（信号与信息处理专业论文）通信网络工程实验系统中dscdma的技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期：蛰竺：! ：三2 东南大学学位论文使用授权声明 件和电子文档，- - i 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，- a l 以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 黜躲避一须遂吼硷矽 些探 讨。首先介绍了d s - c d m a 的理论基础以及扩频前后功率谱的变化情况，并在 s i b f l j l i n k 环境下搭建扩频模型进行仿真，其次根据s i m u l i n k 中搭建的发射端模 块图，对每个模块原理进行分析，然后用v h d l 语言编程实现并仿真，最后再构 成整个发射系统进行总体仿真，在接收系统中，着重分析码捕获和码跟踪这两个 关键技术，然后给出实现方案，并用软件实现仿真。 由于时间和条件的限制，发射端的模块仅限于理论和软件上的实现，没有涉 及到硬件，接收系统也仅是对码捕获和码跟踪进行分析和仿真，进一步的设计仿 真以及硬件上的实现还有待进一步的完成。 关键字：扩频通信，d s c d m a ，s i m u l i n k ，码捕获，码跟踪 东南大学硕士学位论文 n a b s t r a c t r e s e a r c ho fd s c d m ai nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k e exr,rimenta。s,islengineeringe x p e r i m e n t a ls y s t e m m s c a n d i d a t e ：h uz h e n gs u p e r v i s o r ：g u ox u e l e i s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nu s e dw i d e l yi n t h ec i v i l i a na n d m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e e s p e c i a l l yw i t ht h e a d v e n to fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o na g ei nr e c e n ty e a r s ，c d m ac o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do nt h es p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g ys p r e a dr a p i d l y d s c d m aa sa t e c h n o l o g yi nt h ew - c d m ae n h a n c e sr e l i a b i l i t y , i n c r e a s e st h ec h a n n e lc a p a c i t ya n d r e a l i z e sw i r e l e s sm u r i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ke n g i n e e r i n ge x p e r i m e n ts y s t e m ( c n e e s ) i sa n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nf p g a i ti sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb yg a t h e r i n g m o d u l e sp r o g r a m m e dw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n sw i t ha n t e n n a ，a d ，d aa n do t h e r d e v i c e s i tb e n e f i t ss t u d e n t sm a j o r e di nc o m m u n i c a t i o n sa n dw o r k e r sj u s te n g a g e di n c o m m u n i c a t i 0 1 1 s f o r u n d e r s t a n d i n g o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y c o m p r e h e n s i v e l ya n d i tc a l li m p r o v ea n du p g r a d ec o n v e n i e n t l y d s c d m as y s t e mo nt h ec n e e si st o l dp a r t l y i nt h i sa r t i c l e f i r s t l yi t i n t r o d u c e st h e o r i e sa b o u td s c d m aa n dp o w e rs p e c t r u m sb e f o r ea n da f t e rs p r e a d i n g s p e c t r u m s e c o n d l yb u i l da n ds i m u l a t es p r e a d s p e c t r u m m o d e l si ns i m u l i n k t h i r d l yw ea n a l y z et h ep r i n c i p l e s ，p r o g r a ma n ds i m u l a t ee v e r ym o d e lw i t hv h d l l a n g u a g e f i n a l l yw eg a t h e rt h e ma sas y s t e ma n ds i m u l a t e i nt h er e c e i v i n gs y s t e m ，i t f o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft w ok e yt e c h n o l o g yw h i c ha r ec o d ea c q u i s i t i o na n dc o d e t r a c k i n g ，t h e ng i v et h e i rs o l u t i o n sa n dm a k e s i m u l a t i o n s d u et ot i m ea n dc o n d i t i o n s t h et r a n s m i t t e rm o d u l ei sl i m i t e dt ot h et h e o r ya n d s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，i td o e sn o ti n v o l v et h eh a r d w a r e ，a n dt h er e c e i v i n gs y s t e m o n l ym a k ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nc o d ea c q u i s i t i o na n dc o d et r a c k i n g ，s o t h e d e s i g no fs i m u l a t i o na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns h o u l db ea c c o m p l i s h e di nt h e n e x ts t a g e k e yw o r d s ：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，d s c d m a ，s i m u l i n k ，c o d e a c q u i s i t i o n ，c o d et r a c k i n g i u 东南大学硕士学位论文 i v i i i i 1 0 7 1 。l 1 1 ：! 4 4 ! ； 5 6 7 7 ； 2 3 处理增益与干扰容限1 1 2 3 1 处理增益1 l 2 3 2 干扰容限。1 2 第三章m a t l a b 仿真1 5 3 1d s - c d m a 发射系统建模仿真1 5 3 2 接收系统设计仿真1 8 第四章发射系统设计2 1 4 1 发射端模型设计。：2 l 4 2p n 序列发生器设计2 1 4 2 1p n 序列。2 1 4 2 2m 序列原理2 2 4 2 3m 序列特性2 4 4 2 4m 序列设计仿真2 5 4 3 差分编码器设计与仿真2 6 4 。4 四相载波发生器设计与仿真2 8 4 5 串并转换模块设计仿真31 4 6 发射端总体仿真3 l 第五章接收系统设计3 5 5 1 接收系统概述3 5 5 2 码捕获3 6 5 2 1 串行搜索3 6 5 2 2 固定积分时间检测3 8 5 3f p g a 码捕获的实现方案4 1 5 4 码跟踪4 3 5 4 1 相干延迟锁定跟踪环4 3 v 东南大学硕士学位论文 5 4 2 非相干延迟锁定跟踪环4 6 5 5 码跟踪环设计与仿真51 第六章总结与展望5 5 6 1 论文总结工作。5 5 6 2 论文后续工作5 5 j ( 谢5 7 参考文献5 9 研究生期间公开发表的学术论文6 3 v i 第一章绪论 课题背景及研究意义 第一章绪论 移动通信是上世纪末三大新兴通信技术( 移动通信、光纤通信、卫星通信) ，它使人类能够随时随地快速可靠地进行各种信息的交换，是一种较为理想 信方式，成为人类社会进入信息时代的重要标志，但随着通信事业的发展， 通信网的建立，使得有限的频率资源更加拥挤，相互之间的干扰越来越严重， 保证通信有效、准确、迅速地进行已经成为摆在通信科研人员面前的一个难 扩频通信【l 】1 2 】【3 】就是其中一种，它能大大提高通信系统的抗干扰性能，尤其 现c d m a 的通信系统时，更能够减轻甚至消除由于移动信道多径时延扩展 起的频率选择性衰落对数字移动通信系统性能的影响。二十一世纪是一个信 信高速发展的时代，各种新的通信技术层出不穷，高等院校通信专业的课程 也在不断更新，实验手段也随之不断地发展，因此，为了让高等院校通信专 学生以及刚迈入通信行业的初学者对扩频通信技术有一个全面的了解，设计 一个全面合理的实验系统就显的非常有必要，这样学生在对关键技术学习和掌握 后，能够在通信实验的环境中进行操作，从而能够对技术得到进一步的加强。本 文就是在这个通信实验系统下对d s c d m a 扩频系统的一些研究和设计。 1 2 扩频通信概述 1 2 1 扩频通信的定义 扩频通信的定义 2 1 n - 简单的表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式， 在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息所需的带宽； 在接收端采用相同的扩频码进行相关来解扩【4 】恢复所传的信息数据。这一定义包 含以下三个方面含义。 1 信号的频谱被展宽p 】。任何信息在传输时都有一定的频带，也就是信息带 宽，例如，人类语音的信息带宽是3 0 0 3 4 0 0 h z ，电视图像信息带宽为6 m h z ，在 常规的通信系统中为了提高频带利用率，通常采用带宽大体相当的信号来传输信 息，但是一般都是在一个数量级内，例如用调幅( 蝴) 信号来传送语音信息，带 宽是语音信息带宽的两倍，用单边带传输，它使用的带宽更小，即使是用调频或 者脉冲编码调制信号，也不过是增加了几倍的带宽。而扩频通信的信号带宽与信 东南大学硕士学位论文 息带宽的比值可以高达1 0 0 1 0 0 0 ，属于宽带通信。 2 采用扩频序列调制的方式来展宽信号频谱 由信号处理的理论可以知道，时间上有限的信号，频谱是无限的。脉冲信号 宽度越窄，其频谱就越宽。因此，如果很窄的脉冲序列被所传的信息调制，则可 以产生很宽频带的信号。这种很窄的脉冲码序列被称为扩频码序列，扩频通信也 就是通过扩频码调制的方式来实现信号频谱扩展的。扩频码序列与所传的信息数 据是无关的，也就是说它丝毫不影响信息传输的透明性，仅仅起到扩展频谱的作 用。 3 在接收端采用相干解调来解扩 由于在发送端采用了扩频码序列进行扩频后再进行调制发送，因此在接收端 必须将收到的扩频信号解扩出来，恢复所传的信息。因此，宽带通信相比较窄带 通信在接收端需要多进行一步解扩的流程。 1 2 2 扩频通信理论基础 扩频技术将要发送的信号扩展到一个很宽的频带上，然后再发送出去，系统 的射频带宽比原始信号的带宽要宽的多，这样做虽然在系统的复杂度上要高的 多，但是得到的好处也很多。 1 香农公式隐含意义 长期以来，人们为了有效地节约频带，提高频率的利用率，扩频通信似乎很 难理解，但从信息论和抗干扰理论的基本观点中能很好的得到解释。 香农在其信息论中得到的带宽和信噪比互换的关系式，也就是香农公式【3 】： c = b h a ( 1 + 尹s ( 1 1 ) 上式中c 为信道容量，也就是单位时间内信道中无差错传输的最大信息量， 单位为b s ，b 为信号频带宽度，单位为h z ，s 为信号功率，单位为w ，n 为噪 声功率，单位为w ，s n 为输入功率与噪声功率之比，称为信噪功率比，简称信 噪比。香农公式告诉我们在给定功率s 和噪声功率n 的情况下，只要采用某种 编码系统，就能以任意小的差错概率接近于c 的信息传输速率来传送信息。另 外还提示我们，当信息传送速率保持不变时，频带宽度和信噪比之间是互相交换 的。也就是说，如果增加信号带宽，就可以在信噪比很低的条件下使用任意小的 差错概率传输信息，甚至可以在被噪声淹没的情况下传输。 2 潜在抗干扰理论 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰理论【2 】中有关于信息传输差错概率的公式为： e 厂( 习 ( 1 2 ) 第一章绪论 上瓦甲r e 是差错儆翠，e 是信号驼重，n o 是嗓户切举睹苗厦。 根据式( 1 2 ) ，我们假设信息持续时间为t ，则信息带宽吃= ；，信号功率 s = 7 e ，另外假设扩频后的带宽为b ，则噪声功率= 以。召，所以可以得到 乞厂( 詈= 厂唔。毒 ( 1 3 ) 由上式( 1 3 ) 可以看错，差错概率是输入信号与噪声功率之比( 熹) 和信号带 宽与信息带宽之比( 若) 二者乘积的函数，信噪比和带宽是可以互换的。因此， 用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。例如，从下面的一个例子就可以明 显看出带宽与信噪比之间的互换。 图1 1 表示的是一个理想带通编码系统框图。 瓢三 d 至1 啦一黜7 图1 1 理想带通系统原理框图 假定输入信号速率为r ，经过编码调制后的带宽是b ，则到达解调器的传输速 率为r = 曰h 1 ( 1 + 争，式中墨为解调器输入信号功率，m 为解调器输入噪声功率。 解调器把带宽为b 的信号解调为速率为r ，的信息，带宽为如，输入的信号速率 为咒= l i l ( 1 + 争，式中，只为解调器输入信号功率，d 为解调器输入噪声 功率。 由于解诃前后信息速率不变，令r = r ，得到 讪( 1 + 抄驰( 1 + 却 ( 1 4 ) 当输入信噪比墨m 1 ，输出信噪比o l 时，上式可得到 爱铝c 妒 n 5 ， 东南大学硕士学位论文 数规律增加，带宽的增加能明显提高系统的输入信噪比，使系统的性能得到提高。 1 2 3 扩频通信的特点 1 抗干扰性强。一般的扩频系统都有抑制干扰提高输出信噪比的作用。我们 知道一般的扩频系统在发送端均用一高速p n 码序列来调制基带信号以实现扩 频。p n 码都具有一个十分尖锐的自相关峰，但不同p n 码间相关性一般很差， 并不显示出十分突出的互相关峰，因而它具有类似白噪声的统计特性。在接收端 一般采用相关接收和匹配滤波的方法，即用一个与发射方相同且同步的本地高速 p n 码对接收到的信号进行相关解扩，把接收端的有用宽带信号压缩为基带信号， 使信号功率升高，而将不相关的其他信号的带宽进一步拉宽，使干扰电平进一步 降低，例如干扰和噪声等，再用窄带滤波器对准相关后的基带信号进行滤波，则 输出端除含有极少部分干扰和噪声外，主要就是有用信号了。许多人为和非人为 的干扰都被扩频接收机当作噪声处理掉了，除非这些干扰在被接收端的p n 码扩 频以后的功率谱密度仍高于有用基带信号的功率谱密度，但这实现起来非常困 难。即使是采用相同类型的信号进行干扰，如果不能截获到有用信号所含的p n 码序列，干扰也起不了多大的作用，因为p n 码序列间的互相关性很弱，所以说 抗干扰性强是扩频通信最突出的优点。 2 隐蔽性好。这也是由于扩频系统在发送端以码序列来调制基带信号，实现 了频谱扩展的结果。因为经过扩频的信号分布在很宽的频带上，所以单位频带内 的功率就很小，即信号的功率谱密度很低。信号就可以在有信道噪声的背景下进 行传输，既然信号被噪声淹没那么敌方就不易发现信号的存在检测到了信号的存 在了。另外在无p n 码的先验知识的条件下，要对信号进行拦截也将变的困难， 因此扩频信号具有很低的截获概率。当然扩频系统还具有其他诸多优点，例如码 分多址、抗多径干扰、精确地定时和定位等，都已经获得了非常广泛的应用。 1 2 4 扩频通信的应用领域和现状 军事通信和民用通信是扩频技术应用的主要领域。回顾扩频技术发展的历史 可以看到国外自4 0 年代末期就已开始了扩频通信的研究。随着通信技术的发展 和新型器件的出现，特别是电子战的出现促使各国军方加强了对这种兼具诸多优 点的抗干扰通信方式的研究。到8 0 年代它已在各种战略战术、通信跟踪、导航 测距、雷达测控等诸多领域中得到广泛应用，成为抗干扰通信的技术理论和支柱。 美军早在8 0 年代初的第一次军事通信会议上就已展示了这种通信在其军事通信 中的主导地位，9 0 年代初期以来扩频通信在民用通信中的发展愈来愈受到人们 的重视。在现阶段扩频主要有两种形式跳频( f h ) 和直接序列( d s ) 扩频。f i - i 和 4 第一章绪论 d s 具有完全不同的抗干扰机理。前者采取的是躲避策略，即载有信息的载频在 某一频率集内随机跳变使侦察干扰机无法进行跟踪；后者采用的是隐蔽策略，即 通过扩频把d s 信号的功率谱密度降低直至被噪声所淹没，使侦察干扰机无法检 测并截获到d s 信号。 扩频通信的许多技术问题一直是众所关注的热门问题。扩频通信向民用通信 领域发展来势之猛也是人们所未料及的。本文认为主要是三方面的原因。首先是 国际形势的变化使各国从事扩频通信的研发部门和工业企业纷纷转入民用方面 以寻求出路。其次是无线革命的兴起。数字蜂窝移动通信、个人通信、无绳电话、 室内无线通信等新兴通信方式要求采用能节省频带的技术。最后是市场的推动。 扩频通信在在民用通信中的应用和发展主要包括数字蜂窝移动通信、个人通信 网、有线通信网、备用系统与无线城市、烟火匪警等报警及公安隐蔽通信、证券 交易所通信与体育竞赛通信、数字立体声广播与业余无线电通信等，可以说经过 几十年的努力，扩频通信已日趋成熟，扩频通信的发展和应用正方兴未艾。 从扩频通信的应用和发展中我们可以清楚地看到其发展趋势与限制。可以 说，9 0 年代是通信的时代。无线通信革命正在蓬勃兴起，无论在军事或民用方 面，扩频通信都大有用武之地，技术将进一步成熟，应用将更为广泛。目前已能 提供v l s i 及低功率的发射器件使扩频设备可以做到体积小、重量轻、价格低， 它将成为未来无线城市的基本手段，包括p c n 这样的个人通信，无线p b x 这样 的商务通信以及无线i s d n 等。扩频通信受到的限制主要来自技术方面，因而是 能逐步克服的对d s 的限制在于用很高的p n 码速率进行扩频调制，但目前采用 的c m o s 器件达到的最大码片率为7 0 m c h i p s s ，若采用砷化镓f e t 器件则可高 达2 g c h i p s s 。对f h 的限制在于频率合成器高速的转换而又无杂波产生。现在的 数字控制振荡器是可以产生这样的信号，可以在2 0 m h z 带宽内使跳频速率高达 1 m 跳秒。最后一个限制为应用，即究竟能有多少用户重叠在同一频带上，因为 用户重叠越多信噪比就会越下降，差错概率就会增加。所以应通过分配频带或制 定法规来提高频带利用率，无庸置疑扩展频谱系统将会在克服这些限制的过程中 不断向前发展。 1 3 课题研究内容与结构 1 3 1 论文主要工作 论文研究的主要内容可分为以下几个方面：第一，介绍d s c d m a 扩频原理 并分析了扩频前后的频谱变化，进而说明扩频的优点。第二，在m a t l a b 中搭 建扩频发射系统【6 1 和接收系统的相关模型，仿真后观察扩频前后的频谱变化，与 东南大学硕士学位论文 理论进行验证，同时将发射体统与接收系统相连后将扩频后的信号进行恢复。第 三，根据m a t l a b 中搭建的扩频系统的发射端模型，用v h d l 硬件语言编写实 现，文中对每个需要的模块逐个进行了原理分析和设计，并通过q u a r t u si i 进行 了仿真实现，主要的几个模块有p n 码产生器【”、差分编码器、四载波信号发生 器和串并转换模块。第四，在接收系统中，着重分析了扩频接收系统中两个关键 技术，也就是码捕获【8 】和码跟踪技术【9 】在原理基础上给出了实现方案，并简单 的进行了仿真。 1 3 2 论文的组织结构 本文共六章，内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍扩频通信的概念、含义以及理论基础，同时说明了 扩频通信中的频谱变化，进而给出了一般的通信系统不具有的相关优点，然后给 出了扩频通信的应用领域和现状，最后阐述了课题研究的主要内容进行了总结。 第二章比较系统地介绍了d s c d m a 系统的工作原理【l 们，用公式推导的形 式逐步给出了每次进行处理后所进行的变化，并对相关的频谱变化进行了说明， 最后给出了扩频通信中两个重要指标一处理增益与干扰容限。 第三章是在前面的理论的基础上，在m a t l a b 中对d s c d m a 系统进行简 单的建模仿真，验证建立的模型的有效性，在仿真中，可在模块的任意位置加入 示波器模块或者频谱仪模块进行信号的跟踪。 第四章主要是对整个d s c d m a 发射端系统的设计以及仿真。在本章中，根 据m a t l a b 中建立的模型中各个模块，逐个进行原理说明并进行设计仿真，主 要包括p n 码产生器【】、差分编码器【1 2 】、四载波信号发生器和串并转换模块。第 五章主要对接收系统中用到的两个关键技术码跟踪和码捕获进行研究，从理 论上用公式推导给出了几种检测的方法，并给出了在f p g a 中的实现方案，最后 分别对其进行仿真，从理论上进行验证。 第六章为总结和展望，对本文的工作进行了总结，并指出下一步的研究方向。 6 第二章d s c d m a 原理 第二章d s c d m a 原理 直接序列扩频系统( d s c d m a ) 又称为直接序列调制系统或伪噪声系统( p n 系统) ，简称为直扩系统，是目前应用最广泛的扩频系统之一，美国的国防卫星 通信系统，全球定位系统，航天飞机通信用的跟踪和数据卫星中继卫星系统都是 直扩系统的实际应用。 2 1 直接序列扩频系统组成 直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码( p 扩展到一个很宽的频 带上去，在接收端，采用与发射端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信 号进行相关处理，恢复出原来的信息。由于干扰信号与伪随机序列不相关，在接 收端被扩展，使得落入信号频带中的干扰信号被大大降低，提高了输出信噪比， 达到系统的抗干扰目的。 系统组成如图2 1 和图2 2 所示： 图2 1 直扩系统发射端框图 图2 2 直扩系统接收端框图 如图2 1 所示，在发送端，由信源输入的信号t ) ，码元持续时间为t a ，伪 随机码产生器产生的伪随机码为c ( 0 ，每一伪随机码码元宽度为t c ，将信源码a ( 0 和伪随机码c ( t ) 进行模二加，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然 后用扩频序列去调制载波，这样就得到了已扩调制的射频信号。在图2 2 接收端， 7 东南大学硕士学位论文 接收到的扩频信号经过高放和混频后，用于发射端同步的伪随机序列对中频的扩 频调制信号进行解扩，将信号频带恢复成信息序列a ( t ) 的频带，即为中频调制信 号，然后再进行解调，恢复信号“t ) ，从而完成信息的传输。对于干扰信号，在进 行解扩时候，相当于对干扰信号和噪声进行了一次扩频，其谱密度降低，这样就 大大减低了进入信号通频带内的干扰功率，从而使得解调器输入信噪比提高，大 大提高了系统的抗干扰能力。 2 2d s c d m a 系统的信号分析 假设信源产生的信号a ( t ) ，其码元速率为凡，码元宽度为t a ，t , = i r 曩，则a ( t ) 可以表示为： 口( f ) = g 。( t - n r ) ( 2 1 ) n - 0 上式中a 。为信息码，分别以概率p 取+ 1 和概率1 一p 去- 1 ，也就是 f + 1概率为p 吒2 1 1概率为1 一p ( f ) 为门函数，定义为 f 1 9 4 ( f 卜k 0 t z 其他 ， 同理，伪随机序列产生器产生的伪随机序列c ( t ) ，其速率为， t c ，则t c = 1 ，则 - 1 c ( f ) = 巳g 。( t - r p n = o 持续时间为 ( 2 2 ) 上式中，q 为伪随机码码元，取值分别为+ 1 和1 ，同理0 ) 为门函数，定义 为渺 三。掰 根据上面的假设，扩频过程实质上就是信息流“t ) 与伪随机序列c ( t ) 相乘的 过程。伪随机码速率比信息速率凡大很多，一般令凡的比值为整数，且 r d r 。 i ，所以扩展后的序列的速度仍为伪随机码速率，扩展后的序列d ( t ) 为： d ( f ) = 口( f ) c ( f ) = d g 。( f 一以互) ( 2 3 ) 当原序列进行模二加时，映射的序列进行相乘运算，可用下式表示： 从式( 2 6 ) 可以看出，两者得到的结果是一样的。 接收端天线通过高放选择放大和混频后，我们假设除了有用信号s ( t ) 外，其 他干扰信号和信道噪声等都统称为无用信号n ( t ) ，则接收到信号可以表示 “t 产s ( t ) + n ( t ) 。接收机的解扩过程就是得到与发射端相同的伪随机码，然后与接 收信号进行乘运算，假设接收端伪随机码为c ( t ) ，则相乘后得到的信号为 ，o ) = r ( t ) c 。0 ) = s ( t ) c 0 ) + n ( t ) c o ) = s i ( f ) + 玎o )( 2 7 ) 我们先看信号分量j - ( f ) ，可以看出j i ( f ) = j ( f ) c b ) = a ( t ) c ( t ) c ( t ) c o s c o o t ，若接收 端的伪随机码c u ) 与发射端产生的伪随机序列c ( t ) 同步，则c ( t ) = c 如) ，也就是 e ( t ) c ( f ) = 1 ，这样s - ( f ) = a ( t ) c o s c o o t ，后面经过滤波器让有用信号通过，然后进行 解调，就可以完全得到有用信号了。无用信号分量经过解扩后，相当于是一次扩 频过程，带宽被拓展，干扰信号功率被分散到一个很宽的频带上，功率谱密度降 9 dq ，l + 一 一 + 哼 专 哼 专，王 + 一 + 一ti，l + + 一 一 0 l 1 o 专 寸 哼 哼 o 1 o l o o 1 1 东南大学硕士学位论文 低，相乘后的滤波器的频带只能让有用信号通过，频带变小，因此无用信号的功 率大大降低，从而使解调器输入的信噪比得到提高，提高了系统抗干扰能力。 接着我们从功率谱上来分析直扩信号。根据上式( 2 5 ) ，我们可以求得s ( t ) 的 自相关函数r ( r ) 为： r ( r ) = 亭臣s ( 嗍一f 冲 = 1 ，6 ：d ( f ) d ( f f ) c 。s 吣c 。s ( f f ) 出 = 去玛0 ) c o s e o o t ( 2 8 ) 由式( 2 3 ) 可以看出d ( t ) 由a ( t ) 和c ( t ) 组成，又因为a ( t ) 和c ( t ) 由不同的信号源 产生，所以它们是相互独立的，因此q p ) = 兄p ) 足( f ) ，其中心p ) 和r ( f ) 分别 是a ( t ) 和c ( t ) 的自相关函数。 c ( d 是伪随机码序列，码元c i 都是 + 1 ，1 ) 中的元素，具有一定的周期，假 设周期为n ，则e ( t ) 的! j 3 化自相关函数r n ( t ) 可以表示为： r c r ) = r ( f ) 木a ( r - g 0 ( 2 9 ) 上式中r ( f ) 表示c ( t ) 在一个周期内的自相关表达式。因此，我们可以求出 r c f ，= 专篓q q ，= 一f r = 。0 r = 0 , 1 , 2 n - 1 q 。， 从上式我们可以看出，当n 趋于o o 时，巩( f ) = 尺( f ) 。自相关曲线也可以由上式 表示的离散点用直线连接得到，自相关曲线如图2 3 所示： r ( t ) 7 一。n一。n+。、 - 1 腿y 1 i 一j1 i 一7 【 图2 3 伪码自相关图 l o 第二章d s c d m a 原理 我1 l j 盯尺p ) 惩仃1 辱里叶父珙，口j 以得到c 【”即切翠谱凿发力 ，啼，+ 等锨争塞一静 式我们可以看出，伪随机序列c ( t ) 的功率谱是以2 鲁为间隔的离散谱， 由弓等勋2 ( 譬) 确定。因此，我们可以得到扩频信号s ( t ) 的谱密度为： g ( 国) = 专g 口( 缈) g c ) 万【万( 一) + 艿( + o 口o ) 1 = 西1 g 4 ( 缈) 掌【g c ( 彩一) + q + c o o ) = 赤训+ 筹童勋2 等脚箦， 从上式( 2 1 2 ) 可以看出，n 越大，间隔力= 斋也就越小，q 细) 越密，互越 小，功率谱带宽越宽，间隔也越大。 2 3 处理增益与干扰容限 处理增益和干扰容限是扩频系统中判断抗干扰能力的两个重要指标。 2 3 1 处理增益 处理增益定义为接收机解扩器的输出信号噪声功率比与输入信号噪声功率 比之间的比值，可以用下式表示： q ：纂安鲁饕：躲 q 表示处理增益 (213)s输入信噪比 ( i ，) 跏 ”一1 一。 处理增益表示经过解扩机解扩后，使信号增强的同时降低干扰信号能力的大 小。处理增益越大，系统的抗干扰能力越强。一般用分贝表示，为 g ：1 0 1 9 型监d b ( 2 1 4 ) ， ( s u , ) 如 设一个信息序列带宽为2 厶，经过周期为n 的扩频序列扩频后得到的带宽为 2 e ，则= n ，在接收端接收到的序列带宽就是2 r e ，设一个干扰信号混合在已扩信 号进入解扩器，干扰谱密度为a ，功率为p n ，经过解扩器后，信息序列恢复到带 东南大学硕士学位论文 宽2 f a 的范围内，干扰信号相当于被扩频了，拓展到带宽2 1 i l 的范围内，显然舒= n ， 谱密度变为a ，如图2 4 所示。 ( ”( b ) 图2 4 解扩前后功率谱变化图 ( a ) 解扩前( b ) 解扩后 因为扩展前后干扰信号的功率不变，即有 只= 2 l a = 2 f d a ( 2 1 5 ) 所以可以得到 彳i = 五a ：丝( 2 1 6 ) a n 。 理想情况下，经过中心频率为f o ，带宽为2 厶的滤波器后，得到的干扰信号功 率p n 为 弘2 = 2 等 ( 2 1 7 ) 对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，则系统的处理增益g p 为 q = 铹卷= 搿e = 每= 焉= 砉圳= c 糍藉2 2 ， ( s f ) 如s只丛z 信息带宽 一n 由此可见，直接序列扩频系统的处理增益就是扩频信号带宽与信息带宽的比 值的平方，也就是伪随机码速率与信息速率比值的平方，也即扩频倍数的平方。 2 3 2 干扰容限 接收端解扩后，干扰功率减小，伪随机码周期越高，处理容限越大，干扰信 号的功率就会越小，当处理容限足够大时，使的干扰信号淹没于噪声信号中，这 时候干扰信号完全可以等同为噪声处理，这是种最优情况。但是当一个系统确定 下来，处理容限不再变化时，如果干扰信号足够大，在解扩后，就会造成输出信 噪比的减小，当减小到一定情况下，就会无法满足后面解调需求。所谓干扰容限 1 2 口1 ，就是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信 号高出的分贝数，用m j 表示，有 q 鸩2 q 一心+ ( 专) 。】扭 ( 2 1 9 ) 上式中q 为系统内部损耗，( 寺。表示系统正常工作时要求的最小输出信噪 比，q 表示处理增益。干扰容限直接反应了扩频系统接收机可能抵抗的极限干 扰强度，当干扰功率超过干扰容限后，必然会对扩频系统形成干扰。 东南大学硕士学位论文 1 4 例外，图3 1 可以简单表示扩频发射系统结构。 不 图3 1 扩频发射系统结构图 图3 1 中，“t ) 表示信息序列，在p n 序列c ( t ) 的作用下进行扩频运算，输出 d ( t ) ，d ( t ) 经过一定的数字调制后，得到扩频发射信号。假定信息序列和p n 序列 输出都是1 ，由上面的扩频原理分析我们知道信息序列的速率要远小于p n 码 的速率，这里我们称信息序列的速率为码元速率，p n 序列的速率为码片速率。 综上所述，我们在s i m u l i n k 中进行扩频发射端【1 6 1 的建模。假设码元速率 为l o o b p s ，码片速率为2 0 0 0 c h i p s ，也就是说一个信息序列码元周期内含有2 0 个p n 序列码元，采用m 序列作为扩频序列，调制方式【1 7 】采用b p s k 方式，得 到的仿真模型如图3 2 所示。 模的分统户过因面模 东南大学硕士学位论文 上l b 1 凸clf ，l ：ilu i i - i ，产= ! = = ? ， 一- = = b i n , bo y i 7 匿到 - i c i 忑五l 一司- 卜叫巢h 享咚融飞扩掣 l l e m o u l hb i n a 卞 r a t et r - q 州 u n l p o l l r t o p ”4 v d u n i p l m o d u l m t o t 一 c o n v l 4 e t o a s e b a n d 眄习掴 r 气；r 1f 斧 。飘。蹴隹 能 ：同 图3 2 发射端仿真模型图 图3 2 中，b e r n o u l l ib i n a r yg e n e r a t o r 用来产生信息数据流，采样时间设置为 o 0 1 s ，p ns e q u e n c eg e n e r a t o r 用来产生p n 序列，采样时间设为0 0 0 0 5 s ，为了 使扩频模块上的数据采样速率相同，对数据流进行升速率处理，r a t et r a n s i t i o n 这个模块就是完成这样的操作。u n i p o l a rt ob i p o l a rc o n v e r t e r 用来完成数据和扩 频序列的双极性变换。乘法器输出就是扩频码的输出，在乘法器输出后进行b p s k 方式进行调制，最后为了方便对比，我们将信息序列和扩频后的序列进行相同的 升速率处理，使两者的频谱观察范围都在4 k h z 内：经过仿真，得到的频谱仿真 结果如下： “荆e ” 0 ”m ”“8 $ ”4 1 j ”。? 。”一1 o 刁 巴 仍 3 口 也 j 曼竺 c o 乏 一， 1 6 ll 0100。oj。2、：】：。、：、l一t ， 。i t - ， ， ，。一 i 。i - = ，。 i i - f u 1 “ l 。i j - 。 j ，i 4 ， 霸 432 10 12 3 巍一；，f r a m e ：鼬，。：。一二j 。f r e q u e n c y ( k h z ) 一。，。一。， 图3 3 扩频前信号频谱图 1 6 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 ， ， 0 乏 乏 0 0 第三章m a t l a b 仿真 图3 4 扩频后信号频谱图 从上面图3 3 和图3 4 我们可以明显的看出，信息序列的带宽约为1 0 0 h z ， 功率峰值约为2 0 d b ，扩频后频谱被展宽了约2 0 倍，为2 k h z ，同时功率下降到了 约2 d b 处。另外将信息序列，p n 序列和扩频输出序列各拉出一跟线输入到示波 器中，得到时域波形结果如图3 5 所示。 图3 5 输入信号、p n 序列和扩频序列波形图 1 7 东南大学硕士学位论文 3 2 接收系统设计仿真 接收信号比较复杂，因为信号要经过信道，信道一般都不是理想的，存在一 定的噪声和干扰，因此信号也被叠加了噪声和干扰。干扰可分为单频正弦波干扰、 脉冲干扰和多用户干扰等，而噪声干扰一般在理论分析和计算中建模为高斯白噪 声。扩频接收机系统如下面框图3 6 所示。 扩频 列 图3 6 扩频接收系统结构图 扩频序列经过信道后，叠加上了噪声和干扰后，被前端电路捕获，经过放大、 混频等操作，将微弱的信号放大搬移从而满足后级信号处理要求。后面的解扩和 解调等具体原理在上一章中已经详细描述，这里就不再叙述。 下面在s i m u l i