扩频通信系统的同步跟踪 与捕获 王艳琦 2001.11.1在讨论扩频信号的相关解扩及解调时,我们都 是假定接收机本地参考信号与输入信号同步(包括 载波、码元及码字同步)为前提条件的。同步是指 到达接收机的编码信号与本地参考信号在码的图 案位置和码时钟速率在时间上都是准确一致的,如 果不一致就有了同步不确定性。由于这种不确定 性带有随机性,不能预先补偿,只能通过同步系统 来消除。我们将采用一种跳频/直接序列（FH/DS）混 合扩频系统，即扩频信号是由载波频率跳变的 直接序列信号组成 。虽然跳频和直接序列系统 对同步总的要求相类似，但由于其工作原理和 调制方式的不同，所采用的同步方式亦不相同 。同步不确定性的来源（1）在扩频系统中，接收端一般有两类不确定 的因素，即码相位和载波频率的不确定性。码 相位的分辨率必须远小于1bit；载波中心频率 的分辨能力（即稳定度与准确度）必须使解扩 后的信号落在相关滤波器频率范围内，并且使 本地载波频率始终对准信号载波频率，以便使 解调器能正常工作。同步不确定性的来源（2）码相位的不确定性（时间不定区）包含: 从发射点到接收点电波传播的时延及多径传 播 收发双方启动码序列的时间差 收发双方时钟的不稳定性 载波频率的不确定性（频率不定区）包含: 收发双方基准频率源的不稳定性 多普勒频偏 同步过程（1）在数字通信系统中同步包含的内容是：码时 钟速率同步即码位同步（或码元同步）、码字 同步及载波同步。 同步分三个过程:第一是起始同步(搜索),第二是同步识别, 第三是跟踪。其作用流程框图如下所示:实现同步的几种方法（1）n独立信道同步法利用一个专门的信道来传送同步信息，这个信道和 传送信息码的信道互相占用不同的频率，收端根据同 步信道提供的同步信息（起始时间），就可以解译主 信道的信息。n插入特殊码字同步法用一组特殊的码字来代表同步信息，然后把这个码 字周期性的插入编码数字信息序列里。收方根据同步 码字的特点进行识别，就得到了码字同步的信息。实现同步的几种方法（2）n自同步法将发送端跳频信号中隐含的同步信息设法提 取出来 ,控制接收跳频器 ,以实现跳频同步；不 用专门的频带，也不占据专门的时隙，不需要专 门的同步信号功率。即在节省频率资源和信号功 率方面及抗干扰能力上 ,优于前两种方法 ,因而 应用较为普遍。FH信号的同步(1)可以采用一种数字式跳频同步搜索电路, 如下图所示:FH信号的同步(2)跳频同步还需考虑系统的捕获概率和虚警概率 ：（1） 在没有同步信息时,由于存在单频干扰(有意施放 的干扰或者无意的其他跳频信号形成的干扰),这种频率落 到相应的频隙内,就有可能被认为同步信号,形成虚警; （2） 在有同步信号时,由于干扰抵消了有用信号,因 此将引起同步的漏检或失误。正是由于虚警和漏检的存在,所以通常规定N个 跳频点中只需K个被检测到，即确认同步。 几种可以借鉴的策略（1）n自适应捕获策略系统自适应地利用干扰的间隙、采用一些简单的同 步方法快速地建立起同步 ,当干扰来临时 ,由于 FH 系统已经开始正常地工作 ,抗干扰性能得以正常地发 挥 ,那么系统就能够“既不牺牲系统的抗干扰性能 , 又能够快速地建立起同步”了。假设一个采用滑动相关捕获法的 FH系统中有 N个 跳频频率 ,我们取其中的 m(1 m N)个频率作为同 步头频率 ,并把这 m个同步头频率确定的跳频图案称 为“同步头跳频图案”,或简称“同步头图案”,那么 “自适应捕获”过程可以描述如下：几种可以借鉴的策略（2）n自适应捕获策略几种可以借鉴的策略（3）n快速扫描式自同步方法这种同步方案的接收频率合成器有两种工作状 态 ,一种是跳频工作状态 ,在PN码作用下 ,按跳频 图案输出本地跳频信号 ;另一种是扫描工作状态 , 这时频率合成器置于某一频组上 ,扫描输出个频 率 。一个频组的持续时间等于一个chip占用的时间 ,每一扫描子频隙的时间为/ ,显然这种状态 时频率合成器的频率转换速率提高了倍 ,所以称 快速扫描 。为使捕获概率大 ,每个频组的个频率 是从接收跳频图案中的个频率点上等间隔抽取的 。几种可以借鉴的策略（4）n快速扫描式自同步方法首先使收端频率合成器工作在扫描状态 ,置于某一频组 上 ,在一个频隙时间内 ,扫描输出个频率 ,并依次与收 到的频率相关 ,如在某一子频隙中 ,相关检测输出信号大于 门限值,则认为捕获到同步信息 ,系统转入同步识别 ,如识 别有效 ,则频率合成器转入跳频工作状态 ,按跳频图案输出 跳频频率 ,并进行同步跟踪 ,以达到完全同步 。如在这一 时间内 ,个频率与接收频率都无相关输出 ,则频率合成器 仍在这一频组上扫描 ,等待与下一chip的接收频率相关 ,如 果在一个跳频周期都未捕获到同步信息 ,频率合成器便位移 到下一个频组进行扫描 ,搜索有效跳频信号。几种可以借鉴的策略（5）n最大似然估计 (MLE)准则下并行捕捉方案随着数字信号处理器(DSP)的功能变得日益强大 ,运用DSP来实现捕获模块已成为可能 ,具有降低开 发费用 ,增强系统灵活性等优点,研究基于DSP的快 速算法具有重要意义。考虑 CDMA系统中 ,哈达马矩 阵起着重要作用 ,其列 (或行 )可构成沃尔什码 , 用作扩频码。而快速哈达马矩阵变换 (FHT)可用在 基于DSP的基站多用户解扩过程中 ,可以大大简化运 算量。几种可以借鉴的策略（6）n最大似然估计 (MLE)准则下并行捕捉方案在文献6提到的BLDS-SS QPSK信号模型中, 应用了最大似然估计准则下基于数据调制和非数据 调制两种并行捕捉方案。采用基于 DSP的全数字实 现方案，特别在非数据调制下 , 用 m序列或 GOLD 码作为扩频序列时 ,运用快速哈达马变换 (FHT)可 降低并行捕捉算法运算量 ,该文中讨论了 FHT的应 用与DSP的结合。参考文献1 郭黎利 卢盛杰 短波跳频通信系统的同步 黑龙江通信技术2 Viterbi AJ著 CDMA扩频通信原理 .李世鹤,鲍刚 ,彭容译北京 :人民邮电出版社 ,1995 3 Gaudenzim R D,Giannetti F,L uise M. Signal recognition and signature code acquisition in CDMA mobile packet communication . IEEE Trans. V. T,1998,47(1 ) :196 208 4 刘杰 ,续大我 ,费铸增等 快速哈达马变换在 SCDMA- FWA系 统中的应用 .北京 :北京邮电大学学报1998,21 (5) 5 李道本著 信号的统计检测与估计理论 .北京 :北京邮电大学出 版社 ，1996