（物理电子学专业论文）基于扩频理论软件接收机的研究.pdf

摘要 本论文将介绍一种软件模拟硬件的方法米实现p c m c d m a b p s k 中频信号的帙 捕、跟踪和解调。关于扩频信号的传统的研究是在理想的条件下i 比如低码率、 窄动态范围、窄频率变化范围等等。对离动态、高码率、低信噪比、大多普勒及 变化的码长和码率的扩频信号的快捕是本文的难点。 在扩频信号的捕获过稗中要求有较小的时延和较高的概率，本文介绍一种： 维信号的捕获方法这种方法结合伪淋码和载波频率的获取，捕获时延将人幅度 降低，实际上，扩频信号的检测是接收系统的关键。本文介绍一种通过积累能锚 新方法来改善输入信号的信噪比从而改善检测性能。 接收机稳定可靠地跟踪被捕获信号保证成功解调是必要的本文介绍一种教 善的锁相环设计方法，这种方法采用自适应参数和变带宽跟踪技术来调整输入信 号改善捕获和跟踪性能。捕获和跟踪的性能指标：伪随机信号码率l m 5 m 比特 秒，码长是2 5 5 、5 1 1 接收灵敏度是一1 1 8 d b ，信号动态范闱是7 0 d b 载波普勒是 7 5 k h z 目标捕获在0 2 秒内。 关键字：扩频，伪噪声码，快捕，跟踪，检测，锁相环 v v t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ak i n do fs o f t w a r em e t h o di sr e s e a r c h e dt or e a l i z et h ef u n c t i o n so f f a s ta c q u i s i t i o n 、t r a c k i n ga n dd e m o d u l a t i o no fp c m c d m a b p s ki n t e r m e d i a t e f r e q u e n c ys i g n a l sc o n v e n t i o n a lr e s e a r c h0 1 1s p r e a ds p e c t r u ms i g n a l si si nt h ec a s eo f i d e a l c o n d i t i o n s ，s u c h a sl o wc o d er a t e 、n a r r o wd y n a m i cr a n g e 、n a r r o w f r e q u e n c y c h a n g i n gr a n g e a n ds oo n t h es p e c i a l i t i e sa n dd i f f i c u l t i e so fs p r e a d s p e c t r u ms i g n a l si nt h i st h e s i sa r eh i g hd y n a m i c 、h i g hc o d e r a t e 、l o ws i g n a l t o n o s i e r a d i o 、w i d ed o p p l e rr a n g e 、v a r i e dc o d el e n g t h 、v a r i e dc o d er a t e ，w h i c hh a v em o r e d i f f i c u l t i e s l i r l ea c q u i s i t i o nt i m ea n dh i g ha c q u i s i t i o np r o b a b i l i t ya r er e q u i r e dd u r i n gt h e c a p t u r i n gp r o c e s so fs p r e a ds p e c t r u ms i g n a l s i nt h i st h e s i s ，ak i n do f2 - d i m e n t i o n s i g n a la c q u i s i t i o nm e t h o di sp r e s e n t e dw h i c hc o m b i n e sp a r a l l e lp nc o d ep h a s ea n d c a r r i e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o n ，a sar e s u l tt h ea c q u i s i t i o nt i m ei ss h o r t e n e dg r e a t l y b e s i d e s ，a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h ed e t e c t i o no fs p r e a ds p e c t r u ms i g n a l si sa l w a y s t h ek e yp o i n ti nt h er e c e i v i n gs y s t e man e wm e t h o di sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sb y w h i c ha c c u m u l a t e st h ee n e r g yt oi m p r o v et h es i g n a l - t o n o s i er a t i oo fi n p u t s i g n a l s c o n s e q u e n t l yi m p r o v et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e i ti sn e c e s s a r yt h a tt h er e c e i v e rt r a c k st h ea c q u i r e ds i g n a l ss t e a d i l ya n dc r e d i b l yt o e n s u r et h es u c c e s s f u ld e m o d u l a t i o np r o c e s sf nt h i st h e s i s a ni m p r o v e dt r a c k i n g i o o p d e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e dw h i c ha d o p t ss e l f - a d a p t a t i o np a r a m e t e r sa n dv a r i e d b a n d w i d t ht r a c k i n gt e c h n i q u et oa d a p tt ot h e i n p u ts i g n a l s ，a n di m p r o v e st h e a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gp e r f o r m a n c e t h ep e r f o r m a n c et a r g e t so fa c q u i s i t i o na n d t r a c k i n g ：t h e c o d er a t eo f p s e u d o r a n d o ms i g n a l s i s m 5 m h z ，t h ec o d el e n g t hi s2 5 5 、5i 】，t i l er e c e i , i n g s e n s i t i v i t yi s j18 d b m ，t i l ed y n a m i cr a n g es7 0 d bt h ed o p p l e ro fc a r r i e ri s 7 5 k 1 ， t h et i m et h a t1 0t a r g e t sa r ec a p t u r e dw i t h i n0 2 s k e yw o r d s ：s p r e a ds p e c t r u m p a s ta c q u i s i t i o n p h a s el o c k l o o p p s e d u o - n o i s ec o d e t r a c k i n g d e t e c t i o i l 第一章绪论 1 1引吾 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n ic a ti o n ) ， 可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有 的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独 立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无 关：在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数 据”。它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技 术通信传输方式扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度 ( w ) 远大于原始信息本身实际所需的最小( 有效) 带宽( a f ) ，其比值称为 处理增益g p ：g p 。w a f 任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度， 如话音为1 7 3 1 k h z ，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有 限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频 信道( 同轴电缆，微波和光纤等) ，和压缩频带等措施，同时力求使传输 的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽因现今使用的电话、广播系统 中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，g p 值一般都在十多 倍范围内，统称为“窄带通信”而扩频通信的g p 值，高达数百、上千， 称为“宽带通信”扩频通信是当今国际上高新科技的热点之一。几 十年来，通信技术不断发展和演变，从有线( 电缆、光纤) 到无线( 短 波、v h f u h f 、微波、卫星) 基本上是媒质和信道的变化，而突破性的 进展并不多扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破通常 的超短波( v h f u h f ) 通信，10 w 电台能通2 0 - 3 0 k m 远：而伪码扩频设 备，10 m w 能通3 0 5 0 k m 也就是说扩频系统能带来3 0 d b 以上的信噪比 改善热悉通信的人都知道，几十年来人们为信噪比的改善付出了极大 的努力，1 个分贝，1 个分贝的挖掘，2 - - 3 个分贝已是很大的贡献，3 0 分贝甚至5 0 多分贝( g p s ) 的信噪比改善已成为现实，这确实是一次巨 大的飞跃，只就这一点，已经可以说扩频通信是当代通信技术的重大突 破，何况扩频通信带来的突破还远远不止这一点。 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码( 扩频序列：s p r e a d s e q u e n c e ) 调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进 行解调及相关处理，恢复原始信息数据。 这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：一是信息的频 谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。自5 0 年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军 事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到8 0 年代初才被应 用于民用通信领域为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地 利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和 未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无 绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中 1 2 国内外发展的趋势 扩频技术在军事通信中已有半个多世纪的历史，主要用于两个目 的：对抗外来强干扰和信息保密。通过将信号的频谱扩展，使之实际上 和背景噪声难以区分 近几年来，世界各国对扩频技术的研究与应用已构成高潮，在商用 领域，众所周知的基于扩频理论的, f d m a 移动通信发展迅速，已逐渐成 为各种移动通信体制的主流；在军用领域，目前国内外研究的焦点主要 集中在以下几个方面；- 夹速捕获和跟踪技术；自适应检测技术； 对抗与反对抗等，其中扩频信号的捕获或检测一直是扩频解扩系统中的 重点和难点 通过对近期国内外所发表的文献来看，直接序列扩频系统伪码快捕 和检测的研究有以下几个方面：搜索策略( 串行，并行，串并行) 及其分析方法( 信号流图法，图形状态图法，直接法等) 的研究；基 于参量估计和信号检测理论，研究最佳的检测和判决方式，提高检测概 率，降低虚概率； 各种条件下，判决信号的产生方法，即针对不同的输入信号( 基带 中顿、相干非相干，存在数据调制或多普勒频移等) 和不同分布的噪 声、干扰，研究& 4 k - 的相关器和匹配滤波器结构，以获得最佳的信噪比 和最短的驻留时间。 国内外围绕高动态扩频信号的捕获跟踪问题做了大量的工作，但是 各种算法大多是针对扩频伪码速率和调制数据率都比较低的信号。高动 态、高码：# 扩频信号的快速捕获，特别是在低信噪比大多普勒条件下的 快捕问题仍然是今后研究的热点本课题正是对这方面的问题作了一些 研究。 1 3 论文研究的目的、意义及主要内容 1 3 1论文研究的目的、意义 本课题是多目标综合测量系统中的一个重要组成部分。该系统 是一种基于“码分多址区分多目标、扩频伪码作单向测距信号、多站距 离差定位、单星共视定时”体制的综合系统 本系统利用综合测量系统需要解决如下关键技术： ( 1 】站间时间同步技术。( 2 ) 信号快捕技术( 3 ) 测距、测速精度提高技术。 f 4 ) 地面布站几何技术。( 5 ) 外测数据处理技术。f 6 ) 检前记录数据软件处理 技术。 本课题捡前记录数据软件处理技术在整个系统中具有十分重要的 作用，是本系统测量的重要技术和实时处理技术的越要补充因为检前 记录的数据是运动目标从起飞到落地整个飞行过程中信号状态的如实 记录，事后软件处理时，相当于飞行状态的重放，由此获得飞行目标的 信息，同时对检测记录数据的全软件化处理，一方面可以对实时未捕获 的信息进行弥补；另一方面可以对飞行过程中的信号采用各种算法反复 分析，处理，为遥、外测数据处理提供更加精确、可靠的原始数据。从 而提高外测数据事后处理结果的质量和精度，增加对飞行目标性能鉴定 的权成性，并为外测系统总体设计方案和实验任务完成质量提供更加精 确的技术指标 检前记录数据的事后处理有硬件处理方法和软件处理方法，本课题 应用检前数据的软件处理方法，因为软件处理具有以下硬件处理无法比 拟的优点： 不受硬件资源的限制。用硬件处理方法重放检前数据时，硬件 的状态是不能改变的；而软件处理方法可以任意分配资源，方便地实现 各种算法，为进一步提高精度提供保证。 算法灵活多样硬件处理方法受处理检前数据的专用硬件设备限 制，难以实现更多的处理算法，而且不能满足捡前数据随时随地都能处 理的要求：软件处理方法使用通用计算机，由软件模拟硬件的所有功能 对检前数据进行纯软件化处理，可以方便灵活地实现各种算法，提高系 统测量精度 随着信号处理技术的发展及计算机运算速度的加快，软件正逐步替 代硬件成为数字信号处理的主要手段用软件方法处理检前记录的数 据，是数字信号处理的可行、有效的手段，具有十分重要的意义。 1 3 2 论文研究的主要内容 本课题对检前记录器记录的数据用全软件化的原理和方法在通用 的计算机上实现p c m - c d m a - b p s k 高动态、高码率、大多普勒扩频信号的 解扩、解调，由此获得曼精确的、尽可能多的数据，并对实时未捕获的 目标信息进行弥补对于目标信号，通过载波多普勒频率的测量，获得 目标的经向速度信岛；对于卫星信号，获取卫星星历、载波信息，通过 单星共视实现多站精确同步，保证了测量精度，方便地实现了遥外测的 综合测量。其实质是采用软件方法来实现硬件“扩频接收机”的全部解 调功能，输出数据，亦即软接受机。 要求达到的技术指标如下： 调制体制：p c m c o m a b p s k 接收点频：s 频段左、右旋：2 2 0 0 2 40 0 5 m h z ，步进0 5 m h z g l o n a s s 授时1595 1 6 15 m t z g p s 授时：1 5 7 5 4 2 m h z 目标数：1 1 0 介( c d m a ) 伪随机码：码长为2 55 、5 1 1 ，m 序列或g o l d 序列 伪随机码码率：1 - 6 mc h ip s 工作方式：左、右旋选择接收 动态特性： 载波多普勒f d ：7 5 k h z 伪码多普勒f d c ：2 0 0 h z 信号动态范围：7 0 d b 采样率： 10 0 次s 采样方式：卫星秒脉冲、数据桢同步脉冲两种方式 捕获时间：重放检前十个目标0 2 s 本课题采用纯软件方法对检前记录的信号反复分析，提高测距、 测速的精度用纯软件仿真硬件电路，设计n 个伪码相关器，通过伪码 并行、载波并行，由输入信号与本地参考频率和n 个码产生器同时相关 运算，找到最大相关峰，搜索到粗略的伪码相位及载波频率，通过跟踪 环路，迭到本地伪码相位和载波频率与输入信号基本一致，由此获取遥 外测所需数据信息事后还可以采用倒锁相间技术，由后面已捕获的数 据反推前面的数据，解调出所有的数据，恢复出因数据同步时损失的部 分数据具体研究的技术是： 实现快捕，用尽可能少的数据信息捕获扩频信号，获取尽可能 多的测量数据。具体为研究载波、伪码并行捕获技术，以此来缩短捕获 时间；研究一种新型的捕获技术，通过能量累积效应来提高捕获频率。 用软件的方法完成检前记录数据( 中频信号) 的分析、嫡获、 跟踪、解调。具体为设计载波n c o 、载波相关器、码n c 0 、码产生器、 码相关嚣、积分器、快捕逻辑、码跟踪环路、载波跟踪环路、数据解调 器、系统性能参数i i f 。建立数学模型，通过软件编程来实现。 实现共视g p s 卫星信号的跟踪、解调、实现多站同步。具体工 作同上。 获取原始测量数据、采样时刻伪码信g 、载波信息及遥测数j * 。 第二耄扩频通信原理概述 2 1扩展频谱技术的基本原理 2 1 1 扩展频谱通信的概念 扩展频谱通信简称扩频通信是利用与传输数据( 信息) 无关的码 将要发送的信息扩展频谱，使之占有远远超过被传送信息所必需的最 小带宽，在接收端，利用同一码对接收信号进行同步相关处理，以解扩 和恢复出发送的信息。 在本世纪4 0 年代，在信息论的研究中，山农( s h a n n o n ) 推出计算 信道容量的重要公式，被公认为山农定理即c = w l o g2 ( i + p n ) 该公式 指：要保持信息传输速率c 不变，信号带宽w 和信噪比p n 是可以互 换的，这意味着不管信噪比多低，只要将信号带宽扩展得足够大，仍能 保持以相同的信息传输速率来可靠的传输信息这就是扩频通信的理论 基础 2 1 2 扩展频谱信号的特性、特点 1 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号； 2 扩频信号带宽远大于欲传输数据( 信息) 带宽； 3 接收机中必须有与宽带载波同步的副本 由于扩颇信号的上述特性，扩额系统具有以下特点： ( 1 ) 抗噪声自旨i 力极强( 门限信噪比很低) 在目前商用的通信系统中， 扩频通信是唯一能够工作于负信噪比奈件下的通信方式。 对于宽带干扰和脉冲干扰在扩频设备中如何被抑制的物理过程，可 以用图2 - 1 和图2 - 2 加以说明。 对于各种形式人为的( 如电子对抗中) 干扰或其他窄带或宽带( 扩频) 系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异解扩后仍然保持其宽 带性，而有用信号将被压缩，见图2 1 所示。 t 抗，信号 盥，3 ， i i ) 接收恼人i ：； l b i * 扩艏 幽2 1 扩频系统抗宽带干扰能力日i 意l 芏| 伪码扩频系统，通过扩频和相关解扩，带来巨大的系统( 处理) 增 益，极大的改善了系统的输出信噪比。例如，一路数字话音经伪码扩频 后，射频带宽展宽为原来的1 0 0 0 倍，则可获得3 0 d b 的处理增益，这是 多么巨大的信噪比改善同时这意味若，若基带系统的门限信噪比为 1 0 c l b 左右，则上面的扩频系统的门限信噪比为1 0 d b 一3 0d b = 一2 0d b 。可 见此时的信号电平完全被淹没在噪声电平之中，噪声电平比信号电平强 1 0 0 倍，系统仍能正常工作，因此可以说只有扩频系统才能工作于负信 噪比 ( 2 ) 抗干扰能力极强，对于脉冲干扰，带宽将被展宽到b ，而有用信 号恢复( 压缩) 后，保证高于干扰，见图2 - 2 所示 土急 l i 接收输人螬 l 崎辫扩后 迸 f l 鳘i2 - 2 拶频系统抗脉冲十扰能，j 1 i 息陶 由于扩频系统这一优良性能，误码率很低，正常条件下可低到j0 ”，最 差条件下约1 06 ，完全能满足国内相关系统对通道传输质量的要求。对 伪码扩频系统，因在收端对伪码进行相关扩解，只有伪码信号相关后才 有很高的峰值输出，而其它任何无用信号，包括瞄；住( 同频) 干扰、工 , 业- - t - - i , l 、宽带干扰以及许多人为干扰，因与伪码不相关，解扩后输出很 低。因此，扩频系统具有极强的抗干扰能力。 ( 3 ) 抗衰落能力强 扩频信号占据的频带很宽，但由于某种原因引起衰落时，只会使一 小部分频谱衰落，不会使整个信号产生畸变。因此扩频系统具有抗频率 选择性衰落的能力。 ( 4 ) 抗多径干扰能力强 由于扩频系统中采用的伪码通常具有很好的自相关特性，不同路径 传输来的信号很容易被分离开，并可在时间和相位重新对齐，形成凡 路叠加，可以大幅度地改善系统的性能。从而扩频系统对多径干扰可以 变害为利，这是任何其它系统不易做到的 ( 5 ) 可以采用码分多址( c d m a ) 实现多址通信 伪码扩频系统，很容易载有码分多址方式实现多地址通信码分多 址比频分多址及时分多址能更有效地利用频率资源。同时有c d m a 组网， 不需要严格的网同步，用户可以随机入网，随时随地增减用户地址。 ( 6 ) 易于多媒体通信组网 伪码扩频系统是宽带系统，是一个透明的高速数字信道，可以传送 语音、传真、数据和图像等综和业务 ( 7 ) 具有良好的安全通信能力 伪码扩频系统在负门限信噪比的情况下工作，信号电平可以被淹没 在噪声中，很难被发现，隐蔽性好同时还可以进行数字加密，实现保 密通信。 ( 8 ) 不干扰同类的其他系统 i ，伪码扩颊系统不仅不会受到同类的其它系统的干扰，同时也不会干 扰剐人。因为扩频信号的功率谱密度很低，一般远远低于外界环境 噪声，因此在美国和世界许多国家划出9 0 0 m h z 、2 4 g h z 和5 7 g h z 三个段频带为扩频通信用，在这些频带内不需申请使用频率，任何 个人与单位可以无照使用 2 1 3 扩频通信系统的分类 ( 1 ) 直挺序列扩展频谱系统( d s s s ) ( 2 ) 概率跳变扩展频谱系统( f h s s ) ( 3 晴闯疏突扩展颤谱系统 t h s s ) ( 4 ) 线性调频系统 5 ) 混合扩额系统 因本课题是针对直接序列扩频通信技术的研究，所以对直接序列扩 颧教拳傲一下简要分绍。 2 2 直接序列扩频系统的基本概念 2 。2 ，1 直接序列扩频系统的基本原理 直接序列扩频( d i l e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c tr u m ) 工作方式，简 转巍扩f d s ) 方式，就是直接用具有离码率的扩频码序列在发端去扩展信 号的频谱衙在收端，用相同的扩额码序列击进行解扩，把展宽的扩频 信号还原成原始的信息。其用的编码通常是伪随机序列或称为伪噪声 ( p n ) 码在发射机端，要传送的信息先转换成二遗制数据或符号，与 伪随机码( p n 码) 进行模2 和运算后形成复合码，再用该复合码文直 接调稍载浚。通常为提高发射瓿的囊作效率和发瓣磅率，护额系统中一 般采用平衡调制器抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力 也十分衮莉在接收瓠端，j 拜l 与发薅争机端完全霞多的碟码对接收信号 进行解扩后经解调嚣还原输出原始数据信息 ( a ) 发送部分 q ( h ) 接收部分 幽2 - 3 直接序列扩频系统原理幽 接下来对直接序列扩频信号的功率谱进行一下分析这种信号典 型功率谱如图2 - 4 所示，直接序列信号带宽等于【s i n x x 2 功率谱中的 主瓣宽度r 。即直接序列系统的射频带宽在二元调制下，b - r = 2 r c ，这里 r 。是伪码的时钟速率例如，若所用伪随机序列的时钟速率为 5 m b i t s ，则主瓣带宽将为1 0 m h z ，每个旁瓣的带宽为5 m h z r ( f ) 幽2 - 4 直接序列扩频信号的功率潜 2 2 2 扩频伪随机码 在扩频通信中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的扩频系统的 性能同采用的伪随机码的性能有很大关系，对扩频码的要求如下： 易于产生； 具有随机，i f f - ； 具有尽可能长的周期； 具有双值自相关函数和艮好的互相关特性。 从理论上讲，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接 收机中为了解扩应有一个同发送端扩频码相同的副本，因此，5 - 程上只 能用伪随机码或伪噪声( p n ) 序列作为扩频码。伪随机序列具有类似噪 声的性质，但它又是周期性有规律的，既容易产生，又可以复制。 伪随机序列应当具有类似于随机序列的性质。对伪随机序列的要 求一般如下： 平衡性，即随机序列中0 和1 的个数相等； 自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质 在扩频系统中，应用最多的伪随机序列是m 序列和g 0 1 d 序列，m 序列具有良好的自相关和互相关特性，但m 序列的数量是有限的，g o l d 序列是用m 序列优选对生成的序列，其互相关特性与m 序列一致，而且 数量较多，保密性强，但其自相关特性没有m 序列的自相关特性理想 2 3 扩频信号的同步捕获与蹑踪技术 2 3 1 扩频信号的捕获 扩频系统的同步不仅需要一般数字通信系统的同步过程( 载波同 步、位同步、帧同步等) 还需要实现扩频码同步( 码时钟同步、码相位 同步) 当码同步定时偏移超过d s 系统的1 个p n 码元时，接收机就不 能对接收的扩频信号进行正确解扩，即使同步定时偏移小于地址码元时 也会引起有用信号功率损失，引起处理增益的下降。所以扩频的同步不 仅比一般的数据通信系统的同步更为复杂，也要比一般的数据通信系统 对同步的要求更为严格。 扩频码同步包括码同步捕获和跟踪两个过程，捕获是指使本地参考 码和接收码的相位差小于一个码元的宽度，且收发码时钟频率基本一 致，同时使载波相互对准引起扩频系统不同步的原因称为同步不确定 性，即收端无法确切知道发端码的初始相位和载波频率同步不确定性 一般由以下几个因素造成： 收发端码序列启动时刻的不确定性； 、乜波传播时延的不确定性； 收发端时钟速率不一致； 收发端相对运动产生的多普勒频移； 频率源的准确性和稳定性等。 下面分别介绍一下实现捕获和跟踪这两个过程的各种方法。 2 3 1 1 扩频信号的捕获方法 实现d s 系统码同步捕获的具体方法有很多，本文介绍几种主要 方法 ( 1 ) 滑动相关器法 这种方法是人为地使本地参考p n 码序列比收到的p n 码序列的钟频 稍快或稍慢，则输入到相关器上的两个码序在相位上互相滑动，在某一 时刻，两个序列的相位会滑到一致，相关器有最大的输出，可完成码相 位同步捕获，达到初始同步，转跟踪过程工作原理如图2 - 5 所示 幽2 5 擀动相关同步捕捉蟓理 滑动相关器原理应用很广，它的缺点是当p n 码周期很长、相对滑 动速度又很慢时，将导致同步捕获时间过长应用时采用一些技术措施 来限制搜索范围或搜索速度，具体方法就是采用并行搜索或串并结合的 搜索方式，也可在起始同步时由发方发同步引导码，在下面的内容中将 对顺序搜索法提出几个搜索策略 ( 2 ) 序列匹配滤波器法 匹配滤波器有识别序列的功能，即序列匹配时刻有最大信号峰值 2 输出，利用这个特性可实现d s 信号的同步捕获。序列匹配滤波器有表 面波延迟线( s a w ) 型匹配滤波器、s a w 卷积器和低通型匹配滤波器等 几种类型。 采用序列匹配滤波器进行同步捕获的一个突出优点是可以实现快 速同步。采用序列匹配滤波器同步捕获的缺陷是：在现在工艺条件下， 不易于实现长码的快速捕获。 ( 3 ) 发射参考信号法( 独立信道法) 这种方法的扩频系统的发射机在发射含有信息的扩频信号的同 时，还发送扩频同步信号，接收机从该信号中提取同步信号用于初始同 步和跟踪采用这种方法的扩频接收机可以做得非常简单，这种方法的 缺点是由于参考信号是发方产生并发射出去的，因而；l 入了噪声，同步 系统也易被干扰。 ( 4 ) 通用定时法 这种方法要产生一个标准时钟，该时钟要非常稳定而准确，如铯 愿子钟，稳定度可达1 0 。2 以上，收发双方都以此时钟来进行校准确、精 度要小于一个地址码宽，以实现起始同步，但由于电波传播时延，即使 发射系统和接收系统序列发生器是完全实时校准的，信号到达接收端时 也可能是不同步的，所以一定的搜索和跟踪能力总是需要的这种方法 主要用于卫星通信系统，如g p s ( 5 ) 突发同步( 或同步字头法) 在初始同步时，发方发送一个短的、特殊的码序列，给扩频接收机 足够的同步信息，从而快速建立码初始同步状态，完成起始同步搜索 这种专门用来建立起始同步的码称为“同步头”，这种方法可以实现快 速同步，但如果同步头被干扰，则无法建立同步或引起错误同步 2 3 1 2 扩频信号的搜索策略 介绍了捕获扩频信号的方法之后，下面就搜索策略作一下介绍 1 、码串行载渡串行的搜索策略 该策略采用单个码相关器及单个载波相关器，对码相位及载波多普 勃进 i - 串行搜索捕获，搜索过程如下：先预置载波n c o 为某一多普勒频 率，在该多普勒频率点上将本地码相位每次移动1 2 c h ip ，与输入信号 进行相关运算，每次的积分结果与捕获门限比较，只有当伪码及多普勒 粗纠步后，积分结果才能超过门限，伪码相位及多普勒频率值同时得到 并作为跟踪环路的输入值，否则本地多普勒预置值不动，继续将本地码 移动1 2 c h ip 重复上述过程。如果本地码移动一个码长周期后，仍未捕 获到信号，则将本地多普勒值适当改变后重复上述过程。其原理框图如 下： 幽2 - 6 伪码串行载波串行原理框| 鳘l 该策略的优点是硬件电路简单，容易实现，缺点是捕获时间长，搜 索完整个伪码及多普勒范围需要的时间为( t 。n2 )f l f 。，其中t 。 为码长周期，n 为码长，f 。为载波捕获范围，f 。为数据率 该策略使用较为普遍，比较适合应用于硬件资源紧张、硬件成本高 而对捕获时间要求不高的场合，另外，对于能提供准确先验信息的场合 也较普遍使用，例如g p s g l o n a s s 等导航卫星信号的捕获大多采用该 方案，因为通过卫星历书及位置时间等信息能准确预报出当前 g p s g l o n a s s 卫星的多普勒频率值，根据已知的多普勒频率作为搜索时 的中心频率，大大减小了多普勒搜索范围，节省捕获时间 2 ，码并行载波串行的搜索策略 该策略采用n 个独立的码相关器，理想情况下码相关器之间码相位 依次相差半个码元( 或c h i p ) h 含码相关器共用一个载渡n c o ，载波 多普勒采取串行扫描方式进行搜索假定相关器的带宽为f 。= l t 。，其 中w 。为伪码周期，也是数据周期对于土75 k h z 的多普勒范围，则在载 波轴上至少需要划分1 50 k h z f 。个区间，依次扫描各个区间，在一个区 间扫描结束后，取n 个相关器中能量最大的值与捕获门限进行比较，若 小于门限，则转入下一个区问；若超过门限，则判为捕获，并根据载波 区间和能量最大相关器的位置获取载波多普勒和伪码相位估计值，以此 值作为跟踪环路的输入值 叫川天器lp 榆 i 。_ j 怔寸 测 ； j 墅 咂寸 “i 图2 7 伪码并行载波串行原理框| 鳘| 该策略的优点是捕获快，每个载波区间只要一个码长周期便可分析 完毕，在无先验信息条件下，最多只需扫描1 5 0 k h z f 。个区问便可完成 捕获，在有先验信息条件下，只需扫描一个区间即可，所以捕获非常快。 该策略对硬件来说，硬件电路规模庞大，其电路规模与码长成正比， 以目前门阵列规模来看，实现起来仍有一定困难，且砷码长敏感，较难 实现兼容25 5 、5 1 1 等多种码长的要求 3 、串行载波并行的搜索策略 该策略采用单个码产生器，对码进行串行搜索，而采用n 个载波相 关器，对载波多普勒范围进行并行捕获。n 个载波相关器的载波n c o 分 别产生不同频率的载波，载波相关器的个数与捕获范围有关，n 的取值 至少是f 。f 。码的移动过程同方案1 所述，在各个码相位上同时检查 n 个谱点的能量，取其中最失值与门限比较，若超过门限，则以当前码 相位及最大值所对应的载波多普勒为输入值启动跟踪环路；否则移动码 相位1 2 c h ip 后重复此过程。 r l 拔波村i 父秣j r 拾 l l il 堂咚一 r i 找激甜l 戈器| r 删 逻 奉地心产生 拔波州砭嚣 群f 幽28 伪码串行载波并行腺理框幽 该策略的优点：一是捕获快，可以不需要任何先验信息，正常 情况下，捕获时间等于t 。n2 ，二是电路规模与码长关系不大， 可以在相同硬件条件下兼容2 5 5 、5 11 等多种码长 该策略的缺点是捕获时间与码长成正比，码长加长捕获时间也加 长 4 、并行载波并行的搜索策略 该策略采用n 个独立的码相关器，码相关器之间码相位依次相差 半个码元( 或c h i p ) 假定相关器的带宽为f 。= l t 。，对于7 5 k h z 的多普勒范围，载波至少需要15 0 k l t z f 。个载波相关器，每个载波相 关器的载波n c o 分别产生不同频率的载波每一个码相关器对应 m = 1 5 0 k h z f 。个可能的载波频率，每一个载波相关器对应m 个可能的 伪码相位对于伪码和载波的二维并行捕获，取n 个码相关器、m 个 载波相关器中二维对应的能量最大值与捕获门限进行比较，若超过门 限，则判为捕获，这样在一个码长周期范围内就可捕获伪码相位和载 波频率，并以此值作为跟踪环路的输入值 该策略的优点是捕获快，在无先验信息条件下，只要一个码长周 期就可以实现扩频信号的捕获。 这种策略的缺点是对现有硬件资源来说，这种方法实现起来有相 当大的困难但本课题是用纯软件方法仿真硬件，没有硬件资源的限 制，可以对检前记录数据，通过算法设计来实现伪码相位和载波频率 的并行捕获，我们将在第四章详细介绍本策略的具体实现。 剧2 - 9 伪峭并行载波并行原理框i 笙| 2 3 1 3 扩频信号的检测 扩频通信搜索或捕获过程中如何判定信号已捕获即信号检测是近 年来国内外研究的一个重要方面，常见的信号检测方法有：能量检测技 术、压缩接收机检测技术、预滤波延时相乘检测技术、周期谱技术、延 迟自相关检测技术，下面简单介绍一下几种检测技术及特点 1 、能量检测技术 其结构为平方律器件和积分器，它的检测机理是以信号的能量为依 据，它在一段时间内，一定额带内积累所接收到的信号能量，能量积累 到一定值后来判定信号的存在，一般来说可以采取单次驻留、多次驻留 和序贯检测进行门限检测 2 、压缩接收机检测技术t 其结构为压缩接收机，它的机理是将被检测信号与一个快变的参考 信号c o s ( ( j ) 。t dt2 ) 相乘，对乘积的包络进行检测，该包络实际上是 被检测信号的付氏变换频谱的幅度特性该检测嚣对任何形式的信号都 能进行检测，检测性能由信噪比决定 3 、预滤波延时相乘检测技术( p f d ) p f d m 检测技术实际上是能量检测技术的推广，它在信号相乘之前进 行了一次滤波处理( 称为预滤波) ，是一种特殊的平方律传输。p f d m 检 测器的输出信号在d s s s 信号的伪码速率基频及其谐波处产生离散频 谱分量，利用付氏分析即可完成信号的存在检测。当时延r2 0 时，p f d m 退化为能量检测。如图2 - 10 所示。hn ) 为预滤波器实脉冲响应函数。 显然h ( t ) 和r 的选择直接影响检测性能。 输 i 芏i2 一i op f d m 榆测结构 4 、周期谱检测技术 它是建立在周期平稳信号的谱相关器理论基础上的。周期谱在信号 分析中比传统的功率谱含有更丰富的信息正弦波的频率和相位参数也 可以从周期谱大小和相位测出即使信号具有连续功率谱分布，在周期 谱申，信号特性仍以周期频率分布，从而具有重叠功率谱的信号可以具 有周期谱的非重叠特性利用这些特性可以完成d s s s 信号的检测和载 波频率、伪码速率参数的估计，周期谱检测技术对没有任何先验知识的 直扩信号的检测在工程应用上还存在一定难度 5 、延时自相关检测技术 针对直扩伪码具有尖锐的自相关性和极低的互相关性的特点进行 自相关检测，从而完成直扩信号的存在检测和参数估计其原理框图 和图2 - 1 1 + 图2 一l l自相关检测原理 当时延t 等于伪码周期长且相关积分起点对准伪码起点时，则相关积分 器输出为扩频信号自相关峰序列和平滑噪声之和由此可实现直扩信号 1 8 的捡溯4 4 ”参数估计。 2 3 2 扩频信号的跟踪 一旦扩频信号被捕获后，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伪随机码跟踪和载波跟踪。码跟踪和载波跟踪都 是用相位锁定环( p l l ) 来实现的，只是鉴相器有所区别。 23 2 1 载波跟踪环 用于载波跟踪的方法很多，常用的有：平方环、科斯塔斯( c o s t as ) 环、判决反馈环等以下简要介绍平方环和科斯塔斯环 1 、平方环 闰2 一1 2 平方环解渊器原理豳 输入的b p s k 信号经平方环后产生二倍频的载波，本地载波n c o 产 生的二倍频载波输入到鉴相器，让环路跟踪二倍频的载波，被跟踪的二 倍频载波经二分频并移9 0 度后，再与输入信号相乘，解调出数据 2 、科斯塔斯环 c o s t as 环的结构框图如下：输入的b p s k 信号分刺与本地h c o 产生 的两路参考信号( 同相分量和相移9 0 度后的正交分量) 相乘，两个相 乘器的输出经低通滤波器后，再相乘，其结果经环路滤波器后推动载波 n c o 跟踪输入的载波，与此同时，同相支路的低通滤波器输出便是需要 1 9 的数据信息。 曲1 点。r 焉习i 图2 1 3c o s t a s 环解调原理框图 平方环与c o s t as 环相比，平方环需要产生二倍频的载波信号，c o s t a s 环与输入信号载波同频，另外，c o s t as 环实现电路简单。 2 3 2 2 伪码跟踪环 对于直接序列扩烦系统，根据产生误差信号方法的不同有两种最常 用的锁相环： “t 一抖动”锁相环和“延迟”锁相环，都属于“提前一延后”型的锁相 环，前者由独立的相关器检测出差错信号，而后者用时分的单个锁相环。 此外采用“相干载波”也可以实现扩频码同步跟踪。下面介绍这三种方 法的原理 1 、t 一抖动锁相环法 其原理是人为地使本地码相位以很小的幅度t 抖动，t 为d s 系统一 个扩频码片，由本地码产生超前或滞后的变化，使相关器输出信号的 幅度也产生同样的变化，由此得到码相位误差信号，即其大小和正负反 映相位的偏离情况，利用该误差信号控制产生本地码时钟的v c o 实现同 步跟踪，其工作原理如图2 - 1 4 所示 l 划21 t1 一抖动马删踪锁相讣 2 、延迟锁相环法 其利用两个有一定时延差( 通常为十分之一个扩频码片宽度) 的本地参 考信号与输入的扩频信号在两个并行的相关器分别进行相关运算，输出 结果经过带通滤波和乎方律的包络检波送到相加器进行反相相加，产生 误差信号，利用该误差信号控制本地码时钟，从而实现同步跟踪，延迟 锁相环的原理如图2 - 15 所示 翻2 1 5 延迟镇相环同步跟踪原理 由于p n 码的自相关主峰是底宽为两个码片的三角形，这样两个相关 器输出的有一定时差的两个三角形相关峰值经过相加器反相合成以后 成为一s 形曲线，此即锁相环的鉴相特性，利用该鉴相特性，如果收到 的扩频信号与本地码信号有超前或滞后，则相加器输出的误差信号为 2 零，利用该误差信号去控制产生本地码的时钟，从而实现d s 扩频系统 的码同步跟踪。 3 、相干载波 这种方法中，发方的载波和码时钟都由同一频率源驱动，使得扩频 码的频率和载波频率相干，在接收端用一个单频锁相环产生一个参考的 基；住频率源，利用该基准频率源同时产生用于解扩的本地码时钟信号和 相干载波。 第三章方案介绍 3 1 系统测量原理 g p s 定位系统通过同时采集多个已知空间站( g p s 卫星) 发出的信 号状态获取伪距信息，实现目标定位。根据测量的可逆性原理，如果利 用多个地面站同时采集某一空中运动目标发射的信号状态荻取伪距，也 可以实现目标定位，这就是倒g p s 测量，也称作时涮差定位、距离差定 位、双曲面定位等。 遥外测综合测量系统利用并扩展了倒g p s 定位的概念，将遥外测 参数综合到一个系统进行测量，它的基本原理是：在目标上装载一小型 遥测数据采集与发射装置，发送给定频带内伪码扩频调制后的遥测参 数，地面布置4 个以上接收机，接收解调目标的下行信号，在接收遥测 数据的同时，通过提取扩频伪码相位，获得各接收机到目标的伪距信息， 通过载波多普勒频率的测量获得目标的径向速度信息这样就方便地实 现了遥外测参数的综合测量如果再采用频分加码分的技术，还可以实 现多目标的遥外测参数综合测量 基于以上原理，为了获取遥外测数据，地面扩烦接收机是十分关键 的设备，由它来得到扩频伪码和载波多普勒频率等信息 3 2 系统设备组成及功能 系统设备由发射设备和地面接收设备组成由于篇幅所限，本文仅 介绍涉及本课题的地面接收部分地面设备主要由接收天线、天线控制 器、扩频接收机( 包括扩颊快捕接收机和扩频跟踪接收机) 、检前记录 器等构成