5.4 直扩系统的同步
5.4.1 同步原理
任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上
相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。
同步系统是扩频通信的关键技术。在上述几种同步中，信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载频同步来说，主要是针对相于解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用，例如用跟踪锁相环来实现载频同步。因此，这里我们只重点讨论PN码码元和序列的同步。
一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因素有以下一些：
收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差;
收发信机相对不稳定性引起的频差;
收发信机相对运动引起的多普勒频移；
以及多径传播也会影响中心频率的改变。
因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方法。
同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段：
(1) 接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。
(2) 一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。图5－13为同步系统搜捕和跟踪原理图。
图5－13
接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于采种原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。
因此，整个同步过程，是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程。
5.4.2 起始同步：搜捕
搜捕的作用就是在频率和时间(相位)不确定的范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号与其同步。由于解扩过程通常都在载波同步之前进行，载波相位在这里是未知的。
大多数搜捕方法都利用非相干检测。所有的搜捕方法的共同特点是用本地信号与收到的信号相乘(即相关运算)，获得二者相似性的量度，并与一门限值相比较，以判断其是否捕获到有用信号。如果确认为捕获到有用信号，则开始跟踪过程，使系统保持同步。否则又开始继续搜捕。
下面介绍三种常用的搜捕方法：
(1) 滑动相关搜捕法
当收到的PN码序列与本地PN码序列的钟频不同时，在示波器上可以看到两个序列在相位上相互滑动。这种滑动动过程就是两个码序列逐位进行相关检测的过程。总有一个时候，两个序列的相位会滑动到一致的时候。如果这时能使滑动停止，则完成了搜捕过程，可以转入跟踪过程，达到系统同步。图5－14(a)为滑动相关器的方框图。图5－14(b)为滑动相关器的流程图。
图5－14
接收到的信号与本地PN码相乘后再积分，即求出它们的互相关值，然后在门限检测器中某一门限值比较，以判断是否已捕获到有用信号。这里是利用PN码序列的相关特性，当两个相同的码序列相位上一致时，其相关值有最大的输出。一旦确认搜捕完成，则搜捕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码的重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。
由于滑动相关器对两个PN码序列是顺序比较相关的，所以这种方法又称为顺序搜索法。由于滑动相关器简单，应用很广。它的缺点在于当两端PN码钟频相差不多时，相对滑动速度很慢，导致搜索时间过长。现在常用的一些搜索方法大多在此法的基础上，采取一些措施来限定搜索范围或加快搜捕的时 间，从而改善其性能。
(2) 序贯估值搜捕法
为了解决长码搜捕时间过长的问题，一种快速搜捕的方法称为序贯估值器搜捕法，图5－15为其原理方框图。
图5－15
如何才能缩短本地PN码与外来PN码在相位取得一致所需的时间呢?
一个简单的办法是把收到PN码序列直接注入到本地码发生器的移位寄存器中，强迫改变各级寄存器的起始状态，使其产生的PN码刚好与外来码相位一致，则系统可以立即进入同步跟踪状态。图5－15中示出，从收到的码信号中，先把PN码检测出来，通过开关“1”进入到n 级PN码发生器的移位寄存器中。待整个码序列全部进入填满后，开关接通“2”。所产生的PN码与收到的码信号在相关器中进行相关运算，所得结果在比较器中与门限比较。如未超过门限，则继续上述过程。如超过门限，则停止搜索，系统转入跟踪状态。
在最理想的情况下，搜捕时间Ts ＝nTc, Tc为PN码片时间宽度。这个方法搜捕时间虽然很快，但问题之一是它的先决条件是对外来的PN码先要进行检测出后才能注入移位寄存器。做到这一点有时是困难的。问题之二是此法对噪声和干扰很脆弱，因是一个时片一个时片进行估值和判决的，并未利用PN码的抗干扰特性。但无论如何，在无敌对干扰的条件下，仍有良好的快速起始同步性能。
(3) 匹配滤波器搜捕法
因为匹配滤波器有识别码序列的功能，可以利用它进行快速捕获。图5-16示出几种匹配滤波器。
图5-16
每个延迟元件的延迟时问等于码的时钟周期。由于输出是多级输出的累加结果，如有n级，则处理增益为Gp ＝ 10log2n。
上述匹配滤波器可在中频或基带进行，即带通型匹配滤波器及低通型匹配滤波器。前者互可用无源的SAW器件，后者则可由数字集成电路，如移位寄存器构成。显然，PN码越长，级数越多，Gp越高。但其长度受工艺、功耗、材料等限制。匹配滤波器工作性能的好坏，决定元件延迟时间是否准确，能否与时钟 周期匹配。如有失配情况，则影响同步质量。
SAW卷积器是另一种匹配滤波器的类型。图5－17为其结构示意图。因它可以起到可编程匹配滤波器的作用，现已受到广泛的重视。
图5－17
我们知道，两个信号的频谱函数的相加，相当于两个信号时间函数的卷积。因此，可以利用卷积运算的器件来代替相关器或匹配滤波器进行信号的检测或搜捕。SAW卷积器也是在压电材料的衬底基片上印制出叉指换能器，两个输入和一个输出。一端输入收到的信号，另一端输入本地参考信号。因要进行卷积运算，参考信号应是输入信号在时间上的镜像。两个电输入信号引起压电材料的振动，以声波速率相对传播。当输入信号频率与基片振动频率共振时，可以在输出端获得最大的共振峰值。正如池塘里两个波源引起的水波的传播一样，在共振时可获得最大的波峰。SAW卷积器由于没有固定抽头的限制，可以任意改变本地参考信号的码型，起到可编程的作用，使用比较灵活。它的处理增益可达40dB，但其长度和动态范围受到一定的限制。可用AGC以限制输入信号的动态范思。另一个缺点是插入损耗较大，需要增加中频放大器方能把信号检出。
5.4.3 保持同步：跟踪
当捕获到有用信号后，即收发PN码相位差在半个时片以内时，同步系统转入保持同步阶段，有时也称为细同步或跟踪状态。也就是无论什么外界因素引起收发两端PN码的频率或相位偏移，同步系统总能使接收端PN码跟踪发端PN码的变化。显然，跟踪的作用和过程都是闭环运行的。当两端相位发生差别后，环路能根据误差大小进行自动调整以减小误差。因而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类。前者是在确知发端信号的载波频率和相位情况下工作的。后者则在不确知的情况下工作。大多数实际情况属于后者。常用的跟踪环路是延迟锁定环和 t—抖动环两种。它们都是属于提前一迟后类型的锁相环。锁相环的作用由收到的信号与本地产生的两个相位差(提前及延后)的信号进行相关运算完成。延迟锁定环是采用两个独立的相关器，而t—抖动环则采用分时的单个相关器。
图5－18(a)示出一种工作在中频的非相干DS扩频信号BPSK调制的延迟锁定环。它是由两个支路并连的相关器构成的锁相环路。输入PN码信号分别与本地产生的延迟相差1个比特的PN码进行相关运算。 这两个相互延迟1比特的PN码序列可由PN码发生器的相邻的两级移位寄存器分别引出。相关器由乘法器(即平衡调制器)、带通滤波器和平方律包络检波器组成。按照PN码相关特性。输入信号与本地PN码的相关特性应为三角波。但由于两个相关支路本地PN码相差1比特，两个三角波的峰值也相差一比特。两个三角波经相加器反相合成以后则成为一S形曲线。此即锁相环的鉴相特性。
图5－18(b)为这些曲线构成情况。S曲线表明，如果收到的信号与本地PN码相差有提前或延后，则加法器输出为正的或负的电压。此电压经环路滤波器后去控制本地压控振荡器VCO。它再去调整PN码钟发生器，使PN码发生器产生的PN码的频率与相位跟踪外来PN码信号的变化。这就是延迟锁定环的基本工作原理。
在正常情况，本地振荡器被锁定在S曲线的0点。两端有相差后再进行调整。此时本地PN码与
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