直接序列扩频系统(3)

  5.3 直扩信号的发送与接收
  
  在图5-l中所示出的直扩系统发送接收系统的原理方框中,在发端输入
  信息要经过信息调制“扩频和射频调制”,在收端接收到的信号要经过变频、解扩和信息解调。与一般模拟或数字通信系统比较,信息识别与解调、射频的上变频和下变频,情况基本相同。
  直扩通信系统的主要特点在于直扩信号的产生,即扩频调制和直扩信号的接收,即相关解扩。
  5.3.1 扩频调制
  通过对扩频信号波形与频谱关系的分析和对PN码序列性能的了解,来说明获得扩频信号的调制方法就比较容易了。一般说来,都是用高码率的PN码脉冲序列去进行调制扩展信号的频谱的。
  通常采用的调制方式为BPSK,输入信号与PN 码在平衡调制器调制而输出展宽的扩频信号;图5-2中已经表示出直扩扩频调制的原理图。图中平衡调制器的输出信号的中心频率位置决定于输入的载波频率,在这里是载频抑制的。而两个边带则为展宽的频谱,它决定于调制PN码脉冲的宽度。PN码码率越高,或脉冲宽度越窄,扩展的频谱越宽。
  那么这一扩频调制的原理是如何具体实现的呢?
  图5-7(a)中为一常见的二极管平衡调制器。它的作用原理是:左端上面输入为正弦载波信号,下面输入的是PN码脉冲信号。4个二极管起作开关的作用。当脉冲信号为正D2、D3导通,此时输出变压器中载波信号电流是向上的。脉冲输入信号变负时,Dl,D4导通,此时输出变压器中载波电流是向下的。换句话说,随着脉冲信号极性的不同,输出载波信号的相位改变180°。因此,平衡调制器起到了二相相移键控(BPSK)调制器的作用。输出正弦波相位改变的情况如图5-7(b)中所示。
  
  平衡调制器的一个重要特性是输出的调制信号是载波抑制的。这对于扩频通信是很重要的。无载波发射,既可节省功率,又可使扩频信号更加隐蔽,不易被 发觉。平衡调制器对两个输入信号来说相当于乘法器。 如果载波信号用Acosvct表示,脉冲信号用m(t)表示,则输出信号为二者乘积:
  
  A[m(t)]cosvct
  
  如果m(t)取值为土l,则输出信号根据三角公式可分解为相位相差180°的两个分量之和如图5-7(c)所示,它相当于只有两个边频而无载波。但在直扩系统 中,调制脉冲不是周期性的规则脉冲,而是PN码脉冲序列。
   
  图5-7
  在图5-2中已示出周期性的脉冲序列的频谱,而是呈[(sinx/x)2型的分布。因此,实际PN码调制载波获得的功率谱边呈[(sinx/x)2型分布,如图5-8(a)所示,它好像是分布为 [(sinx)/x]2的噪声一样。图中这一波型是比较理想的平衡调制器的波型。实际的平衡调制器,有时不能做到真正平衡。因此,可能出现载波不能完全抑制,或调制的PN脉冲信号有泄漏,以及钟脉冲信号泄漏到输出端的情况。图5-8(b),(c),(d)分别示出这三种情况的输出波形。当然,它们都是我们所不希望的和应尽量想法避免的。
   
  图5-8
  
  
  
  
  除了BPSK调制获得扩频信号外,还可以采用QPSK及MSK调制来进行扩频调制。
  
  
  
  5.3.2 相关解扩
  
  前面说了直扩系统在发端用PN码进行调制以扩展信号频谱。那么在收端又如何解扩呢? 也就是如何从频谱已经扩展的信号中把要传的基带有用信息解调出来呢?
  
  
  一般采用相关检测或匹配滤波的方法来解扩。
  
  所谓相关检测,一个简单的譬喻就是用像片去对照找人。如果想在一群人中去寻找某个不相识的人,最简单有效的方法就是手里有一张某人的照片,然后用照片一个一个的对比,这样下去,自然能够找到某人。同理,当你想检测出所需要的有用信号,有效的方法是在本地产生一个相同的信号,然后用它与接收到的信号对比,求其相似性。换句话说,就是用本地产生的相同的信号与接收到的信号进行相关运算,其中相关函数最大的就最可能是所要的有用信号。
  
  
  图5-2中已表示出基本的解扩过程。也就是在收端产生与发端完全相同的PN码,对收到的扩频信号,在平衡调制器中再一次进行二相相移键控调制。在图5-1(b)中可以看出发端相移键控调制后的信号在收端又被恢复成原来的载波信号。当然一个必要的条件是本地的PN码信号的相位必须和收到的相移后的信号在相移点对准,才能正确地将相移后的信号再翻转过来。由此可见,收发两端信号的同步十分重要。下面我们将进一步较详细地加以讨论。
  另外从图5-2(b)中的频谱图上也可以看出,平衡调制器把收到的展宽的信号解扩成信息调制的载波。最后经带通滤波器输出。以上所述就是所谓的相关解扩过程。通常为了处理方便,大多在中频进行。也就是接收到的扩频信号,先在变频器中先变换到中频,再进入到平衡调制器中解扩。其后接中频带通滤波器输出。有时为了避免强干扰信号从平衡调制器的输入端绕过它而泄漏到输出端去,可以来用外差相关解扩,如图5-9所示。
   
  图5-9
  本地产生的PN码先与本地振荡器产生的与接收信号差一个中频信号的本地振荡信号在下面一个平衡调制器进行调制,产生本地参考信号。它是一个展宽了的信号。然后,此本地参考信号与接收的信号在上面一个平衡调制器调制成中频输出信号。这时平衡调制器实际上起的是混频器的作用。由于它的输入信号与输出信号不同,也就不会发生强干扰信号直接绕过去的泄漏了。并且后面还有一个中频带通滤波器,可以起到滤除干扰的作用。
  
  
  相关解扩过程对扩频通信至关重要。正是这一解扩过程大大提高了系统的抗扰能力。
  
  图5-10(a)示出一直扩接收机的简化框图。输入信号除直扩信号外,还有连续载波干扰和宽带信号干扰。图5-10(b)中示出三种信好的处理过程。由于解扩相关器对连续载波起作扩频的作用,把它变换成展宽的直扩信号。同理,对输入的不是相同PN码调制的宽带信号也进一步展宽2倍。这两种信号经窄带滤波器后,只剩下一小部分干扰信号能量。与解扩出的信息调制载波相比较,输出的信噪比大大提高了。由此可见,频带展得越宽,功率谱密度越低,经窄带滤波后残余的干扰信号能量就更小了。这里也可以看出,在接收端,窄带滤波器对提高抗干扰性起作很关键的作用,因而在实际应用中,对其性能指标的要求也就很严格。
   
  图5-10
  相关解扩在性能上固然很好,但总是需要在接收端产生本地PN码。这一点有时带来许多不方便。例如,解决本地信号与接收信号的同步问题就很麻烦,还不能做到实时把有用信号检测出来。因为匹配滤波和相关检测的作用在本质上是一样的,我们可以用匹配滤波器来解扩直扩信号。
  所谓匹配滤波器,就是与信号相匹配的滤波器,它能在多种信号或干扰中把与之匹配的信号检测出来。这同样是一种“用相片找人”的方法。对于视频矩形脉冲序列来说,无源匹配滤波器就是抽头延迟线上加上加法累加器。有时称为横向滤波器,其结构如图5-11(a)所示。
  
  图5-11
  但SAW匹配滤波器制作有一定难度。主要是插入损耗较大,且工艺要求很严,特别是在码位长时。一般情况,根据PN码序列结构做成固定的抽头,它就不能适应码序列需要改变的情况。如果在输出端加上控制电路,也可做成可编程的SAW匹配滤波器。这样应用起来就很方便,但制作起来就更困难了,要求有VLSI制作艺的精密度。
  5.3.3 射频系统
  上面详细讨论了扩频调制和相关解扩的问题。但是直扩系统总是离不开发射机把信号通过天线辐射出去,也离不开天从空间收到的信号经接收机再进行处理。射频系统就是指的发射机相接收机而言。现在的问题是常规的窄带通信系统的收发信机能不能用在直扩系统呢? 回答是否定的。不应忘记直扩信号是宽带信号。直扩系统就必须具有适应这种宽带PN码信号的特点。下面就是一些直扩射频系统的特点。
  直扩发射机常见时中频是70MHz,此时调制信号的带宽不超过20MHz。射频频率由中频变频得到,而不用倍频。因为倍频能使相位关系产生变化,会改变或甚至完全去掉DS调制。对于末级功率放大器,则要求其要有足够的带宽,以允许直扩信号可以顺利的通过。保持线性放大当然是希望的,但要求并不十分严格,因相位特性非线性不致引起大的问题。
  射频系统阻抗匹配很重要,特别要注意使电压驻波比达到一定的要求,因为在宽带运用时频率范围很广,驻波比会随频率而变,应使阻抗在宽度范围内尽量匹配。
  直扩接收机的问题要复杂一些,因为除有用宽带信号外,还存在其他干扰信号。直扩系统接收机的线性很重要,限幅会引起6dB信噪比的损失。从接收机前端到相关器要求保持线性,不仅在信号范围内,也包含干扰。自动增益控制只能部分地解决问题。通常应尽量把相关器靠近前端,使相关器前高电平级尽量的少,这样做的结果也降低了对本振信号电平的要求。另外,一般认为接收机前端最好能复盖整个宽频带,用改变本振频率经混频得到固定的中频信号。但由于干扰信好的存在,这会导致大量的干扰信号落入中频通带内,故一般最好不用宽带放大。一个理想的直扩接收系统应使有用信号得到放大,而干扰信号被滤除。故接收机前端应调谐在PN码钟率的两倍。当然,实际上有多种接收机的结构可供我们选择。