第五章扩谱通讯系统的同步跟踪与捕获PPT课件

-,1,第五章扩谱通讯系统的同步跟踪与捕获,-,2,跟踪,当捕获到有用信号后，即收发PN码相位差在半个时片以内时，同步系统转入保持同步（同步锁定）阶段，有时也称为细同步或跟踪状态。也就是无论什么外界因素引起收发两端PN码的频率或相位偏移，同步系统总能使接收端PN码跟踪发端PN码的变化。对同步情况不断监测，一旦发现失锁，应返回捕获状态，重新同步。跟踪的作用和过程都是闭环运行的。当两端相位发生差别后，环路能根据误差大小进行自动调整以减小误差。同步系统多采用锁相技术。,-,3,跟踪,跟踪的基本方法是利用锁相环来控制本地码的时钟相位。锁相环的作用由收到的信号与本地产生的两个相位差(提前及延后)的信号进行相关运算完成。跟踪环路可分为相干与非相干两类。前者是在确知发端信号的载波频率和相位情况下工作的。后者则在不确知的情况下工作。大多数实际情况属于后者。常用的跟踪环是延迟锁定环（DLLDelayLockLoop）和抖动环(TanDitherLoop)。它们都是属于超前滞后类型的锁相环。延迟锁定环是采用两个独立的相关器，而抖动环则采用分时的单个相关器。,-,4,延时锁定同步法,解扩单元,跟踪相关器,环路滤波,本地码发生器,捕获时的码发生器的相位与输入码相位的差在一个伪随机码切普宽度TC内,相差一个切普TC,加BPF,两相关器的IF通道在振幅上要求完全平衡,-,5,按照PN码相关特性，输入信号与本地PN码的相关特性应为三角波。但由于两个相关支路本地PN码相差1切普，两个三角波的峰值也相差一切普。两个三角波经相加器反相合成以后则成为整个相关网络的相关函数波形或误差函数波形，为一S形曲线。此即锁相环的鉴相特性。S曲线表明，如果收到的信号与本地PN码相差有提前或延后，则加法器输出为正的或负的电压。此电压经环路滤波器后去控制本地压控振荡器VCO。它再去调整PN码钟发生器，使PN码发生器产生的PN码的频率与相位跟踪外来PN码信号的变化。这就是延迟锁定环的基本工作原理。,延时锁定同步法,-,6,2TC,TC,跟踪范围为-TC/2+TC2真正的跟踪点在0，本地产生的伪随机码不能直接用于对接收信号的相关解扩，只有将其延迟或超前TC2后，才能用于解扩。,单值延迟锁定环,延时锁定同步法,-,7,2TC,跟踪范围为-TC+TC从本地产生的伪随机码的n-1级输出可直接用于对接收信号的相关解扩，不需延迟。比单值延迟锁定环鉴相斜率低，控制灵敏度低，要求的接收信噪比值的3dB。,双值延迟锁定环,2TC,2TC,延时锁定同步法,-,8,全时间超前-滞后非相干码跟踪环,对延迟锁定环进行改造,功分,BPF,BPF,平方,平方,LPF,LPF,环路滤波,压控振荡,扩频码产生,本振,功分,不需要在码跟踪之前进行扩频码的解调不需要相干载波,扩频码时钟,延迟锁定鉴别器,-,9,抖动环,只用一个相关器多了一个一抖动信号发生器。一抖动信号为一正负方波。用此方波去控制压控钟源使PN码发生器产生的本地PN码在相位上有一个提前或迟后（在第r级和第r-1级之间跳动），从而使相关器输出有一附加的振幅调制。,抖动频率fq远远高于环路滤波器带宽，但相对于BPF的带宽低很多。,-,10,抖动环相关特性,抖动频率fq远远高于环路滤波器带宽，但相对于BPF的带宽低很多。,两端码相位一致,附PN码超前,附PN码迟后,附加抖动电压“-”,附加抖动电压“”,如果PN码的附加调制只有l5-1l0切普，则一抖动环的跟踪误差只比延迟锁定环大1-2dB。,-,11,抖动环,-,12,跳频系统的同步,-,13,跳频同步的内容,-,14,跳频同步的要求,-,15,跳频同步的要求,-,16,跳频同步的要求,-,17,跳频图案同步的过程,-,18,跳频同步信息的基本传递方法,-,19,跳频同步信息的基本传递方法,-,20,跳频同步信息的基本传递方法,-,21,跳频同步信息的基本传递方法,跳频图案的实时状态信息,实时时钟信息包括年月日时分秒，毫秒、微秒、毫微秒等；状态信息是指伪码发生器实时的码序列状态。根据这些信息，收端就可以知道当前跳频驻留时间的频率和下一跳驻留时间应当处在什么频率上，从而使收发端跳频器同步工作。根据这些信息，收端就可以知道当前跳频驻留时间的频率和下一跳驻留时间应当处在什么频率上，从而使收发端跳频器同步工作。,换频,位同步,帧同步,TOD,-,22,跳频同步信息的基本传递方法,-,23,跳频同步信息的基本传递方法,-,24,跳频同步信息的基本传递方法,-,25,跳频同步信息的基本传递方法,-,26,跳频同步信息的基本传递方法,只要积累不超过1跳的时间，接收机只要收到一跳中的少量信息，就可以完成初始同步，因而作为一般的通信，1.39小时是可以保证的，但考虑到双方定时后的中断时间（如战斗、穿插等情况，需要较长的时间），则这个时间用于战场通信是远不够的。这种方法用精确的时钟减小了收发双方伪随机码相位的不确定性，同步快、准确、保密性好，是战术通信中常用的一种同步方法。,-,27,跳频同步信息的基本传递方法,f1,f2,f2,f2,f3,同步信息,-,28,跳频同步信息的基本传递方法,-,29,跳频同步捕获方法,-,30,跳频同步捕获方法,-,31,串行搜索法,BPF,检测,比较,门限,脉冲计数与控制,捕获，停止搜索,频合,PN码发生器,时钟,未捕获，调整时钟,未超出门限，搜索控制电路使码相位延迟一个切普。超过门限值，表明信号地址码与本地接收地址码的相位差小于Tc2（门限为最大相关值的12时）。于是，同步系统一方面启动伪随机码发生器，另一方面连续累计超过门限的次数。如果这个数超过预先给定的次数m时，即大多数脉冲码元信号超过门限，表示捕获成功。此时，本地时钟停止进入伪随机码发生器，保持原有相位状态，频率合成器自动转入下一个频率（跳频图案已知），并自动进入跟踪，以进一步提高同步精度。,实现简单准最佳检测性能，不易受干扰逐位搜索，搜索时间长,跳频信号,-,32,并行搜索法（匹配滤波器法）,BPF1,检测,比较,门限,时延(m-1)Th,同步指示,实现复杂频率分集，抗干扰强实时搜索，搜索时间短相关器可用SAWD代替,跳频信号,f1,BPF2,检测,时延(m-2)Th,f2,BPFm,检测,fm,+,f1、f2、，fm是从跳频频率集N个频率中选出的m个频率。m个参考频率信号按输入的跳频信号的次序排列，分别对跳频信号进行相关，经相应的延迟后，m路信号将同时到达相加器。如果相加器的输出大于判决门限，则表明捕获完成，比较器给出同步指示，使系统进入跟踪状态。反之，比较器输出控制本地时钟，调整本地码的相位，直到搜索完成。采用这种方法可对接收信号实现最佳的非相干检测。,-,33,混合搜索法（两级捕获）,BPF,解调,门限1,频合,PN码发生器,搜索控制,跳频信号,匹配滤波器,有源相关器组,搜索鉴别,门限2,检测电路,将串行搜索和并行搜索法合二为一，先串行搜索后并行搜索；相关器组有C个相关器，每个相关器都有各自的跳频图案规律。,-,34,混合搜索法（两级捕获）,当匹配滤波器检测出较短的一组M跳同步头后，发出一个起始信号给有源相关器组，使有源相关器组开始工作。每个相关器都通过K跳（MK），当K跳完毕后，任一相关器输出超过第二门限时，搜索鉴别电路根据该相关器跳频图案的规律，预置检测电路的伪随机码的初始状态，系统进入数据接收过程。在数据接收过程中，每隔一段时间，匹配滤波器与有源相关器组联合对输入信号进行鉴别，判断系统是否出现失步。若多次鉴别均出现失步，则检测电路停止接收数据，系统重新进入搜索状态。若有源相关器分别对应着同步头传输阶段中不同时刻的跳频图案，这样通过利用一组同步频率传输该组频率所在不同时刻跳频规律就可建立同步。,-,35,混合搜索法（两级捕获）,该方案的性能参数与跳速无关，这就从根本上避开了跳周期资源不足的困难。选择较多的频率数及跳频图案数，可在信噪比较低的情况下获得较高的检测概率，捕获时间随着跳率的增加而减小。所以该方案的优越性随着跳速的增加表现得更明显，这个优越性对中高速跳频电台是颇有吸引力的。可改变跳频图案。该方案是一种具有很强捕获性能的方案，可用在没有时间参数、跳频周期长，且又要求快速和恶劣条件下可靠捕获的场合。但是该方案的实现比较复杂。,-,36,利用FFT实现快速捕获,检测,门限2,同步控制,同步指示,频合,PN码发生器,FFT,门限1,频率确定及误差修正,频率/伪码相位转换,K,-,37,利用FFT实现快速捕获,当FFT输出超过门限VT1时，就记为所测的频率是收到的跳频频率。由于经FFT变换后的频率不一定是跳频频率集中的某一个频率，所以加入了误差校正单元，以完成频率确定及误差修正。若设伪随机码状态与跳频图案中的频率一一对应，则经频率伪随机码相位转换单元后，得到与该频率所对应的伪随机码的状态，然后将其置入本地伪随机码发生器，使本地频率合成器输出一个频率。如果检测器输出大于门限VT2，则说明收端的频率与发端的频率一致，此时同步控制单元给出同步指示，同时控制开关K断开，系统进入正常的同步状态。,-,38,动态环境下基于FFT实现快速捕获,在搜索1个码相位单元时,同时对多普勒频移做出估计,从而实现伪码序列的快速捕获。,用FFT实现对接收信号的多普勒频移估计,-,39,利用自递归谱估计实现同步,检测,捕获控制,同步指示,频合,PN码发生器,自适应滤波,频率估测算法,码捕获逻辑,时钟,捕获时间可以快到仅仅是伪随机码发生器级数r的数量级，它可在跳频速率、处理增益及信噪比适中的条件下很好地工作。但这种方法实现起来是很困难的。,-,40,利用自递归谱估计实现同步,由于在每一跳内对应一发射频率，可首先利用自递归谱估计技术估测出每一时隙内的频率，然后由码捕获逻辑求出与该频率对应的伪随机码的最高码位，并将其转置入本地码发生器。如果伪随机码发生器的级数为r，则经过r个这样的估测和预置后，本地线性反馈移位寄器将被这r个伪随机码状态的最高码位所占据，在不存在干扰和噪声时，测频不会出错。这样，在下一跳频时隙，收端和发端的跳频合成器将同步地跳频。当测频发生错误时，经相乘、检测和判决后，检测量就会低于门限，此时需要重新预置本地伪随机码发生器。图中的捕获控制器的输出是用来闭合或断开捕获逻辑与移位寄器的连接以及线性反馈移位寄存器的。,-,41,跳频系统的码跟踪环,功分,BPF,BPF,平方,平方,LPF,LPF,环路滤波,压控振荡,扩频码产生,参考本振,频合,扩频码时钟,延迟锁定鉴别器