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)定度的時鐘頻率源，以保證頻率和相位的穩(wěn)定性。但在實際應(yīng)用中，存在許多事先無法估計的不確定因素，如收發(fā)時鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時刻不確定、信道傳輸時延及干擾等，尤其在移動通信中，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。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碼間定時誤差小于1個碼片間隔Tc，可采用基于滑動相關(guān)的串行捕獲方案或基于時延估計問題的并行捕獲方案。PN碼跟蹤則自動調(diào)整本地碼相位，進(jìn)一步縮小定時誤差，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誤差檢測器的延遲鎖定環(huán)及τ抖動環(huán)兩種。

　　接收信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘地器中與本地PN碼進(jìn)行相關(guān)運算。捕獲器件調(diào)整壓控時鐘源，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。一旦捕獲到有用信號，啟動跟蹤器件，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階段閉環(huán)的自動控制和調(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)頻信號時，選擇和調(diào)整接收機(jī)的本地擴(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，實現(xiàn)捕獲大多采用非相干檢測。接收到擴(kuò)頻信號后，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個輸出中哪個輸出最大，該輸出對應(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，如滑動相干法、序貫估值法及匹配濾波器法等，滑動相關(guān)法是最常用的方法。

　　2.1　滑動相關(guān)法

　　接收系統(tǒng)在搜索同步時，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，致使這兩個碼序列在相位上互相滑動，只有在達(dá)到一致點時，才停下來，因此稱之為滑動相關(guān)法。

　　接收信號與本地PN碼相乘后積分，求出它們的互相關(guān)值，然后與門限檢測器的某一門限值比較，判斷是否已捕獲到有用信號。它利用了PN碼序列的相關(guān)徨性，當(dāng)兩個相同的碼序列相位一致時，其相關(guān)值輸出最大。一旦確認(rèn)捕獲完成，捕獲指示信號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，使之與收到的信號保持同步。

　　由于滑動相關(guān)器對兩個PN碼序列按順序比較相關(guān)，所以該方法又稱順序搜索法�；瑒酉嚓P(guān)器簡單，應(yīng)用簋廣，缺點是當(dāng)兩個PN碼的時間差或相位差過大時，相對滑動速度簋慢，導(dǎo)致搜索時間過長，特別是對長PN碼的捕獲時間過長，必須采取措施限定捕獲范圍，加快捕獲時間，改善其性能。

　　使滑動相關(guān)器實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，以便在合理時間內(nèi)對所有碼位進(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間。

　　該方法先檢測收到碼信號中的PN碼，通過開關(guān)，送入n級PN碼發(fā)生器的移位寄存器。待整個碼序列全部進(jìn)入填滿后，在相關(guān)器中，將產(chǎn)生的PN碼與收到的碼信號進(jìn)行相關(guān)運算，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，捕獲時間Ts=nTc，（Tc為PN碼片時間寬度）。該方法捕獲時間雖短，但存在一些問題，它先要對外來的PN碼進(jìn)行檢測，才能送入移位寄存器，要做到這一點有時很困難。另外，此法抗干擾能力很差，因為逐一時片進(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線匹配濾波器，其目的是識別碼序列，它能在特殊結(jié)構(gòu)中識別特殊序列，而且只識別該序列。假設(shè)一個輸入信號是7bit碼序列1110010雙相調(diào)制的信號，每當(dāng)碼有1-0過渡時，反相信號進(jìn)入延時線，直到第1bit在T7，第2bit在T6。當(dāng)全部時延元件都填滿，而且信號調(diào)制碼與濾波器時延元件相位一致時，T2的信號相位與T5、T6、T7的相位相同，時延元件T1、T3、T4也具有相同的信號相位。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，再將這兩個結(jié)果相加，包含在全部7個元件中的信號能量同相相加，整個輸出是未處理的7倍。根據(jù)該能量關(guān)系可以識別碼序列。

　　要增強(qiáng)產(chǎn)生的信號，可以靠附加更多的時延元件實現(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。對于待定信號，匹配濾波器具有時間自動能力，無需PN碼時鐘同步與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。門限計算器的功能根據(jù)包絡(luò)檢測輸出，確定動態(tài)門限電平，提供給同步檢測器，保證在低SNR時有可允許的同步誤差。動態(tài)門限電平取在主峰高度與最大旁峰之間時，噪聲引起的底同步誤差最小。當(dāng)SAW-TDL檢波輸出包絡(luò)超過動態(tài)門限時，同步檢測器為接收機(jī)寬帶頻率合成器提供一個邏輯電平同步信號。

　　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鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號相位變化保持一致，實現(xiàn)對接收信號的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，正常接收擴(kuò)頻信號。跟蹤是閉環(huán)運行的，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抖動環(huán)兩種，延遲鎖定環(huán)采用兩個獨立的相關(guān)器，τ抖動環(huán)采用分時的單個相關(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（即兩碼的相對時差0<τ<TC），包絡(luò)檢波器輸出端B的波形幅度大于輸出端A的幅度，即RA（Τ）－RB（Τ）<0，減法器輸出的誤差值為負(fù)值，經(jīng)環(huán)路濾波器后，控制壓控振蕩器（VCO），使本地碼的速度放慢。當(dāng)在本地碼的相位之后接收到偽隨機(jī)碼的相位時（即兩碼的相對時差-TC<Τ<0），包絡(luò)檢波器輸出端A的波形幅度大于B的幅度，環(huán)形濾波器輸出正電壓，使VCO頻率升高。穩(wěn)定狀態(tài)必然是RA（0）－RB（0）=0，本地PN碼與接收PN碼精確同步。

　　3.2　τ抖動跟蹤環(huán)

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

　　延遲鎖定環(huán)及τ抖動環(huán)不僅能起跟蹤作用，如果采用滑動相關(guān)概念，使本地VCO開始時就與接收信號有一定頻差，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)路的主要跟蹤對象是單徑信號，但在移動信道中，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)�；�于能量窗重心的定時跟蹤環(huán)就是其中之一。

　　CDMA數(shù)字蜂窩移動系統(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分量，選出其中能量最強(qiáng)的J個多徑分量作為能量窗，利用基于能量窗重心的定時跟蹤算法，觀察相鄰兩次工作窗內(nèi)多徑能量分布變化，計算跟蹤誤差函數(shù)，根據(jù)能量重心變化，調(diào)整本地PN碼時鐘，控制PN碼滑動，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跟蹤法跟蹤有效多徑成分具有更好的性能。