CDMA系統(tǒng)的PN碼技術(shù)
責(zé)任編輯：admin 　 更新日期：2005-8-6



武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院　　吳薇
　　1.CDMA系統(tǒng)中的PN碼同步原理

　　發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用高精確度和高穩(wěn)定度的時(shí)鐘頻率源，以保證頻率和相位的穩(wěn)定性。但在實(shí)際應(yīng)用中，存在許多事先無法估計(jì)的不確定因素，如收發(fā)時(shí)鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時(shí)刻不確定、信道傳輸時(shí)延及干擾等，尤其在移動(dòng)通信中，這些不確定因素都有隨機(jī)性，不能預(yù)先補(bǔ)償，只能通過同步系統(tǒng)消除。因此，在CDMA擴(kuò)頻通信中，同步系統(tǒng)必不可少。

　　PN碼序列同步是擴(kuò)頻系統(tǒng)特有的，也是擴(kuò)頻技術(shù)中的難點(diǎn)。CDMA系統(tǒng)要求接收機(jī)的本地偽隨機(jī)碼與接收到的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致，否則就不能正常接收所發(fā)送的信息，接收到的只是一片噪聲。若實(shí)現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步，也無法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。因此，PN碼序列的同步是CDMA擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。

　　CDMA系統(tǒng)中的PN碼同步過程分為PN碼捕獲（精同步）和PN碼跟蹤（細(xì)同步）兩部分。PN碼捕獲是精調(diào)本地PN碼的頻率和相位，使本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的PN碼間定時(shí)誤差小于1個(gè)碼片間隔Tc，可采用基于滑動(dòng)相關(guān)的串行捕獲方案或基于時(shí)延估計(jì)問題的并行捕獲方案。PN碼跟蹤則自動(dòng)調(diào)整本地碼相位，進(jìn)一步縮小定時(shí)誤差，使之小于碼片間隔的幾分之一，達(dá)到本地碼與接收PN碼頻率和相位精確同步。典型的PN碼跟蹤環(huán)路分基于遲早門定時(shí)誤差檢測(cè)器的延遲鎖定環(huán)及τ抖動(dòng)環(huán)兩種。

　　接收信號(hào)經(jīng)寬帶濾波器后，在乘地器中與本地PN碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。捕獲器件調(diào)整壓控時(shí)鐘源，用以調(diào)整PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PN碼序列的頻率和相位，捕獲有用信號(hào)。一旦捕獲到有用信號(hào)，啟動(dòng)跟蹤器件，用以調(diào)整壓控鐘源，使本地PN碼發(fā)生器與外來信號(hào)保持精確同步。如果由于某種原因引起失步，則重新開始新一輪捕獲和跟蹤。

　　同步過程包含捕獲和跟蹤兩個(gè)階段閉環(huán)的自動(dòng)控制和調(diào)整。

　　2.PN碼序列捕獲

　　PN碼序列捕獲指接收機(jī)在開始接收擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)，選擇和調(diào)整接收機(jī)的本地?cái)U(kuò)頻PN序列相位，使它與發(fā)送的擴(kuò)頻PN序列相位基本一致，即接收機(jī)捕捉發(fā)送的擴(kuò)頻PN序列相位，也稱為擴(kuò)頻PN序列的初始同步。在CDMA系統(tǒng)接收端，一般解擴(kuò)過程都在載波同步前進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)捕獲大多采用非相干檢測(cè)。接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)射頻寬帶濾波放大及載波解調(diào)后，分別送往2N擴(kuò)頻PN序列相關(guān)處理解擴(kuò)器（N是擴(kuò)頻PN序列長）。2N個(gè)輸出中哪個(gè)輸出最大，該輸出對(duì)應(yīng)的相關(guān)處理解擴(kuò)器所用的擴(kuò)頻PN序列相位狀態(tài)，就是發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)頻PN序列相位，從而完成擴(kuò)頻PN序列捕獲。

　　捕獲的方法有多種，如滑動(dòng)相干法、序貫估值法及匹配濾波器法等，滑動(dòng)相關(guān)法是最常用的方法。

　　2.1　滑動(dòng)相關(guān)法

　　接收系統(tǒng)在搜索同步時(shí)，它的碼序列發(fā)生器以與發(fā)射機(jī)碼序列發(fā)生器不同的速率工作，致使這兩個(gè)碼序列在相位上互相滑動(dòng)，只有在達(dá)到一致點(diǎn)時(shí)，才停下來，因此稱之為滑動(dòng)相關(guān)法。

　　接收信號(hào)與本地PN碼相乘后積分，求出它們的互相關(guān)值，然后與門限檢測(cè)器的某一門限值比較，判斷是否已捕獲到有用信號(hào)。它利用了PN碼序列的相關(guān)徨性，當(dāng)兩個(gè)相同的碼序列相位一致時(shí)，其相關(guān)值輸出最大。一旦確認(rèn)捕獲完成，捕獲指示信號(hào)的同步脈沖控制搜索控制鐘，調(diào)整PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼重復(fù)頻率和相位，使之與收到的信號(hào)保持同步。

　　由于滑動(dòng)相關(guān)器對(duì)兩個(gè)PN碼序列按順序比較相關(guān)，所以該方法又稱順序搜索法。滑動(dòng)相關(guān)器簡單，應(yīng)用簋廣，缺點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè)PN碼的時(shí)間差或相位差過大時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度簋慢，導(dǎo)致搜索時(shí)間過長，特別是對(duì)長PN碼的捕獲時(shí)間過長，必須采取措施限定捕獲范圍，加快捕獲時(shí)間，改善其性能。

　　使滑動(dòng)相關(guān)器實(shí)用的有效方法之一是采用特殊碼序列，特殊碼序列要足夠短，以便在合理時(shí)間內(nèi)對(duì)所有碼位進(jìn)行搜索。至于短到什么程度，由滿足相關(guān)性要求限定。這種加前置碼的方法稱同步引導(dǎo)法。引導(dǎo)碼同步要求低、簡單易實(shí)現(xiàn)，是適合各種應(yīng)用的同步方法。

　　可捕碼由若干較短碼序列組合而成，其碼序列應(yīng)與各組成碼序列保持一定的相關(guān)關(guān)系。這類碼中最著名的是JPL碼。

　　2.2　序貫估值法

　　序貫估值法是另一種減少長碼捕獲時(shí)間的快速捕獲方法，它把收到的PN碼序列直接輸入本地碼發(fā)生器的移位寄存器，強(qiáng)制改變各級(jí)寄存器的起始狀態(tài)，使其產(chǎn)生的PN碼與外來碼相位一致，系統(tǒng)即可立即進(jìn)行同步跟蹤狀態(tài)，縮短了本地PN碼與外來PN碼相位一致所需的時(shí)間。

　　該方法先檢測(cè)收到碼信號(hào)中的PN碼，通過開關(guān)，送入n級(jí)PN碼發(fā)生器的移位寄存器。待整個(gè)碼序列全部進(jìn)入填滿后，在相關(guān)器中，將產(chǎn)生的PN碼與收到的碼信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，在比較器中將所得結(jié)果與門限進(jìn)行比較。若未超過門限，則繼續(xù)上述過程。若超過門限，則停止搜索，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。理想情況下，捕獲時(shí)間Ts=nTc，（Tc為PN碼片時(shí)間寬度）。該方法捕獲時(shí)間雖短，但存在一些問題，它先要對(duì)外來的PN碼進(jìn)行檢測(cè)，才能送入移位寄存器，要做到這一點(diǎn)有時(shí)很困難。另外，此法抗干擾能力很差，因?yàn)橹鹨粫r(shí)片進(jìn)行估值和判決，并未利用PN碼的抗干擾特性。但在無干擾條件下，它仍有良好的快速初始同步性能。

　　2.3　匹配濾波器法

　　用于PN同步捕獲的匹配濾波器一般采用延時(shí)線匹配濾波器，其目的是識(shí)別碼序列，它能在特殊結(jié)構(gòu)中識(shí)別特殊序列，而且只識(shí)別該序列。假設(shè)一個(gè)輸入信號(hào)是7bit碼序列1110010雙相調(diào)制的信號(hào)，每當(dāng)碼有1-0過渡時(shí)，反相信號(hào)進(jìn)入延時(shí)線，直到第1bit在T7，第2bit在T6。當(dāng)全部時(shí)延元件都填滿，而且信號(hào)調(diào)制碼與濾波器時(shí)延元件相位一致時(shí)，T2的信號(hào)相位與T5、T6、T7的相位相同，時(shí)延元件T1、T3、T4也具有相同的信號(hào)相位。把｛T2、T5、T6、T7｝與｛T1、T3、T4｝兩組分別相加，把｛T1、T3、T4｝之和倒相輸出，再將這兩個(gè)結(jié)果相加，包含在全部7個(gè)元件中的信號(hào)能量同相相加，整個(gè)輸出是未處理的7倍。根據(jù)該能量關(guān)系可以識(shí)別碼序列。

　　要增強(qiáng)產(chǎn)生的信號(hào)，可以靠附加更多的時(shí)延元件實(shí)現(xiàn)，在這種結(jié)構(gòu)中得到的處理增益為Gp=10lgn（n是參加求和的時(shí)延元件數(shù)）。

　　在要求快速鎖定及使用長碼的CDMA擴(kuò)頻通信中，宜采用SAW-TDL-MF作同步器。對(duì)于待定信號(hào)，匹配濾波器具有時(shí)間自動(dòng)能力，無需PN碼時(shí)鐘同步與RF載波相位鎖定，既避免了數(shù)據(jù)信息比特以外的同步，又完成了擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)處理。引導(dǎo)碼進(jìn)入程控編碼SAW-TDL-MF后，其輸出是噪聲基底上的底尖相關(guān)峰。在擴(kuò)頻通信中，噪聲功率控制接收機(jī)的AGC，因而信號(hào)功率（即相關(guān)峰值）在起伏的噪聲環(huán)境中變化很大。門限計(jì)算器的功能根據(jù)包絡(luò)檢測(cè)輸出，確定動(dòng)態(tài)門限電平，提供給同步檢測(cè)器，保證在低SNR時(shí)有可允許的同步誤差。動(dòng)態(tài)門限電平取在主峰高度與最大旁峰之間時(shí)，噪聲引起的底同步誤差最小。當(dāng)SAW-TDL檢波輸出包絡(luò)超過動(dòng)態(tài)門限時(shí)，同步檢測(cè)器為接收機(jī)寬帶頻率合成器提供一個(gè)邏輯電平同步信號(hào)。

　　3.PN碼序列跟蹤

　　當(dāng)同步系統(tǒng)完成捕獲過程后，同步系統(tǒng)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。所謂跟蹤，是使本地碼的相位一直隨接收到的偽隨機(jī)碼相位改變，與接收到的偽隨機(jī)碼保持較精確的同步。跟蹤環(huán)路不斷校正本地序列的時(shí)鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號(hào)相位變化保持一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，正常接收擴(kuò)頻信號(hào)。跟蹤是閉環(huán)運(yùn)行的，當(dāng)兩端相位出現(xiàn)差別后，環(huán)路能根據(jù)誤差大小自動(dòng)調(diào)整，減小誤差，因此同步系統(tǒng)多采用鎖相技術(shù)。

　　跟蹤環(huán)路可分為相干與非相干兩種。前者在確知發(fā)端信號(hào)載波頻率和相位的情況下工作，后者在不確知的情況下工作。實(shí)際上大多數(shù)應(yīng)用屬于后者。常用的跟蹤環(huán)路有延遲鎖定環(huán)及τ抖動(dòng)環(huán)兩種，延遲鎖定環(huán)采用兩個(gè)獨(dú)立的相關(guān)器，τ抖動(dòng)環(huán)采用分時(shí)的單個(gè)相關(guān)器。

　　3.1　延遲鎖相環(huán)

　　當(dāng)本地PN碼產(chǎn)生器第（n－2）和第n級(jí)移位寄存器輸出PN碼相位超前于接收到的偽隨機(jī)碼相位時(shí)（即兩碼的相對(duì)時(shí)差0<τ
　　3.2　τ抖動(dòng)跟蹤環(huán)

　　抖動(dòng)環(huán)是跟蹤環(huán)的另一種形式，與延時(shí)鎖定環(huán)相同，接收信號(hào)與本地產(chǎn)生PN序列的超前滯后形式相關(guān)，誤差信號(hào)由單個(gè)相關(guān)器以交替的形式相關(guān)后得到。PN碼序列產(chǎn)生器由一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘信號(hào)的相位二元信號(hào)的變化來回“擺動(dòng)”，去除了必須保證兩個(gè)通道傳遞函數(shù)相同的要求，因此抖動(dòng)環(huán)路實(shí)現(xiàn)簡單。與延時(shí)鎖定環(huán)相比，信噪比性能惡化大約3dB。

　　延遲鎖定環(huán)及τ抖動(dòng)環(huán)不僅能起跟蹤作用，如果采用滑動(dòng)相關(guān)概念，使本地VCO開始時(shí)就與接收信號(hào)有一定頻差，也能起到捕獲作用。此外，另加一相關(guān)器，還可以起到解碼作用。

　　上述兩種跟蹤環(huán)路的主要跟蹤對(duì)象是單徑信號(hào)，但在移動(dòng)信道中，由于受到多徑衰落及多普勒頻移等多種復(fù)雜因素影響，不能得到令人滿意的跟蹤性能，所以CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)應(yīng)采用適合多徑衰落信道的跟蹤環(huán)。基于能量窗重心的定時(shí)跟蹤環(huán)就是其中之一。

　　CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)，其擴(kuò)頻帶寬使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的多徑分辨能力。接收機(jī)不斷搜索可分辨多徑信號(hào)分量，選出其中能量最強(qiáng)的J個(gè)多徑分量作為能量窗，利用基于能量窗重心的定時(shí)跟蹤算法，觀察相鄰兩次工作窗內(nèi)多徑能量分布變化，計(jì)算跟蹤誤差函數(shù)，根據(jù)能量重心變化，調(diào)整本地PN碼時(shí)鐘，控制PN碼滑動(dòng)，達(dá)到跟蹤目的。采用該跟蹤環(huán)的目的是使用于RAKE接收的工作窗內(nèi)多徑能量之和最大，接收機(jī)性能更好。仿真結(jié)果表明，與DLL跟蹤單徑相比，采用基于能量窗重心的定時(shí)跟蹤法跟蹤有效多徑成分具有更好的性能。