直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（DSCDMA）畢業(yè)論文

1、直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（ds-cdmads-cdma） 【摘要摘要】直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（ds-cdma）因其抗干擾性強(qiáng)、 隱蔽性好、 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址（cdma）、抗多徑干擾、直擴(kuò)通信速率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，而被 廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中。針對(duì)頻通信廣泛的應(yīng)用，本文用 matlab 工具箱中的 simulink 通信仿真模塊和 matlab 函數(shù)對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析和 仿真，使其更加形象和具體。 目目 錄錄 【摘要】.i 【abstract】.ii 1.引言.1 1.1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用背景 .1 1.2 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的特點(diǎn) .2 1.3 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展 .3 2cd

2、ma 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的介紹 .4 2.1 cdma 簡(jiǎn)介.4 2.1.1 cdma 技術(shù)背景.4 2.1.2 幾種常見的 cdma 技術(shù) .4 2.1.3 cdma 的特點(diǎn).4 2.2 cdma 通信技術(shù)的基本原理.5 2.2.1 cdma 通信技術(shù)的基礎(chǔ).5 2.2.2 cdma 通信技術(shù)的基本原理.6 2.3 cdma 的應(yīng)用前景.6 3. 擴(kuò)頻碼序列.7 3.1 碼序列的相關(guān)性 .7 3.2 m序列 .9 3.3 goid 碼序列.11 4直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù).14 4.1 直接序列擴(kuò)頻的概念及理論基礎(chǔ) .14 4.1.1 直接序列擴(kuò)頻的概念 .14 4.1.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) .

3、14 4.1.3 擴(kuò)頻增益和抗干擾容限.15 4.2 直接序列擴(kuò)頻的基本原理 .15 4.3 直擴(kuò)系統(tǒng)的性能 .18 4.3.1 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性 .18 4.3.2 直擴(kuò)信號(hào)的抗截獲性 .19 4.3.3 直擴(kuò)碼分多址通信系統(tǒng) .19 4.3.4 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 .20 4.3.5 直擴(kuò)測(cè)距定時(shí)系統(tǒng) .20 4.4 擴(kuò)頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 .20 5. 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的 matlab 仿真.22 5.1 matlab 的基本操作.22 5.2 simulink 仿真技術(shù).23 5.2.1 simulink 窗口環(huán)境.23 5.2.2 功能模塊的連接及設(shè)置 .24 5.2

4、.3 simulink 對(duì)通信系統(tǒng)的仿真.27 5.3 matlab 源程序設(shè)計(jì).32 【參考文獻(xiàn)】.40 【致 謝】.41 【附錄】.42 英文文獻(xiàn) .42 中文文獻(xiàn) .46 1.1. 引言引言 11 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用背景: 直接序列擴(kuò)頻(dsss direct sequence spread spectrum)技術(shù)是當(dāng)今人們所熟知的擴(kuò)頻技 術(shù)之一。這種技術(shù)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼（pn 碼）擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在 接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)碼對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送 的信息。 它是二戰(zhàn)期間開發(fā)的，最初的用途是為軍事通信提供安全保障, 是美軍重要的無線保

5、密 通信技術(shù)。這種技術(shù)使敵人很難探測(cè)到信號(hào)。即便探測(cè)到信號(hào)，如果不知道正確的編碼，也 不可能將噪聲信號(hào)重新匯編成原始的信號(hào)。有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn)是在 1941 年由好萊塢 女演員 hedy lamarr 和鋼琴家 george antheil 提出的?；趯?duì)魚雷控制的安全無線通信的 思路，他們申請(qǐng)了美國(guó)專利#2.292.387。不幸的是，當(dāng)時(shí)該技術(shù)并沒有引起美國(guó)軍方的重視， 直到十九世紀(jì)八十年代才引起關(guān)注，將它用于敵對(duì)環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。 直序擴(kuò)頻解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)、如：衛(wèi)星定位系統(tǒng)(gps)、3g 移動(dòng)通信系統(tǒng)、 wlan (ieee802.11a, ieee802.11b, ie

6、e802.11g)和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問題。擴(kuò)頻技術(shù) 也為提高無線電頻率的利用率(無線電頻譜是有限的因此也是一種昂貴的資源)提供幫助。 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理如圖1-1所示。 在發(fā)端輸入的數(shù)字信號(hào)信息，先由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展 寬信號(hào)的頻譜，擴(kuò)頻碼序列一般采用 pn 碼。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。調(diào)制多 采用 bpsk、dpsk、mpsk 等調(diào)制方式。 在接收端收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)（一般采用相干解調(diào)）。然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的 擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。恢復(fù)成原輸入的信息輸出。 信息 信息 擴(kuò) 頻射頻調(diào)制 射頻發(fā)生器偽 碼 擴(kuò)頻解調(diào) 本地偽碼 解調(diào) 本地射

7、頻 發(fā)生器 圖 1-1 擴(kuò)頻通信工作原理 由此可見，般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行兩次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制， 二次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的解擴(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 12 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的特點(diǎn): 1.直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 1）抗干擾性強(qiáng) 抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一，比如信號(hào)擴(kuò)頻寬度為 100 倍，窄帶干擾基本上不起作 用，而寬帶干擾的強(qiáng)度降低了 100 倍，如要保持原干擾強(qiáng)度，則需加大 100 倍總功率，這實(shí) 質(zhì)上是難以實(shí)現(xiàn)的。因信號(hào)接收需要擴(kuò)頻編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理才能得到，所以即使以同類 型信號(hào)進(jìn)行干擾，在不知道信號(hào)的擴(kuò)頻碼的情

8、況下，由于不同擴(kuò)頻編碼之間的不同的相關(guān)性， 干擾也不起作用。正因?yàn)閿U(kuò)頻技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，美國(guó)軍方在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等處廣泛采用擴(kuò)頻技術(shù) 的無線網(wǎng)橋來連接分布在不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 2）隱蔽性好 因?yàn)樾盘?hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率很小，即信號(hào)功率譜密度很低，信 號(hào)淹沒在白噪聲之中，別人難以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，加之不知擴(kuò)頻編碼，很難拾取有用信號(hào)， 而極低的功率譜密度，也很少對(duì)于其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 3）易于實(shí)現(xiàn)碼分多址（cdma） 直擴(kuò)通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費(fèi)了頻段？其實(shí)正相反， 擴(kuò)頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于直擴(kuò)通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào) 接收需

9、要用相同的擴(kuò)頻編碼作相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。 充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū) 別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶，只要配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使 用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴(kuò) 頻編碼，分別向不同的接收者發(fā)送數(shù)據(jù)； 同樣，接收者用不同的擴(kuò)頻編碼，就可以收到不 同的發(fā)送者送來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信，提高了頻譜利用率。另外，擴(kuò)頻碼分多址還易于 解決隨時(shí)增加新用戶的問題。 4）抗多徑干擾 無線通信中抗多徑（發(fā)射的信號(hào)經(jīng)多條不同路徑傳播）干擾一直是難以解決的問

10、題，利 用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用 信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干 擾。 5）直擴(kuò)通信速率高 直擴(kuò)通信速率可達(dá) 2m，8m，11m，無須申請(qǐng)頻率資源，建網(wǎng)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)性能好。 6）有很強(qiáng)的保密性能。 對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，射頻帶寬很寬，譜密度很低，甚至淹沒在噪音中，就很難檢查到信 號(hào)的存在。由于直擴(kuò)信號(hào)的頻譜密度很低，直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)其它系統(tǒng)的影響就很小。 2.直擴(kuò)通信系統(tǒng)的不足： 直擴(kuò)系統(tǒng)除了一般通信系統(tǒng)所要求的同步以外，還必須完成偽隨機(jī)碼的同步，以便接受 機(jī)用此同步后的偽隨機(jī)碼去對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解

11、擴(kuò)。直擴(kuò)系統(tǒng)隨著偽隨機(jī)碼字的加長(zhǎng)，要 求的同步精度也就高，因而同步時(shí)間就長(zhǎng)。 1.3 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展 由于它的抗噪聲的特性，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)非常適合商業(yè)應(yīng)用。在容許無線設(shè)備公開使 用的電磁環(huán)境里，它對(duì)其他傳統(tǒng)微波設(shè)備造成最小的干擾，同時(shí)對(duì)附近其他設(shè)備有更高的抗 擾性。上世紀(jì) 80 年代末，晶體電子技術(shù)的先進(jìn)程度已經(jīng)足以提供商用的、成本效益好的直 接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)?，F(xiàn)在直擴(kuò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)等許多領(lǐng)域。擴(kuò)頻技術(shù)在發(fā) 展的初始階段，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論和技術(shù)上的重大突破，在此后的發(fā)展過程中主要是硬件的 改善和性能的提高。 隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，目前 3g 系統(tǒng)由研制開發(fā)逐步進(jìn)入商用并且向

12、第四代無線多 媒體通信飛速發(fā)展。根據(jù) itu 的標(biāo)準(zhǔn)，世界各大電信公司聯(lián)盟均提出了自己的第三代移動(dòng) 通信系統(tǒng)方案，雖然第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差異很大，但采用碼分多址技術(shù)已經(jīng)達(dá)成共 識(shí)。直擴(kuò)碼分多址，由于具備通信容量大、能充分利用話音的統(tǒng)計(jì)特性、平滑的越區(qū)切換、 通信容量的軟特性等優(yōu)點(diǎn)被作為未來移動(dòng)通信中最具競(jìng)爭(zhēng)力、最有前景的無線多址接入技術(shù)。 無線擴(kuò)頻通信作為另一種有效的補(bǔ)充通信手段,已在金融系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 發(fā)展到現(xiàn)在，擴(kuò)頻技術(shù)理論和技術(shù)都已趨于完善，主要應(yīng)從系統(tǒng)的角度考慮總體性能， 且與其它新技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。因此，應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)一直是擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，未來的無線 通信系統(tǒng)，如

13、移動(dòng)通信、無線局域網(wǎng)、全球個(gè)人通信等，擴(kuò)頻技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。 隨著科技的發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)必將獲得更加廣闊的應(yīng)用空間。 2 2cdmacdma 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的介紹數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的介紹 21 cdma 簡(jiǎn)介 2.1.1cdma 技術(shù)背景 cdma 的英文全稱為（code division multiple access），中文意思是碼分多址。它是基 于 is-95 標(biāo)準(zhǔn)（雙模寬帶擴(kuò)譜蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)基站兼容標(biāo)準(zhǔn)）的數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)。 cdma 是根據(jù)現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、國(guó)際漫游等 要求而設(shè)計(jì)的一種移動(dòng)通訊技術(shù)。它是 20 世紀(jì) 60 年代由美國(guó)高通公司（

14、qualcomm）開 發(fā)的移動(dòng)通信技術(shù)，最早用于軍事領(lǐng)域。與使用時(shí)分多路的 gsm 技術(shù)不同，cdma 并不給 每一個(gè)通話者分配一個(gè)確定的頻率，而是讓每一個(gè)通信都使用全部的頻率，使大量用戶能夠 共享同一個(gè)無線頻率。 cdma 系統(tǒng)是以擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和碼分 多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信 系統(tǒng)。它為每個(gè)用戶分配各自特定的地址 碼，利用公共信道來傳輸信息。它的地址 碼通過相互間的正交性進(jìn)行區(qū)別。也就是 說，每個(gè)用戶有自己的地址碼，地址碼彼 此之間是互相獨(dú)立、互相不影響的。由于 有不同的地址碼來區(qū)分用戶，所以對(duì)頻率、 時(shí)間和空間沒有特定的限制，在這些方面 通信是可以重疊的。cdma 的示意圖如

15、2-1 所示，用戶信號(hào)是用 ci 來區(qū)分的。 2.1.2幾種常見的 cdma 技術(shù)。 1. ncdma：窄帶碼分多址系統(tǒng)，在美國(guó)又稱為 is95。由高通公司創(chuàng)立，具有大容 量、小蜂窩半徑、運(yùn)用寬波技術(shù)和特殊密碼主題的特點(diǎn)，1993 年被電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)采用。 2. bcdma：寬帶碼分多址系統(tǒng)，包括 wcdma、cdma2000 和 tdscdma， 它們分別是歐洲、美國(guó)（高通）和中國(guó)（大唐電信與西門子合作）所提出并開發(fā)的第三代移 動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。 3. cdmaone：流行于日本的一個(gè)品牌，是應(yīng)用 is95 cdma 技術(shù)的數(shù)字蜂窩通信系 統(tǒng)。 4. cdmapcs： cdma 個(gè)人通訊服務(wù)系統(tǒng)。與

16、運(yùn)行在 800mhz 的 cdma 進(jìn)行比較， 具有系統(tǒng)容量大、收費(fèi)低，適用于人口稠密地區(qū)等特點(diǎn)。 2.1.3 cdma 的特點(diǎn)： 1.系統(tǒng)容量大：理論上，cdma 移動(dòng)網(wǎng)的容量比模擬網(wǎng)大 20 倍。實(shí)際要比模擬網(wǎng)大 10 倍，比 gsm 要大 4-5 倍。 f ci 碼 t 圖 2-1 cdma 的示意圖 2. 系統(tǒng)容量配置靈活：這是由 cdma 的原理決定的。cdma 是一個(gè)自擾系統(tǒng)， 所 有移動(dòng)用戶都占用同一個(gè)帶寬和頻率，傳輸信號(hào)之間就會(huì)有干擾。這就好像系統(tǒng)的帶寬是一 間大房子，所有的人都將進(jìn)入這個(gè)大房子。如果他們使用不同的語言, 他們就可以清楚地聽 到同伴的聲音，而其他人的談話在他們聽

17、來只是干擾。我們可以不斷地增加用戶直到整個(gè)背 景噪音限制住我們的通話。如果能控制住用戶的信號(hào)強(qiáng)度, 在保持通話的質(zhì)量同時(shí)，我們就 可以容納更多的用戶。 3.cdma 系統(tǒng)的軟切換和自動(dòng)跟蹤多徑信號(hào)技術(shù)，降低切換時(shí)通話中斷的可能性，這 便于用戶在移動(dòng)中進(jìn)行通話和數(shù)據(jù)傳輸。 4.頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單：用戶按不同的序列碼區(qū)分，所以不相同 cdma 載波可在相鄰的小區(qū) 內(nèi)使用，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃靈活，擴(kuò)展簡(jiǎn)單。 5.話音質(zhì)量好：cdma 系統(tǒng)話音質(zhì)量很高，其通話質(zhì)量已經(jīng)接近了固定電話的效果。 6.接通率高：cdma 的擴(kuò)頻技術(shù)和頻率復(fù)用技術(shù)，充分利用信道容量，提高了網(wǎng)絡(luò)接 通率。 7.保密性好：cdma 系統(tǒng)中的通話保

18、護(hù)措施可提供最佳的保密特性，防止通信過程中 被竊聽和手機(jī)密碼被盜。 8.發(fā)射功耗小：cdma 系統(tǒng)的發(fā)射功率非常小，最大只有 200 毫瓦，正常通話時(shí)僅需 0.毫瓦，因此移動(dòng)電話功耗小，無線輻射能量低。所以又被稱為“綠色手機(jī)”。 9.支持多種業(yè)務(wù)：cdma 采用寬帶技術(shù)，支持短消息、語音信箱、自動(dòng)漫游、呼叫轉(zhuǎn) 移、呼叫等待、三方會(huì)談、主叫號(hào)碼顯示、傳真和數(shù)據(jù)通信等多項(xiàng)業(yè)務(wù) 2.2 cdma 通信技術(shù)的基本原理 2.2.1 cdma 通信技術(shù)的基礎(chǔ) cdma 系統(tǒng)是以擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和碼分多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。 目前擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為： 1. 直接序列（ds）擴(kuò)頻 所謂直接序列擴(kuò)

19、頻（ds：ddirect sequence） ，就是使用具有高碼率的擴(kuò)頻序列，在發(fā) 射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成 原來的信號(hào)。 2. 跳頻（fh）擴(kuò)頻 跳頻（fh：frequence hopping） ，它是用一定的碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。 也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。 3. 跳時(shí)（th） 跳時(shí)（th：time hopping）是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。我們先把時(shí)間軸分成許多 時(shí)片，在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。即：用一定的碼序列進(jìn)行選擇 的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。 4. 線性調(diào)頻（c

20、hirp） 如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)脈沖在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的的頻率做線性變化，則稱為線性 調(diào)頻。因?yàn)槠漕l率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號(hào)的頻帶也被展寬了。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用 在雷達(dá)中，在通信中也有應(yīng)用。 2.2.2 cdma 通信技術(shù)的基本原理 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) cdma 通信系統(tǒng)的組成如圖 2-2 所示 發(fā)送端將話音數(shù)據(jù)通過通過偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)頻，然后再進(jìn)行高頻調(diào)制，送到天線發(fā)射 出去。接收端經(jīng)過解調(diào)、解擴(kuò)恢復(fù)出話音數(shù)據(jù)。 在發(fā)送端將待傳的的話音，通過 a/d 轉(zhuǎn)換，將模擬話音成二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，通過高速 率的偽隨機(jī)擴(kuò)頻調(diào)制，從原理上講，兩者相乘，擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶，因而在在信道中傳 輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

21、原始信號(hào)本身帶寬。在接收端，接收機(jī)不但接收到有用的信號(hào)，同時(shí) 還接收到各種干擾和噪聲。利用本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)的解擴(kuò)。本地偽隨機(jī)碼與擴(kuò) 頻信號(hào)中中的偽隨機(jī)碼一致，因此可以還原成原始窄帶信號(hào)，能順利通過窄帶濾波器，恢復(fù) 話音數(shù)據(jù)，再通過 d/a 轉(zhuǎn)換器恢復(fù)原始話音。接收機(jī)接收到的干擾和噪聲，由于與本地偽 隨機(jī)序列不相關(guān)，經(jīng)過接收解擴(kuò)（實(shí)質(zhì)是相乘過程） ，將干擾和噪聲頻譜大大的擴(kuò)展，頻譜 功率密度大大的下降（類似于發(fā)送端將信號(hào)頻譜擴(kuò)展） ，落入窄帶濾波器的干擾和噪聲分量 大大下降，因此在窄帶濾波器輸出端的信噪比得到了極大的改善，其改善程度就是擴(kuò)頻的處 理增益。 2.3 cdma 的應(yīng)用前景

22、的應(yīng)用前景 cdma 以其本身所具有的特點(diǎn)及優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)通信和個(gè)人通信系統(tǒng)中。 近年來,小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信和個(gè)人通信提供了條件, cdma 引入衛(wèi)星 移動(dòng)通信中,使衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)生質(zhì)的飛躍,并在全球移動(dòng)通信和個(gè)人通信中占有決定性 的地位。 在向第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)中，靠目前的 gsm 和模擬系統(tǒng)已遠(yuǎn)不能滿足要求， 第三代 cdma2000 的開發(fā)策略是對(duì)以 is-95 標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本的 cdma 系統(tǒng)的平滑升級(jí)， cdma2000 1x 在商用化進(jìn)程方面處于領(lǐng)先階段，cdma2000 1x 技術(shù)使得運(yùn)營(yíng)商可以靈活 地引入多種先進(jìn)數(shù)據(jù)服務(wù)來滿足逐漸增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，而

23、且運(yùn)營(yíng)商可以在當(dāng)前的 1.25mhz 頻帶內(nèi)就享用 3g 的能力。因此采用目前技術(shù)成熟、性能優(yōu)越的 cdma 系統(tǒng)使得 通信標(biāo)準(zhǔn)，易于向第三代系統(tǒng)過渡。 話音數(shù)據(jù) 話音數(shù)據(jù) pn 碼載頻 本地載波本地 pn 碼 圖 2-2 cdma 通信系統(tǒng) 3 擴(kuò)頻碼序列 3.1 碼序列的相關(guān)性 在擴(kuò)展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列。這是指擴(kuò)頻碼序列的波形而言。并未涉 及碼的結(jié)構(gòu)和如何產(chǎn)生等問題。 那么究竟選用什么樣的碼序列作為擴(kuò)頻碼序列呢? 它應(yīng)該具備哪些基本性能呢? 現(xiàn)在實(shí) 際上用得最多的是偽隨機(jī)碼，或稱為偽噪聲(pn)碼。這類碼序列最重要的特性是具有近似于 隨機(jī)信號(hào)的性能。因?yàn)樵肼暰哂型耆碾S機(jī)性

24、，也可以說具有近似于噪聲的性能。但是，真 正的隨機(jī)信號(hào)和噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號(hào)來近似 隨機(jī)噪聲的性能，故稱為偽隨機(jī)碼或 pn 碼。 為什么要選用隨機(jī)信號(hào)或噪聲性能的信號(hào)來傳輸信息呢？許多理論研究表明，在信息傳 輸中各種信號(hào)之間的差別性能越大越好。這樣任意兩個(gè)信號(hào)不容易混淆，也就是說，相互之 間不易發(fā)生干擾，不會(huì)發(fā)生誤判。理想的傳輸信息的信號(hào)形式應(yīng)是類似噪聲的隨機(jī)信號(hào)，因 為取任何時(shí)間上不同的兩段噪聲來比較都不會(huì)完全相似。用它們代表兩種信號(hào)，其差別性就 最大。 在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號(hào)與它自身相移以后的相似性的。隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān) 函數(shù)的定義為下列積分

25、： （3- /2 /2 0,01 lim 0 t a tt fftdt t 當(dāng) 常數(shù)， 1） 式中 f(t)為信號(hào)的時(shí)間函數(shù)，為時(shí)間延遲。 上式的物理概念是 f(t)與其相對(duì)延遲的的來比較:f t 如二者不完全重疊，即，則乘積的積分為 0；0 a 如二者完全重疊，即；則相乘積分后為一常數(shù)。0 a 因此，的大小可用來表征 f(t)與自身延遲后的的相關(guān)性，故稱為自相關(guān)函 a f t 數(shù)。 現(xiàn)在來看看隨機(jī)噪聲的自相關(guān)性。圖 3-1(a)為任一隨機(jī)噪聲的時(shí)間波形及其延遲一段 t 后的波形。圖 3-1(b)為其自相關(guān)函數(shù)。當(dāng) t0 時(shí)，兩個(gè)波形完全相同、重疊，積分平均為一 常數(shù)。如果稍微延遲一 t，對(duì)于

26、完全的隨機(jī)噪聲，相乘以后正負(fù)抵消，積分為 0。因而在以 t 為橫座標(biāo)的圖上應(yīng)為在原點(diǎn)的一段垂直線。在其他 t 時(shí)，其值為 0。這是一種理想的 a t 二值自相關(guān)特性。利用這種特性，就很容易地判斷接收到的信號(hào)與本地產(chǎn)生的相同信號(hào)復(fù)制 品之間的波形和相位是否完全一致。相位完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)有輸出，沒有對(duì)準(zhǔn)時(shí)輸出為 0。遺憾的 是這種理想的情況在現(xiàn)實(shí)中是不能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槲覀儾荒墚a(chǎn)生兩個(gè)完全相同的隨機(jī)信號(hào)。我 們所能做到的是產(chǎn)生一種具有類似自相關(guān)特性的周期性信號(hào)。 pn 碼就是一種具有近似隨機(jī)噪聲這種理想二值自相關(guān)特性的碼序列。例如二元碼序列 1110l00 為碼長(zhǎng)為 7 位的 pn 碼。如果用1，1 脈沖分

27、別表示“l(fā)”和“0”，則在圖 3-1 (c)中示出其波形和它相對(duì)延遲 個(gè)時(shí)片的波形。這樣我們很容易求出這兩個(gè)脈沖序列波形 的自相關(guān)函數(shù)，如圖 3-1 (d)中。自相關(guān)峰值在 0 時(shí)出現(xiàn)，自相關(guān)函數(shù)在 0/2 范圍 內(nèi)呈三角形。0 為脈沖寬度。而其它延遲時(shí)，自相關(guān)函數(shù)值為1/7, 即碼位長(zhǎng)的倒數(shù)取負(fù) 值。 （a） f（t-） t t f（t） （b） 當(dāng)碼長(zhǎng)取得很大時(shí)，它就越近似于圖 3-1(b)中所示的理想的隨機(jī)噪聲的自相關(guān)特性。 自然這種碼序列就被稱為偽隨機(jī)碼或偽噪聲碼。由于這種碼序列具有周期性，又容易產(chǎn)生， f（t） 圖 3-1 隨機(jī)噪聲的自相關(guān)性 r f 2 t 0 2 （d） t t

28、f（t- ） （c） 0 2 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 它就是下面即將介紹的 m 序列，成為直擴(kuò)系統(tǒng)中常用的擴(kuò)頻碼序列。 擴(kuò)頻碼序列除自相關(guān)性外，與其他同類碼序列的相似性和相關(guān)性也很重要。例如有許多 用戶共用一個(gè)信道，要區(qū)分不同用戶的信號(hào)，就得靠相互之間的區(qū)別或不相似性來區(qū)分。換 句話說，就是要選用互相關(guān)性小的信號(hào)來表示不同的用戶。兩個(gè)不同信號(hào)波形 f(t)與 g(t) 之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來表示： （3-2） /2 /2 1 lim t c tt ft g tdt t 如果兩個(gè)信號(hào)都是完全隨機(jī)的，在任意延遲時(shí)間 t 都不相同，則上式為 0。如果有一定 的相似性，則不完全為

29、0。兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為 0，則稱之為是正交的。通常希望兩個(gè) 信號(hào)的互相關(guān)值越小越好，則它們?cè)饺菀妆粎^(qū)分，且相互之間的干擾也小。 3.2 m 序列 m 序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。二進(jìn)制的 m 序列是一種重要的偽隨機(jī)序列， 有優(yōu)良的自相關(guān)特性。容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)，但其隨機(jī)性接近于噪聲和隨機(jī)序列。m 序列在 擴(kuò)展頻譜及碼分多址技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，并在 m 序列基礎(chǔ)上還能夠成其它碼序列，因 此無論從 m 序列直接應(yīng)用還是從掌握偽隨機(jī)序列基本理論而言，應(yīng)該熟悉 m 序列的產(chǎn)生及 其主要特性。 顧名思義，m 序列是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序 列。在二進(jìn)制移位

30、寄存器發(fā)生器中，若 n 為級(jí)數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度的碼序列為 2n1 位。 現(xiàn)在來看看如何由多級(jí)移位寄存器經(jīng)線性反饋產(chǎn)生周期性的 m 序列。 圖 3-2 (a)為一最簡(jiǎn)單的三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的 m 序列發(fā)生器。 圖中 dl、d2、d3 為三級(jí)移位寄存器，為模二加法器。移位寄存器的作用為在時(shí)鐘脈沖 驅(qū)動(dòng)下，能將所暫存的“1”或“0”逐級(jí)向右移。模二加法器的作用為圖中(b)所示的運(yùn)算， 即 0 十 00，0 十 11，1 十 0l，l 十 10。圖(a)中 d2、d3 輸出的模二和反饋為 dl 的 輸入。在圖(c)中示出，在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，三級(jí)移位寄存器的暫存數(shù)據(jù)按列改變。d3 的變 化即輸出序

31、列。如移位寄存器各級(jí)的初始狀態(tài)為 111 時(shí)，輸出序列為 1110010。在輸出周期 為17 的碼序列后，d1、d2、d3 又回到 111 狀態(tài)。在時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，輸出序列作 3 2 周期性的重復(fù)。因 7 位為所能產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列，1110010 則為 m 序列。 鐘脈沖 d1d2d3 輸出 1110010 （a）三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的 m 序列發(fā)生器 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 d1 d2 d3 0 1 1 0 00 10 01 11 輸出輸入 圖 3-2 周期性 m 序列的產(chǎn)生 （b）模二加法器的運(yùn)算（c）d1、d2、d3、輸入 這

32、一簡(jiǎn)單的例子說明：m 序列的最大長(zhǎng)度決定于移位寄存器的級(jí)數(shù)，而碼的結(jié)構(gòu)決定于 反饋抽頭的位置和數(shù)量。不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長(zhǎng)度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列。有的抽頭 組合并不能產(chǎn)生最長(zhǎng)周期的序列。對(duì)于何種抽頭能產(chǎn)生何種長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)的碼序列，已經(jīng)進(jìn)行 了大量的研究工作。現(xiàn)在已經(jīng)得到 3 -100 級(jí) m 序列發(fā)生器的連接圖和所產(chǎn)生的 m 序列的結(jié) 構(gòu)。 例如 4 級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的 15 位的 m 序列之一為 111101011001000。同理我們不難得 到 31、63、127、255、511、l023位的 m 序列。 一個(gè)碼序列的隨機(jī)性由以下三點(diǎn)來表征： 1. 一個(gè)周期內(nèi)“l(fā)”和“0”的位數(shù)僅相差

33、1 位。 2. 一個(gè)周期內(nèi)長(zhǎng)度為 l 的游程(連續(xù)為“0”或連續(xù)為“l(fā)”)占 12，長(zhǎng)度為 2 的游 程占 l4，長(zhǎng)度 3 的游程占 l8。只有一個(gè)包含 n 個(gè)“l(fā)”的游程，也只有一個(gè)包含(n1) 個(gè)“0”的游程?！發(fā)”和“0”的游程數(shù)相等。 3. 一個(gè)周期長(zhǎng)的序列與其循環(huán)移位序列比較，相同碼的位數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差 l 位。 在 m 序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多 l 位。例如上述 7 位碼中有 4 個(gè) 表 3-2111101011001000 游程分布 “1”和 3 個(gè)“0”。在 15 位碼中有 8 個(gè)“l(fā)”和 7 個(gè)“0”。 在表 3-2 中列出長(zhǎng)為 15 位的游程分布。

34、 一 般說來，m 序列中長(zhǎng)為 r 的游程數(shù)占游程總數(shù)的 l2k。 m 序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算： a-“0”的位數(shù)；d-“1”的位數(shù) （3- ad r ad ， 3） 令 p =a + d = 2n 1 則： （3- 1,0 1 ,0 r p 4） 設(shè) n = 3, p = 23 1 7， 則： （3- 1,0 1 ,0 7 r 5） 它正是圖 3-1 (d)中所示的二值自相關(guān)函數(shù)。 m 序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列還是 m 序列，只是相移不同而已。 例如 1110100 與向右移三位后的序列 1001110 逐位模二相加后的序列為 0111010，相當(dāng)于原 序列向右移一位后

35、的序列，仍是 m 序列。 m 序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)，除全 0 狀態(tài)外，其他狀態(tài)只在 m 序列中出現(xiàn)一 次。如 7 位 m 序列中順序出現(xiàn)的狀態(tài)為 111，110，101，010，100，00l 和 011，然后再回 到初始狀態(tài) 111。 m 序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生 m 序列。理論分析指出， 產(chǎn)生的 m 序列數(shù)由下式?jīng)Q定 （3-21 /fnn 游程長(zhǎng)度（比特） “1”的 游程數(shù) “0”的 游程數(shù) 所包含的比特?cái)?shù) 1224 2114 3013 4104 游程總數(shù) 8合計(jì) 15 6） 其中由 f(x)為歐拉數(shù)(即包括 1 在內(nèi)的小于 x 并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù))。例如

36、 5 級(jí) 移位寄存器產(chǎn)生的 31 位 m 序列只有 6 個(gè)。 3.3 goid 碼序列 m 序列雖然性能優(yōu)良，但同樣長(zhǎng)度的 m 序列個(gè)數(shù)不多，且序列之間的互相關(guān)值并不都好。 rgold 提出了一種基于 m 序列的碼序列,稱為 gold 碼序列。這種序列有較優(yōu)良的自相關(guān)和 互相關(guān)特性，構(gòu)造簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的序列數(shù)多，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 如有兩個(gè) m 序列，它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值有界，且滿足以下條件： （3- 1 2 1 2 21, 21 n n n r n 為奇數(shù) ，為偶數(shù)不是4的倍數(shù) 7） 我們稱這一對(duì) m 序列為優(yōu)選對(duì)。它們的互相關(guān)函數(shù)如圖 3-3(實(shí)線)，由小于某一極大值 的旁瓣構(gòu)成。 互

37、相關(guān) 31 位自相關(guān) 圖 3-3 自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)曲線 如果把兩個(gè) m 序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對(duì)序列模二相加，則產(chǎn)生一個(gè)新的碼序列，即 gold 序列。 圖 34(a)中示出 gold 碼發(fā)生器的的原理結(jié)構(gòu)圖。圖中碼發(fā)生器 1 和碼發(fā)生器 2 為 m 序 列優(yōu)選對(duì)。每改變兩個(gè) m 序列相對(duì)位移就可得到一個(gè)新的 gold 序列。因?yàn)榭偣灿袀€(gè)21 n 不同的相對(duì)位移，加上兩個(gè) n 級(jí)移位寄存器可以產(chǎn)生個(gè) gold 序列。因此，gold 序列21 n 數(shù)比 m 序列數(shù)多得多。例如 n=5，m 序列只有 6 個(gè)，而 gold 序列數(shù)為。 5 2133 鐘源 碼發(fā)生器 1 （a）gold 碼發(fā)生器的的原

38、理結(jié)構(gòu)圖 碼 3（碼 1碼 2 ） 碼發(fā)生器 2 （b）兩個(gè) 5 級(jí) m 序列優(yōu)選對(duì)構(gòu)成的 gold 碼發(fā)生器 12345 5 4 321 圖 3-4 gold 碼發(fā)生器的的原理結(jié)構(gòu)圖 圖 34(b)中為兩個(gè) 5 級(jí) m 序列優(yōu)選對(duì)構(gòu)成的 gold 碼發(fā)生器。這兩個(gè) m 序列雖然碼長(zhǎng) 相同，但相加以后并不是 m 序列，也不具備 m 序列的性質(zhì)。 gold 序列的主要性質(zhì)有以下幾點(diǎn)： gold 序列具有三值自相關(guān)特性，類似圖 3-3 中的自相關(guān)與互相關(guān)特性。其旁辯的極大 值滿足上式表示的優(yōu)選對(duì)的條件。 兩個(gè) m 序列優(yōu)選對(duì)不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是 gold 序列。因?yàn)榭偣灿?2n1 個(gè)不 同

39、的相對(duì)位移，加上原來的兩個(gè) m 序列本身，所以，兩個(gè) m 級(jí)移位寄存器可以產(chǎn)生 2n1 個(gè) gold 序列。 采用 gold 碼族作為地址碼，其地址數(shù)大大超過了用 m 序列做地址碼的數(shù)量，所以 gold 碼序列在多址技術(shù)中，特別是在碼序列長(zhǎng)度較短的情況下，得到了廣泛的應(yīng)用。 4 直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù) 4.1 直接序列擴(kuò)頻的概念及理論基礎(chǔ) 4.1.1 直接序列擴(kuò)頻的概念 所謂直接序列(ds：direct sequence)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā) 送端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào) 還原成原始的信息。 4.1.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

40、 長(zhǎng)期以來，人們總是想方設(shè)法使信號(hào)所占的頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資 源利用率。但擴(kuò)頻通信在發(fā)送端用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須 的帶寬，在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)出所傳信息數(shù)據(jù)。為什么要用寬頻 帶信號(hào)來傳輸窄帶信息呢？主要是為了通信的安全可靠性。這可用信息論和抗干擾理論的基 本觀點(diǎn)來說明： 根據(jù)香農(nóng)(c.e.shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式，香農(nóng)公式： （4- 2 log (1) s cb n 1） 式中：c-信息的傳輸速率（信道容量） 單位 b/s； s-信號(hào)平均功率單位 w； b-頻 帶寬度 單位 hz； n-噪聲平均功率

41、 單位 w。 由式中可以看出： 為了提高信息的傳輸速率 c，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，既加大帶寬 b 或提高信噪比 s/n。 換句話說，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率 c 一定時(shí)，信號(hào)帶寬 b 和信噪比 s/n 是可以互換的，即增加信 號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信 號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取 信噪比上的好處。 柯捷爾尼可夫在其潛在抗干擾性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式 （4-2） 0 e f e p n 此公式指出，差錯(cuò)概率 pe 是信號(hào)能量 e 與噪聲功率譜密度之比的函數(shù)。設(shè)信息持續(xù) o n 時(shí)間

42、為 t，或數(shù)字信息的碼元寬度為 t，則信息的帶寬 bm 為 （4-3） 1 m b t 信號(hào)功率 s 為 （4- 1 s t 4） 已調(diào)（或已擴(kuò)頻）信號(hào)的寬度為 b，則噪聲功率為 （4-5） 0 nn b 將式（4-3）（4-5）代入式（4-2），可得 （4-6） e m stsb pfbf nn b 上面公式指出，差錯(cuò)概率 pe 是輸入信號(hào)與噪聲功率之比（s/n）和信號(hào)帶寬與信息帶寬 之比（b/bm）二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方 法可以換取信噪比上的好處。 綜上所述：將信息帶寬擴(kuò)展 100 倍，甚至用 1000 倍以上的帶寬信號(hào)來傳輸信息，就是 為了提

43、高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全的通信。這就是擴(kuò)頻通信的基 本思想和理論依據(jù)。 4.1.3 擴(kuò)頻增益和抗干擾容限 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，這樣的系統(tǒng)帶 來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜 擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬比例有關(guān)。一般把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 w 與信息帶寬f 之比稱為處理增益 ，即 p g (4-7) p w g f = 它表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外，擴(kuò)頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與 有關(guān)。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。 p g 系統(tǒng)的抗干擾容限定義如下： j m (4-

44、8) 0 jps s mgl n 式中：（s/n）。= 輸出端的信噪比， = 系統(tǒng)損耗 s l 由此可見，抗干擾容限與擴(kuò)頻處理增益成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，抗干擾容 j m p g 限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息 (待傳輸信息)的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。 4.2 直接序列擴(kuò)頻的基本原理 所謂直接序列擴(kuò)頻（ds），就是直接用具有高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號(hào) 的頻譜。而接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息。圖 4-1 示出了直擴(kuò)通信系統(tǒng)的原理方框圖 圖 4-1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的

45、組成框圖 信息 信碼 m(t) bpsk 調(diào)制 載波pn 碼 擴(kuò)頻解調(diào) 本地 pn 碼 bpsk 解調(diào) 本地載波 000 000 （3） c tm tp t 0 0 0 0 0 0 （4）載波 000 00 0 0 1 11 1 1 10101 （1）信碼 m（t） （2）偽碼 p（t） （5）psk 已調(diào)波 1 s t （7）相位 2 st （6）相位 1 s t （9）解調(diào)輸出 （8）中頻調(diào)相 圖 4-2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的主要相位或波形 在發(fā)送端輸入信息碼元 m（t），它是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，圖中為 0、1 兩個(gè)碼元，其碼元寬度 為。加入擴(kuò)頻解調(diào)器，圖中為模 2 加法器，擴(kuò)頻碼為一個(gè)偽隨機(jī)碼（pn

46、碼），記作 b t p（t）。偽碼的波形如圖 4-2 中的第（2）個(gè)波形，其碼元寬度為，且取=16。通常 p t b t p t 在 ds 系統(tǒng)中，偽碼的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信碼速率，即，也就是 p r m r c tm tp t p r= m r 說，偽碼的寬度 p t遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信碼的寬度 b t，即，這樣才能展寬頻譜。模 2 加法器的 p t= b t 運(yùn)算規(guī)則可用下式表示 （4 c tm tp t 9） 當(dāng) m（t）與 p（t）符號(hào)相同時(shí)，c（t）為 0；而當(dāng) m（t）與 p（t）不同時(shí)，則為 1。c（t）的波形如圖 4-2 所示中的第（3）個(gè)波形。由圖可見，當(dāng)信碼 m（t）為 0 時(shí)， c（t）

47、與 p（t）相同；而當(dāng)信碼 m（t）為 1 時(shí)，則 c（t）為 p（t）取反既是。顯然，包含信 碼的 c（t）其碼元寬度已變成了，即已進(jìn)行了頻譜擴(kuò)展。其擴(kuò)展處理增益也可用下式表 p t 示 （410lg b p p t g t 10） 在一定的情況下，若偽碼速率越高，即偽碼寬度（碼片寬度）越窄，則擴(kuò)頻處理 b t p t 增益越大。 經(jīng)過擴(kuò)頻，還要載頻調(diào)制，以便信號(hào)在信道上有效的傳輸。圖中采用二相相移鍵控方式。 調(diào)相器可由環(huán)行調(diào)制器完成，即將 c（t）與載頻相乘，輸出為。即 1 cosat 1 st （4 11 cosstc tat 11） 式中， （4 10 11 c t 當(dāng)二進(jìn)制序列為碼

48、當(dāng)二進(jìn)制序列為碼 12） 因此，經(jīng)過擴(kuò)頻和相位調(diào)制后的信號(hào)為 1 s t （4 1 11 1 cos cos cos at stac tt at 13） 由上面討論可知，經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào) c（t）可看作只取1 的二進(jìn)制波形，然后對(duì)載頻 進(jìn)行調(diào)制，這里是采用調(diào)相（bpsk）。所謂調(diào)制，就是指相乘過程，可采用相乘器，環(huán)行 調(diào)制器（或平衡調(diào)制器），最后得到的是抑制載波雙邊帶振幅調(diào)制信號(hào)。這里假定平衡調(diào)制 器是理想對(duì)稱，碼序列取+1、1 的概率相同，即調(diào)制信號(hào)無直流分量，這樣平衡調(diào)制器輸 出的已調(diào)波中，無載波分量。通過發(fā)射機(jī)中推動(dòng)級(jí)、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出 1 st 去。 通常載波頻率較高，或者

49、說載波周期較小，它遠(yuǎn)小于偽碼的周期，即滿足=。 c t p t c t p t 但圖 4-2 中（4）示出的載波波形=寬度為，這是為了便于看清楚一些，否則要在一個(gè) c t p t 期間內(nèi)畫幾十個(gè)甚至幾百個(gè)正弦波。對(duì)于 psk 來說，主要是看清楚已調(diào)波與調(diào)制信號(hào)之 p t 間的相位關(guān)系。圖 4-2 中的第（5）個(gè)圖為已調(diào)波 的波形。這里，當(dāng) c（t）為一碼時(shí)， 1 st 已調(diào)波與載波取反相；而當(dāng) c（t）為 0 碼時(shí)，取同相。已調(diào)波與載波的相位關(guān)系如圖 4-2 中 的第（6）個(gè)圖所示。 接收端的工作原理： 假設(shè)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過信道傳輸，不出現(xiàn)差錯(cuò)，經(jīng)過接收機(jī)前端電路（包括輸入電路、高 頻放大器等）

50、，輸出仍為。這里不考慮信道衰減問題，因?yàn)閷?duì) psk 調(diào)制信號(hào)而言， 1 st 重要的是相位問題，這里的假定對(duì)分析工作原理是不受影響的。相關(guān)器完成相干解調(diào)和解擴(kuò)。 接收機(jī)中的本振信號(hào)頻率與載波相差為一個(gè)固定的中頻。假定收端的偽碼（pn）與發(fā)端的 pn 碼相同。接收端本地調(diào)相情況與發(fā)端相似，這里的調(diào)制信號(hào)是 p（t），即調(diào)相器輸出信 號(hào)的相位僅取決于 p（t），當(dāng) p（t）=1 時(shí)，的相位為；當(dāng) p（t）=0 時(shí)， 2 st 2 st 的相位為 0。信號(hào)的相位如圖 4-2 中（7）所示。 2 st 2 st 相關(guān)器的作用在這里可等效為對(duì)輸入相關(guān)器的、相位進(jìn)行模 2 加。對(duì)二元 1 st 2 st

51、制的 0、而言，同號(hào)模 2 加為 0，異號(hào)模 2 加為。因此相關(guān)器的輸出的中頻相位如圖 4-2 中的（8）所示。然后通過中頻濾波器。濾除不相關(guān)的各種干擾，經(jīng)解調(diào)恢復(fù)出原始信息。 這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理從而獲 得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力。 4.3 直擴(kuò)系統(tǒng)的性能 4.3.1 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性 直擴(kuò)系統(tǒng)最早應(yīng)用是在軍事通信中作為很強(qiáng)抗干擾性的通信手段。直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)窄帶干擾、 寬帶干擾等，都具有抗干擾能力，其抗干擾能力大小就是前面提出的擴(kuò)頻處理增益， p g 越大，抗干擾能力就越強(qiáng)。下面就來分析直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾

52、的原理 p g 圖 4-3 為直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖。 這里的寬帶干擾是泛指的與擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)的，在 cdma 通信網(wǎng)中，其它用戶的信號(hào) 就是一種寬帶干擾。相關(guān)處理前，信號(hào)頻譜是很寬的，經(jīng)相關(guān)處理后，有用信息被解擴(kuò)，其 功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關(guān)器，其功率譜密度基本不變。由于解擴(kuò)后必 然連接窄帶濾波器，保證信號(hào)能順利通過，對(duì)信號(hào)頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用， 從而提高了輸出的信噪比。 解擴(kuò)后的有 用信號(hào)信息 帶寬 b a 有用信號(hào)干擾 電平 白限熱噪 聲電平 c r c r 功率頻譜 干擾信號(hào) c ff c rf 圖 4-3 直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 （a）接收機(jī)

53、輸入的信號(hào)及干擾的功率譜 （b）相關(guān)器輸出的信號(hào)及干擾的功率譜 對(duì)單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖 4-4（a）為解擴(kuò)前的功率譜，窄 帶干擾功率很大，由于干擾與本地?cái)U(kuò)頻碼（pn 碼）是不相關(guān)的。對(duì)干擾來說，相關(guān)器起到 擴(kuò)展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對(duì)信號(hào)有害的干擾分量只有落入信息帶寬部 分，從而抑制了大部分干擾。由于有用信號(hào)能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪 比。 a a 解擴(kuò)后的有用信號(hào) 干擾被擴(kuò)展頻譜 有用信號(hào) 窄帶干擾信號(hào) 2 c rf i f f c f c f （a）未解擴(kuò)的功率譜 （b）解擴(kuò)后的功率譜 圖 4-4 直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 4.3.

54、2 直擴(kuò)信號(hào)的抗截獲性 截獲敵方信號(hào)的目的在于： 1. 發(fā)現(xiàn)敵方信號(hào)的存在， 2. 確定敵方信號(hào)的頻率， 3. 確定敵方發(fā)射機(jī)的方向。 理論分析表明，信號(hào)的檢測(cè)概率與信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號(hào)的頻 帶寬度成反比。直擴(kuò)信號(hào)正好具有這兩方面的優(yōu)勢(shì)，它的功率譜密度很低，單位時(shí)間內(nèi)的能 量就很小，同時(shí)它的頻帶很寬。因此，它具有很強(qiáng)的抗截獲性。 如果滿足直擴(kuò)信號(hào)在接收機(jī)輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機(jī)本身的熱噪聲功率 相比擬的條件、則一般接收機(jī)發(fā)現(xiàn)不了直擴(kuò)信號(hào)的存在。另外，由于直擴(kuò)信號(hào)的寬頻帶特性， 截獲時(shí)需要在很寬的頻率范圍進(jìn)行搜索和監(jiān)測(cè)，也是困難之一。因此，直擴(kuò)信號(hào)可以用來進(jìn) 行

55、隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴(kuò)信號(hào)的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)與估 值問題。 4.3.3 直擴(kuò)碼分多址通信系統(tǒng) 多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的一個(gè)通信網(wǎng)，網(wǎng)中任何兩個(gè)用戶都可以通信，而且 許多對(duì)用戶同時(shí)通信時(shí)互不不擾。應(yīng)用直擴(kuò)系統(tǒng)就很容易組成這樣一個(gè)多址通信系統(tǒng)(網(wǎng))。 具體的做法是給每一個(gè)用戶分配一個(gè) pn 碼作為地址碼。首先，利用直擴(kuò)信號(hào)中 pn 碼的 相關(guān)特性來區(qū)分不同的用戶，每個(gè)用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號(hào)，此時(shí)自相 關(guān)特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號(hào)。對(duì)于其他用戶發(fā)來的別的信號(hào)，因 pn 碼不同時(shí) 互相關(guān)值很小，不會(huì)被解擴(kuò)出來。其次，利用直擴(kuò)信號(hào)中頻譜擴(kuò)展

56、，功率譜密度很低的特性， 可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時(shí)相互之間干擾很小，可以當(dāng)作噪聲處理。另外，每個(gè) 用戶占用的頻寬很窄，相對(duì)說來，頻譜利用率也是高的。 實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)碼分多址通信值得注意的問題有： 1. 是要選擇有優(yōu)良互相關(guān)特性的碼。 一般多采用有二值或三值相關(guān)特性的碼作為地址碼。同時(shí)還需要有一定的數(shù)量。gold 碼就可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關(guān)特性，也有足夠的數(shù)量可供選。 2. 是要注意克服“遠(yuǎn)近”問題。 所謂“遠(yuǎn)一近”問題指的是距離近的用戶的信號(hào)強(qiáng)，它會(huì)干擾距離遠(yuǎn)的弱信號(hào)的接收。 解決的辦法是采用自動(dòng)功率控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達(dá)到接收機(jī)時(shí)各用戶信號(hào) 功率基本相等，也

57、就是滿足接收機(jī)輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號(hào)。 3. 是同時(shí)通話的用戶數(shù)，決定于整個(gè)網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。 因此，直擴(kuò)碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變 壞。 4.3.4 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間電波傳播的路徑不止一條。例如由于大氣層的反射和 折射，以及由于建筑物等對(duì)電波的反射都是形成多徑信道的原因。不同的傳播路徑使電波在 幅度上衰減不同，到達(dá)時(shí)間的延遲也不同。 直擴(kuò)系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強(qiáng)的直達(dá)路徑的電波上。其它有延遲到達(dá)的電波，由于相關(guān) 解擴(kuò)的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用 pn 碼的自相關(guān)特性，只要延遲超過半個(gè)

58、pn 碼時(shí)片，其相關(guān)值就很小，可作為噪聲來對(duì)待。另外，如果采用不同時(shí)延的匹配濾波器， 把多徑信號(hào)分離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號(hào)在相位上對(duì)齊相加，起到增加接收 信號(hào)能量的作用。 因此，直擴(kuò)系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 4.3.5 直擴(kuò)測(cè)距定時(shí)系統(tǒng) 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展是從測(cè)距開始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測(cè)定了電 波傳播的時(shí)間，也就測(cè)定了距離。 用直擴(kuò)信號(hào)來測(cè)取和定時(shí)有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)采用一個(gè)較長(zhǎng)周期的 pn 碼序列作為發(fā)射信 號(hào)、用它于目的地反射回來或轉(zhuǎn)發(fā)回來的 pn 碼序列的相位進(jìn)行比較，即比較兩個(gè)碼序列相 差的時(shí)片數(shù)，就可以看出其時(shí)間差，也就能換算出發(fā)射機(jī)與目的

59、地之間的距離。不難把碼片 選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測(cè)距與定時(shí)，基本的分辨率即一個(gè)碼片。 此外，有了精確的測(cè)距的定時(shí)系統(tǒng)，不難形成一個(gè)精確的定位系統(tǒng)；按照簡(jiǎn)單的幾何關(guān) 系，已知兩個(gè)點(diǎn)的位置(座標(biāo))和距離，及其在某一平面上分別與第三點(diǎn)的距離，也就能確定 第三點(diǎn)的座標(biāo)位置。 4.4 擴(kuò)頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號(hào)的傳輸，要求收發(fā)兩端信號(hào)在頻率上相同和相位上一致， 才能正確地解調(diào)出信息。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。一個(gè)相干擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā) 送端必須實(shí)現(xiàn)信息碼元同步、pn 碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實(shí)現(xiàn)了這些同步， 直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作?？梢?/p>

60、說沒有同步就沒有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。 同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。信息碼元時(shí)鐘可以和 pn 碼元時(shí)鐘聯(lián)系起來，有固定 的關(guān)系，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了同步，另一個(gè)自然也就同步了。對(duì)于載頻同步來說，主要是針對(duì)相干解 調(diào)的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)載頻 同步。因此，這里我們只需討論 pn 碼碼元和序列的同步。 一般說來，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確 定性。但引起不確定性的因素有以下一些： 1. 收發(fā)信機(jī)的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差; 2. 收發(fā)信機(jī)相對(duì)不穩(wěn)定性引起的頻差; 3. 收發(fā)信機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移； 4. 以及多徑