直扩接收机同步跟踪环路的研究与改进
2008-06-23
作者：车仁信， 王 婧
摘 要： 针对直扩接收机" title="直扩接收机">直扩接收机同步跟踪环节的干扰问题，对其同步跟踪锁相环路进行了研究。以“全时间超前―滞后非相干跟踪环路”为研究平台，分析其性能，提出一种辅助电路" title="辅助电路">辅助电路，并对其进行了理论论证和仿真分析。结果表明，改进后的电路可有效地克服直扩接收机中开关函数波形前后沿不陡峭而引起的瞬变" title="瞬变">瞬变干扰。为工程中直扩接收机的性能改进提供了参考。
关键词： 直扩接收机 同步跟踪 瞬变干扰
直接序列扩频" title="扩频">扩频接收机解扩系统的作用是使收、发两端扩频码精确同步。同步需要两个阶段完成：同步捕获与同步跟踪。同步捕获要求接收机本地PN码与接收到的信号的PN码相位差缩小到一个码片或更小的范围内；同步跟踪要求接收机本地PN码相位一直跟随接收到的PN码的相位变化。同步跟踪系统的主体是具有自动相位调节功能的锁相环路。用于直接扩频系统的典型跟踪环路有基带相关同步跟踪环路[1]，它将接收的扩频信号经射频滤波放大，送给载频解调器获得扩频序列的基带信号。该信号分两路作有
Tc(伪码宽度)的解扩，再经低通滤波后相减，输出误差信号；该信号经环路滤波控制时钟的压控振荡器，从而调整本地扩频序列的相位与发送来的扩频序列相位完全一致。参考文献[2]叙述的全时间超前-滞后非相干跟踪环路的特点是解扩不要求先产生相干载波，在它的鉴别器中用的是能量检测器，这种电路对数据调制和载波相位都不敏感。基带相关同步跟踪环路用于实际扩频系统中会遇到两个问题。首先输入信号必须在码跟踪之前被解调，通常扩频系统工作在非常低的信噪比环境中，不易实现这样的解调系统;再者，解调是相干的，解调之前所用相干载波并非先验信息，在信噪比较低的情况下这又是一个难点。所以广泛用于直接序列同步跟踪系统的是后一种类型。
本文以全时间超前―滞后非相干跟踪环路为研究平台，分析其性能。针对其瞬变干扰问题，在实际直扩接收机电路的基础上，增加辅助电路，并对其进行理论论证和仿真分析。
1 环路构成及特性分析
全时间超前―滞后非相干码跟踪环原理框图如图1所示，设输入信号y(t)为：
式(2)中d(t)为滤波后的数据波型，RPN
和RPN分别为超前滞后PN码与PN(t-τ)的互相关波形，nL(t)与nE(t)分别为两路输出的噪声项。忽略滤波器对PN码波形的影响，由(2)式可得间隔为半个码元的鉴相曲线如图2所示，该曲线的线性部分，具有很好的鉴相特性。可见，图1所示系统可实现PN码的跟踪。但在分析推算过程中包含一个重要假设，即含有相关器、滤波器、平方器的两条路径增益必须一致，否则，将失去平衡，将会有偏移电压叠加到误差电压中，给同步跟踪性能带来严重影响，而绝对平衡又是不容易实现的，对此，又出现了非相干时分码跟踪环[3]，又叫抖动跟踪环[4]，该电路的特点是只用一个相关器的路径，用时分方式获得本地超前或滞后的ＰＮ码序列。对于该电路的原理，Stone、Huang、Hartmann[3]等人均作过详细分析，所得结论与全时间超前-滞后非相干码跟踪环基本一致。但是，它的优点是牺牲了跟踪回路噪声性能换来的，这是因为解扩信号按时分各取一半，相关功率损失3dB，使其信噪比下降。
Hopkins[5]提出了一种跟踪环路，称为双抖动同步跟踪环路。分析可得，该跟踪回路既能解决全时间跟踪回路的两路增量不平衡问题，又能解决非相干时分码跟踪环噪声性能变坏的问题。该系统的鉴别器结构是利用开关函数使前、后相关通道轮流交换，使得经差分后的输出信号中由两个通道增量不平衡造成的影响相互抵消，同时，不损失通道的信噪比。但是该电路应用开关函数，由于带宽的限制，所产生信号波形的前后沿不陡峭，这将引起瞬变干扰，这种干扰等效于一种特殊的干扰噪声，严重时会改变压控震荡器的工作状态，造成同步紊乱。
2 带有辅助电路的双抖动同步跟踪环路
前述双抖动同步跟踪环路所用开关信号q(t)一般由门电路产生。如前所述，由于系统的频率性能所限，使得所产生脉冲信号的上升沿及下降沿出现指数特性，这将引起瞬变干扰。对此，本文提出一种辅助电路，对脉冲波形进行加工，使其前后沿变陡，配合所设计的开关电路，可有效地克服双抖动同步跟踪环路电路中的瞬变干扰。仿真结果表明了该模式的良好性能。
2.1 电路构成及工作原理
双抖动同步跟踪环路中带有辅助电路的开关电路如图3所示。脉冲产生电路产生开关信号q′(t)，波形的起始部分可表示为指数函数，归一化后可表示为：
可见，突变沿不陡峭的影响基本消除，微分电路" title="微分电路">微分电路的输出可有陡峭的突变沿，作为开关信号可消除瞬变干扰。
对于模拟开关部分，当微分电路输出+1时，前扩码与乘法器3相连，后扩码与图3中乘法器4相连；当输出为0时，前扩码与乘法器2相连，后扩码与乘法器1相连。微分电路输出1、0交替信号，延时半个周期后变成0、1交替信号。在某一时刻当微分电路输出信号值显示为1时，延时电路的信号即为0。这里前扩码用PN1(t)表示，后扩码用表示PN2(t)。当微分电路输出1时，在左半电路中，有：
即前扩码由左路输出(输出端1)，后扩码由右路输出(输出端2)；当微分电路输出0时，同样的分析思路可知，前扩码由右路输出(输出2)，后扩码由左路输出(输出1)，完好地实现了开关转换功能。
2.2 仿真研究
在动态电路仿真软件SystemView仿真平台下，对于图3所示电路，建立仿真电路模型，运行仿真程序，得如图4所示的仿真图形。可见，q(t)波形完全克服了q′(t)的过渡沿，并且，加辅助电路后，消除了由于脉冲跳变的过渡过程而带来的瞬变干扰。
扩频通信由于具有抗干扰性强、安全可靠、功率密度低等诸多优点，与光纤通信、卫星通信一起被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输形式。而扩频接收机的性能直接关系着扩频技术的实际应用。扩频信号的捕获与跟踪是扩频接收机的关键环节，为此，人们进行了大量的研究。参考文献[6]介绍通过相位转换开关改善系统性能，但不能克服瞬变干扰；参考文献[7]通过混合系统来改善脉冲波形，并通过了仿真验证，但系统的复杂度大为增加。本文所提出的方案在原有实际系统的基础上增加两个实用单元，为实际工程中直扩接收机性能的改进提供了参考。
参考文献
1 朱近康. CDMA通信技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2001
2 沈允春.扩谱技术[M].北京：国防工业出版社，1995
3 Holmes J K著，梁振兴，蔡开基译.相干扩展频谱系统[M]. 北京：国防工业出版社，1991
4 郑继禹，林基明.同步理论与技术[M].北京：电子工业出版社，2003
5 Hopkins P M. Double dither loop for pseudonoise code track-ing.IEEE Trans Aerosp Electron Syst，1977; (11)
6 Chan，S.K.S，Leung， V.C.M.Communications, computers and signal processing[C]，1997. 10 Years PACRIM1987-1997-Networking the Pacific Rim.1997 IEEE pacific rim conference on.1997;632～635
7 Krinsky D M，Haddad A H. An adaptive direct-sequence spread-spectrum receiver for burst type interference[J]. IEEE journal on selected areas in communications，1995;(13)59～70