扩频通信第5章扩频信号的解扩与解调.ppt

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扩频信号的解扩和解调第5章1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（-90dBm-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2

（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。

基带信号恢复是传统的解调问题。

35.1扩频信号的相关解扩5.1.1相干通信的基本概念n信号的相干性信号的相干性在物理学物理学里，相干性（拉丁文cohaerere）描述波在传播时，其物理量在不同地点或不同时间的相关特性。

相关特性是由于波相位的变化而产生。

因为相位的差别，两个波的叠加会造成建设性干涉或摧毁性干涉。

假设，两个波的相位差别为常数，则假设，两个波的相位差别为常数，则它们的频率必定相同，称这两个波为相干的它们的频率必定相同，称这两个波为相干的。

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。

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。

相干性相干性（Coherence）4设波形为5.1.1相干通信的基本概念相关运算就是用一个与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n相关运算（相关运算（Correlation）图5-1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。

5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分析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的在白噪声干扰下的最佳解调方法相符。

n本地相干参考信号的产生本地相干参考信号的产生本地参考信号是由锁相环路锁相环路产生的。

信号检测理论知：

锁相环路是锁相环路是信号相位检测的最佳估计设备信号相位检测的最佳估计设备。

锁相环路可等效为信号相位的5.1.1相干通信的基本概念线性系统。

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）。

因此可以实现相干通信。

6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、码元同步的本地参考扩频码信号。

收、发两端扩频码同步信收、发两端扩频码同步信号相乘并积分的过程为相关解扩号相乘并积分的过程为相关解扩。

n相关解扩相关解扩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。

DS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，而获得系统处理增益。

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”。

5.1.1相干通信的基本概念7

（1）优点：

结构简单；

（2）缺点：

对于干扰信号有直通直通现象；5.1.2直接式相关解扩器特点特点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。

图5-3直接式相关解扩器85.1.3外差式相关解扩器

（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。

特点特点图5-4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95.1.3外差式相关解扩器n频谱特性频谱特性图5-5直接序列系统外差式相关器中信号的频谱105.2各类噪声对相关器输出的影响相关器输出中，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p码元同步偏移的影响；p载波抑制度不足和码不平衡的影响；p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115.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响实际系统中，由于收发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相关损失相关损失相关损失相关损失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。

125.2.1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，因此输出噪声总量取决于同步程度输出噪声总量取决于同步程度。

当完全不同步时，相关器输出几乎全部为噪声。

码元同步偏移的产生码元同步偏移的产生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。

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输出噪声功率增加率增加。

图5-6二进制码序列的自相关波形135.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响l理想同步理想同步码元同步偏移的影响分析码元同步偏移的影响分析l非理想同步非理想同步中不仅包含有直流分量，还包含一些干扰或噪声分量（不期望）。

直流分量；假设假设为两码的相对时延（同步偏移）研究研究功率谱密度。

方法方法通过求解自相关函数来获得信号的功率谱密度。

145.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响可分解为式中，是二进制周期函数；是三电平伪随机函数。

图5-7扩频码乘积Pc（t,e）的分解例例周期N=15的m序列155.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响的自相关函数为165.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响由于e0，乘积中形成一个新的m码分量，该m码结构为原m码经过反相后的位移码。

175.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响整理得185.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响将各相关函数合并得功率谱密度函数为功率谱密度函数为（5-2）195.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响整理后，可得到与情况整理后，可得到与情况1（式（式（5-2））相同的结果。

）相同的结果。

上述结果对都能成立。

注意到伪随机码的自相关特性，在时，合成信号的功率谱密度函数退化为伪随机码的功率谱密度函数，在e=0时，合成信号的功率谱全部都成为直流分量。

小结小结205.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响码元同步偏移的影响分析码元同步偏移的影响分析令则（5-4）（5-3）215.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响（5-4）

（1）码元同步偏移e增大，Pc（t,e）中的直流分量（第一项）减小，相关函数的最大值（t=0时的相关值）将减小，并产生一个比原始扩频码频谱更宽的扩频信号。

（2）Ne（f）的单边带宽（功率谱第一个零点）为（而扩频码的单边带宽为1/Tc）。

随着码元同步偏移的增大，N（f）的功率谱逐渐趋于伪随机码的功率谱；当时，其功率谱成为纯粹的伪随机码功率谱。

（3）Ne（f）是由码元同步偏移产生的一种噪声，对有用信号将造成干扰，故有文献称作码自噪声码自噪声。

只有第二项中k=1分量（）能通过中频滤波器，因而码自噪声在相关器的输出功率为（5-6）225.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响对于外差式相关解扩器外差式相关解扩器，码元理想同步时（=0），相关器输出（不考虑噪声）为当码元同步发生偏移时，相关器输出为最大值为，等号在=0（理想同步）时成立。

有用信号功率受到损失有用信号功率受到损失。

由于码元同步偏移的存在，相关解扩器输出有用信号的功率（幅度）下降，造成相关损失（5-5）235.2.1码元同步偏移对相关器输出的影响图5-10同步偏移引起的相关损失245.2.2载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响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

（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5-11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25频谱对比图5.2.2载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响26（11）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相当于单频正弦波干扰信号干扰信号。

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。

（33）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，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。

5.2.2载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响27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