（通信与信息系统专业论文）dscdma系统中基于小波变换的pn码捕获检测方法的研究.pdf

摘要 摘要 第三代移动通信系统是建立在i t u 2 0 0 0 建议基础上的工作在2 g h z 频段、最 高速率可达2 m b i f f s 的宽带移动通信系统。第三代移动通信的主流采用了码分多址 ( c d m a ) 的通信方式。c d m a 系统中的初始同步技术作为第三代移动系统的关 键技术，是其他关键技术得以实现的必要基础。c d m a 通信系统接收机的初始同 步包括p n 码同步、符号同步、帧同步、和扰码同步等。由于d s - s s 技术在c d m a 系统中应用最为广泛，因此基于d s s s 方面的p n 码捕获方法研究很多。伪随机 码的同步一般分两步进行。第一步是搜索和捕获伪随机码的初始相位，使与发送 端的码相位误差小于l b i t ，即序列捕获；第2 步是在初始同步的基础上，使码相位 误差进一步减小，使所建立的同步保持下去，通常称这一步为跟踪。如何判断p n 码是否捕获是码同步问题中的重要内容。传统的p n 码捕获的判定是通过能量检测 的办法进行的。 小波分析是目前在科学与工程应用界讨论和研究的一个热门课题。它是在 f o u r i e r 分析的基础上发展起来的一门数学方法。它与f o u r i e r 分析类似，是一种时 频分析的技术。由于小波分析具有多尺度的特点，使得小波分析在进行信号去噪、 信号压缩、机械故障诊断及数据处理等方面得以大量运用。本文把小波变换运用 到c d m a 通信系统码同步问题的研究中，结合p n 码捕获时和未捕获时接收信号 的特点，在系统的a w g n 信道下，利用小波分析进行码捕获判定。这种把新的信 号处理工具应用到现代通信系统进行码捕获判定的方法，是一种尝试。 论文从理论出发，研究了捕获信号，即被高斯白噪声污染的b p s k 或q p s k 信号及未捕获信号( 高斯白噪声) 的特征，分柝了d s c d m a 系统的a w g n 信道 特性，详尽介绍了小波多分辨分解的相关知识，给出了应用于p n 码捕获的小波检 测的方法。最后，通过m a t l a b 软件进行仿真实验，实验表明通过小波变换可以在 a w g n 信道下顺利进行p n 码捕获的检测。并给出了不同s n r 下，捕获时间l c o 、 虚警概率斥。与小波变换的关系。 关键词：小波变换，扩频序列，捕获检测，a w g n 信道 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h i r dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sb u i l to nt h eb a s i so fi t ui m t 2 0 0 0 s u g g e s t i o n ，a n di tc a l lw o r ko n2 g h z m e a n w h i l e ，t h ew i d e b a n ds y s t e m sr a t ec a ng e t 2 m b i t sa n dt h i ss y s t e mu s ec o m m u n i c a t i o np a t t e r no fc d m a a sak e yt e c h r 6 q u eo f t h em 硼m o b i l es y s t e m i n i t i a ls y n c h r o n i s mt e c h n o l o g yi st h en e c e s s a r yb a s eo fo t h e r k e yt e c h n o l o g i e s i n i t i a ls y n c h r o n i s m so fc d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e c e i v e r i n c l u d ep nc o d es y n c ，s y m b o ls y n c , 翻n l es y n c , s y n co fs c r a m b l ec o d e ，a n ds oo n b e c a u s et h a td s s st e c h n o l o g yi su s e dm o s tw i d e l yi nt h es y s t e mo fc d m a ag r e a t d e a lo fr e s e a r c ho nm e t h o df o ra c q u i s i t i o no fp nc o d ei sb a s e do nd s s s t h es y n co f p nc o d ei sd i v i d e di n t ot w os t e p sg e n e r a l l y ：弛ef i r s ts t e pi st h es e a r c h i n ga n da c q u i r i n g o fp nc o d ep h a s e ( n a m e l y , a c q u i s i t i o no fs e q u e n c e s ) s ot h a tt h ep h a s ee r r o rb e t w e e n s e n d i n gc o d ea n dr e c e i v i n gc o d ei sw i t h i nlb i t t h es e c o n ds t e pi st r a c k i n gw h i c hi so n t h eb a s eo ft h ei n i t i a la c q u i s i t i o n ，s ot h ee r r o ro fp h a s ei sd e c r e a s e dm o r ea n ds y n ci s k e e p i n g t h ej u d g e m e n to fp nc o d ea c q u i s i t i o ni sa l li m p o r t a n tp r o b l e mo ft h ec o d e s y n ca n dt h et r a d i t i o n a lm e t h o do f i ti sp o w e rd e t e c t i o n a tp r e s e n kw a v e l e ta n a l y z i n gi sah o tt a s ki nt h ef i e l do fs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n i ti sam a t h e m a t i cm e t h o da n dd e v e l o p e df r o mf o u r i e ra n a l y z i n g 。s i m i l a rt o f o u r i e ra n a l y z i n g ，i ti sak i n do ft e c h n i q u ei n t i m e - f r e q u e n c y b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i co fi t sm u l t i r e - s o l u t i o na n a l y s i s ，w a v e l e ti sa p p l i e di ns i g n a ld e - n o i s i n g , s i g n a ld a t ac o m p r e s s i n g ，d i a g n o s i n go f m a c h i n eb r e a k d o w na n dd a t ap r o c e s s i n g i nt h i s p a p e r t h ew a v e l e tt r a n s f o r l t ti su s e di nt h ep nc o d e a c q u i s i t i o n o fc 转醚a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o n s i d e r n gt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i co fp nc o d ea c q u i s i t i o n , t h e j u d g m e n to f c o d ea c q u i s i t i o nb yw a v e l e tt r a n s f o r mi sm a d eu n d e ra w g n c h a n n e lo f s y s t e m | ti sat r yt oa p p l yt h en e wt o o lo f s i g n a lp r o c e s s i n gt oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m + t h i st h e s i ss t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i co fa c q u i r e ds i g n a lf n a m e l yb p s ks i g n a lo r q p s ks i g n a l ) a n dn o n a c q u i r e ds i g n a l ( n a m e l yw h i t eg a u s s i a nn o i s e ) ，t h ea w g n c h a n n e lo fc d m as y s t e mi sa n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h ep e r t i n e n tk n o w l e d g eo f w a v e l e tm u l t i r e - s o l u f i o nd e c o m p o s i t i o na n dam e t h o do f w a v e l e td e t e c t i o nw h i c ha p p l y o nt h ep nc o d ea c q u i s i t i o ni sg i v e n i nt h ee n d , t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o dc a nb eu s e di na w g n c h a n n e l ，a n dt h er e l a t i o n sa m o n g 乇，l c 口u n d e r d i f f e r e n ts n ri sg i v e n 重庆大学硕士学位论文 k e y w o r d ：w a v e l e tt r a n s f o r m ，s p e c t r u ms p r e a ds e q u e n c e , d e t e c t i o no fa c q u i s i t i o n ， a w g nc h a n n e l 1 概述 1 概述 1 1 问题的提出 第三代移动通信系统是国际联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出来的，当时称为未来 公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年正式更名为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t _ 2 0 0 0 ) ，业界称之为第三代移动通信系统，简称( 3 g m ) 。它主要工作在2 g h z 频段，支持话音数据综合和移动多媒体业务，可支持数据率最高达2 m b s 。第三代 移动通信系统中，无线传输技术( 砌丌) 是3 g m 接入网的最重要组成部分，其最 有竞争力的3 大主要技术标准是i m t - d s ( w c d m a ) ，i m t - m c ( c d m a 2 0 0 0 ) ，及 i m t - t d 。这3 大技术标准均采用c d m a 技术，也就是说c d m a 技术是第三代移 动通信的关键技术。而直序列扩频( d s s s ) 技术在c d m a 系统中应用最广。 在d s c d m a 中，分配给每个用户一个唯一的编码序列( 扩频码) ，用于对它 的承载信息信号进行编码。接收机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的 信号进行解码并恢复原始数据，这是利用了大家有所熟知的扩频通信原理。扩展 频谱通信是将待传输的信息数据用伪随机编码( p n 码) 调制，实现频谱扩展后再 传输的一种通信方式。接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始 信息数据。显然，这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反，它是扩展频谱 宽带通信再经过相关处理恢复成窄带信号后解调数据。因此，它具有伪随机编码 调制和信号相关处理两大特点。正是这些特点，使扩展频谱通信方式有许多优点， 如抗干扰，抗多径衰落，低功率谱密度和多址复用等。扩频通信广泛应用于各种 无线通信领域。 我们知道同步是通信系统中的一个重要问题。在现代数字通信中，同步的问 题包含有载波同步，位同步及群同步。并且随着计算机通信的发展，为了保证通 信网内个用户之间可靠地进行数据交换，还必须实现网同步。当通信是在两点间 进行时，完成了载波同步，位同步及群同步之后，接收端不仅获得了相干载波， 而且通信双方的时标关系也解决了。数据信息可以快速正确地在两点之间传递。 同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能工 作。可以说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，正因为如此， 为了保证信息的可靠传输，通信中对同步系统有很高的要求。 重庆大学硕士学位论文 在扩展频谱通信系统中，关注焦点在p n 码同步问题上。考虑到扩频接收机刚 开机时收发机之黼码组的相佼误差愚完全不知遘的，为了使接收端能正确恢复信 息码，必须使接收端产生的用予磐考“的伪隧机码鞠发送端豹伪随机磷同步。伪随 机码的同步一般分两步进行。篇一步是搜索和捕获接收端的伪随机码的初始相位， 使之与发送端熬璐撩位误差拳予l b i t ，鄹礤攘获( 彦到臻获) ；第2 步是在秘始嚣 步的基础上，使硝相位误差进步减小，使所建立的同步保持下去，通常称这一 步为跟踪。 在码撼获中，常用的捕获法有滑渤相关法，前置同步码法，发射参考信号法， 突发同步法和匹配滤波器同步法。标准的捕获方案是基于相关技术的。在滑动相 关中，若馁接l | 曼蝼伪照搬码发生器戳不羼予发送蝼戆玛速率工作，这裁担当予两 个码组间相对滑动，一魍发现两个码组相能符合( 即同步) 时，立即停止滑动。 这释滑动静方法鹣工作淼理类 菇予群嚣步中的逐璐移谴法。在实际系统孛，胬羁 组的相对滑动并不是使两码组的码速率不同而获得。而是通过使用接收机时钟， 使一个码缀周期憔地移渤一个相位增量而安现的。对于伪随机鹤组，由于它其有 良好熬提关性能，当摆对淫动的结果使两羁组豹攘位符合时，提关爨的输出为受 高斯白噪声污染的载波信号；如果两码组的相位不符合，相关器的输出为高斯白 臻声信号。魏辩遴过粪鞭莲裂滋这嚣释信号，藏霹疆新定是否秘始露步已经完成。 而序列捕获器一般包括本地解扩序列发生器，序列相关器，检测判决器和相位搜 索策略控制匿个部分，其中检测判决器用予判定楚否已完成捕获过稔，其算法是 影响撼获性能的一个重要嚣素。 i 2 国内外研究简狁 c d m a 无线遴信系统运来在无线蜂窝网络孛受蘩辍大懿关注。人饲对c d m a 系统的多用户接收设计的各个方面进行了大量的研究。在同步技术的关键问题上， 美国的c d m a 2 0 0 0 系统采用予l s 。9 5 系统稆爨似的秘始同步技术，即通过对静频信 道的撼获建立p n 码同步和符号同步。通过同步馈道的接收建立帧同步和扰码同 步。欧洲和日本的w c d m a 系统的初始同步需要通过“三步捕获法”进行，即通 过怼蒺本霹步售邋豹撼获建立p n 舀潮步窝簿号同步；逯_ i 霪对辕秘曩多售道熬不弱 扩频码的非相干接收，确定扰码组号等；最后通过对可能的扰码进行穷举搜索， 建立挽码同步。鹃同步融于它在任簿多蔫户捡嚣之前必绥速到褥显褥尤为蘩要f 】 2 1 3 在这个闽题上，快速p n 碣捕获在c d m a 系统接收机的设计中是最大的挑战 之一。许多c d m a 系统的不同的码捕获方法已经被提了出来。由于d s ，s s 技术在 c d m a 系统中应瘸最为广泛，耀越基于d s s s 方骚兹p n 玛撼获方法疆究很多。 2 1 概述 在过去的研究中，码捕获的目的是在接收p n 码和本地产生的p n 码之间获得 一个粗糙的时间同步到p n 码序列码片的精确值。按照搜索策略( 串行，并行，混 合) ，相关器种类( 被动或主动) ，检测方法( 固定或可变停留时间) 和检测器( 相 干或非相干) 的种类，p n 码捕获方法可被分成不同等级 4 】【5 】 6 】【7 】【8 。可变停留时间 检测可进一步分为多停留或序列检测。一般说来，并行搜索优于串行搜索；被动 相关优于主动相关；如果考虑方案复杂性的花费，可变停留时间检测方法优于那 些固定停留时间的检测法。但它缺少对捕获性能准确分析的简单的方法。基于序 列检测的捕获方法则更是如此。 a p o l y d o r o s 和h m e y r 提出一般码捕获的方法是基于序列搜索技术的【9 】 1 0 】，它 通过本地产生的码序列对接收码序列进行相关接收，并在最大相关值通过门限的 基础上检测同步，门限值由匹配滤波器输出的信噪比决定，并按照噪声功率大小 或部分相关值来调节。在许多实际的码捕获系统中，要考虑给定的捕获时间的虚 警概率的减小，并包括了确定算法的搜索技术的使用。当开始捕获时，检测过程 和搜索过程交替进行。当通过确认并在虚警发生后进行重新捕获，同时使用搜索 和检测的捕获算法叫双停留系统。捕获方法受广泛关注的还有如多停留串行搜索 捕获 “1 ，基于匹配滤波器( m f ) 相关器的串行( 并行) 搜索捕获， k e c h e u n g 和p h e 等提出的基于常数模的p n 码捕获等【1 2 】【1 3 。当然，同其它类型的捕获方法 相比，基于匹配滤波器( m f ) 相关器的方法有更快的捕获速率，它是针对p n 码 周期较大情况下的，需要庞大的复杂系统的花费。传统的匹配滤波器( m f ) 接收 机就假定使用了极好的同步系统和正交调制方法。然而，在同步系统中的正交波 形不能传递到非同步系统中，因此，在同步用户的假设下，可以通过界定匹配滤 波器的性能而得到最佳结果。匹配滤波器( m f ) 相关器的p n 码捕获的性能分析 是建立在码元间的检测是独立的假设上的，因此，通过传递函数和时域方法可以 获得捕获时间的均值，方差和概率密度函数( p d f ) 。多停留串行搜索p n 码捕获中， 由于可以在一个码元尺度范围之内决定一个特殊的码元是否是正确码元( 真正达 到捕获) ，它的捕获速率比其它类型的捕获方法快得多。如果考虑到扩展频谱通信 中数据信号的传输存在多径干扰( m a t ) ，它严重地降低了c d m a 系统的性能， 即所谓的系统干扰对p n 码捕获的限制。但比较起假定同步极好，误比特率低并且 信噪比高的系统更有实际意义。简单地说，就是在码捕获的问题上，如果不存在 频率的不定性( 如多普勒补偿) ，p n 码捕获的问题就成了在时域传输中，对相对 延迟期望的估计。延迟期望的不确定区间是界定的，可判别的，并转换成许多假 设。单独检验每一个延迟假设，并在一个码片间隔内分开。因此，码捕获问题是 选择判决变量的最佳假设，这些假设是基于对正确码片的时间估计上的。 由于标准的捕获方案是基于相关技术的。接收信号与期望用户信号波形的时 重庆大学硕士学位论文 瓣延运逶行稳荚，它可以袋墩事嚣搜索( 魏滢凄程荧器) 或著行援索方法。不考 虑捕获时间和计算复杂度，延迟估计给出最大相关慎。这个方法怒在每个信号波 形结合其所具有的三角相关函数的p n 扩展码的概念的基础上的。所有相关器输出 黪予撬源，鄹多径于撬戆发生，以及噪声窥嗣一信譬波影的自稳关性，均被当撂 独立高斯随机变量。因j 磁，除了它设备简单，这种籀关器在单一用户方案或丽j e 变信号波形的情况下是最饿的。但是，猩不用正交波形的多用户环境下，尤其考 虑到远近效应( 如当期望用户被别的大功率用户掩盏) 【j4 1 ，这种相关器豹性能跫 程辩差一壁懿。针对溃酴遴近效痖懿些拣获方鬃懿醑究工终瞧已经燕秀。 e g s t r o m ，s p a r k v a l l 及s l m i l l e r 提出的最大似然法( m l ) 【i 研【l “，给出了在计算 麓杂程度相当商的情况下的系统的最佳捕获性能，它解决了所有参数( 如，接收 豹振摇，耪对延避，稳健，鞠数据符号) 达鬓最娃戆多尺度豹阉题。蠢逶一多被撵 如的近似最大似然法，它稃在对初始圆步是否正确较为敏感的问题。还有大抽样 最大似然估计法f 1 7 1 ，该方法耍对空间倍道进行估计，还要考虑基于最小平均平方 谖差( m m s e ) 魏自适应滤波和最小输撼动率( m o e ) 的准则。空闽信道估计嚣 熏了解待估诗瓣接霞信号的糟关矩阵，并求解其禳应豹特征篷，溺诧计算复杂。 该方法假定活动用户的数量是固定的，逐要知道或估计( 如使用墩小描述长度) 训练基，也就憋需要最小平均平方误差( m m s e ) 和大抽样最大似然估计器。鹫 辩不疆糕菝遘效率斡鲮点，在一定莹况下辩每个嗣户邃行镶练跫誉耀行鹣。镶絮， 无论什么时侯，在深衰落躐些强干扰作用时，多址干扰水平有较大变化，需要 墩新训练用户并因此终止数据的传输。 如果考虑戮无线通信镶邋静影响，过去2 0 年，丈慧磺变曩予设诗在传统毫辫 融噪声和时变衰落信道下商效率的捕获方案【l s 】u 9 1 1 2 8 1 1 2 n 。在传统a w g n 信遂下， 对于可变停留时间的多停留或序列检测弼捕获的研究是大量的。缀过研究，已经 获得了多停留梭测捕获时间黝平均值，方差或概率密魔函数( p d f ) 。然而，序列梭 测静撼获性黢瓣准确分褥逐溺未褥毫，在拣获往箍夔镪诗中，霉鬻聋数篷方法， 计算机仿真或拟合。h u a n ，c h u n w a n g 和w e m - h o s h e e n 介绍了基于多停留或 序列线性检测可变停留时间的非相干顺序搜索捕获 2 2 1 。捕获方案烧针对瑞利衰落 镶邀下兹d s s s 系统戆，考虑囊售遘衰落豹影响，采耀了薪方法霹就接获方案数 平均捕获时间进行了估计，主动相关嚣由于它的设备简单而被运用。在时变衰辫 倍道中，由于倍道的记忆性，分析可变停留时间捕获方法的性能变得更加困难。 已经撂到了在璇剃衰落信遴中多箨蟹检测乎均撼获对闽的上限及在a w g n 信道鞠 瑞秘衰落信遥下，雳连续较分的菲穗予捡灏器静巷穗千序贾恭敬方法。由予联 论分析上的困雅，用计算机仿真来进行性能估计。 总而言之，d s c d m a 系统采用的扩频通信技术使用伪随机码齑速编码调制通 4 l 概述 信数据，使要传送的信息数据频谱大大扩展，在宽带上以低功率谱密度发送，这 给扩频通信中已捕获信号的检测带来极大的难度 2 ”。通常已捕获信号的检测是在 噪声背景下干扰环境中进行的，这就使扩频通信中己捕获信号的检测更加困难。 目前，对扩频通信中己捕获信号的检测主要依据能量检测方法，它在一段时间内， 一定频带内积累所接收到的信号能量，能量积累到一定的值，超过设定的门限值， 则判定已捕获信号的存在，即达到了p n 码捕获。反之，则未达到捕获状态。这种 方法，除了对高斯白噪声作平均外，不能更有效的抑制和对抗它的存在和影响。 为了对已捕获信号进行准确、快速、有效的检测，为了在低信噪比( s n r ) 下， 降低p n 码捕获时间及虚警概率，提高检测概率。提出新的改进办法一小波检测 法。 1 3 本文所做的工作 本文通过大量的理论分析和文献调研，对小波理论进行深入研究，尤其是对 小波的离散二进制变换及多分辨分析进行了深刻的理解，并对p n 码捕获时的信号 特点及未达到p n 码捕获时信号的特点进行时域上的分析。由于小波变换在检测信 号奇异性的优势，因此在这个基础上提出种新的基于小波多分辨分析基础上的 检测p n 码捕获时刻的方法。该方法不同于传统的能量检测方法。本文从理论上详 细地论证了该检测方法的优越性和正确性，给出与检测相关的各种关键参数的关 系。最后利用m a t l a b 软件进行小波检测方法的仿真。 1 3 1 对捕获信号和信道性能的分析 结合扩频通信原理及实际应用中，c d m a 系统存在的多址干扰，进行了多用 户容量的a w g n 信道的性能分析。由于第三代移动通信的c d m a 技术标准中， 大部分采用b p s k 及q p s k 的数据调制方式。在p n 码被捕获时，接收信号应该为 被噪声污染的数据调制信号，因此有必要对b p s k 及q p s k 信号的性能进行分析。 通过分析达到对b p s k 及q p s k 信号的全面认识和了解。包括它们的原理、频谱 特性和误码性能，尤其突出这两种信号在时域上的特性，即其相位突变( 奇异性) 的特性。同时也对p n 码末被捕获时，接收到的高斯白噪声信号的特性进行了简要 的分析。以便于通过小波变换达到检测p n 码捕获的目的。 1 3 2 提出了基于小波变换的p n 码捕获时刻的检测方法 在对p n 码捕获时接收到的b p s k 及q p s k 信号性能的详细分析基础上，并结 重庆大学硕士学位论文 合p n 码未捕获时信号( 高斯白噪声) 的特性，本文提出了基于小波变换的p n 码 捕获时刻的检测方法。 小波分析作为一门新的数学方法，在工程领域应用越来越广泛，由于小波 分析具有多尺度的特点，使得小波分析在进行信号去噪、信号压缩及数据处理等 方面得以大量的运用。与f o u r i e r 变换比较，f o u r i e r 变换不能探测信号的局部性 以及整体的奇异性：而小波变换和小波变换基妒( f ) 有可以用于探测信号的整体、局 部奇异性的工具。扩频通信中，对已经同步的信号检测，通常是通过能量检测的 方式进行。由于p n 码在未捕获时，只有高斯白噪声存在，而小波变换中，白噪声 的l i p s c h i t z 指数口 口 0 ，这种信号的它们的奇异点对应小波变换 的模极大值。当这些极值点出现时，说明系统完成捕获。所以可以选择适当的尺 度因子，设立门限阂值腩，来区分两种情况，以达到检测捕获时刻的目的。 本文详细论述了小波分析的理论依据，介绍了在这种检测方法中，运用的带 通滤波器及低通滤波器的问题。在此基础上完成了检测方法的实现方案，给出了 方案的实现框图。 1 3 3 对小波检测方法进行性能分析和仿真实验 本文给出了利用小波检测方法时，p n 码捕获的常用性能参数：平均捕获时间， 虚警概率，检测概率的理论值。并对该方法采用的门限值，尺度大小的选择对p n 码性能参数的影响进行了理论分析。最后，利用m a t l a b 软件进行了仿真。 1 4 本文的内容安排 第一章：概述。基于同步的问题在无线移动通信系统中的重要地位，分析了 采用小波分析对p n 码捕获方法进行改进的可行性。介绍了国内外的p n 码捕获方 面研究的成果及现状，并阐述了本文所作的主要工作。 第二章：p n 码捕获时的信号和p n 码未捕获时的信号的性能。介绍了相关的 码分多址技术，结合在大用户容量、p n 码相关性极强时的条件，建立了c d m a 系统的a w g n 信道，a w g n 信道性能分析；分析了p n 码捕获时的q p s k 信号或 b p s k 信号及p n 码未捕获时的高斯白噪声信号的时域特性。 第三章：基于小波变换的p n 码捕获时刻的检测方法。在前一章中对特定 c d m a 系统信道建立、捕获信号及未捕获信号时域的特性分析基础上，提出对p n 1 概述 码捕获时刻检测的新方法。该章详细介绍了小波分析的相关理论，重点突出了小 波分析在检测信号奇异点的巨大优势。并给出了检测方法框图。 第四章：小波检测p n 码捕获方法的性能分析。结合小波检测方法中小波变换 尺度大小的选择，高斯噪声标准差在不同尺度下的变化，对p n 码捕获中传统的一 些参数也进行了分析。证明了本方法在检测性能上比利用能量进行检测的方法有 一定的提高，尤其在信噪比低的情况下。 第五章：m a t l a b 软件对检测法进行了仿真。本章利用m a t l a b 软件，给 出进行仿真所用小波种类、仿真所得的波形图和拟合的图。 第六章：全文总结。在第四章系统性能的理论分析和第五章计算机仿真结果 的基础上，阐明了关于小波检测方法的一些观点，并对全文工作做了总结。提出 了以后可以进行的部分重点工作方向。 2 捕获信号敷a w g n 信道的性能分析 2 捕获信号及a w g n 信道的性能分析 在第三代移动通信c d m a 系统中，无论愚w c d m a 还鼹c d m a 2 0 0 0 ，其典型 的数据调制方案是b p s k 或q p s k 调制方式。在a w g n 信遴下，检测p n 碣搪获 露，需要对c d m a 系绞中p n 玛臻获潜系统接救褥骜静受离新爨噪声污染瓣b p s k 或q p s k 信号进行检测：对未达到p n 码捕获时的系统接收到的高斯白噪声信号进 行检测。 2 1 二相移相键控( b p s k ) 信号分析 2 。l 。l 二攒移相键攘( b p s k ) 二进制移相键控又称二相移楣键控( b p s k ) ，是受键控的载波相位按熬带脉 冲而改变的一种数字调制方式。b p s k 信号形式一般表示为： e o ( t ) = f g 一磊) 】s 吼 ( 2 1 1 ) 这里g ( f ) 是脉宽为瓦的单个脉冲，令 s ( o = g ( t - n t 女) ( 2 。1 t 2 ) 而a 。的统计特性为： 口。： + 1 ，概率为p( 2 1 ， 口* 2 i ，摄率为( 1 - p ) t 2 1 3 ) 这就是说，在其一码元时间五内观察时，( f ) 为： e o ( t ) = ；：制c o s c 麓ot 纂舅o ， 混瓣， = ”= 二、；。、 ( 2 i 。4 ) 一。，僦率7 9t l 一， 按照前面的规定画出b p s k 信号的波形如图2 1 示【2 4 】： 数字德憨0 011110010 净 重庆大学硕士学位论文 圈2 1b p s k 蔹形 f i g u r e 2 。1w a v e f o r mo f b p s k 即发送二进制符号0 时( 取+ 1 ) 取0 相位；发送二进制符号l 时( 取。1 ) 取刀相能。 这辩以载波的不阉提位直接去表示相应数字信息的襁位键控，通常被也称为绝对 移裙方式。 我们可以搬每个码元用个如图2 2 朱表示。图2 2 中，虚线擞量位置称为撼 凇相位，在绝对移相中，窿是朱调制载波的相位。移相方式有两种，如图示，根 鼹c c i t t 建议，( a ) 孛联示方式，稼麓a 方式。a 方式中，每令薅元嚣载波稳 位相对于基准桐位可取0 、硝。因此，在相对移相时，若后一码元的载波相位相对 予基准相位为0 ，则前后两硝元载波的相位就是连续的；否则，载波相位在两码元 之潮要发生突蹒。o ) 掰示豹移据方式髂为b 方式。b 方式中，姆个玛元的载波 栩位相对于基凇相位可取兰。因而，在相对移相时，相邻码元之间必然发生载波 z 棚使的跳变。邀样，在接收端接收该信号对，如果利用检测此相使变化以确定每 个诲元懿超正瓣亥l ，舔可撬馁筠元定嚣髂怠。因照b 方式被广泛疲馐。 匿2 2b p s k 矢量图 f i g u r e 2 2b p s kv e c t o rf i g u r e 2 。1 2b p s k 馈号的调制篙簿调 图2 3 是产生b p s k 倍弩的键控法橇图。s ( t ) 代表信息的一个随机矩形脉冲序 列。 解调方法楚穗于惩调，篡对痤的方撼强魏图2 4 魇示，考虑到秘手解调在这熙 实际上起鉴稽作厢，因此耱干解调中的“稻乘低通”又可用各种肇稽器替代。解 调过程实际是输入信号与本地载波信号避行极性比较的过程，故常称移相为极性 鞫 2 捕获信号及a w g n 信道的性能分析 比较法嬲疆。 辖相 图2 - 3b p s k 调制方糕豳 f i g u n 2 3m o 刚a f i a n 口fb p s k 本地巍涟 嚣冀 圣 匪三卜_ 圃 t 本地栽艘 鬻2 4b p s k 接收方樵凿 f i g u r e 2 4r e c e p t i o no f b p s k b p s k 信号使用双极性基带数据波形，它的功率谱密度可以冀成【2 5 ： p e ( f ) 。云 e ( ，+ 工) + g ( f 一工) 】 ( 2 l 5 ) 其中p b ( f ) 为s 的功率谱密度，由于s ( f ) = 吼g 一姐五) 为双极性基带数搬波形 信号，而g ( r ) 的频谱g ( ，) 为： g ( 厂) = 瓦i 丐s i n z r 9 i ( 2 因此当“1 ”与“0 ”澎躐静概率穗翁瞬，b p s k 信号懿功率谱密度( p s d ) 淹： 重庆大学硕士学位论文 p e ( f ) = 和鬻| 2 + l 鬻内 泣璩， 图2 5 给出b p s k 调制方式的功率谱密度图，零点m 零点r f 带宽等于2 倍比特率 2 1 ，其中p 吣= l tt b 。 毛氮强地t 溉t 图2 5b p s k 功率谱密腰 f i g u r e 2 5 p s do fb p s k 翔采对二送隶l 数字调翻系统( o o k 、2 f s k 、b p s k ) 豹佳憩遴学篦较：蓑毙， 在三种调制方式的频谱图巾，从频带来看，当码元宽度为t b 时，2 a s k 系和b p s k 系统的第一零点带宽为2 t b ，2 f s k 系统的第一零点带宽为l 以一石l + 2 t 6 。因此 从频带宽度溅频带剥爆窭上看，2 f s k 系统最不可取。 其次，袋2 ，l 剜出了务稀二避铡数字调蒂系统翁误鹞率p e 与信噪眈r 静关系。 表2 。1 二进制调制系统误码率公式一览表 名称段关系 相干o o k 只一号e 咖半 非相干o o k只= e ”“ 相干2 f s k e * e 毋括 非相干2 f s k只。 e ” 穗于b p s k 霉一 g 唰， 1 2 2 捕获信号及a w g n 信道的性能分析 在每一对相干和非相干键控系统中，相干方式略优于非相干方式它们基本上 是e ，忙r 和e x p ( 一r ) 之间的关系，而且随着r 斗m 它们将趋于同一极限值。另外， 三神相干( 或非相干) 方式之间，在相同误码率条件下，在信噪比要求上b p s k 方式比2 f s k 方式小3 d b ，2 f s k 方式比o o k 方式小3 d b 。因此看来，在抗加性高 斯白噪声方面，相干b p s k 性能最好，2 f s k 次之，o o k 最差。相同信噪比下， 相干b p s k 将有最低的误码率。再次，在对信道特性变化的敏感性方面，在2 f s k 系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来做出 判决。在b p s k 系统中，判决器的最佳门限为零，与接收机输入信号无关。因此 它不随信道的变化而变化。这时，接收机容易保持最佳判决门限状态。对于o o k 系统，它与接收机输入信号的幅度有关，当信道特性发生变化时，接收机输入信 号的幅度将随着发生变化；相应地，判决器最佳判决门限需随之改变，接收机不 易保持最佳判决门限，导致误码率增大，因此对信道特性变化的敏感性而言，o o k 的性能最差。 由此我们可以看出，在二进制数字调制中的b p s k 在频带宽度，误码率，及 适应信道变化上有相对的优势。 2 2 四相绝对移相键控( q p s k ) 信号分析 2 2 1 四相绝对移相键控 多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位( 或相位差) 来表征数字信息的调制方式，用四种不同的相位来调制即为四相移相调制。四相 绝对移相调制利用载波的四种不同相位来表征数字信息。4 种相位可以用来表示2 比特码元的2 2 种状态，有22 = 4 。假设2 比特码元的持续时间为，则4 相调制 波形可以表示为： e o ( t ) = g ( t - k t b ) c o s ( o ) 。h 仇) = = - 啪 a k g ( t k t 6 ) c o s o 。t 一也g ( 卜) s i n 甜。t ( 2 2 1 ) 女= 衄t = o 式中，p 。一受调相位，可以有4 种不同取值 o i = c o s 吼； ( 2 2 - 2 ) b i = s i nq o i ( 2 2 3 ) 由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特 码元。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a 代表，后一信息用b 代表。双比 重庆大学硕士学位论文 特羁元中掰个信息眈特痨通常是按撂雷玛舞# 列的，它与载波捆位兹关系热淡2 2 所列。 表2 2双眈耱强嚣与载渡摆爱鹣荚系 双比特码元载波相位 ba 方式b 方式 oo o 。2 2 5 。 l0 9 0 。3 1 5 4 1l 1 8 0 4 4 5 。 1 l 2 7 0 。 l j ) 矢量关系妻薛图2 6 所示。 1 口 l 1 鑫l ( ) 0 0 0 1 l i 图2 6q p s k 信号矢掇图 f i g e 2 6 v e c t o ro f q p s ks i g n a l ”卜 图( a ) 表示a 方式时q p s k 信号的矢量图，图( b ) 表示b 方式时q p s k 信号的矢 量图。四捆调制信号在用式表示时，捆位妒+ 在( 0 ，2 z ) 内等间隔地取四种可能 穗谴。由予茏和余函数豹互於特瞧，对应予妒；豹遥静敬傻，比如4 s 。， 片 1 3 5 。，2 2 54 , 3 1 5 。，其幅度4 l 与b 。只有两种取值，即半。此时，公式( 2 2 1 ) 恰好 表示两个正交的二相调制信号的合成。 酉稳终瓣移稳谲锈霹滋看终嚣令匿交懿二稳绦辩移稳调甏瓣台残，馥瑟喾静 功率谱密度分布规律相同。 2 2 2q p s k 信号的产生和解调 q p s k 信号的产生方法分为调褶法和相位选择法。 调相法。用调相法产生q p s k 的组成方框图如图2 7 所示。 1 4 2 捕获信号殿a n g n 信道盼性能分析 图2 。7 孛，串，著交抉器将输入救= 进裁序列铱次分为两个势行的双极性謦捌。 设两个痔鳓中的二避带l 数字分采为a 和b ，每一对称为一个双i 特鹞元。双缀性的 a 和b 脉冲通过两个平衡调制器分别对同相载波及正交载波进行二迸制调制，得到 图2 。8 中威线矢量。 图2 7q p s k 信号产生图 f i g u r e 2 7 g e n e r a t i o no f q p s ks i g p a a l 。i ) t ) 牡1 3 bc 1 ) n 1 ) h 蝣) 图2 8 失量圈 f i g t w e 2 8 v e l a r t n ) ，0 ， 将两鼹输出叠燕，邵褥妇图2 8e p 实线所示静疆稽移相信譬，英相位编褊逻辑 关系如表2 3 ： 表2 3 q p s k 售号糖疰绽璐逻辑关系表 t a b l e 2 3l o g i c a lr e l a t i o no f q p s g s i g n a ip h a s ec o d i n g a1oo1 b1 1 o0 a 踌乎籀调意l 爨羧窭 0 。 1 8 0 。l s 0 。0 4 b 路平衡调隶l 器输出 9 0 。 9 0 。 2 7 0 。2 7 0 。 合成相位 4 5 4 1 3 5 4 2 2 5 。3 1 5 。 重庆大学硕士学位论文 褶谴选撵法。 用相位选择法产生的q p s k 信号小组成如方框图2 9 所示。图2 9 中，四栩载 波发生器分别送出调相所镒的四种不同煦相位的载波。按照串并变换器输出的双 魄特璐元懿不阗，逻辑遥籀寇路赣赉褪藏籀位戆载波。 蓬2 9穗氆滤撵法匏缀藏方捱銎 f i g u r e 2 9 s t r u c t u r eo f p h a s es e l e c t i o nm e t h o d 由于四相绝对移相信母可以看作是两个正交2 p s k 信号的合成，敞它可以采用 与2 p s k 信号炎议兹瓣调方法进行解调，瓣由两个2 p s k 谙号翊予鳞调器构成，英 缀成方框如圈2 1 0 所示。豳2 1 0 中酶并，串变换嚣瀚作庵与调箭器中静串，著交换 器相反，它怒用来将上下嶷路所得的并行数据恢复成串行数据的。 圈2 1 0 q p s k 信号解调方檄图 f i g u r e 2 1 0 d e m o d u l a t i o no f q p s k s i g n a l q p s k 傣号的功率谱密度可用与b p s k 类似的方法得到，因诧，当用矩形脉冲 时，q p s k 信号的功率谱密度可表示为： = 孚t e 鬻灿e 篙籍筹内 旺2 舢 q p s k 信号当用矩形脉冲时的p s d 如图2 1 1 所示。零点零点r f 带宽等于比 1 6 2 捕获信号及a w g n 信道的性能分析 特率r b ，是b p s k 信号的一半。由以上讨论可得：四相制是双相平衡调制电路的 延伸，其结构要比二相制复杂些。但是四相调制有其独特的优点，最主要的是， 当有干扰时，四相制信号不像双相制信号那样显著变坏。其次是，在信号带宽相 同时，或在相同的码元传输速率下，信息传输速率可以提高一倍。q p s k 信