畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于Matlab設(shè)計(jì)直擴(kuò)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、目 錄前言2第一章 緒論31.1 擴(kuò)頻通信的發(fā)展31.2 擴(kuò)頻通信的基本工作方式51.3 信道容量公式71.4 擴(kuò)頻通信的原理71.5 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)8第二章 直擴(kuò)系統(tǒng)性能分析112.1 擴(kuò)展頻譜通信的基本概念112.2 擴(kuò)頻通信的抗干擾能力及抗多徑干擾能力14 2.2.1 擴(kuò)頻通信的抗干擾能力142.2.2 擴(kuò)頻通信抗多徑干擾的能力152.3 擴(kuò)頻通信的多址能力及數(shù)據(jù)傳輸能力162.3.1 擴(kuò)頻通信的多址能力162.3.2 擴(kuò)頻通信的數(shù)據(jù)傳輸能力17第三章 擴(kuò)頻偽隨機(jī)序列183.1 移位寄存器序列183.2 m序列233.3 m序列的特性和生成23第四章 直擴(kuò)信號(hào)發(fā)生器的仿真實(shí)現(xiàn)274.

2、1 matlab仿真環(huán)境介紹274.2 m序列仿真實(shí)現(xiàn)294.3 直接序列擴(kuò)頻調(diào)制35第五章 結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致 謝40附 錄41前 言信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何利用有限的通信資源來(lái)準(zhǔn)確無(wú)誤、安全地進(jìn)行通訊，已經(jīng)越來(lái)越被人們重視，研究的領(lǐng)域也越來(lái)越深入。由于擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)、低截獲率、碼分多址、信號(hào)隱蔽、測(cè)距和易于組網(wǎng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此，自問世以來(lái)便引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注，并率先應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。擴(kuò)頻通信是建立在香農(nóng)的信息論基礎(chǔ)上的一種新型的通信體制。由于擴(kuò)頻通信具備一系列優(yōu)點(diǎn)，隨著近年來(lái)大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及一些新型器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用形

3、成了新的高潮。事實(shí)上，擴(kuò)頻通信利用偽碼進(jìn)行傳輸，大大提高了信息傳輸?shù)陌踩?，降低了被截獲概率，在很大程度上提高了信息的保密性。目前擴(kuò)頻已成為電子對(duì)抗環(huán)境下提高通信設(shè)備抗干擾能力最有效的手段，并在近十年來(lái)爆發(fā)的幾場(chǎng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了極大的威力。隨著cdma擴(kuò)頻通信在民用通信的深入和不斷滲透，以及在衛(wèi)星通信、深空通信、武器制導(dǎo)、gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)和跳頻通信等民用和國(guó)防軍事通信的需求下，擴(kuò)頻通信的地位已經(jīng)越來(lái)越重要了。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于matlab設(shè)計(jì)直擴(kuò)信號(hào)發(fā)生器。matlab是一個(gè)完善的、龐大的軟件系統(tǒng)，除了包含內(nèi)容豐富的數(shù)學(xué)軟件外，還包括了通信領(lǐng)域、信號(hào)系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制工程等多方面的仿

4、真應(yīng)用，具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。使用matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行直擴(kuò)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，取得了很好的效果。本論文第一章為緒論部分，主要介紹了擴(kuò)頻通信的概念、原理、發(fā)展和應(yīng)用。第二章主要對(duì)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析研究，包括其基本模型以及抗干擾能力和信息傳輸能力。第三章重點(diǎn)介紹了m序列的產(chǎn)生過(guò)程及其相關(guān)特性。第四章為源程序和仿真結(jié)果，對(duì)m序列的性質(zhì)仿真和直序擴(kuò)頻仿真進(jìn)行分析。結(jié)論放在第五章。第一章 緒論1.1擴(kuò)頻通信的發(fā)展擴(kuò)展頻譜（spread spectrum）通信系統(tǒng)是將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶上，然后再進(jìn)行傳輸?shù)囊环N系統(tǒng)，即將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)用偽隨機(jī)碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采

5、用同樣的編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)的處理來(lái)恢復(fù)原始的信息數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)占用的頻率帶寬比基帶信號(hào)的頻率帶寬要寬得多。顯然這種通信方式與一般常見的窄帶通信方式不同，一般的窄帶通信是將信號(hào)帶寬壓縮，而擴(kuò)頻通信是在擴(kuò)展頻譜后進(jìn)行寬帶通信，再作相關(guān)的處理恢復(fù)成窄帶信號(hào)后解調(diào)數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)最初是在軍事抗干擾通信中發(fā)展起來(lái)的，后來(lái)又在移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用，因此擴(kuò)頻技術(shù)的歷史經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，而目前它在這兩個(gè)領(lǐng)域仍占據(jù)重要的地位。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在50年代產(chǎn)生的，其最初的應(yīng)用包括軍事抗干擾通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗多徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及其它方面。伍德華特發(fā)現(xiàn)了在雷達(dá)測(cè)距和測(cè)速中，采用白噪聲信號(hào)，其測(cè)量誤差最小，這為擴(kuò)頻技術(shù)的

6、應(yīng)用開辟了道路。同期美國(guó)麻省理工學(xué)院研究成功nomac系統(tǒng)（noise modulation and correlation system），成為擴(kuò)頻通信研究發(fā)展的開端，從此，擴(kuò)頻通信在軍事通信、空間探測(cè)、衛(wèi)星偵查、導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。真正使用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在50年代中期發(fā)展起來(lái)的。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)f9c-a/rake被公認(rèn)為第一個(gè)成功的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過(guò)程中，首次提出了瑞克(rake)接收的概念并成功應(yīng)用，該系統(tǒng)也是第一個(gè)真正實(shí)用的寬帶通信系統(tǒng)。第一個(gè)跳頻通信系統(tǒng)blades也在這段時(shí)期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位寄存序列實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)編碼。在此期

7、間，噴氣實(shí)驗(yàn)室（jpl）在其空間任務(wù)中完成了偽碼發(fā)生器的設(shè)計(jì)以及跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)。在此后的二十多年中，擴(kuò)頻通信技術(shù)得到較大的發(fā)展，但一直到80年代初期，擴(kuò)頻通信都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這種狀況到了80年代中期才得到改變，個(gè)人通信業(yè)務(wù)（pcs）的發(fā)展使擴(kuò)頻技術(shù)終于迎來(lái)了另一次大發(fā)展的機(jī)遇。 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（fcc）于1985年5月發(fā)布了一份關(guān)于將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到民用通信的報(bào)告，從此，擴(kuò)頻通信技術(shù)獲得了更加廣闊的應(yīng)用空間。擴(kuò)頻技術(shù)最初在無(wú)繩電話中獲得成功應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)沒有可用的頻段供無(wú)繩電話使用，而擴(kuò)頻通信技術(shù)允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴(kuò)頻技術(shù)在無(wú)繩電話的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用

8、通信系統(tǒng)中應(yīng)用的第一次成功經(jīng)歷。而真正使擴(kuò)頻通信技術(shù)成為當(dāng)今通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的原因是碼分多址（cdma）的應(yīng)用。90年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了pcs研究的熱潮。要實(shí)現(xiàn)pcs并考慮其長(zhǎng)期發(fā)展，需要fcc(美國(guó)通信聯(lián)邦委員會(huì))為其分配100200 mhz的帶寬，而與頻譜分配相關(guān)的一個(gè)重要技術(shù)因素就是多址技術(shù)。當(dāng)時(shí)頻譜資源的分配已經(jīng)是非常擁擠，不存在還未分配且可用的一段寬達(dá)100 mhz的頻譜資源。要為pcs分配可用的頻段就只有2種方案：一是為pcs分配一段專用頻譜，使正在使用該頻譜的用戶換到其它的頻段；另一種辦法就是讓pcs與其它用戶共享一段頻譜。采取第一種方案將要遇到巨大的

9、政治和經(jīng)濟(jì)阻礙當(dāng)時(shí)只有政府使用的一些頻段還比較寬松，因此只能是讓政府用戶換用其它頻段來(lái)為pcs騰出頻譜資源；同時(shí)換用頻段意味著已有設(shè)備的射頻部分需要改造。因此第二種方案成為合理的選擇。擴(kuò)頻技術(shù)為共享頻譜提供了可能。使用擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過(guò)給每個(gè)用戶分配不同的擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)多址通信。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給定用戶信號(hào)的正確接收；將其他用戶的信號(hào)看作干擾，利用擴(kuò)頻碼的互相關(guān)特性，能夠有效抑制用戶之間的干擾。此外由于擴(kuò)頻信號(hào)具有類似白噪聲的寬帶特性，它對(duì)其它共享頻段的傳統(tǒng)用戶的干擾也達(dá)到最小。由于采用cdma技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)用戶共享頻譜

10、，因此它也就成為pcs首選的多址方案。 隨著pcs以及蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展，cdma技術(shù)已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)也在民用通信中找到更為廣闊的應(yīng)用空間，而關(guān)于cdma技術(shù)的研究熱潮也一直延續(xù)到現(xiàn)在。 從擴(kuò)頻通信的發(fā)展歷史來(lái)看，這種通信方式雖然早就提出來(lái)了，但是并沒有得到足夠的重視和應(yīng)用，因而發(fā)展也比較緩慢，主要原因是由于這種通信方式與常規(guī)的使用帶寬盡量窄的通信方式相比較，需要使用一種特殊的編碼調(diào)制，把信息數(shù)據(jù)拓展成寬帶信號(hào)傳輸，接收端還要相關(guān)解調(diào)，是一種全新觀念的、不同原理的通信方式。在其發(fā)展初期，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，只形成了一種理論上發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著民用、軍用通信事業(yè)的發(fā)展，

11、頻帶擁擠的矛盾日益突出。而信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等各方面的發(fā)展和應(yīng)用普及?；鶐Ь幋a的相關(guān)信號(hào)處理變得容易實(shí)現(xiàn)和完善，使得擴(kuò)頻通信從軍用不斷向民用方面普及。目前大量推廣的第三代移動(dòng)通信技術(shù)3g，其核心就是擴(kuò)頻通信技術(shù)。1.2擴(kuò)頻通信的基本工作方式1.直接序列擴(kuò)頻（direct sequence spread spectrum）工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)方式（ds方式）直擴(kuò)就是用高速率的擴(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(lái)的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻方式直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要

12、經(jīng)過(guò)信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。接收機(jī)在收到發(fā)射信號(hào)后，首先通過(guò)偽碼同步捕獲電路來(lái)捕獲發(fā)送來(lái)的偽碼的精確相位，并由此產(chǎn)生跟發(fā)送端的偽碼相位完全一致的本地偽碼，用于信號(hào)解擴(kuò)，以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個(gè)直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收。2.跳變頻率(frequency hopping)工作方式，簡(jiǎn)稱跳頻(fh)方式另外一種擴(kuò)展信號(hào)頻譜的方式稱為跳頻(fh-frequency hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定的碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說(shuō)，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，所以稱為跳頻。 簡(jiǎn)單的頻移鍵控如2fsk，只有兩

13、個(gè)頻率，分別代表二進(jìn)制bit“1”和“0”。而跳頻系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上千個(gè)頻率，由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。發(fā)端信息碼序列與擴(kuò)頻碼序列組合以后按照不同的碼字去控制頻率合成器。 為了解調(diào)跳頻信號(hào)，需要有與發(fā)端完全相同的本地?cái)U(kuò)頻碼去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號(hào)能在混頻器中與接收信號(hào)差頻出固定的中頻信號(hào)，然后經(jīng)中頻帶通濾波器及信息解調(diào)器輸出恢復(fù)的信息?？傊l系統(tǒng)占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。3.跳變時(shí)間(time hopping)工作方式(簡(jiǎn)稱跳時(shí)(th)工作方式與跳頻相似，跳時(shí)(th-time hopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分

14、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?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。 由于采用了窄很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說(shuō)來(lái)，信號(hào)的頻譜也就展寬了。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來(lái)，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器的擴(kuò)頻碼序列去控制通斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制發(fā)射。在收端，由射頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列控制通斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器再定時(shí)后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息。跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，所不同的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按

15、一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。 由于簡(jiǎn)單的跳時(shí)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用，因此，跳時(shí)通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合擴(kuò)頻方式。4.寬帶線性調(diào)頻(chirp modulation)工作方式，簡(jiǎn)稱chirp方式如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，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，但在通信中也有應(yīng)用。發(fā)射端有一個(gè)鋸齒波去調(diào)制壓控振蕩器，從而產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖，它和射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)一樣。 在接收端，線性調(diào)頻脈沖由匹配濾波器對(duì)其進(jìn)行壓縮，把能量集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)

16、輸出，從而提高信噪比，獲得處理增益。匹配濾波器可采用色散延遲線，它是一個(gè)存儲(chǔ)和累加器件，其作用機(jī)理是對(duì)不同頻率的延遲時(shí)間不一樣。如果使脈沖前后兩端的頻率經(jīng)不同的延遲后一同輸出，則匹配濾波器起到了脈沖壓縮和能量集中的作用。匹配濾波器輸出信噪比的改善是脈沖寬度與調(diào)頻頻偏乘積的函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，線性調(diào)頻在通信中較少應(yīng)用。 5.混合擴(kuò)頻方式在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來(lái)，構(gòu)成各種混合擴(kuò)頻方式。例如dsfh、dsth、dsfhth等等。 一般說(shuō)來(lái)，采用混合方式看起來(lái)在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是有時(shí)能得到只用其中一種方式得不到的特性。例如dsfh系

17、統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。一個(gè)ds擴(kuò)頻信號(hào)在一個(gè)更寬的頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行跳變。ds/fh系統(tǒng)的處理增益為ds和fh處理增益之和，因此，采用ds/fh比單獨(dú)采用ds或fh可以獲得更寬的頻譜擴(kuò)展和更大的處理增益。 對(duì)于dsth方式，它相當(dāng)于在擴(kuò)頻方式中加上時(shí)間復(fù)用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實(shí)現(xiàn)上，ds本身已有嚴(yán)格的收發(fā)兩端擴(kuò)頻碼的同步。加上跳時(shí)，只不過(guò)增加了一個(gè)通斷開關(guān)，并不增加太多技術(shù)上的復(fù)雜性。 對(duì)于dsfhth，它把三種擴(kuò)頻方式組合在一起，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上肯定是很復(fù)雜的。但是對(duì)于一個(gè)有多種功能要求的系統(tǒng)，ds、fh、th可分別實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)特的功能。 對(duì)于需要同時(shí)

18、解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時(shí)定位、抗多徑和遠(yuǎn)近問題時(shí)，就不得不同時(shí)采用多種擴(kuò)頻方式。1.3 信道容量公式 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，即： （1.1） 式中：c-信息的傳輸速率 s-有用信號(hào)功率 b-頻帶寬度 n-噪聲功率由式中可以看出：為了提高信息的傳輸速率c，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，即加大帶寬b或提高信噪比s/n。從式（1.1）中可看出，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(lái)?yè)Q取信噪比上的好處，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)

19、。式（1.1）中由于噪聲功率n與信道帶寬b有關(guān)，若噪聲功率譜密度為時(shí)，則噪聲功率為n=b那么式（1.1）可以用另一種方式來(lái)表示 （1.2） 由上式可以看出信道的容量要受到三個(gè)要素的限制，即系統(tǒng)頻帶帶寬b、噪聲功率譜密度的幅值以及信號(hào)的功率s。這三個(gè)要素確定了，系統(tǒng)的信道容量也就確定了。 擴(kuò)頻通信就是根據(jù)該信道容量的公式，通過(guò)擴(kuò)展頻譜來(lái)拓展信道容量。1.4擴(kuò)頻通信的原理 擴(kuò)頻通信，從電磁波利用來(lái)看，與一般現(xiàn)有的常規(guī)通信方式完全不同。擴(kuò)頻通信利用偽隨機(jī)編碼把信息數(shù)據(jù)（窄帶信號(hào)）的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度信號(hào)發(fā)射，使用不同的偽隨機(jī)序列編碼，不同通信用戶可在同一頻段、同一時(shí)間工作，互不影響

20、或干擾極小地進(jìn)行通信。常規(guī)的通信是在頻段上細(xì)分（頻分）或時(shí)間上細(xì)分（時(shí)分）給通信用戶，彼此互不干擾地分別使用。因此，擴(kuò)頻通信在調(diào)制、解調(diào)上都與眾不同。擴(kuò)頻通信的基本原理如圖1-1所示，信息數(shù)據(jù)經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制后變成帶寬為b1的信號(hào)（b1為窄帶信號(hào)的帶寬），用擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼（pn碼）去對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，形成帶寬為b2（b2b1）、功率譜密度極低的擴(kuò)頻信號(hào)后再發(fā)射。每個(gè)通信用戶使用各自不同的偽隨機(jī)序列編碼，可以同時(shí)使用帶寬為b2的同一頻帶。在接收端，首先使用與擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)送者相同的偽隨機(jī)序列編碼作擴(kuò)頻解調(diào)處理，把寬帶信號(hào)恢復(fù)成通常的窄帶基帶信號(hào)，再使用通常的通信處理手段解調(diào)出發(fā)送來(lái)的信

21、息數(shù)據(jù)。顯然，當(dāng)接收端不知道發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻信號(hào)所使用的偽隨機(jī)編碼時(shí)，要進(jìn)行擴(kuò)頻是相當(dāng)困難、甚至是不可能的，這時(shí)實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的保密通信。如果接收端用某一偽隨機(jī)編碼在接收端接收某一發(fā)送端發(fā)送來(lái)的信號(hào)時(shí)，通信中的另一些偽隨機(jī)編碼調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)不能在該接收端的擴(kuò)頻解調(diào)處理器中形成明顯的信號(hào)輸出，即不會(huì)對(duì)接收端的擴(kuò)頻解調(diào)處理形成干擾。這樣，接收端使用不同的偽隨機(jī)編碼作擴(kuò)頻解調(diào)，就可得到不同發(fā)送者發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多用戶（多址）通信。信息調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制射頻調(diào)制變頻解調(diào)擴(kuò)頻解調(diào)信息解調(diào)擴(kuò)頻碼發(fā)生器射頻發(fā)生器本地同步電路本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器圖1-1 擴(kuò)頻通信原理圖15擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)由于擴(kuò)頻通信大大擴(kuò)展了信號(hào)

22、的頻譜，發(fā)送端用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制，在接收端利用相關(guān)解調(diào)技術(shù)恢復(fù)出信息數(shù)據(jù)，所以它具有一系列優(yōu)良的性能。1 抗干擾性強(qiáng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾性能越強(qiáng)，從理論上講，擴(kuò)頻通信能把信號(hào)從噪聲淹沒中提取出來(lái)。在接收端對(duì)干擾頻譜能量加以擴(kuò)散，對(duì)信號(hào)頻譜能量壓縮集中，因此在輸出端就得到了信噪比的增益，這樣擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以在很小的信噪比情況下進(jìn)行通信，甚至可在信號(hào)比干擾信號(hào)強(qiáng)度低得多的條件下實(shí)現(xiàn)可靠的通信。這種“去除干擾”的性能，是擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點(diǎn)之一，現(xiàn)分析如下：1) 當(dāng)接收機(jī)本地解擴(kuò)碼與收到的信息碼完全一致時(shí)，所需要的信號(hào)恢復(fù)到未擴(kuò)頻前的原始帶寬，而其他任何不匹配的干擾信號(hào)被接收機(jī)擴(kuò)

23、散到更寬的頻帶，從而使落入到信息帶寬范圍的干擾強(qiáng)度被大大降低了，當(dāng)通過(guò)窄帶濾波器時(shí)，就全部抑制了濾波器的帶外干擾信號(hào)。2）擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能，取決于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)與噪聲功率的壓縮和擴(kuò)展處理的比值，該處理增益越大，則系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)。例如，處理增益為30db，則接收機(jī)可在1520db的信噪比下提取信號(hào)，除去內(nèi)部損耗約2db外，接收機(jī)還能在干擾信號(hào)比有用信號(hào)強(qiáng)18db的條件下，仍有不小于10db的工作信噪比，既有10db的余量做信號(hào)解調(diào)，進(jìn)行正常通信。3）系統(tǒng)對(duì)高斯白噪聲干擾、正弦波干擾、鄰碼干擾以及脈沖干擾均有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)多徑效應(yīng)的影響不敏感。對(duì)正弦波干擾有獨(dú)特的抵抗能力，這對(duì)于電子對(duì)抗

24、是十分有利的。當(dāng)然，在接收端一般采用相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法提取信號(hào)。此外，對(duì)于單頻及多頻載波信號(hào)的干擾、其他偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的干擾以及脈沖正弦信號(hào)的干擾等，擴(kuò)頻系統(tǒng)都有抑制干擾提高輸出信噪比的作用。特別是對(duì)抗敵人人為干擾方面，效果更是突出，這也是在軍事通信領(lǐng)域率先廣泛應(yīng)用的主要原因。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果信號(hào)帶寬展寬10倍，干擾方面需要在更寬的頻帶進(jìn)行干擾，分散了干擾功率。在總功率不變的條件下，其干擾強(qiáng)度只有原來(lái)的1/10。要保持原有的干擾強(qiáng)度，必須加大10倍總功率，這在實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)條件下有時(shí)是很難實(shí)現(xiàn)的。另外，由于在接收端采用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，即使采用同類型信號(hào)進(jìn)行干擾，如果不能檢測(cè)出有用信號(hào)的

25、碼序列，由于不同碼序列之間的相關(guān)性，干擾也起不了太大的作用?？梢哉f(shuō)，抗干擾性是擴(kuò)頻通信最突出的優(yōu)點(diǎn)。2 隱蔽性好由于擴(kuò)頻信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，單位頻帶內(nèi)的功率很小，即信號(hào)的功率譜密度很低，所以應(yīng)用擴(kuò)頻碼序列擴(kuò)展頻譜的直序擴(kuò)頻系統(tǒng)，可在信道噪聲和熱噪聲的背景下以很低的信號(hào)功率譜密度上通信。信號(hào)既然被淹沒在噪聲里，敵方就很難發(fā)現(xiàn)有信號(hào)的存在，想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)就更困難了。因此，擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的被截獲概率，這在軍事通信上是十分有用的，可以進(jìn)行隱蔽通信。再者，由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度，對(duì)目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。近年來(lái)在民用通信上，各國(guó)都在研究和在原有窄帶通信的頻帶內(nèi)同時(shí)

26、進(jìn)行擴(kuò)頻通信，大大提高了頻帶利用率。特別是對(duì)于一些信息的通信服務(wù)，如個(gè)人通信服務(wù)，采用擴(kuò)頻碼分多址方式時(shí)，理論和實(shí)踐證明，不需要分配另外的頻段即可實(shí)現(xiàn)，因而引起了廣泛的重視。3 實(shí)現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性，但是卻付出了占用頻帶寬的代價(jià)。如果讓許多用戶共同使用這一寬頻帶，可大大提高頻帶利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶不同碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)。這樣，在一個(gè)寬頻帶上，許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而不相互干擾，這與利用頻帶分割或時(shí)間分割方法實(shí)現(xiàn)多址通信的概念相類似，即用不同的碼型進(jìn)行分割，所以稱

27、為碼分多址（cdma）。碼分多址方式雖然要占用較寬的頻帶，但是平均到每個(gè)用戶占用的頻帶來(lái)計(jì)算，其頻帶利用率是很高的。最近的研究表明，在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信中，采用擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)可以提高容量20倍，除此之外，采用碼分多址，還有利于組網(wǎng)、選址、增加保密性、解決新用戶隨時(shí)入網(wǎng)等問題。4抗多徑干擾在無(wú)線電通信的各個(gè)頻段，即短波、超短波、微波和光纖通信的光波中大量存在各種類型的多徑干擾。長(zhǎng)期以來(lái)，抗多徑干擾問題始終是一個(gè)難以解決的問題之一。一般的方法是排除干擾或變害為利。前者是設(shè)法把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來(lái)，排除其他路徑的干擾信號(hào)，這就是采用分集技術(shù)的基本思路。后者是設(shè)法把不同路徑來(lái)的延時(shí)的信號(hào)在接收端從時(shí)

28、間上對(duì)齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)，這就是采用梳狀濾波器的基本思路。這兩種基本方法在擴(kuò)頻通信中都是很容易實(shí)現(xiàn)的，可以利用擴(kuò)頻碼序列之間的相關(guān)性，在接收端用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加合成。另外，在跳頻通信系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。因此，在目前民用數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信及部分軍事通信設(shè)備中經(jīng)常采用簡(jiǎn)單的跳頻技術(shù)作為抗多徑干擾的一種手段。5 能精確地定時(shí)和測(cè)距電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速，如果能夠精確測(cè)量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播的時(shí)間，也就等于測(cè)量出了兩個(gè)物體之間的距離。在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜

29、很寬，意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)在被物體反射回來(lái)后在接收端調(diào)出擴(kuò)頻序列，比較收發(fā)兩端兩個(gè)碼序列的相位之差，就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，算出兩者之間的距離。測(cè)量的精確度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，精度越高。目前廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)也就是利用擴(kuò)頻信號(hào)的這一特點(diǎn)來(lái)精確定位和定時(shí)的。第二章 直擴(kuò)系統(tǒng)性能分析21 擴(kuò)展頻譜通信的基本概念頻譜是電信號(hào)的頻域描述。運(yùn)載各種信息(如語(yǔ)音，圖象，壓強(qiáng)，溫度，數(shù)據(jù)等)的信號(hào)一般都是以時(shí)域來(lái)表示，即表示為一個(gè)時(shí)間函數(shù)f(t)。信號(hào)的時(shí)域表示式f(t)可以用付里葉變換得到表示式f()。頻域

30、和時(shí)域的關(guān)系由下式確定。 (2.1)式中2f。函數(shù)f(t)的付氏變換存在的充分條件是必須為有限值。有相當(dāng)一些f(t)，其付氏變換并不存在，可以把付氏變換推廣為拉氏變換。這時(shí)信號(hào)頻域和時(shí)域關(guān)系式為 (2.2)式中變量。在頻域中觀察和分析擴(kuò)展頻譜信號(hào)，將帶來(lái)一定的方便。圖2.1 擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)模型(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)以直接序列擴(kuò)展頻譜通信為例，來(lái)研究其原理。它的一般方框圖如圖2.1所示，圖2.1(a)是它的發(fā)射系統(tǒng)。2.1(b)是它的接收系統(tǒng)。信源產(chǎn)生的信息流an通過(guò)編碼器輸出二進(jìn)制碼流d(u,t)，其中u用以表示隨機(jī)變量。二進(jìn)制碼流中所含的兩個(gè)符號(hào)的先驗(yàn)概率相同，均為1/2，且兩個(gè)符

31、號(hào)相互獨(dú)立，其波形圖如圖2.2(a)所示，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)d(u,t)與一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽隨機(jī)碼c(u,t) 波形(如圖2.2(b)所示，偽隨機(jī)碼為m序列)相乘，得到如圖2.2(c)所示的復(fù)合信號(hào)d(u,t)c(u,t)。一般偽隨機(jī)碼的速率是mbps的量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾百mbps。目前國(guó)外已有1000mbps的超高速偽隨機(jī)碼。而待傳信息流an經(jīng)編碼后的速率較低，如數(shù)字話音信號(hào)一般為3264kbps，經(jīng)擴(kuò)頻之后，信息速率被擴(kuò)展。擴(kuò)頻后的d(u,t)c(u,t)復(fù)合信號(hào)對(duì)載波調(diào)制(直接序列擴(kuò)頻一般用psk調(diào)制)后，通過(guò)發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸。發(fā)射機(jī)輸出的擴(kuò)頻信號(hào)用s(u,t)表示，見圖2.2

32、(d)所示，而s(u,t)的射頻帶寬取決于偽隨機(jī)碼c(u,t)的碼速率。在psk情況下是等于偽隨機(jī)碼速率的2倍，而與數(shù)字信息流的碼速率幾乎無(wú)關(guān)。以上處理過(guò)程就達(dá)到了擴(kuò)展數(shù)字信息流頻譜的目的。在接收端用一個(gè)和發(fā)射端同步的偽隨機(jī)碼所調(diào)制的本地信號(hào)與接收到的s(u,t) 進(jìn)行相關(guān)處理 。相關(guān)處理是將兩個(gè)信號(hào)相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望(均值)，或求兩個(gè)信號(hào)瞬間時(shí)值相乘的積分。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全相同時(shí)(或相關(guān)性很好)，得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)器恢復(fù)發(fā)射端的信號(hào)為d，(u,t)。圖2.2 理想擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)波形從擴(kuò)展頻譜信號(hào)中恢復(fù)基帶信號(hào)d(u,t)，是利用了下列兩個(gè)基本關(guān)系式即d(u,t)c(u,t)c*(

33、u,t)=d(u,t) (2.3)其中：d(u,t)c(u,t)是接收到的擴(kuò)頻信號(hào)，c*(u,t)是本地?cái)U(kuò)頻碼信號(hào)，它與c(u,t)共軛。若用序列邏輯運(yùn)算，可表示為 (2.4)上兩式中利用了模二加法的以下兩個(gè)性質(zhì)： (2.5) (2.6)關(guān)系式(2.3)和(2.4)是很重要的，它是數(shù)字通信中采用偽隨機(jī)碼實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻技術(shù)的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)?，F(xiàn)代擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，發(fā)射增加了一個(gè)高速率的偽隨機(jī)碼，并與數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)波形相乘，接收端增加一個(gè)本地?cái)U(kuò)頻碼，與接收到的信號(hào)進(jìn)行一次相關(guān)解擴(kuò)。經(jīng)過(guò)這些處理，擴(kuò)頻系統(tǒng)就比常規(guī)的通信系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。此外還具有信息隱蔽、低

34、的空間無(wú)線電波“通量密度”及多址保密通信等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)頻技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)基于以下理論。首先，擴(kuò)展頻譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用香農(nóng)(ceshannon)信道容量公式來(lái)描述。 （2.7）該公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比s/n下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬b的辦法來(lái)保持信道容量c不變。對(duì)于任意給定的信噪比，可以用增大傳輸帶寬來(lái)獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同的信噪比條件下，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。其次，香農(nóng)又指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的

35、最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜為 (2.8)它的自相關(guān)函數(shù)為 (2.9)其中：，為時(shí)延， (2.10)白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)的特點(diǎn)，說(shuō)明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對(duì)白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制至今仍存在著許多技術(shù)困難。然而人們已經(jīng)找到了一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽隨機(jī)序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性逼近于高斯白噪聲統(tǒng)計(jì)特性。設(shè)某種偽隨機(jī)序列周期為p，且碼元都是二元域1，-1上的元，一個(gè)周期為p，碼元為x的偽隨機(jī)二元序列x的歸一化自相關(guān)函數(shù)為 (2.11)式中：j=0，1，2，3，p-1。當(dāng)偽隨機(jī)序列碼長(zhǎng)p取足夠長(zhǎng)或時(shí)，式(2.11)可簡(jiǎn)化

36、為 (2.12)比較式(2.9)和式(2.12)，可看出它們比較接近，當(dāng)碼長(zhǎng)p足夠長(zhǎng)時(shí)，式(2.12)就逼近式(2.9)。故偽隨機(jī)碼具有和白噪聲相類似的統(tǒng)計(jì)特性，也就是說(shuō)它逼近高斯信道要求的最佳信號(hào)形式，所以用偽隨機(jī)碼擴(kuò)展待傳基帶信號(hào)頻譜的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，優(yōu)于常規(guī)通信體制。最后，早在50年代，哈爾凱維奇就從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。擴(kuò)頻偽碼具有逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信又具有抗多徑干擾的能力。2.2擴(kuò)頻通信的抗干擾能力及抗多徑干擾能力2.2.1擴(kuò)頻通信的抗干擾能力擴(kuò)頻通信在理想傳輸信道的情況下，能準(zhǔn)確解調(diào)傳送的信

37、息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。實(shí)際上，任何傳輸信道都不可避免地存在噪聲、干擾。對(duì)于一般的通信系統(tǒng)，常把信道模型簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)的加性高斯白噪聲（awgn）。多數(shù)情況下，信道干擾不是平穩(wěn)的awgn,因此，在擴(kuò)頻系統(tǒng)中應(yīng)用了對(duì)于這種干擾具有很強(qiáng)抵抗能力的調(diào)制解調(diào)技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)，研究在有噪聲干擾情況下的通信特性，即擴(kuò)頻通信抗干擾能力。擴(kuò)頻通信抗干擾能力的兩個(gè)重要的參數(shù)為處理增益和干擾門限。處理增益是表明一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力的參數(shù)，在任何信息處理系統(tǒng)中，如果其輸入、輸出信噪比分別為和，則處理增益定義為 或-10log （2.13）對(duì)于不同的擴(kuò)頻方式還有更直觀的參數(shù)表示，處理增益也可以用較直觀的帶寬來(lái)表示，即=擴(kuò)頻頻

38、譜后的帶寬/擴(kuò)展頻譜前的帶寬=擴(kuò)展頻譜帶寬/信息帶寬若信息數(shù)據(jù)d(t)的碼元寬度為t，截止頻率（=1/t），頻譜帶寬為()，數(shù)據(jù)速率(),其功率譜密度主要分布在（-，）的頻帶內(nèi)；擴(kuò)頻碼序列的碼元寬度為,截止頻率（）,頻譜寬度為，編碼速率,其功率譜密度主要分布在（-，）的頻帶內(nèi)。這樣基帶帶寬和擴(kuò)頻（射頻）帶寬有如下的關(guān)系： （2.14）為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)頻增益，其值等于擴(kuò)頻序列的碼長(zhǎng)n?？芍獢U(kuò)頻系列的碼長(zhǎng)n越大，碼元寬度越小，編碼速率越大，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益也越大。 在實(shí)際中，器件的非線性以及碼元跟蹤誤差會(huì)導(dǎo)致信噪比損失，且在輸入信噪比很低時(shí)存在門限效益，把實(shí)際允許的輸入干擾電平稱為“干擾門限

39、”，而實(shí)際上輸入干擾與信號(hào)功率之比較干擾門限還要低。所以在擴(kuò)頻接收機(jī)的研制中，常使干擾門限在1db。2.2.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗多徑干擾的能力多徑干擾屬于乘性干擾，它在衛(wèi)星通信、散射通信、移動(dòng)通信、飛機(jī)與衛(wèi)星通信中均產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的后果。國(guó)外在60年代研究了雷德(rada)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)沒有成功，其原因之一就是遇到多徑干擾的問題。圖2.4 t時(shí)多徑傳輸信號(hào)示意圖多徑干擾是由于電波傳播過(guò)程中，遇到各種反射體(如電離層、對(duì)流層、高山和建筑物等)引起反射和散射，在接收端收到的直接路徑信號(hào)與這些群反射信號(hào)之間的隨機(jī)干涉形成的，如圖2.3所示。由于多徑干擾信號(hào)的頻率選擇性衰落和路徑引起的傳播時(shí)延，使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重

40、的失真和波形展寬，并導(dǎo)致信息波形重疊，使通信系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的誤碼。圖2.3多徑傳輸示意圖下面討論常規(guī)通信體制中多徑傳輸現(xiàn)象對(duì)信號(hào)接收的影響。首先研究的情況。其中是各路徑射束間最大時(shí)延，t是信號(hào)每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間(碼元寬度)。由圖2.4可見，如果僅僅利用t1-t2 這段信號(hào)來(lái)作第一碼元，用t3-t4這段信號(hào)來(lái)作為第二碼元，則多射束傳輸將導(dǎo)致平滑衰落(即信號(hào)各頻率分量都受到相同的衰落)。受衰落的信號(hào)幅度服從瑞利分布或廣義瑞利分布，而相位在(0，)內(nèi)均勻分布。此時(shí)有用信號(hào)能量減少了倍，因而錯(cuò)誤接收的概率要增大。為使錯(cuò)誤概率不超過(guò)某個(gè)規(guī)定值，就應(yīng)提高信號(hào)碼元的能量，也就是要提高信號(hào)的功率，當(dāng)傳輸速率提高

41、時(shí)，更需進(jìn)一步增加信號(hào)的功率。若傳輸速率提高到使t與接近時(shí)，上述方法也難于實(shí)現(xiàn)了。在t時(shí)，可采用多進(jìn)制編碼法來(lái)克服衰落。即原來(lái)的二進(jìn)制信號(hào)s1(t)和s2(t)各自延遲n位碼元，使s1(t)和s2(t)的持續(xù)期都等于nt，如果適當(dāng)選擇n，使nt，則可領(lǐng)先時(shí)間和頻率選擇性的組合，把延時(shí)大于t的各射束抑制掉。從而減輕了多徑衰落的程度。這些克服多徑衰落的方法，在傳輸速率很高時(shí)，如幾十兆比特便無(wú)效果了，還有人提出從多個(gè)射束中選出其中最強(qiáng)的一個(gè)，同時(shí)把其他射束抑制掉。選出最強(qiáng)射束的方法，可采用強(qiáng)方向性且具有自動(dòng)高速位置能力的天線，或自適應(yīng)調(diào)零天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法在電離層、對(duì)流層散射通信中有一定的效果，但

42、實(shí)現(xiàn)方向性自動(dòng)調(diào)整，在技術(shù)上比較復(fù)雜，成本較高。所以多徑衰落在常規(guī)通信體制中是一個(gè)難于圓滿解決的問題。若能使多徑信號(hào)在接收點(diǎn)互相獨(dú)立，即做到多射束相互間完全獨(dú)立，就可得到幾乎無(wú)衰落的接收。由于擴(kuò)頻碼具有優(yōu)良的相關(guān)性能，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中多徑信號(hào)的接收點(diǎn)，延時(shí)大于一個(gè)碼片的多徑信號(hào)與直射信號(hào)就是相互獨(dú)立的，因此擴(kuò)頻系統(tǒng)具有良好的抗多徑能力。2.3 擴(kuò)頻通信的多址能力及數(shù)據(jù)傳輸能力在擴(kuò)頻通信中，如果使用很寬頻帶僅傳送很窄的一路數(shù)據(jù)信息，頻帶利用率就非常低，這是在通信中所不希望看到的，如何提高頻譜的利用率是一個(gè)亟待解決的問題。對(duì)于擴(kuò)頻通信來(lái)說(shuō)，提高頻帶利用率，就必須提高擴(kuò)頻通信的多址能力，或者提高擴(kuò)頻

43、通信的數(shù)據(jù)傳輸能力。2.3.1 擴(kuò)頻通信的多址能力多址技術(shù)指的是眾多用戶如何共享傳輸媒體，而各自的信號(hào)又能準(zhǔn)確地送給各自的用戶，它是空中接口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。一個(gè)無(wú)線電信號(hào)可以用若干個(gè)參量來(lái)表征，其中最基本的就是射頻頻率、信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間、信號(hào)出現(xiàn)的空間、信號(hào)的碼型、信號(hào)的波形等。按照這些參量的分割，可以實(shí)現(xiàn)的多址方式有頻分多址（fdma）、時(shí)分多址（tdma）、碼分多址（cdma）、空分多址（sdma）、正交頻分多址（ofdma）等。fdma是把系統(tǒng)中的寬頻帶分成若干個(gè)窄的子頻帶，每個(gè)子頻帶再分配給每個(gè)用戶，即在fdma系統(tǒng)中，所有的用戶同時(shí)發(fā)射各自占用一個(gè)窄的子頻帶；tdma是把每個(gè)頻分信道再分成

44、若干時(shí)隙，把每個(gè)時(shí)隙分配各每個(gè)用戶。cdma給每個(gè)用戶分配了一個(gè)偽隨機(jī)碼，該碼具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)能力，偽隨機(jī)碼的速率比用戶信號(hào)速率高得多。發(fā)送端為偽隨機(jī)碼把用戶信號(hào)變換成寬帶擴(kuò)展頻譜信號(hào)（簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻信號(hào)）。接收端信號(hào)接收機(jī)用相同的偽隨機(jī)序列把用戶的信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的用戶信息帶寬，被用戶接收。其他的用戶的帶寬仍是寬帶信號(hào)，因而不能接收，這樣使各用戶之間的擴(kuò)頻編碼彼此互相影響極小，能在同一寬頻內(nèi)互不干擾地發(fā)送和接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)多址傳輸。2.3.2 擴(kuò)頻通信的數(shù)據(jù)傳輸能力數(shù)據(jù)傳輸能力是指在給定某一通信方式下，單位時(shí)間能傳送的信息數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)，也就是信息的數(shù)據(jù)速率。不同的調(diào)制方式、不同調(diào)制狀態(tài)數(shù)有不同的信

45、息數(shù)據(jù)傳輸能力，也有不同的誤碼率。目前的通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)多給每個(gè)通信用戶分配一個(gè)擴(kuò)頻碼（擴(kuò)頻碼地址）使用，擴(kuò)頻地址碼的正相狀態(tài)c(t)與信息數(shù)據(jù)d（t）=+1相對(duì)應(yīng)： d(t) c(t)=c(t),而擴(kuò)頻地址碼的反相狀態(tài)-c（t）與信息數(shù)據(jù)d（t）=-1相對(duì)應(yīng)： d(t) c(t)=-c(t)，因此通信用戶傳送信息數(shù)據(jù)d（t）實(shí)際上是傳送擴(kuò)頻碼的相應(yīng)狀態(tài)，傳送兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)正好傳送了一個(gè)比特。第三章 擴(kuò)頻偽隨機(jī)序列具有良好偽隨機(jī)特性和相關(guān)特性的擴(kuò)頻編碼對(duì)于擴(kuò)頻通信的應(yīng)用是非常重要的，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，抗干擾、抗截獲、信息數(shù)據(jù)隱蔽和保密、抗多徑干擾和抗衰落、多址通信、實(shí)現(xiàn)同步

46、與捕獲等都是與擴(kuò)頻編碼的設(shè)計(jì)密切相關(guān)的。這些編碼被稱為擴(kuò)頻編碼。能滿足上述要求的擴(kuò)頻編碼應(yīng)具有如下理想特性：（1）有尖銳的自相關(guān)特性；（2）有處處為零的互相關(guān)值；（3）不同碼元數(shù)平衡相等；（4）有足夠多的編碼；（5）有盡可能大的復(fù)雜度。然而，上述理想特性是目前任何編碼所不能達(dá)到的。1976年l. r. welch推導(dǎo)出一個(gè)序列集最大的自相關(guān)和互相關(guān)低限，是擴(kuò)頻編碼設(shè)計(jì)中努力去達(dá)到的目標(biāo)。將具有尖銳自相關(guān)和幾乎為零的互相關(guān)特性的碼稱作序列，因此，擴(kuò)頻編碼被稱作擴(kuò)頻序列。基本符合擴(kuò)頻序列理想特性的是偽隨機(jī)序列（或偽隨機(jī)編碼），最簡(jiǎn)單、最常用的是m序列。m序列有尖銳的自相關(guān)特性，有較小的互相關(guān)值，碼

47、元平衡，但序列數(shù)目不多，序列復(fù)雜度不大。1976年r. gold提出了新的一類序列：gold序列，它的自相關(guān)旁瓣值和互相關(guān)值與m序列的互相關(guān)值一樣，序列數(shù)目大大增加，序列復(fù)雜度也略有改善，是又一重要的擴(kuò)頻序列。在代數(shù)編碼中，m序列、gold序列都是線性序列，已經(jīng)證明，它們的序列復(fù)雜度不高。要充分體現(xiàn)和發(fā)揮擴(kuò)頻通信的隱蔽和保密功能，需要使用有盡量高復(fù)雜度的序列。過(guò)去，用很長(zhǎng)周期的線性序列的短截序列（較短周期）來(lái)作擴(kuò)頻序列，短截序列不到序列的一個(gè)周期，有比周期序列更高的復(fù)雜度，可是，短截序列的相關(guān)特性都比周期序列差，只有通過(guò)精心選擇和運(yùn)算才能在擴(kuò)頻通信中使用。非線性理論的研究和發(fā)展，造成非線性擴(kuò)頻

48、序列的問世。80年代提出的非線性擴(kuò)頻序列，如bent序列、gmw序列、no序列等，都有較好的相關(guān)特性，又有非常大的序列復(fù)雜度，對(duì)擴(kuò)頻通信有極大的意義和作用。本章中，首先介紹移位寄存器序列和它的相關(guān)特性，隨后，介紹移位寄存器以及m序列。3.1 移位寄存器序列目前，幾乎所有的擴(kuò)頻序列都用移位寄存器來(lái)產(chǎn)生，因?yàn)樗苡煤?jiǎn)單的硬件來(lái)產(chǎn)生極長(zhǎng)的序列。移位寄存器產(chǎn)生的序列，有線性反饋結(jié)構(gòu)、非線性反饋結(jié)構(gòu)和非線性前饋結(jié)構(gòu)方式。線性反饋移位寄存器是在17世紀(jì)提出來(lái)的線性遞歸概念的基礎(chǔ)上，由gilbent于1953年首先提出用于產(chǎn)生最大長(zhǎng)度序列。 1 2 3 4 5 6移位時(shí)鐘序列輸出模2相加器圖3.1 移位寄存

49、器序列生成器移位寄存器生成的序列，這里主要研究由線性反饋移位寄存器生成的0、1二值序列，其相應(yīng)的信號(hào)波形為（+1，-1）的矩形波，圖3.1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器序列生成器，它由模二相加器和反饋線路組成。其中模二相加器是按0+0=1+1=0、1+0=0+1=1的運(yùn)算法則進(jìn)行，如果相加項(xiàng)項(xiàng)數(shù)超過(guò)2，可按該法則兩兩相加處理，得到最后的相加輸出。移位寄存器是由外部時(shí)鐘控制，來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖移位一次，同時(shí)相加反饋一次。假定移位寄存器的初始狀態(tài)為：1、2、3、4、5寄存器為“0”；6寄存器為“1”。當(dāng)一個(gè)移位時(shí)鐘作用時(shí)，6寄存器的“1”移出（輸出），并送給模二相加器，與5寄存器送來(lái)的“0”相加為“1”，

50、反饋送入1寄存器寄存。這樣，輸出“1”，移位寄存器狀態(tài)由原來(lái)的000001變?yōu)?00000。當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖時(shí)鐘作用時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程。在連續(xù)不斷的時(shí)鐘作用下，不斷進(jìn)行上述的移位相加過(guò)程，從寄存器6將輸出如下的序列：100000 100001 100010 100111 101000 111001 001011 011101 100110 10101111（3.1）這個(gè)序列長(zhǎng)63位，到第64位又開始重復(fù)。線性反饋移位寄存器的一般形式如圖3.2所示，設(shè)有1、2、3n個(gè)移位寄存器，它們的狀態(tài)為，經(jīng)相乘后模二相加，再反饋。這里，僅取值為0或1，其乘法規(guī)則是00=01=0；11=1。實(shí)際上，為0表示斷開不通

51、；為1表示閉合連接，可傳送數(shù)據(jù)。因此，這個(gè)移位寄存器的反饋函數(shù)是： 這個(gè)移位寄存器稱為n階移位寄存器。一個(gè)移位寄存器生成的序列叫移位寄存器序列，該序列與移位寄存器階數(shù)n、反饋函數(shù)和移位寄存器初始狀態(tài)，有關(guān)。移位寄存器序列有最大長(zhǎng)度序列、非最大長(zhǎng)度序列兩類。如果一個(gè)移位寄存器是n階移位寄存器，產(chǎn)生的序列長(zhǎng)度為（即序列周期為），是最長(zhǎng)的。也就是說(shuō)，該移位寄存器產(chǎn)生的序列是最大長(zhǎng)度序列；否則，是非最大長(zhǎng)度序列。移位寄存器給定后，是否能產(chǎn)生最大長(zhǎng)度序列，取決于反饋函數(shù)，而生成非最大長(zhǎng)度序列除與反饋函數(shù)有關(guān)外，還與初始狀態(tài)密切相關(guān)。移位寄存器序列生成特性有： （1）如果移位寄存器反饋函數(shù)的系數(shù)，中有奇數(shù)

52、個(gè)不為0，則該移位寄存器序列不是最大長(zhǎng)度序列。如圖3.3所示，它可能生成6種序列，沒有一個(gè)是最大長(zhǎng)度序列。而圖3.1生成的式（3.1）的序列是最大長(zhǎng)度序列。1 2 3 41100100001011010000011110001001101111110010000101001101101101101(c) 0101.(d) 000(e) 111(a) 000111000111.(b) 001001(f) 101101.圖3.3 非最大長(zhǎng)度序列（2）如果序列、序列是由階數(shù)n的一個(gè)線性移位寄存器生成的兩個(gè)序列，那序列也是該線性移位寄存器生成的另一個(gè)序列。對(duì)于序列的模二相加器輸出（反饋輸入），有 對(duì)于

53、序列的模二相加器輸出（反饋輸入），有 則序列其模二相加器輸出應(yīng)為a(k-1) a(k-2) a(k-n)a(k)c1 c2 . cn圖3.4 線性移位寄存器狀態(tài)模型這也是與、的生成移位寄存器有相同的反饋系數(shù)，即同一線性反饋移位寄存器。線性反饋移位寄存器的狀態(tài)模型如圖3.4所示。1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6f(x) = x5 + x6f(x) = x1 + x6(a)(b)圖3.5 互為倒序的最大長(zhǎng)度序列(3)如果移位寄存器的反饋函數(shù)的系數(shù)，其它系數(shù)有不為0（一個(gè)到個(gè)），它生成的最大長(zhǎng)度序列與另一個(gè)，不為0的移位寄存器生成的最大長(zhǎng)度序列，互為倒序序列(互反序列)。圖3.5的兩個(gè)移位寄存器生成的序列就互為到序序列。圖3.5(a)的移位寄存器反饋系數(shù)，；圖3.5(b)的移位寄存器反饋系數(shù)，。它們各自生成的都是最大長(zhǎng)度序列。圖3.5(a)生成的是100000100001100010100111101000111001001011011101100110101011111；圖3.5(b)生成的是111110101011001101110110100100111000101111001010001100001000001，互為倒序。（4）如果一個(gè)最大長(zhǎng)度序列與自身序列的