（通信与信息系统专业论文）dscdma快速同步技术研究与硬件实现.pdf

哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 摘要 d s c d m a 技术的突出特点和优势使它的应用十分广泛，不仅应用于各种 通信系统，也适合于各种低功率密度应用，如生物医学、遥测、遥控、家用 电器、跟踪及报警系统等，同时也适合于多用户选址系统应用，如导航、定 位、传呼、测量等。然而一切d s c d m a 系统正常运行的前提是扩频码同步。 扩频码同步包括捕获和跟踪两个内容，其中捕获最为困难和重要。目前 的捕获方法从实现结构上可分为并行捕获、串行捕获和兼有并行结构与串行 结构的混合结构捕获；从处理域上可分为时域捕获、频域捕获；从解扩运算 方法上可分为基于相关器的捕获和基于匹配滤波器的捕获。本质上，各种捕 获技术均利用伪码的自相关特性，由本地产生一个伪码复本与接收伪码相关 运算，如果门限检测识别出相关峰则捕获完成。辅助序列捕获方法采用辅助 序列代替伪码序列与接收信号相关并以此获得相位差信息，加快了捕获进程。 在诸如低轨道( l e o ) 卫星通信、无线电导航和定位等高动态环境中，必 须进行多普勒频移码相偏移的二维联合捕获，传统方案捕获时间长，不能 满足系统要求。f f t 捕获方案在码延时搜寻同时，遍历整个多普勒频移区间， 将捕获降低到一维进行，成倍缩短了捕获时间。补零法能有效对抗f f t 输出 的扇形衰落问题。仿真结果表明系统捕获性能大大改善。 本文还建立了一个硬件平台，实现了辅助序列发生和复数f f t 等几个关 键算法，并对多d s p 系统中 t a g 设计、自举加载、c 语言与汇编混合编程问 题进行了有益的探索。 关键词：扩频同步；辅助序列；多普勒；f f t ；d s p 哈尔滨工程人学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ri t sp a r t ic u l a rs p e c i a l t ya n da d v a n t a g e s ，d s c d m ai sw i d e l y u s e di nt h ea 1 1f i e l d s i ta p p l i e st oc o m m u n i c a t i o ns y e s t e m sa n da 1 1 1 0 wp o w e rd e n s it yf i e l d s ，s u c ha sb i o m e d i c i n e ，r e m o t em e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1 t a i l l i n ga n dp r e s e n t i m e n ts y s t e m s m e a n w h i l e ，i t sf i tf o r m u l t i u s e rs y s t e m si i k en a v i g a t i o n ，o r i e n t a t i o n ，c a l la n dm e s u r e m e n t h o w e v e r ，t h es y n c h r o n i z a t i o no fs p r e a d i n gc o d ei sap r e c o n d it i o nf o r g o o dw o r ko fa l1 d s c d m as y s t e m s t h es y n c h r o n i z a t i o no fs p t e a 出n gc o d e i n c l u d e sa c q u i s i t i o na n d t r a c k i n g ，t h e r e i n t o ，a c q u i s i t i o ni sm o r ed i f f i c u l ta n di m p o r t a n t a t p r e s e n t ，p r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n c a nb e p a r a l l e l ，s e r i a l ， o r h y b r i d a n di tc a nb ev i e w e da st i m er e g i o n ，o rf r e q u e n c yr e g i o n a i s o ，i t c a nb eb a s e do nc o r r e l a t o r ，o rm a t c hf i1t e r i n g i ns u b s t a n c e ，a l1 t e c h n o l o g i e sa r es i m i l a rf o rl o c a l l yg e n e r a t e dp nw a v e f o r m sh a y i n g t h e s ep h a s e sa r ec o r r e l a t e dw i t ht h e r e c e i v e ds i g n a i nt h i sp a p e r ， d l r e c t i o nf o r t h e1 0 c a lp h a s eu p d a t ei sp r e y i d e sw i t ha s i n ga n a u x i l i a r ys i g n a lt oc o r r e l a t ew i t ht h ei n c o m i n gs i g a n l ，w h i c hs p e e d u p t h ea c q u i s i t i o np r o c e s s i nh i g hd y n a m i cs i t u a t i o n ，s u c ha sl e os a t e l l i t es p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w i r e l e s sn a y i g a t i o na n do r i e n t a t i o n ，t h e n o t a b l ee f f e c t so fd o p p l e rs h i f td u et op l a t f o r md a n a m i c sm u s tb et a k e n i n t oa c c o u n t t h em o s ta p p r o a c hi st os e q u e n t i a l l ys e a r c ha l lc o d e p h a s e so v e rt h er a n g eo fa n t i c i p a t e sf r e q u e n c yo f f s e t s t h i sb r u t e f o r c ea p p r o a c hi sl a b o r i o u sa n dc a nl e a dt ol a r g ea c q u i s i t i o nt i m e s a c q u i s i t i o nt i m e s t h ea p p r o a c ho u t l i n e di nt h i sp a p e ru t i l i s e sa nf f t t os i m u l t a n e o u s l ys e a r c ha 1 1p o s s i b l ec o d ed o p p l e ro f f s e t sa to n et i m e ， t h u sr e d u c i n gt h e2 - d i m e n s i o n a ls e a r c hp r o b l e mt oa1 一d i m e n s i o n a lc o d e p h a s es e a r c h a ni n c r e a s e df r e q u e n c ya c c u r a c yi sa c h i e v a b l eb y z e r o p a d d i n g w ec o m p l e t e dah a r d w a r er o o fa n dr e a l i z e da u x i l i a r ys q u e n c e g e n e r a t i o na n df f t m e a n w h i l e s w er e s e a r c h e ds o m eq u e s t i o n sw i t h m u l t i p l ed s p ss y s t e m ss u c ha sj t a gd e s i g n ，b o o td e s i g n ，ca n da s s e m b l y m ix e dp r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o n ，a u x i li a r ys e q u e n c e ，f f t ，d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 5 年2 月1 8 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1c d m a 通信技术 第1 章绪论 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 通信是利用相互正交( 或尽可 能正交) 的不同编码序列分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同 一频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信系统，其中d s c d m a 应用最 多。1 9 9 1 年5 月，w i l l i a m c y l e e 在i e e e t r a n s o nv e c h i c u l a rt e c h n o l o g y 上发表“o v e r v i e wo fc e l l u l a rc d m a ”一文，论证了在蜂窝移动通信中具有 功率控制的c o m a 系统容量是f d m a 方式的2 0 倍、t d m a 方式的4 倍的结论， 目l 起了全世界移动通信、无线通信学界激烈讨论，对c d m a 技术的研究和应用 产生了深远影响。进入2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信发展迅速，c d m a 技术 以它在系统容量、业务质量、安全性和可靠性等方面的优势备受瞩目，全球 越来越多国家采用c d m a 技术提供电信业务。c d m a 是一种先进的数字通信技 术，经历了从窄带c d 姒( i s 一9 5c d m a ) 向宽带c d 姒的演进，是目前第二代 移动通信系统的实际应用技术，并为移动通信运营者提供了一条向第三代移 动通信系统平滑过渡的途径。国际电传联盟制定的第三代移动通信系统无线 接口技术规范工作，包括欧洲与日本提出的w - c d l f 【a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a ，进一步确立了c d m a 通信技术在移动通信中的稳固地位， 也使其进入新的发展阶段。 c d 撇技术也广泛应用于卫星通信、无线电导航和定位等领域，为了充分 发挥其优异性能，必须有效对抗多普勒频移影响。卫星通信系统由于其通信 距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、传输容量大、实现灵活等一系列 的特点，无疑将会在未来全球个人通信中扮演重要的角色。目前面向个人的 全球或区域的新一代卫星移动通信系统，其通信技术和业务提供能力，都已 经得到了飞速发展。正在蓬勃发展的低轨道( l e o ) 小卫星通信系统中采用 c d m a 技术具有独特的优势，它允许用户随机地访问卫星，通信保密性好，抗 干扰能力强，频率规划简便，具有平滑的越区软切换和宏分集能力，可采用 分集接收技术，以获得抗阴影遮蔽效果。c d m a 具有软容量特性，不会出现硬 阻塞现象，使有限的频谱资源得到更充分的使用，对于具有广大覆盖范围的 卫星移动通信系统，这一点尤为重要。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 1 2d s - c d m a 通信同步 c d m a 通信发射机除了载波调制外还有编码序列的扩频调制。扩频调制器 很简单，只要有序列生成器产生编码序列给调制器使用即可。但c d m a 通信接 收机就比常规通信接收机复杂多了。当接收机接收到扩频信号后，首先是解 除编码序列对发送的信息数据的频谱扩展( 简称解扩) ，获得信息数据调制载 波的信号，再作载波解调，从而得到传来的信息。要实现c d m a 通信的解扩， 就必须使接收机的本地扩频序列和相位与发送来的扩频序列和相位完全一 致，即完成c d m a 通信同步。因此，c d m a 通信接收机除接收扩频信号的宽带 射频放大滤波器外，主要分成三部分：数据解调、扩频序列捕获和跟踪，图 1 1 给出了一个d s c d m a 通信系统。显然，对发送来的扩频序列的捕获与跟 踪对c d m a 通信接收机是十分重要的。扩频序列的捕获和跟踪统称为d s c d m a 通信的同步。 图1 id s c d m a 通信系统 2 获 磉 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作 基于辅助信号的快速捕获技术研究。 目前的捕获技术均利用伪码的自相关特性，本地产生一个伪码复本与接 收伪码相关，门限检测识别出相关峰，捕获完成。其中串行滑动相关捕获在 硬件上比较简单，适合于较短码字，对于长码而言捕获时间不能忍受，一种 合理的策略是采用串并组合捕获方案，在捕获时间和硬件复杂度之间取得折 衷。文献 2 6 构造了一个辅助序列，它与扩频序列互相关函数在憋个相位区 间呈三角形；文献 1 1 根据辅助序列良好的互相关特性，顺序搜索等分相位 区问，直到找到同步区间，然后进行精确相位定位：本文利用其延迟锁定环 路相位超前、滞后鉴别特性，引入二分法搜索策略，可以快速将相位不定区 间缩小到一个较小区间，然后进行串行滑动相关捕获以精确定位外来相位。 基于f f t 的l e o 卫星通信等高动态环境下的快捕技术研究。 卫星通信是以空间技术为基础发展起来的，靠大气层外卫星的中继来实 现远程通信。载有信息的无线电波需要穿过大气层，经过很长的距离在地面 签端和卫星间传播。无线通信信道的特性对通信系统的设计有至关重要的影 响。与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。信道中传输环境十 分恶劣，电波的传输受到大幅度衰减和多种噪声及干扰的影响，并且还随着 收发终端的运动而发生变化，具有时变性和随机性。移动卫星通信信道，特 别是低轨道系统的信道，信道传输中不可忽略的多普勒效应更是一个显著特 点。目前在这种高动态环境下的码捕获需在整个码相位及频域上以固定间隔 进行二维搜索“”，这给伪码序列快速捕获带来了困难。顺序搜索法硬件简 单，但是捕获时间长；并行相关搜索虽然提高了捕获的速度，但却是以硬件 复杂度为代价。本文从多普勒频移检测角度出发，研究了f f t 捕获方案，实 现了伪码序列的快速捕获。 5 4 x x 多i ) s p 硬件平台设计。 针对本文提出的两种捕获方案设计了一个5 4 x x 多d s p 硬件平台，以实现 复数f f t 、辅助序列发生等几个关键算法。d s p 之间设计了主机接口、增强缓 冲串口和f i f o 等多种通信方式；采用了j t a g 环形链调试模式设计，使用一 个j t a g 接口进行多d s p 调试；主d s p 使用并行r o m 自举方式，从d s p 采取主 机接口自举方式，大大简化了设计，合理使用了硬件资源。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章扩频码同步 扩频码的同步分为两步，即码捕获与码跟踪。码跟踪即输入和本地码之 间的相对时延f 在跟踪范围之内的码同步问题。通常该范围定义为r r 2 ， r 为码片周期。然而，输入与本地码之间的初始时延r 通常远远超过了跟踪 范围，必须使用一种独立且完全不同于同步跟踪的算法来将时延减小到跟踪 的范围之内。应用最广的一种码捕获算法称为串行滑动相关法，即在扩频码 时延的不定范围内等增量逐步改变本地扩频码的相位，直到找至相位同步位 置的串行搜索方法。 带来捕获过程随机性的因素有：码相位偏移的初始不确定性、信道畸变 ( 即衰落信道) 、噪声与干扰( 即窄带与多用户干扰) 、未知的载波相位( 非 相干接收) 与多普勒频移、码的部分相关性。 捕获系统的设置包括门限设置、相关器时间长度、每码片测试次数、搜 索策略及校验逻辑。对于一最佳的测试，应考虑到一些重要参数如s n r 、码 速率、码长度、码不定性区间和惩罚时间系数等。至于码捕获性能测量，最 主要的参数是用于捕获的随机时间z 二及其统计特性，可分为两种基本情形。 情形i ，希望尽可能快的捕获，但没有绝对的时阔限制( 终止时间正。) ， 当发射波形总是存在时，如卫星定位系统即属于该种情形。 情形i i ，对于“即插即用”式和其它基于分组或帧的系统，数据在某一 时问间隔t 。之后开始发送，7 岛表示前导的结束。 于是情形i i 中，必须在定的时间内获得高的捕获概率，否则通信无法 进行。为更好的表征两种情形以鉴别出一种好的诞掸方法，需获得咒。的累 计概率分布函数( c p ) f ) 辱。它可同时解决平均捕获时间e 戮0 与方差 - l l i a r 疋。 评估问题( 情形i ) 。对情形i i ，相应的性能测量为即时捕获概率 p r t a c q t s t o p = 。( 咒) 。 一旦扩频接收机捕获了接收的扩频码信号后，本地参考信号必须准确跟 踪接收信号。本地参考信号的跟踪包括频率和码相位跟踪，频率跟踪采用锁 相技术，已有许多文献和专著讨论锁相技术，本章只讨论码相位跟踪。 4 哈尔滨工程大学硕：t 学位论文 2 1 变换域分析方法 大量文献和研究致力于码捕获的性能分析，旨在通过合适的参数选择， 如捕获检测器的门限值、搜索策略等，来使性能达到最佳( 如最小捕获时间) 。 目前有两种一般的分析路径：时域组合技术和变换域技术( 或环形状态图) 。 前者以总的概率作为自变量，在某些情况下更快更浅显一些，而后者似乎更 为系统，能处理复杂的搜索技术。 码捕获判决过程可用信号流图来表示。每单元用流图的一节点表示，节 点问的转移依赖于给定单元的判决结果。节点问通过分支相连，这种转移称 为转移函数。为推导变换域的运算，考虑图2 1 所示的简单模型。 o 一o 一o 圈2 1 信号流图 首先来估计在t 秒内从口到c 的转移概率p 。( f ) 。引人附加变量f 来表示 以概率p 。( r ) 从口转移到b 所需时间。参数p 。( ，f ) 表示在用r 秒从a 转移到 b 的假设条件下在t 秒内从a 到c 的概率，它表示为 气( r ，f ) = 气( f ) 危。( f f ) ( 2 - 1 ) 进一步有 气( f ) = i 气( f ，r ) 如= i 气( r ) ( f r 胁= 气( f ) + r 。( f ) ( 2 2 ) 即总的概率p 。( f ) 是两个中间节点转移概率p 。与岛。的卷积。显然，当流图 节点数很大时须进行多次卷积运算，计算复杂度大，因此，转换到拉氏变换 域( 对连续变量) 或z 变换域( 对离散变量) 会使分析大为简化。于是有 fjj 名( 0 ，) = 匕( o r ) 只。( d ，) ( 2 - 3 ) 多次卷积变为多次乘积，因而简化了运算。大多数情况下，我们对每测试单 元用于产生判决变量的积分时间恒定的情况感兴趣，此时判决过程流图可用 z 变换来表示。若p 。( h ) 表示用”步从节点f 转移到节点，的概率，那么z 变 换为 岛( z ) = z ”p f o ) ( 2 4 ) n = 0 称之为“生成函数”或几何变换。该函数的一阶和二阶导数为 哈尔滨i ：程入学硕士学位论文 a-po(az)：妻印f(nz 7 篇” 鲁乞(加意呦删pf，(桫一zoz 2 p 急” 叫蜘v v 。 从节点i 转移到节点j 就所需的平均步数为 平均时问为 五=宝印，(n)=鲁o(z)bn=0 i = 瓦= 订= ( 毫删。卜 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 罐) 7 1 为生成判决变量的单位观察时间。定义方差为 仃；= ( 2 一门) 7 2( 2 9 ) 注意到生成函数的二阶导数可表示为 号弓( 址，= h 2 p ( ) 一即口( n ) = 疗2 - 一n ( 2 1 0 ) 于是f 。的方差可表示为 班i 掣+ 掣_ f 掣m r 2 p t - ， 2 2 串行滑动相关法 滑动相关法是扩频系统采用较多的伪码捕获方法，接收信号及噪声与本 地参考伪码相乘，然后通过一个积分器，再把积分器的结果送入门限检测器 进行判决，小于门限则按顺序改变参考伪码的相位并清除积分，继续判决直 到大于门限。滑动相关捕获系统框图如图2 2 所示。 图2 2 滑动相关捕获系统框图 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 “( ，) = 2 4 万c ( t f ) + # ( ，) ( 2 1 2 ) 其中，p 为平均信号功率，z ( f ) 是双边功率谱密度为n o 2 的加性白高斯噪声， 自相关函数e 矗( f f ) = ( f ) = n 。5 ( r ) 2 ，c ( f ) 是扩频码波形，其表示为 c ( f ) = q ( f 一 疋)( 2 一1 3 ) 其中吒为伪码序列( 周期为) 第k 个元素，只，( ) 为区间 毋明上的单位幅 度矩形脉冲信号。c ( f ) 的自相关函数为 。卜壶j 郇q 岫 寸掣n n陆2 1 一 、。7 【 。 。 相关积分输出，( f ，f ，) = 卜( f 弦( f o a t = j ( f ) + j 7 ，( ，f ，) ( 2 - 】5 ) e p s ( t ，f ，) 为期望信号，而巩p ，f ，) 为高斯噪声分量，分别写为 s ) = 厨如一撇一o d t ( 2 - 1 6 ) g q , r , e ) 2j z p w 一力者 ( 2 _ 1 7 ) r y ( t 旬的方差：五r 五( 咖( ，一) 哆 2 ) 的方差= 五jp ( 咖( ，一) 西i 2 d”7”弘c口弦c口一旬zc，cc卢一，)dodfl0 0 1 = 叫z ( 咖 一) 邶) c ( 卢一j = f p k ( 口) z ( p ) 】e k ( 盯一) c ( 一) l l 翻妒( 2 - 18 ) = 告n 。l1 6 姬p ) r 。t 口一8 ) d 硎j 8 = n n o t ，2 哈尔滨一 程大学硕士学位论文 2 2 2 性能分析 捕获性能包括正确捕获概率、虚警概率、平均捕获时间。正确捕获概率只 指当输入扩频码与本地扩频码同步时，捕获系统正确指示同步的概率：虚警 概率吒指当输入扩频码与本地扩频码不同步时，捕获系统错误指示同步的概 率，退出虚警时间补偿系数为群。捕获概率和虚警概率都与输入信噪比s n r 有关，s n r = 2 e l n 。由文献【2 6 】直接写出b 和数值表达式如下： 只刈等)(2-19)q n 矗 k = 击荟中( 等) ( 2 - z 0 ) 式中f = f ，( i t ) ，称为归一化门限，中( ) 是标准高斯随机变量的分布函数。 从上式看到，匕是对于_ ，i 的平均虚警概率。给定参数巧和e ；o 和之后，由 上面两式即可求得疗、f 、f 。上式丑和厶定义为 l ( n ，y ) = ( 1 一y i ) h + c k c h 帅) ( 2 2 1 ) 3 , o ( n ，y ，) = ( 1 - i ，j ) c t c h + iyl c i c h 一( ，) ( 2 2 2 ) 式中一0 5 a 0 5 ，= 【- ( - 1 ) 2 ，- 2 ，- 1 ，+ 1 ，+ 2 ，( n - 1 ) 2 】。 从式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 知，捕获概率只和虚警概率匕都是判决f q l 驳f 、 积分时间n 和输入信噪比s n r 的函数。在一定判决门限r 下，积分时间n 越 大，捕获概率只越高 判决门限较小时，捕获概率b 变高，然而虚警概率以 也会较高。图2 3 是根据式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 得到的数值分析曲线。 下面求解平均捕获时间和捕获方差。捕获系统状态定义为 s t a t e 0 - - 川s 等s t a t e j - - ( j o 5 ) l 川曼( ，一o 5 ) 疋j = 1 ，2 ，n 一1 0i23n - l 卜- i + _ - _ _ 卜一- 一- + - _ _ _ | - 专卜e ， 生至墨墨堡型7 搜索方向 图2 3 捕获系统状态图 哈尔滨工穰人学硕七学位论文 归一化判澍1 限r 归一化判洳 限f 。 图2 4 巴和咒数值分析曲线 图2 3 中e ，= r 一，为输入与本地扩频码的相位差。总的状态数是，其中 状态0 是同步状态，捕获系统应该正确检测。每个状态的出现概率相等且为 1 只= 7 j = 0 , 1 ，二，2 一，一1( 2 2 3 ) v 滑动相关捕获过程是一个马尔可夫过程，可以用流图2 5 来表示。捕获等概 率起始于任何一个状态。在状态 不出现虚警的概率是( 1 - e j o ) ，这要用一 个单位积分时间，如果没有出现虚警，则捕获转移到下一个状态，_ j 。在状态 j ，出现虚警的概率是，这也要用一个单位积分时间。同时，在捕获重新 开始前还要用掉k 。个单位惩罚时间。状态，到状态产的传输函数为 - ( z ) = 圪z + ( 1 一既) z( 2 - 2 4 ) 假设搜索开始于状态m ，求解状态r y t 到捕获状态的传输函数u 。( z ) 。利 用流图化简公式得到图2 6 寸辟鼙熬堪 奇猎警霸魍 哈尔滨二r = 程大学硕十学位论文 图2 5 系统捕获流图 mh 6 ( z ) 0 图2 6 支路l 。流图 其中：h 。( z ) = 巳，6 ( z ) = h “( z ) ，h 。( z ) = ( 1 一只z ) h “。( z ) 。 则 系统传输函数 u ( z 、 p m h ”t z 、 1 一( 1 一巳z ) h “1 ( z ) 只z 己h “( = ) 1 一( 1 一只z ) h “( z ) 1 0 r 2 - 2 5 ) 佗一2 6 ) 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 a 。b 、 a b i l 矗矗 i 1 五 n n 1 2 d + 6 1 1力 b 7 c a b 血一乞考专毛 i - 6 c x z 一一刀 图2 7 流图化简公式 由式( 2 8 ) 和式( 2 一i i ) 分别计算平均捕获时间气m 和方差盯。2 。，有 经整理可得”6 瓦w = 瓦0 牝耐。 盯= 学+ i o u ( z ) 一( 剖2 ：= l 。耵 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) f：堡坠型罢塑型峨(2-29)。rial 1 一了了一“。 盯三矿( ”) f f l 可l - p d + ( ，( ( 1 + k ，笔+ 舛) 等也k p + 1 ) 2 蝼等幽 2 3 码跟踪及其性能 + 铡q 。3 扩频系统的码跟踪回路可以分成两大类，一类是利用接收信号相位信息 的相干码跟踪回路；一类是不利用接收信号相位信息的非相干码跟踪回路。 不管哪一种，相位鉴别器都要利用接收信号和本地参考信号两个不同相位( 超 哈尔滨 ：程夫学硕士学位论文 前和滞后) 之间的相关运算。相关运算可以利用两个独立相关器，也可以利 用时分单相关器来完成。用两个独立相关器的码跟踪回路称为全时问超前一 滞后跟踪回路；用单个相关器的跟踪回路称为f 抖动超前一滞后跟踪回路。设 汁在噪声环境下的码跟踪回路带宽要在均方跟踪误差和跟踪动态性能之间进 行折衷。在发射机和接收机之问有相对运动时，传输延迟乃实际上是时问f 的函数r ，( r ) 。码跟踪回路就要跟踪这个时间函数，回路带宽大，跟踪动态性 能好；带宽窄，跟踪抖动小。码时钟不匹配对码跟踪有严重影响，有可能引 起系统失锁，使系统重新进入搜索捕获状态。 2 3 1 基带全时间超前一滞后跟踪环 基带全时间超前一滞后跟踪回路由相位鉴别器、回路滤波器、压控振荡 器v c 0 和码发生器组成。这种跟踪回路的框图示于图2 8 。输入信号分成两 路：一路同超前本地参考码c ( f 一艿+ ( a 2 ) l ) 相关；另一路同滞后本地参考 码c ( 卜乃一( z l 2 ) l ) 相关。参量是前、后鉴别器通道之间归一化时间差。 先讨论无噪声情况鉴别器的工作，从而得到鉴别器特性曲线。由图2 8 鉴别器输出是前、后相关器输出m ( f ) 和北( f ) 之差，即 ( f ，乃，乃) = y ：( f ，乃，乃) 一m ( ，乃，乃) 咄届( 心) k 元一细- c ( ，一元+ 铷 g 3 d 图2 8 基带超前一滞后跟踪回路框图 哈尔滨。i ：稃人学硕士学位论文 进一步将p 化兄，艺) 表示成直流分量和时变分量，即 g ( f ，瓦，艿) = k 。p d 。( 乃，) + k p 。( t ，l ，l ) ( 2 3 2 ) 一珏击曼) c ( f 办i a t 。) - c ( t - 艺+ 刘p 。， = r 。【( 艿一a 2 ) lj r 。【( 巧+ a 2 ) l j = d a ( 6 ) 其中，r 。( ) 是c ( f ) 的自相关函数，d = ( 乃一亢) 疋是相对时延误差。直流分 量 i - p d a ( t d ，元) 是用于码跟踪的误差信号，它是占( ，乃，) 的时间平均值。 时变分量k ，p | v 。( f ，乃，元) 称为码自噪声。由于自噪声中绝大部分频率分量 远远超出跟踪回路通带，而且扩频系统通常要在强噪声环境下工作，这种情 况下自噪声远低于干扰或热噪声，所以在码跟踪回路分析中，自噪声可以不 予考虑。 对于c ( o 是m 序列和不同的值，d 。( 6 ) 函数图形示于图2 9 。从图中可 以看出，在艿= 0 附近的一定范围内，d ( 6 ) 和j 是线性关系。通常把这个范 围作为跟踪回路的正常工作区域。对0 a 2 ，在j = 0 附近鉴别器特性曲 线斜率是2 ( 1 + i n ) 。对1 和1 a 2 ，鉴别器特性斜率是2 ( 1 + 1 ) 的区 域分别为i 艿峰a 2 和l 万峰1 一a 2 。这个区域在a = 1 时达到最大，在a = 2 减 小到零。 d t t ( o d0 + 1 ，叼 1 2 1铃j ( 1 + 1 腑耸 21 v 12占 i “t 0 + 1 ， d 21 於 v 12j d ( 国 伏 一2 1 2- 1 v 1 2 占 图2 9 对m 序列和不同值得鉴别器直流输出 1 3 f o ，乃，乞) = t f 【d 。( 占) + n 。( f ，乃，允) 】 + ，n ( ，) c ( ，一元一会l ) 一c ( ，一元+ 会t ) 伫。3 4 忽略自噪声，上式变为 s ( ，乃，冗) = 岛扛| d 。( 艿) “( 0 4 e j ( 2 - 3 5 ) 式中 ( f ) = ”( f ) ic ( ，一一会t ) 一c 。一允+ 会疋) | ( 2 - 3 6 ) 为了计算跟踪回路的噪声性能，需要计算( f ) 的功率谱。这可以通过计 算( r ) 的自相关函数来实现。在确定( f ) 的自相关函数时，把元看成随机 量，一( f ) 当作平稳随机过程。 r ，( r ) = e ”( f ) n o + r ) l c ( f 力一会疋) 一c o 一览+ 会t ) 。 ：。+ ，一元一舍t ，一。( f + ，一+ 舍t ， 。 2 3 7 考虑到噪声打和扩谱码c ( f ) 相互独立，上式成为 月一( r ) = e k ( ，) 胛( r + r ) 忙 lc ( f 一览一舍疋) 一c o 一只+ 会t ) l 。 。+ ，一览一茎t ，一。( f + ，一元+ 会t ， 。 2 3 8 假设是h ( f ) 双边谱密度为n 。2 的高斯白噪声，则 e k h f ) 】= 丁n o 荆( 2 - 3 9 ) 将式( 2 3 9 ) 代入式( 2 - 3 8 ) 式再利用占一函数的性质，式( 2 3 8 ) 变为 尺r ，= - 誓- 6 ( r ) e c o 一亢一舍l ) - r ( t - 亢+ 舍疋， 2 = 等即忤2 ”元一划牛”十划c z 删 一z e ic ( ，一览一会) c o 一亢+ 会t ) l 1 4 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 卜式中利用了扩频码取值土1 ，c 2 0 ) = 1 。由删序列自相关函数性质，上式 表示为 r 。( r ) = l n 。o j d ( ( ，r ) ) ( ( 1 1 + + l l n ) ) ：三会三； ( 2 4 1 ) 对上式求傅里叶变换，得r ( f ) 的双边谱密度 凡c 舻 篙_ 揣撼三 p 。z ， 由上式可以看出( f ) 仍是白噪声，但不再是高斯噪声。这可由式( 2 - 3 6 ) 看 出，其中【c ( f 一览一会t ) 一c o + 会t ) 】是一个取值土2 和。的周期函数。 这样，我们已对延时锁定鉴别器做了充分研究，接下来可从压控振荡器 方程出发建立整个跟踪环路的回路方程，并设回路滤波器是线性时不变的。 得到跟踪回路的非线性积分方程之后，由于小的跟踪误差下鉴别器输出是跟 踪误差的线性函数，所以进一步简化得到基带全时间超前一滞后跟踪回路的 线性等效电路。最终得到跟踪回路的闭环传输函数为 日( s ) ：互：笠墨坐! ( 2 4 3 )日( s ) = 卫= j 塑堑旦 ( 2 一瓦s + k a g 。f ( s ) 、 式中k d = k # 2 0 + 1 ) 。 对扩频系统设计非常重要的是码均方跟踪误差( 或叫跟踪抖动) 同信噪比 的关系。跟踪抖动的功率谱密度由下式给出 s ，( f ) = ih ( j 2 z f ) 1 2s ，( ，)( 2 - 4 4 ) 式中邑( ，) = 一( ，) - k ，2 k 2 ，进一步跟踪误差j 的方差盯；写为 盯；2 ih ( j 2 n f ) 1 2s 一( f ) d f 协4 5 1 = s ，( ，) i ih ( j 2 矿) 1 2 矽= s ，( ，) 上式定义双边噪声带宽睨= 【jh ( j 2 z f ) 1 2d f ，跟踪抖动最后表示为 5 爹3 ： 。c 1 + 亨，睨 l 2 。：。回 三 吾 2 oc t + 专，睨 。 u w 晗尔滨丁程大学硕十学位论文 由上式可以看出，跟踪误差方差在a l 时随的减小而减小。这是因为 对a 1 ，随减小鉴别特性斜率保持不变，而由于前码和后码重迭增加而使 式2 。3 5 的输入噪声1 1 ( f ) 减小的缘故。将k 。= k 。4 t 2 0 + l ) 代入上式，令 回路带宽内的信噪比p 。= p ( 孵n 。2 ) ，上式变为 毒c 寺， l “ p 。， 去高，0 1 时 1， 仃；= 0 + 二) ( 2 5 1 ) z , o lp f 式中见= p ，( 既o 2 ) ，p 扫= p ( 0 吼) 分别是在回路带宽和中频滤波器带 宽内的信嗓比。将式( 2 - 5 1 ) 和式( 2 一- 4 7 ) 比较，式( 2 5 1 ) 中多了一个括 号中的第二项，这是非相干回路中用了平方运算的结果。 2 3 3r 抖动超前一滞后非相干跟踪回路 前一节讨论的超前一滞后非相干跟踪回路虽然在扩频系统中获得了广泛 的应用。但是，它存在两个中频通道必须精确平衡和代价较高的问题。前、 后通道的不平衡将引起鉴另i 特性的失配误差。本节要讨论的r 抖动超前一滞 后非相干跟踪回路正是为克服上述缺点而提出来的，见图2 1l 。这种时分单 相关通道跟踪回路虽然结构比较简单，但分析起来比较复杂。 除了鉴别器外，这个回路同全时间跟踪回路一样。图2 11 的鉴别器只有 一个相关通道，通过开关信号g ( d 使这个单相关通道顺序作前通道和后通道 使用。g ( t ) 是取值为土1 的频率为正的方波。当q ( t ) = 一1 时，扩频码产生器 上的开关处于图中右边位置，相关器作为后相关器用；当q ( t ) = + 1 时，开关 处于左边位置，相关器作为前相关器用。开关信号g ( t ) 还加在平方电路输出 端的乘法电路上。这一相乘起了符号翻转作用，这是为了从前自相关函数和 1 7 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 砸一乃 图2 1 1f 抖动超前一滞后非相于跟踪回路 当= 1 0 ， 1 和正= b 。4 时，均方跟踪误差为 2 ：士( 1 8 11+3261)(2-52) zpi,pm 将式( 2 - 5 2 ) 和式( 2 - 5 1 ) 作比较可以看出，f 一抖动回路的优点确实 是由于牺牲了跟踪回路的噪声性能换来的。为此，霍甫金斯( h o p k i n s ) 提出双 抖动超前一滞后非相干跟踪回路，它既能解决全时间跟踪回路的两路增益平 衡问题，又能解决f 抖动回路使噪声性能变坏问题，所要付出的代价是硬件 实现的复杂化。 2 4 小结 本章讨论了扩频码同步即码捕获与码跟踪两个内容，对变换域分析方法 进行了研究。应用变换域分析对串行滑动相关捕获性能进行了评估。分析比 较了相干、非相干全时间回路和r 一抖动回路实现原理和性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于辅助序列的快速同步 目前使用的扩频捕获方法很多，从实现结构上可分为并行捕获、串行捕 获和兼有并行结构与串行结构的混合结构捕获：从处理域上可分为时域捕获、 频域捕获；从解扩运算方法上可分为基于相关器的捕获和基于匹配滤波器的 捕获；对于基于相关器的捕获，又可分为固定相关长度检测和可变相关长度、。 的序贯检测等。就实质而言，各种捕获技术本质上均是利用伪码的自相特性，( 由本地产生个伪码复本与接收伪码相关积分，如果门限检测识别出相关峰 则捕获完成。辅助序列捕获方法则不同，它采用辅助序列代替伪码序列与接 收信号相关并以次获得相位差信息，加快了捕获进程。 删= 。矍n f - ，2 ) 2 陴l 嘶h 功 p j = & ( f 一圮) ( 3 1 ) 其中 铲警2p 寻一帆一。 ( 3 _ 2 ) * f 一3 1 ，2 l j 疋 髫攀2 瓢训 s ， ：掣”f 塑一l 研矗+ 。r ) 、 一纽蛳2 l 1 j “。 “ 川m 幽一筹川山 ( 3 4 ，t 4 ni 1 - 、2 k 皓：，筮讣i 。哒 邙q 。4 v2 2 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 ( 们 j 叭?焉j 私 一憾 y 懈以j 4 | 璺| 3 1 互相关函数曲线示意图 由图3 1 可知，互相关函数覆盖了整个相位延迟区间。取一个完整的相 位周期区间i 一兰疋，兰ll ，互相关函数具有偶对称性，且为相位延迟的线性 l 2 2 。j 函数，而伪码信号的自相关函数只在雁、负一个码片医闯才呈现这种特性。 当无噪声存在时，通过两次互相关值即可确定本地伪码与接收伪码之间的相 位延迟：考虑噪声的因素，实际互相关结果是真实互相关值的一个估计值， 从而也可以得到一个相位延迟估计。相对于目前的捕获方法而言，基于辅助 序列捕获方法就有了先验信息，从而可能加速捕获进程。 3 2 试错法捕获 利用输入伪码信号与本地辅助信号相关值可以提供搜索方向信息的特 性，系统使用试错法获得输入伪码信号相位所在高概率区间( 可称同步区间) ， 由相位定位检测器在此区间搜索准确的同步相位。分析结果表明，同步进程 明显快于传统的串行滑动相关捕获方法。 3 2 1 系统结构和捕获原理 捕获期间采用未调制的导频信号，高斯信道下接收到的相干解调后的直 接序列扩频信号基带为 x ( f ) = 厨j ( f _ f ) + h ( ，)( 3 5 ) 其中，尸为平均信号功率；f 为接收信号的延时；栉( f ) 为零均值白高斯噪声 ( a w g n ) ，具有双边功率谱密度0 2 ；c ( t ) 为扩频信号。 从图3 2 看，捕获系统由相位区间估计器和相位定位检测器组成。通常 情况下，系统缺少关于初始码片的相对位置信息，设输入信号的伪随机码相 哈尔滨工程人学硕十学位论文 位是均匀分布在f 0 ， 以1 上的随机变量，其中：m 为p n 码码长，z 为码片周 期。系统中输入信号的相位不定区间被均匀分成若干连续区间，每个区包含 个码片单元，区间尺寸是相位区间估计器的搜索步长。相位区间估计器 将输入的扩频信号与系统产生的辅助信号相关，利用辅助信号与输入信号互 相关值决定搜索方向，搜索策略采用试错法，用以加快搜索过程。 图3 ，2 试错法捕获系统 图3 2 上半部分绘出了