扩频信号相乘，根据频域内卷积的原理，干扰信号的功率谱被本地参考信号展宽，带宽与本地参考信号的带宽相等 经中频滤波器后，只有少量干扰功率能通过中频带通滤波器输出。24对DS-SS接收机，输入干扰信号功率一定时，其带宽越宽，对系统的影响就越小。所以直接序列扩频系统对宽带干扰的反应不敏感直接序列扩频系统对宽带干扰的反应不敏感，它的抗宽带干扰的能力为Gp。如果把连续波单频干扰认为是最窄的窄带干扰，而把宽带干扰的带宽上限定为参考信号带宽，则相关器输出干扰信号的功率在3dB的范围内变化。n 小

19、结小结7.1.6 有干扰时相关器的输出相关器输出的干扰信号功率ssssp2JnBNJBB G25(1) (1) 干扰信号对直接序列系统的影响干扰信号对直接序列系统的影响WIF()pBGB本地参考信号带宽（中频滤波器带宽）7.1.6 有干扰时相关器的输出扩频接收机的处理增益pJJ G中频滤波器输出的干扰信号的功率pSJSGJ中频滤波器的输出功率PoutSGSSNJJ中频滤波器的输出信噪比2611002000222020JJNJ如果干扰功率仍为J，带宽为20MHz的邻台干扰信号输入到同一系统时，则相关器输出的干扰信号功率为200020002202020JJNJ考虑到系统噪声时，相关器输出的信噪比为

20、ssoutSYSoutssp2nSSBNJNBB G即为接收机信息解调器或同步检测器的输入信噪比。7.1.6 有干扰时相关器的输出一个功率为J，带宽为2MHz的干扰信号，输入到Gp=33dB，本地参考信号带宽为20MHz的直接序列扩频接收机时，通过相关器后输出干扰信号的带宽被展宽为22MHz，相关器输出的干扰信号功率为 27(2) 干扰信号对频率跳变系统的影响干扰信号对频率跳变系统的影响FH-SS系统以“躲避”方式抑制干扰。接收端本地参考信号是一个与发射端同步的并以同样速率跳变的一些频率信号。在外差式相关解扩器中，其频率与发射信号的频率相差一个中频。针对宽带干扰，带宽覆盖了跳频带宽的大部或全部，每个频点的信号都受到干扰污染。因而频率跳变系统对宽带干扰信号的反应是敏感频率跳变系统对宽带干扰信号的反应是敏感，任何跳变频率都无法“躲避”这种宽带干扰，故宽带大功率干扰信号对于频率跳变系统的危害较大宽带大功率干扰信号对于频率跳变系统的危害较大。7.1.6 有干扰时相关器的输出28（a）假定频道内当干扰信号功率Je 时，认为输出信噪比不能满足要求。则（