CDMA系统的PN码技术

 
武汉理工大学信息工程学院　　吴薇
　　1.CDMA系统中的PN码同步原理

　　发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的稳定性。但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。因此，在CDMA扩频通信中，同步系统必不可少。

　　PN码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。

　　CDMA系统中的PN码同步过程分为PN码捕获（精同步）和PN码跟踪（细同步）两部分。PN码捕获是精调本地PN码的频率和相位，使本地产生的PN码与接收到的PN码间定时误差小于1个码片间隔Tc，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估计问题的并行捕获方案。PN码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收PN码频率和相位精确同步。典型的PN码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及τ抖动环两种。

　　接收信号经宽带滤波器后，在乘地器中与本地PN码进行相关运算。捕获器件调整压控时钟源，用以调整PN码发生器产生的本地PN码序列的频率和相位，捕获有用信号。一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持精确同步。如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。

　　同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。

　　2.PN码序列捕获

　　PN码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频PN序列相位，使它与发送的扩频PN序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频PN序列相位，也称为扩频PN序列的初始同步。在CDMA系统接收端，一般解扩过程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大及载波解调后，分别送往2N扩频PN序列相关处理解扩器（N是扩频PN序列长）。2N个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器所用的扩频PN序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频PN序列相位，从而完成扩频PN序列捕获。

　　捕获的方法有多种，如滑动相干法、序贯估值法及匹配滤波器法等，滑动相关法是最常用的方法。

　　2.1　滑动相关法

　　接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此称之为滑动相关法。

　　接收信号与本地PN码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值比较，判断是否已捕获到有用信号。它利用了PN码序列的相关徨性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整PN码发生器产生的PN码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。

　　由于滑动相关器对两个PN码序列按顺序比较相关，所以该方法又称顺序搜索法。滑动相关器简单，应用簋广，缺点是当两个PN码的时间差或相位差过大时，相对滑动速度簋慢，导致搜索时间过长，特别是对长PN码的捕获时间过长，必须采取措施限定捕获范围，加快捕获时间，改善其性能。

　　使滑动相关器实用的有效方法之一是采用特殊码序列，特殊码序列要足够短，以便在合理时间内对所有码位进行搜索。至于短到什么程度，由满足相关性要求限定。这种加前置码的方法称同步引导法。引导码同步要求低、简单易实现，是适合各种应用的同步方法。

　　可捕码由若干较短码序列组合而成，其码序列应与各组成码序列保持一定的相关关系。这类码中最著名的是JPL码。

　　2.2　序贯估值法

　　序贯估值法是另一种减少长码捕获时间的快速捕获方法，它把收到的PN码序列直接输入本地码发生器的移位寄存器，强制改变各级寄存器的起始状态，使其产生的PN码与外来码相位一致，系统即可立即进行同步跟踪状态，缩短了本地PN码与外来PN码相位一致所需的时间。

　　该方法先检测收到码信号中的PN码，通过开关，送入n级PN码发生器的移位寄存器。待整个码序列全部进入填满后，在相关器中，将产生的PN码与收到的码信号进行相关运算，在比较器中将所得结果与门限进行比较。若未超过门限，则继续上述过程。若超过门限，则停止搜索，系统转入跟踪状态。理想情况下，捕获时间Ts=nTc，（Tc为PN码片时间宽度）。该方法捕获时间虽短，但存在一些问题，它先要对外来的PN码进行检测，才能送入移位寄存器，要做到这一点有时很困难。另外，此法抗干扰能力很差，因为逐一时片进行估值和判决，并未利用PN码的抗干扰特性。但在无干扰条件下，它仍有良好的快速初始同步性能。

　　2.3　匹配滤波器法

　　用于PN同步捕获的匹配滤波器一般采用延时线匹配滤波器，其目的是识别码序列，它能在特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。假设一个输入信号是7bit码序列1110010双相调制的信号，每当码有1-0过渡时，反相信号进入延时线，直到第1bit在T7，第2bit在T6。当全部时延元件都填满，而且信号调制码与滤波器时延元件相位一致时，T2的信号相位与T5、T6、T7的相位相同，时延元件T1、T3、T4也具有相同的信号相位。把｛T2、T5、T6、T7｝与｛T1、T3、T4｝两组分别相加，把｛T1、T3、T4｝之和倒相输出，再将这两个结果相加，包含在全部7个元件中的信号能量同相相加，整个输出是未处理的7倍。根据该能量关系可以识别码序列。

　　要增强产生的信号，可以靠附加更多的时延元件实现，在这种结构中得到的处理增益为Gp=10lgn（n是参加求和的时延元件数）。

　　在要求快速锁定及使用长码的CDMA扩频通信中，宜采用SAW-TDL-MF作同步器。对于待定信号，匹配滤波器具有时间自动能力，无需PN码时钟同步与RF载波相位锁定，既避免了数据信息比特以外的同步，又完成了扩频信号的相关处理。引导码进入程控编码SAW-TDL-MF后，其输出是噪声基底上的底尖相关峰。在扩频通信中，噪声功率控制接收机的AGC，因而信号功率（即相关峰值）在起伏的噪声环境中变化很大。门限计算器的功能根据包络检测输出，确定动态门限电平，提供给同步检测器，保证在低SNR时有可允许的同步误差。动态门限电平取在主峰高度与最大旁峰之间时，噪声引起的底同步误差最小。当SAW-TDL检波输出包络超过动态门限时，同步检测器为接收机宽带频率合成器提供一个逻辑电平同步信号。

　　3.PN码序列跟踪

　　当同步系统完成捕获过程后，同步系统转入跟踪状态。所谓跟踪，是使本地码的相位一直随接收到的伪随机码相位改变，与接收到的伪随机码保持较精确的同步。跟踪环路不断校正本地序列的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定，使同步误差尽可能小，正常接收扩频信号。跟踪是闭环运行的，当两端相位出现差别后，环路能根据误差大小自动调整，减小误差，因此同步系统多采用锁相技术。

　　跟踪环路可分为相干与非相干两种。前者在确知发端信号载波频率和相位的情况下工作，后者在不确知的情况下工作。实际上大多数应用属于后者。常用的跟踪环路有延迟锁定环及τ抖动环两种，延迟锁定环采用两个独立的相关器，τ抖动环采用分时的单个相关器。

　　3.1　延迟锁相环

　　当本地PN码产生器第（n－2）和第n级移位寄存器输出PN码相位超前于接收到的伪随机码相位时（即两码的相对时差0<τ
　　3.2　τ抖动跟踪环

　　抖动环是跟踪环的另一种形式，与延时锁定环相同，接收信号与本地产生PN序列的超前滞后形式相关，误差信号由单个相关器以交替的形式相关后得到。PN码序列产生器由一个信号驱动，时钟信号的相位二元信号的变化来回“摆动”，去除了必须保证两个通道传递函数相同的要求，因此抖动环路实现简单。与延时锁定环相比，信噪比性能恶化大约3dB。

　　延迟锁定环及τ抖动环不仅能起跟踪作用，如果采用滑动相关概念，使本地VCO开始时就与接收信号有一定频差，也能起到捕获作用。此外，另加一相关器，还可以起到解码作用。

　　上述两种跟踪环路的主要跟踪对象是单径信号，但在移动信道中，由于受到多径衰落及多普勒频移等多种复杂因素影响，不能得到令人满意的跟踪性能，所以CDMA扩频通信系统应采用适合多径衰落信道的跟踪环。基于能量窗重心的定时跟踪环就是其中之一。

　　CDMA数字蜂窝移动系统采用扩频技术，其扩频带宽使系统具有较强的多径分辨能力。接收机不断搜索可分辨多径信号分量，选出其中能量最强的J个多径分量作为能量窗，利用基于能量窗重心的定时跟踪算法，观察相邻两次工作窗内多径能量分布变化，计算跟踪误差函数，根据能量重心变化，调整本地PN码时钟，控制PN码滑动，达到跟踪目的。采用该跟踪环的目的是使用于RAKE接收的工作窗内多径能量之和最大，接收机性能更好。仿真结果表明，与DLL跟踪单径相比，采用基于能量窗重心的定时跟踪法跟踪有效多径成分具有更好的性能。