第五章：扩频信号的解扩和解调

第五章：扩频信号的解扩和解调第五章：扩频信号的解扩和解调5.1 5.1 扩频信号的相关解扩扩频信号的相关解扩5.2 5.2 各类噪声对相关器输出的影响各类噪声对相关器输出的影响5.3 5.3 基带解调与载波同步基带解调与载波同步5.4 5.4 频率跳变信号的解跳与解调频率跳变信号的解跳与解调5.5 5.5 采用声表面滤波器件解调器采用声表面滤波器件解调器5.6 5.6 基带信号的同步基带信号的同步5.7 5.7 扩频接收机的接收灵敏度与自动扩频接收机的接收灵敏度与自动增益控制增益控制

扩频通信中一般接收机收到的信号扩频通信中一般接收机收到的信号都是非常微弱的，接收信号功率约为：都是非常微弱的，接收信号功率约为：)120~90(10~10 1512 dBmW

大气噪声的干扰功率约为：大气噪声的干扰功率约为： )100(10 13 dBm

所以一般扩频接收机要求在输入端信噪比所以一般扩频接收机要求在输入端信噪比在在 -30dB~0dB-30dB~0dB 的条件下进行信号处理。的条件下进行信号处理。设计号的扩频接收机可以在设计号的扩频接收机可以在 -50dB~-20dB-50dB~-20dB的恶劣条件下工作。的恶劣条件下工作。

5.1 5.1 扩频信号的相关解扩扩频信号的相关解扩5.1.1 5.1.1 相干解扩的基本概念相干解扩的基本概念相干信号：相干信号：是指信号的信号的某个特定标是指信号的信号的某个特定标记（通常指相位）在时间坐标上有确定记（通常指相位）在时间坐标上有确定的关系，具有这种性质的信号称为相干的关系，具有这种性质的信号称为相干信号。信号。互相关运算：互相关运算：

dttstr

tntstr

r )()(

)()()(

5.1.2 5.1.2 直接式相关解调器直接式相关解调器

优缺点：结构简单优缺点：结构简单缺 点：干扰信号有直通现象缺 点：干扰信号有直通现象

5.1.3 5.1.3 外插式相关器外插式相关器

5.2 5.2 各类噪声对相关器输出的影响各类噪声对相关器输出的影响5.2.1 5.2.1 码元同步偏移对相关器输出的影响码元同步偏移对相关器输出的影响码不同步会导致相关损失：码不同步会导致相关损失： 部分有用信号的功率转换成噪声功率。部分有用信号的功率转换成噪声功率。在理想情况下：在理想情况下：

1)ˆ()(0ˆ dddddd TTcTTcTT

干扰或噪声的分量有相当于不仅包含直流分量，也

)ˆ()(0ˆdddddd TTcTTcTT

假设 下面研究 假设 下面研究 的功率，利用分解法，的功率，利用分解法，将分为两部分：将分为两部分：

1||0||ˆ cdd TTT

)||()(),( cc TtctctP

),(),()||()(),( tqtpTtctctP cc

k

cTp kTRc

)(*)(|||)|21(),(||

kcT

kcTq

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NR

c

c

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||

k

cTpq kTNN

Rc

)(*)(||||),(||

),(),(),(),( pqqpP RRRRc

0

2

22

0

22

2

)())sin((

||1)(

))sin((||1

)(|)|11(),(

kk cc

c

kk c

c

c

P

NTkf

TfTf

NN

Tkf

TfTf

NN

fN

NfSc

)()(|)|11(),( 2 fNfN

NfScP

)2cos()()(1 tftAdtu IF

)2cos()(]||)1(1[)(2 tftAdN

Ntu IF

dBN

NLg |||)1(1|lg20

同步时相关器的输出：同步时相关器的输出：

不同步时相关器的输出：不同步时相关器的输出：

相关损失：相关损失：

5.2.2 5.2.2 载波抑制不足和码不平衡对相关器载波抑制不足和码不平衡对相关器输出的影响输出的影响

5.2.3 5.2.3 有干扰时相关器的输出有干扰时相关器的输出1. 1. 干扰信号对直接序列系统的影响干扰信号对直接序列系统的影响 窄带干扰：窄带干扰： 若输入干扰功率为：若输入干扰功率为： 输出功率为：输出功率为： 宽带干扰：宽带干扰： 若输入干扰功率为：若输入干扰功率为： 输出功率为：输出功率为：

1J

pGJ /2 1

2J

pGJ /2

JGBB

B

pnss

ss 2NJ

率：相关器输出干扰信号功

例子：例子： 一个功率为一个功率为 JJ ，带宽为，带宽为 2MHz2MHz 的干扰信号，的干扰信号，输入到一个处理增益为输入到一个处理增益为 33dB33dB ，本地参考信号，本地参考信号带宽为带宽为 20MHz20MHz 的直接序列扩频接收机时，相的直接序列扩频接收机时，相关器输出干扰信号功率为多少？关器输出干扰信号功率为多少？

110020002

22020 JJN J

若带宽为若带宽为 20MHz20MHz 时候，输出功率为多少？时候，输出功率为多少？

200020002

202020 JJN J

2. 2. 干扰信号对频率跳变信号的影响干扰信号对频率跳变信号的影响例子：例子： 假设一个频率为假设一个频率为 N=1000N=1000 个的频率跳变扩频系个的频率跳变扩频系统，有用信号平均功率为统，有用信号平均功率为 PP ，若要求接收机输，若要求接收机输出信噪比不小于出信噪比不小于 10dB10dB ，在干扰信号不存在的，在干扰信号不存在的情况下，由于系统噪声影像，接收机输出信噪情况下，由于系统噪声影像，接收机输出信噪比为比为 20dB20dB 。当进入接收机的干扰信号功率比。当进入接收机的干扰信号功率比有用信号功率大有用信号功率大 13dB13dB 时，输出信噪比为多少？时，输出信噪比为多少？窄带时：窄带时：

dBJN

PNS

PJPJPN

PNNP

outsysout

inin

J

syssys

132001.0

1)(

2013lg1013lg10lg10

10020)lg(10

宽带时：宽带时：

dBJN

PNS

JJ

outsysout

inout

2.1502.001.0

1)(

1000/

当干扰信号功率比有用信号功率大当干扰信号功率比有用信号功率大 23dB23dB 时候：时候：dB

JNP

NS

outsysout

23)(

窄带：窄带：

dBJN

PNS

outsysout

8.6)(

宽带：宽带：

5.3 5.3 基带解调与载波同步基带解调与载波同步5.3.1 5.3.1 锁相环解调器原理锁相环解调器原理

)2cos(2*)2cos()( 000 rtfBtftAd

etABd cos)(

5.3.2 5.3.2 平方环解调器平方环解调器

优点：优点： 载波抑制的信号经过平方后产生二倍载波抑制的信号经过平方后产生二倍频的载波，便于载波提取。性能与科斯频的载波，便于载波提取。性能与科斯塔斯环等效。塔斯环等效。缺点：缺点： 工作在二倍频频率上，工作频率比较工作在二倍频频率上，工作频率比较高，环路的稳定性比较差。高，环路的稳定性比较差。

5.3.3 5.3.3 科斯塔斯环解调器科斯塔斯环解调器 科斯塔斯科斯塔斯 (costas)(costas) 环是用来解调抑制载波环是用来解调抑制载波双边带调幅信号的。也是二相或四相相移键双边带调幅信号的。也是二相或四相相移键控信号解调的专用环路。又称“控信号解调的专用环路。又称“ I-Q”I-Q” 环环

工作原理：工作原理：

)]22cos()[cos(2AI(t) 00 re ftd

I

路键相器的输出：

)]22sin()[sin(2AQ(t) 00 re ftd

Q

路键相器的输出：

)2sin(8

)2sin()(8

)((t)Q2

22

eeAtdAtI

5.3.4 5.3.4 四相松尾环四相松尾环 从性能还是从实现的简单性，四相从性能还是从实现的简单性，四相基带数字处理载波恢复环都是一种最佳基带数字处理载波恢复环都是一种最佳选择。选择。

工作原理：工作原理：)(cos)()(sin)()()(sin)()(cos)()(

2

1

ttQttItyttQttIty

ee

ee

(t)y-(t)y(t)u(t)y(t)y(t)u

124

123

加法器输出：加法器输出：

0101

)(sgnx

xx判决器

不同符号同符号

和模

BABA

AB

,1,1

)sgn()B(sgn)A(sgn2

)}(4sgn{))()()()(sgn(

)()()()()(

4311

6521

ttututyty

tutututute

e

特点：特点：1.1. 电路结构简单易于集成化实现电路结构简单易于集成化实现2.2. 具有矩形形状的键相特性具有矩形形状的键相特性有关资料表明：有关资料表明： 载波载波 70MHz70MHz ，环路捕获达到加减，环路捕获达到加减 900900KHzKHz ，同步带宽为，同步带宽为 5MHz5MHz ，载波相位抖，载波相位抖动为动为 1 °~2°1 °~2°

5.3.5 5.3.5 载波抑制度不足载波同步的影响载波抑制度不足载波同步的影响当有载波进入平方环路时：当有载波进入平方环路时：

)24cos()(21)24cos()(

21

)()(21)]()([)(

)2cos()(

)2cos()()(

00210022

21

2122

21

221

0022

0011

tftdAAtfAA

tdAAAAtftftP

tfAtf

tftdAtfBPSK

残留载波：

信号部分：

5.4 5.4 频率跳变信号的解跳与解调频率跳变信号的解跳与解调5.4.1 5.4.1 模拟调制频率跳变信号的解跳与解调模拟调制频率跳变信号的解跳与解调

5.4.2 5.4.2 数字调制频率跳变信号的解跳数字调制频率跳变信号的解跳

5.4.4 5.4.4 采用声表面滤波器件解跳器采用声表面滤波器件解跳器声表面波器件（声表面波器件（ surface acoustic wavsurface acoustic wavee ）已经大量应用到雷达和通信领域。）已经大量应用到雷达和通信领域。可以做成：伪随机码发生器，相位编码 可以做成：伪随机码发生器，相位编码 器，声表面波卷积器，抽头延迟期等等 器，声表面波卷积器，抽头延迟期等等原理：原理：

幅频特性：幅频特性： sin(x)/xsin(x)/x 形式形式插入损耗：插入损耗： VHF~UHF 0.2~0.4dB/usVHF~UHF 0.2~0.4dB/us工作频率：几百兆，新技术有工作频率：几百兆，新技术有 2G~5G2G~5G

5.6 5.6 基带信号的同步基带信号的同步5.6.1 5.6.1 码字同步（帧同步或群同步）码字同步（帧同步或群同步）1.1.独立信道同步独立信道同步2.2. 插入特殊码字同步法插入特殊码字同步法

对特殊码字的要求： 独立性，长度短对特殊码字的要求： 独立性，长度短巴克码：短、非周期、优良自相关特性。巴克码：短、非周期、优良自相关特性。N=7N=7 的巴克码为的巴克码为 +1+1+1-1-1+1-1+1+1+1-1-1+1-1

3.3. 自同步：直接从信息数字序列中提取字自同步：直接从信息数字序列中提取字同步信息。同步信息。 扩频通信中扩频序列本身具有码同步扩频通信中扩频序列本身具有码同步特性。采用自同步可以接收功率。特性。采用自同步可以接收功率。

5.6.2 5.6.2 码元同步（位同步码元同步（位同步 // 时钟同步）时钟同步）

1.1. 从基带信号中产生码元同步信息从基带信号中产生码元同步信息2.2.包络检波法包络检波法3.3.延迟相干法延迟相干法

1.1. 从基带信号中产生码元同步信息从基带信号中产生码元同步信息

2.2.包络检波法包络检波法

2.2.延时相干法延时相干法

5.7 5.7 接收灵敏度与自动增益控制接收灵敏度与自动增益控制5.7.1 5.7.1 接收灵敏度接收灵敏度

)W()(min, 单位outi NSkTBFS

outi NSFBkTS )lg(10)lg(10)lg(10)lg(10min,

扩频系统的处理增益对接收灵敏度毫无贡献。扩频系统的处理增益对接收灵敏度毫无贡献。

例子：例子：接收接收灵敏度为接收接收灵敏度为 -115dBm-115dBm窄带时候：窄带时候： B=10kHz N=10lg(kTB)=-133dBmB=10kHz N=10lg(kTB)=-133dBm 要求输入最小信噪比要求输入最小信噪比 -155+133=18-155+133=18宽带时候：宽带时候： B=10MHz N=10lg(kTB)=-103dBB=10MHz N=10lg(kTB)=-103dBmm 要求输入最小信噪比要求输入最小信噪比 -155+103=-12-155+103=-12

5.7.2 5.7.2 动态范围与自动增益控制动态范围与自动增益控制动态范围：动态范围： 接收机正确处理接收端输入信号变化的范接收机正确处理接收端输入信号变化的范围，也就说输入信号在动态范围内变化时，接围，也就说输入信号在动态范围内变化时，接收机的性能指标不应下降。收机的性能指标不应下降。 采用自动增益控制的方法，可以保证在采用自动增益控制的方法，可以保证在动态范围内正常工作。动态范围内正常工作。

1min,11 )( PNSg i

112 )( PNSg i

i

i

i

i

SN

SN

SgSg

1

1min,

min,11

12

例子：例子： 某接收机动态范围为某接收机动态范围为 60dB60dB ，如果输入门限，如果输入门限信噪比为， 当输入信号的信噪比为， 当输入信号的功率最大时，输入信号功率比为多少？功率最大时，输入信号功率比为多少？dBNSi 2001.0/min,

min,6

min,

)101(

60)()(

ii

dBidBi

SS

dBSS

101)10/100(1

1001

1

1

6min,

min,11

12

i

i

i

i

SN

SN

SgSg

实际中使用的自动增益控制电路：实际中使用的自动增益控制电路：

221

min,21 ) PGNgSgP

i

222

22 ) PGNgSgP

i iP

iP

i

i

SGNSGN

SgSg

1

1min,

min,21

22

例子：例子： 某接收机处理增益为某接收机处理增益为 30dB30dB 动态范围为动态范围为 60d60dBB ，如果输入门限信噪比为 ，如果输入门限信噪比为 当输入信号的功率最大时，输入信号功率比 当输入信号的功率最大时，输入信号功率比为多少？为多少？

dBNSi 2001.0/min,

min,6

min,

)101(

60)()(

ii

dBidBi

SS

dBSS

1.11000/)10/100(1

1000/1001

1

1

6min,

min,21

22

iP

iP

i

i

SGNSGN

SgSg

作业：作业：5-1 5-6 5-13 5-15-1 5-6 5-13 5-166