（通信与信息系统专业论文）基于qpsk调制的扩频系统的fpga实现.pdf

南京理工大学硕士学位论文墓于q psk 调制的扩频系统的f 陀a 实现 a b s t r a c t q pski sal i n e ar n a r r o ， b a n d 和d u l a t i o n ，w h i c hh a st h ef e a t u r e s o fh i g h s p e c t r u mu t i l i 么 a t i o n ，b e t t e rs p e c t r u ms p e c i f i c a t i o n ，s t r o n g e rabi l i t yo f ant i 一 f a d i n ga n da p p l i c a b i l i t yo fn o n 一 c o h e r e n td e t e c t i o n .s p r e a ds p e c t r um c o 俪u n i c a t i o n i s a h i g h p e r for m a n c e t e c h n o 1 o g y d e v e l o p e d， i t h t h e spp l 主 c a t i o no fm i l i t a r yc o mmu n i c a t i o n l to . n sa d v a n t a g e so fs t r o n g e r a n t i 一 f adi n ga b i l i t y ，b e t t e ra b i l i t 丫o fc o m b a t i n gt h ee f f e c to fm u l t i p a t h fad i n ga n dh i g h e rs e c u r 主 t y .i ti sw i d e l yu s e di nt h emob i 1 ec 0 m m u n i c a t i o n a n ds a t e l l i t ec o 画u n i c a t i o ns y s t e m s .t h u s ，i ti ss i g n i f i c a n tt oi 呻l e m e n t q p s k咖d u 1 a t i o ni nt h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m . b a s e do nq p s km o d u l a t i o ni nf p g a， t h ed i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r 姻 c o 口 扣 u n i c a t i o ns y s t e 田 i sr e a l i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n， w h i c hh a sb e e n c arr i e do u ti n t h ef o 1 1 oi n ga s p e c t s :f i r s t l y ， t h e p r i n c i p l eand t h e d e v e 1 o p m e n t o f s p r e a d s p e c t r u m c o m in u n i c a t i o n and q p s k mod u 1 a t i o n i s i n t r o d u c e d; s e c o n d l y ， t h ef o l l o w i n g 帕d u l e s o f t h e s y s t e mh a d b e e n c o m p l e t e d ， 份 h i c h i n c l u d e d p a r a l l e l 一 t o 一 s e r i a l ， s e r i a l 一 t o 一 p a r a l l e l ， d i f f e r e n t i a l e n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，d d s ，s p r e a d i n ga n dd i s p r e a d i n g ，q p s km o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n . v e r i 1 o g h d l 1 a n g u a g e h a s b e e n a d o p t e d f o r d e s i g n a n d 1 哪l eme n t i n ge v e r ym o d u 1 eo nt h ep 1 a t f o rm o fq u a r t u s i i4 . lo ft h ea l t e r a c o 口 p any .t h er e s u l t so ft h es i 侧l a t i o ns h o .t h a ti t， o r k s份 e l l . thes p r e a ds p e c t r u ms y s t e m帕sd e s i g n e d百 i t hh i g hi n t e g r a t i o na n dc an b eu p g r a d e a b l ei ns o f t 份 are ，甲 h i c hc o u l dp r o v i d ef o rf u r t h e rd e s i g n s份 i t h h i g h e ri n t e g r a t i o nand盯e a t e rf l e x i b i l i t yi nt h e肋d e r nc o m m u n i c ati on s y s t e mi nt h ef u t u r e . k e y 份 o r d s :q p s k ，f p g a ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds ， e c t r u m 叮 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 南京理工大学硕士学位论文基于q p s k 调制的扩频系 统的即以实现 1 绪论 1 . 1 扩频技术的发展及应用 ，1 ，2 ， ， ， ， 几十年来， 通信技术不断发展和 演变， 从有线( 铜线， 电 缆) 通信， 到无线( 短 波、 vhf/u hf、微波和卫星) 通信， 再到光纤 ( 缆) 通信。 然而从信息论的角度来 看， 上述发展基本上都是传输介质和信道的变化， 突破性的进展不多。 扩频通信技 术的出 现， 是通信技 术的一次 重大 突破川 . 扩频通信技术是一种信息处理传输技术， 它将待传输的信息数据经扩频序列调 制， 实 现频带扩展后再传输， 其信号 所占 带宽远远大于传输信息所必需的 最小带宽; 频带扩展所用的 码序列与传输的 信息数 据无关: 在接收端用同 样的 码进行相关同步 接收、解扩及恢复所传信息数据. 这种通信方式与常规窄带通信方式的区别是: 首 先， 它在信息的频谱扩展后形成宽带传输:其次， 它在相关处理后再恢复出窄带 信 息数据。 由于扩频通信技术的本身特点， 扩频通信技术具有如下优点: 1) 抗干扰、抗噪声能力强。 2) 低截获概率。 3) 可多址复用、任意选址和高精度测量。 4) 保密性强。 5) 可用于抗多径干扰. 频谱扩展的方式主要有以 下几种: 直接序列扩频( dss s)使用高 速伪随机码对要 传输的低速数据进行扩频调制; 跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽 的频带内 变化: 跳时则是数据的传输时隙是伪随机的; 线性调频系统中的频率扩展 则是 一个线性变化的 过程 (s1 . 此外几 种方 式组合的 混合系 统也经 常 得到 应用。 扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的， 后来又在移动通信中得 到 广 泛的 应用川 。 从 本 世 纪20年 代 起 到 第二 次 世界 大 战 期间， 许 多 通 信系 统已 具 有 扩频的基 本 特征， 但实 用的 扩频通 信系 统直 到50年 代中 期 才发展起 来ia 。 世界 上 第 一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室于 1 9 49 年由d erosa 和r ogoff 完成的， 成功的工作在n e ， j e r s e y 和c a l i g o r n i a 之间的 通信线路上， 1 9 5 0 年b a s o r e 首先提出把这种扩频系统称作 n o 以 c s( n o i s e砌d u l a t i o na n dc o rr e l a t i o n det ect i on syste m ) .1951年末， 美陆军 通信协会要求麻省理工学院的 林肯实验室 为易受敌方千扰的远距离高频无线电传通信研制一个 n o macs 系统.由电子防御实 南京理工大学硕 了 学位论文基于o p s k 调制的扩频系统的f 邢a 实现 验室于 1 9 5 5 年为美国陆军通信兵生产了 名为f gc一 a的样机，扩频技术真正开始在 军 事 领域 得到 应用. r . c . d i x on于1 9 76年出 版了 第一本关于扩频 系统的 专 著川 . 经 过多年的发展， 扩频通信的基本理论和技术己 达到成熟阶段， 80年代初期开始，已 广泛应用于军事通信领域， 它在各种战略和战术通信中，以及通信、 指挥、 控制和 情报系统中发挥着极其重要的作用， 是电子战中通信反对抗的一种必不可少的十分 重要的手段。 扩频通信以 其一系列的 优点在民 用通信中也获得了巨 大的发展， 广泛应用于跟 踪、 导航、测距、雷达和遥控等各个领域， 并迅速成为 个人通信业务领域发展的新 的 潮流。 1 9 8 5 年5 月美国联邦通信委员 会发布了 一份将扩频技术应用到民 用通信的 报告， 从此， 扩频通信技术获得了更加广阔的 应用空间。 80年代末， 美国f cc规 化 出了工 s m 频段，即开放频段， 可以由 采用扩频通信机制的商用通信使用，为扩频通 信技术在民 用领域的应用打开了 大门。而以c d m a为主要技术的第三代移动通信则 真正使扩频通信技术成为当 今通信领域研究热点3j tlj. 90年代初， 在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上， 出现了个人通信业务研究的 热潮。 但接踵而至的就出现了 频段分配的问题， 频谱资源的分配十分拥挤. 为了 解 决这一矛盾， 提出了多址技术. 其思想是让多个用户共同分享一段频谱，从而提高 了 频谱利用率， 节省了频谱资源. 扩频技术为共享频谱提供了可能，能够实现码分 多址，其基本思路是多个用户共同使用一段频段， 但使用不同的扩频码实现多址通 信。 利用扩频码的自 相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收， 将其他用户的 信号看作干扰， 利用扩频码的这种互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。由 于采用 cd以 技术能够实现与传统用户共享频谱，因此它也就成为个人通信业务的 首选的多址方案7j 。1 993 年7 月， 美国q ualc 。 咖公司开发的c d ma蜂窝体制被接纳 为北美数字蜂窝 标准，定名为1 5 一 9 5 .1 9 9 5 年i n t e r d i g i t a l 公司 开发的b 一 c n 做 技术方案被接纳为北美数字蜂窝移动通信的空中 接口， 编号为15一 6 65。 2 o 00年5 月，国际电 联无线大会上，中国 提出的td一 s cd琳、欧洲提出的毗d ma和美国 等提 出 的c d 撇2000正式成为世界第三代移动通信工 淤一 2 0 00无线传输标准， 这些标准 都采用了 基于 cd撇 扩频通信技术的方案。扩频通信技术是未来移动通信中的一个 重 要 技 术 13 . 1 . zq p s k 的发展及其特点 根据被调参数的不同， 数字调制方式主要有振幅调制 ( a s k)、 频率调 制 ( f s k) 和相位调制 ( psk) 三种。 振幅调制是最早应用的数字调制方式，它是一种线性调制系统。 其优点是设备 南京理工大学硕士学位论文墓于qpsk 调 制的 扩预系统的f 代 实现 简单、 频带利用率高， 缺点是抗噪声性能差， 而且它的 最佳判决门限与接收机输入 信号的振幅有关，因而不易使取样判决器工作在最佳状态。 但是，随着电路、滤波 和均衡技术的发展，多电平调制技术越来越受到人们的重视. 频移调制是数字通信中的一种重要的调制方式 其优点在于抗千扰能力强， 缺 点是占 用频带较宽，尤其是多进制调频系统，频带利用率低。目 前主要应用于中、 低速传输系统中. 相移键控分为绝对相移和相对相移. 绝对相移是利用载波振荡不同 相位的绝对 值来传递数字信息的，其在解调时存在相位模糊的 缺点，因而 在实际中较少采用. 相对相移是依靠前后两个接收码元信号的 相位差来恢复数字信号的， 所以 不 存在相 位模糊的问 题。 相对相移的实 现通常是先 进行码变换， 将绝对码变为相对码， 然后 对相对码进行绝对相移。 解调时先进行绝对相移解调， 然后再进行码的变换， 恢复 信号。 在恒参信道下， 相移键控比 a sk 及 f sk 具有较高的抗干扰性能， 而且能 较 高地利用频带 中被广泛采用 ， 所以 相移键控是一种高传输效率的调制方式， 在中、高速数字通信 t，1 相位调制中常采用的是四 相和八相调制， 均可看作是振幅相等而相位不同的 调 制， 传输效率高， 得到广泛的 应用。 q p sk具有很好的 误码率性能， 非常适合频谱利 用率为 1 zbp s /h2的场合。 但是在一些要求放大器工作在非线性段的应用场合， q p s k线性调制所得到的较高的频谱效率被非线性放大器对线性带限调制所带来的 频谱扩散所抵消圈。由 于在射频放大器后设计一个窄带 滤波器比 较困难，因 此发 展 出了阅p s k 来减少由于非线性放大器所造成的频谱扩展。 然而oqp sk需要采用相干 解调， 在低波特率的应用场合， 当多普勒延迟非常显著时， 不再适合采用相干解调. 汀 /4一 dqpsk 最早是由贝尔实验室的p . a . baker 首先提出的，是对q psk 和闪psk 的 折衷。 在汀 / 4 一 叩p sk中， 最大相位跳变值为幻二 /4， 没有万 相位的跳变， 经过滤波 以 及硬限 幅后的 功率谱旁瓣恢复较小， 其在非线性信道中 可以获得16 b i t / s/ hz的 频谱利用率。在误码率方面，和q p sk相比，在无噪声时汀 / 4 一 dqpsk 的误码率只比 q ps k 低约23 d b . 正是因为以 上的 优点， 该调制方式在许多系统中采用， 如美国 的 个人接入通信系统 ( pac s)、日 本的个人数字蜂窝系统 ( p dc) 等11 ” 。 1 . 3f p g a 技术的发展ra 阁 随着微电 子技术的 发展， 设计与制造集成电 路的 任务已 不完全由 半导体厂商来 独立承担. 系统设计师们更愿意自 己设计专用集成电路( a s 工 c)芯片， 而且希望a s ic 的设计周期尽可能短， 最好是在实验室里就能设计出 合适的a s ic 芯片，并且 立即 投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d)， 其中应用最广泛的当 属现场可编程门阵列(f 凡a)和复杂可编程逻辑器件( cpld) 。 南京理工大学硕士学位论文基于q psk 调 制的扩频系统的f 阶a 实 现 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、 紫外线可按除只读存贮 器( e p r 渊) 和电可擦除只读存贮器( e epr o m ) 三种。由 于结构的限制，它们只能完成 简单的数字逻辑功能。 其后，出 现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(p l d ) ， 它 能够完成各种数字逻辑功能。 典型的p ld由 一个 “ 与，门和一个 “ 或”门阵列组成， 而任意一个组合逻辑都可以用 “ 与一或”表达式来描述， 所以，p ld能以乘积和的 形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有 队l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。 p 从 由 一个可编程的“ 与”平面和一个固定的 “ 或”平面构成， 或门的输出可以 通过触发 器有选择地被置为寄存状态。p al器件是现场可编程的， 它的实现工艺有反熔丝技 术、 e pr洲技术和e e pr明技术。 还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵 列(p la) ，它也由 一个 “ 与”平面和一个 “ 或” 平面构成，但是这两个平面的连接 关系是可编程的。p la器件既有现场可编程的， 也有掩膜可编程的。 在pal 的基础 上， 又发展t 一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i c a r r a y l o g i c ) 加 gal 1 6 v s 和g a l 2 2 v 1 0 等loj. 它采用了e e pr服 工艺，实现了电可擦除、电 可改写， 其输出结构是可编程 的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 这些早 期的p ld器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能， 但其过于简单 的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷， 20世纪80年代中期。a l t era 和x i l i nx分别推出了 类似 于p al 结构的 扩展型 c p l d ( c o o p l e xpro g r aj 佃 分 b l el o g i cd v i c e ) 和与 标准门阵列 类似的f p g a ( f i e l dpro g r 狐 a b l eg a t ea r r a y ) ， 它们都具有体系结构和逻辑单元 灵活、 集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了p ld 和通用门阵列的 优点 ， 可 实 现较大规模的电 路， 编 程也很灵 活。 与门 阵 列等其它a sic ( a p p l ic at沁 n s pecific lc 相比， 它们又具有设计开发周期短、 设计制造成本低、 开发 工具先进、 标准产品无需测试、 质量稳定以 及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品 的原型设计和产品生产( 一般在10， 000 件以 下) 之中。 几乎所有应用门 阵列、 p ld和 中小规模通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。随着技术的发展， 在2 0 04年以后， 一些厂家推出了 一些新的p ld和fpga， 这些产品 模糊了p ld和f p ga 的区别. 例如a ltera 推出 的撇x l 工 系列p l d ， 这是一种基于f 陀a lut) 结构， 集 成配置芯片的p ld， 在本质上它就是一种在内 部集成了 配置芯片的f p g a ， 但由 于配 置时间极短， 上电 就可以工作， 所以对用户来说， 感觉不到配置过程， 可以 传统的 pl 。 一 样使 用， 加上 容 量和 传统p ld类 似， 所以alt er a 把它归 作p ldtv . 随着半导体制造工艺的不同提高， 即ga 的集成度将不断提高， 制造成本将不断 降低， 其作为替代a sic来实现电子系统的前景将日 趋光明。 南京理工大学硕士学位论文基于q p s k 调制的扩频系统的f 邢a 实现 1 . 4 本文的研究意义 扩展频谱通信作为一种新型的通信技术， 具有抗千扰能力强、 截获率低、 码分 多址、 信号隐蔽、 保密和易于测距等优点， 是通 信领域的一个重要发展方向。 在工 椒 一2 0 0 0 的第三代移动通信无线传输标准中采用了 基于c d 毗扩展频谱通信技术的方 案。 所以， 扩频技术已 成为未来移动通信中的首 选技术同 。 目前q psk调制解调器大部分都是采用专用芯片或者 d sp 硬件平台来实现的， 也有采用 f p g a来实现q p s k 基带部分处理， 全数字式调制解调仍在进一步发展中。 以往的一般设计中都采用f pga 和d sp相结合的方法，目 前f p g a 的容量、 功能 和可靠性都得到很大的发展， f p g a 结构布局布线方便灵活， 含有丰富的库资源， 很 容易实现各种电 路设计和完成较复杂的运算， 这非常有利于系统的全数字化实现。 由于 f p ga 可软件升级， 该方案具有突出的灵活性和高效性，提高了 设计效率，缩 短了 产品开发和市场之间的距离。因此，设计一个全部用 f p g a技术实现的扩频收 发系统也是非常具有研究意义的s . 1 . 5本文的主要工作 如上文所述， 扩频通信技术具有诸多优点， 在军用和民用领域都有着广泛应用 前景的原因。本课题研究的主要内容就是基于软件无线电平台用 f p 以 实现扩频发 送和接收系统， 重点 对q p sk调制技术、 扩频系统的数字设计和f p ga实现方法等技 术进行了 深入的研究和分析。 第一章主要介绍本文研究的背景及意义。 包括扩频通信的发展及现状， qpsk调 制方式的分析，f p c a 的应用与发展趋势， 。 第二章首先简单介绍扩频通信的基本概念及工作原理及工作方式， 其中对直接 序列扩频方式做了详细的分析。 第三章是系统发端的设计与实现介绍。 主要包括串井转决 模块、 差分编码、 pn 码频谱扩展、q p sk调制等的具体功能分析及软件实现，给出了各模块的仿真波形. 第四 章是系统收端的设计。 主要包括数字式下变频、 解扩处理、 差分解调、 并 串转换等模块的功能分 析及软件实现，同 样给出了 各 个模块的仿真波形。 第五章 对本文的工作做了总结， 给出了 整个系统的 后仿波形及 f p ga 的实现分 析。 最后， 在回 顾本文内 容的 基础之上， 针对文章的理论分析和仿真结果， 结合实 际中遇到的问题， 探讨今后工作改进的方法。 南京理工大学硕士学位论文基于q 飞k 调制的扩频系统的f 邢a 实 现 2 扩频通信的基础 2 . 1 扩展频谱通信的基本概念tl 以 ” 2 . 1 . 1 扩展频谱通信的定义 扩频通信技术是一种信息传输方式， 其信号所占据的带宽远远大于所传输信息 所必需的最小带宽， 频带的 扩展是通过一个独立的码序列来完成的，用编码及调制 的方法来实现， 与所传输的信息数据无关， 在接收端用同样的码进行相关同步接收、 解扩及恢复所传信息数据. 2 . 1 . 2 扩展频谱通信的主要特点 由于扩频通信能大大扩展信号的频谱， 发端用扩频码序列进行扩频调制，以及 在收端用相关解调技术， 使其具有许多窄带通信难于替代的优良 性能，能在 “ 军转 民”后， 迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特点: 1 . 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵， 虽然从长波到微波都得到了开发利用， 仍然满足不了社会 的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。 为此，世界各国都设立了 频率管理机构，用户只能使用申 请获准的频率。 扩频通信发送功率极低( 1 6 50mw) ，采用了相关接收这一高技术，且可工作 在信道噪声和热噪声背景中， 易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今各种 窄道通信共享同一频率资源。 所以， 在美国及世界绝大多数国家，扩频通信不需申 请频率， 任何 个人与 单位可以 无执 照使用51 。 2 . 抗千扰性强，误码率低 扩频通信在空间 传输时所占 有的带宽相对较宽， 而接收端又采用相关检测的办 法来解扩， 使有用宽带信息 信号恢复成窄带信号， 而把非所需信号扩展成宽带信号， 然后通过窄带滤波技术提取有用的 信号。 这样对于各种干扰信号， 因其在收端的非 相关性， 解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。 当 gp= 3 5 db时 ， 抗 干 扰 容 限 从二 22 db， 即 在 负 信 噪 声 比 ( 一 2 2 d b) 条 件 下 ， 可以将信号从噪声的湮灭中提取出来。 南京理t大学硕 1: 学位论文基于印s k 调制的扩频系 统的f 民a 实现 在目 前商用的通信系统中， 扩频通信是唯一能够工作于负信噪比 条件下的 通 信方式。 对于宽带干扰和脉冲千扰在扩频设备中如何被抑制的物理过程，可以用图 2 . 1 . 1 和图2 . 1 . 2 加以 说明 . 1 . 对于各种形式人为的( 如电子对抗中) 千扰或其他窄带或宽带( 扩频) 系统的干 扰， 只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性， 而有用信号将 被压缩，如图2 . 1 . 1 所示。 扁号 于 扰 干拢 ( a 接收粗 入端 b ) 解扩 后 图2 . 1 . 1扩频系统抗宽带干扰能力示意图 对于脉冲干扰， 带宽将被展宽到b ， 而有用信号恢复( 压缩) 后， 保证高于干扰， 如图2 . 1 ， 2 所示. 千扰功率谱 言 号功家谱 信号功率谱 干扰功率谱 一( b ) 解 扩 后 ( a )接收钧入端 图2 . 1 . 2 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图 由 于扩频系统这一优良 性能， 误码率很低， 正常条件下可低到1 0 一 ” ，最差条件 下约1 0 ， ， 完全能满足国内 相关系统对通道传输质量的要求。 3 . 隐蔽性好， 对各种窄带通信系统的干扰很小 由于扩频信号 在相对较宽的 频带上被扩展了， 单位频带内的功率很小， 信号湮 没在噪声里， 一般不容易被发现， 而想进一步检测信号的参数( 如伪随机编码序列) 就更加困难，因此说其隐蔽性好。 南京理工大学硕士学位论文 基于q p s k 调制的扩频系统的f 邢a 实现 再者，由 于扩频信号具有很低的功率谱密 度， 它对目 前使用的各种窄带 通信系 统的千扰很小。 4 . 可以实现码分多址 扩频通信提高了 抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价. 如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通 信中存在扩频码序列的扩频调制， 充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良 的 自 相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同 用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来， 在一宽 频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。 5 . 抗多径干扰 在无线通信的各个频段， 长期以 来， 多 径千扰始终是一个难以解决的问 题之一 在以 往的窄带通信中， 采用两种方法来提高抗多径千扰的能力: 一是把最强的有用信号分离出来， 排除其他路径的干扰信号， 即采用分集/ 接 收技术; 二是设法把不同路径来的不同延迟、 不同相位的信号在接收端从时域上对齐相 加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。 这两种技术在扩频通信中都易于实现. 利用扩频码的自 相关特性， 在接收端从 多径信号中提取和分离出最强的有用信号， 或把多个路径来的同一码序列的波形相 加合成， 这相当于梳状滤波器的作用。 另外， 采用频率跳变扩频调制方式的 扩须系 统中，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起到了频率分集的作用。 能精确地定时和测距 我们知道电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速. 人们自 然会想到如果能 够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间，也就等于测量两个物体之间的距 离。 在扩频通信中如果扩展频谱很宽， 则意味着所采用的扩频码速率很高， 每个码 片占 用的时间就很短。 当发射出去的 扩频信号在被测物体反射回来后， 在接收端解 调出 扩频码序列， 然后比 较收发两个码序列相位之差， 就可以 精确测出 扩频信号 往 返的时间差，从而算出二者之间的距离。 测量的 精度决定于码片的宽 度， 也就是扩 展频谱的宽 度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。 7 . 适合数字话音和数据传输，以 及开展多种通信业务 南京理工大学硕士学位论文基于q p s k 调制的扩频系统的f p c 八 实现 扩频通信一般都采用数字通信、 码分多址技术， 适用于计算机网络， 适合于数 据和图像传输。 8 . 安装简便，易于维护 扩频通信设备是高度集成， 采用了 现代电 子科技的 尖端技术， 因此， 十分可靠、 小巧， 大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。 2 . 1 . 3 扩频通信的 理论基础tll t2 切 1 长期以来， 人们总是想使信号所占 频谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱 资源. 为 什么要用这样宽频带的 信号 来传送信息呢 ?简单的回答就是主要为了 通信 的安全可靠。 扩频通信的基本特点，是传输信号所占 用的频带宽度( w)远大于原始信息本身 实 际 所 需 的 最 小( 有 效 ) 带宽( 日， 其比 值 称 为 处 理 增 益吼: 仇 二 平/ 么 f( 2 . 1 ) 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为 1 ， 7 3 . ikh z ，电 视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源， 增加通路数目， 人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道( 同轴电 缆、微波和光纤等) ， 和压缩频 带等措施， 同时力求使传输的媒介中传输的信号占 用尽量窄的带宽。 因现今使用的 电 话、 广播系统中， 无论是采用调幅、 调频或脉冲编码调制制式， g p 值一般都在十 多倍范围内， 统称为“ 窄带通信” 。 而扩频通信的g p 值， 高达数百上千， 称为“ 宽 带 通 信 ” tl 。 扩频 通 信的 可 行性， 是 从信息 论 和 抗 干扰理论的 基本公式中引 伸而 来的 ll .信 息论中关于信息容量的仙农( s h annon)公式为: c 二 叽啥2 (l + p j n )( 2 . 2 ) 式中: c一 信道容量( 传输速率度量) 份一 信号频带宽度 p一 信号功率 n一白 噪声功率 南京理工大学硕士学位论文荃于qpsk 调制的扩频系统的f 邢a 实现 式 (2. 2) 说明，在给定的传输速率 c不变的条件下，频带宽度 w和信噪比p / n 是可以 互换的. 即 可通过增加频 带宽度的方法， 在较低的信噪比p / n (s/ n ) 情 况下，传输信息. 扩展频谱换取信嗓比要求的降低， 正是扩频通信的重要特点， 并由此为扩频通 信的应用奠定了基础。 扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公 式: 瑞 “ f ( e j no)( 2 ， 3 ) - 一 差错概率 e一信号能量 n 。 一 噪声功率谱密度 信号功率 p = e / t (t为信息持续时间) 噪声功率n =侧.(w为信号频带宽度) 信息带宽 f =1 / t 则式 (2. 3 )可化为: 瑞“ f ( ” 甲 即/ n ) = f ( p / 刀 田 产 / 叮)( 2 4 ) 式 (2. 4 ) 说明， 对于一定带宽 f 的信息而言， 用g p 值较大的宽带信号来传 输， 可以 提高通信抗千扰能力， 保证强干扰条件下 通信的安全可靠。 亦即式(2. 4) 与式 ( 2 . 2 )一样，说明信噪比和带宽是可以互换的. 总之，我们用信息带宽的i q0倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息， 就是为了 提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。 2 . 1 ， 4 扩频通信的主要性能指标 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 处理增益g 也称扩频增益( s p readin g g ain) ， 它定义为频谱扩展前的 信息带宽 f 与频带扩展后的信号带宽w 之比: g =砰 / 邵(2 5) 在扩频通信系统中， 接收机作扩频解调后只提取伪随机编码相关处理后的带宽 为 f的信息，而排除掉宽颇带w 中的外部千扰、噪音和其地用户的通信影响。因 此，处理增益g 反映了 扩频通信系统信噪比改善的程度. 抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大千扰环境下正常工作的能力，定义为: 南京理工大学硕士学位论文墓于qps k 调制的扩频系统的p 凡a 实现 m j 二 c一 ( 5 / n ) o u t + l s 其中: m j一 抗干扰容限 g处理增益 (s/ n)o ut 一 信息数据被正确 解调而要求的最小输出 信噪比 比 一一接收系统的工作损耗 ( 2 . 6 ) 2 . 2 扩频系统的分类 2 . 2 . 1 直接序列扩频系统 所谓直接序列( d s 一 o i r e c t s equ e n ce) 扩频， 就是直接用具有高码率的 扩频码序 列在发端去 扩展信号的频谱。 而在收 端， 用相同的 扩频码序列去进行解扩， 把展宽 的扩频信号还原成原始的信息。 2 . 2 . 2 跳变频率扩频系统 另外一种扩展信号频谱的 方式称为 跳频( fh一 f req 此ncy h 叩p i ng) . 所谓跳频， 比 较确切的意思是: 用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说， 用扩频 码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。 2 . 2 . 3 跳变时间扩频系统 与跳频相似， 跳时( t h 一 t i mehop p i ng) 是使发射信号在时间 轴上跳变。首先把 时间轴分成许多时片. 在一帧内 哪个时片发射信号由 扩频码序列去进行控制. 可以 把跳时理解为:用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 2 . 2 . 4 混合扩频系统 在上述几种基本的扩频方式的基础上， 可以组合起来，构成各种混合方式. 例 如d s / fh、d s / t h 、d s / 阳/ 翎等等. 一般说来， 采用混合方式看起来在技术上要复杂一些， 实现起来也要困 难一些. 但是， 不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。 例 如 d s / 阳 系统，就是一 种中 心频率 在某一频带内 跳变的直接序列扩频系统。 其信 号的频谱如图2 . 2 . 1 所示。 图2 . 21混合扩频方式的频谱比较 南京理工大学硕士学位论文基于q p s k 调制的扩频系统的f 邢 实现 由图2 . 2 . 1 可见， 一个ds扩频信号 在一 个更宽的频带范围内 进行跳变。 ds/ 阳 系统的处理增益为ds和阳处理增益之和。 因此， 有时采用d s / fh反而比单独采用 ds或阳获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。甚至有时相对来说， 其技术复杂 性比单独用ds来展宽频谱或用f h 在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。 对于 ds/ th 方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以 容纳更多的用户。 在实现上， ds本身已 有严格的收发两端扩频码的同步。 加上跳时， 只不过增加了一个通一断开关，并不增加太多技术上的复杂性。 对于ds/ fh/ t h ， 它把三种扩频方式组合在一起， 在技术实现上肯定是很复杂 的。 但是对于一个有多种功能要求的系统， ds、 f h 、 t h 可分别实现各自 独特的功能。 因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、 抗多径和远一近 问 题时，就不得不同时采用多种扩频方式。 2 . 3 直接序列扩频系统 2. 3. 1 直 扩 系 统 的 组 成 与 原 理 17j lsj f.l j0l 图2 . 3 . 1 和图2 . 3 . 2 为直扩系统的组成原理框图. 由信源输出的信号a(t)是码 元持续时间为t . 的信息流， 伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)， 每一伪随机码 码元宽度或切谱宽度为t 。 .将信码a(t)与随机码c ( t)进行模 2 加， 产生一速率与 伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得已扩频调 制的射频信号。 一碱t)一 信 源卜， 一州扩 频 二 生艺石 盲 一仁型 c ( t) p n码振 荡器 图2 . 3 . 1 直扩系统的发射端 本振 p n码 图2 . 32 直扩系统的接收端 南京理工大学硕士学位论文 基于q p sk 调制的扩频系统的f 汽a 实现 在接收端， 接收到的扩频信号 经高放和混 频后， 用与发射端同步的伪随机序列 对中频的扩频调制信号进行相关解扩.将信号的 频带恢复为 信息序列a(t)的频带， 即为中频调制信号。 然后再进行解调， 恢复出 所传输的信息a(t)， 从而完成信息的 传输。对于千扰信号和噪声信号而言 ，由于与伪随机序列不相关， 在相关解扩器的 作用下， 相当于进行了 一次 扩频。 干扰信号 和噪声 信号频谱被扩展后， 其谱密度降 低， 这样就大大降低了进入信号通频带内的千扰功率， 使解调器的输入信噪比和信 千比 提高， 从而提高了 系统的 抗干扰能勺 tg 。 2 . 3 . 2 扩频码序列 1 . 码序列的相关性 在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列，这是指扩频码序列的波形而 言，并未涉及码的结构和如何产生等问题。 那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢?它应该具备哪些基本性能 呢?现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声( p n)码。 这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。 因为噪声具有完全的 随机性， 也可以说具有近似于噪声的性能。 但是， 真正的随机信号和噪声是不能重 复再现和产生的。 我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故 称为伪随机码或pn码。 为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢? 许多理论研究表明， 在 信息传 输中 各种 信号 之间 的 差 别 性能 越大 越好12) . 这 样 任意 两个信号 不容易混 淆， 也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信号形 式应是类似噪声的随机信号， 因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全 相似。用它们代表两种信号，其差别性就最大。 在数学上是用自相关函数来表示 信号与它自 身相移以后的相似性的。随机信号的自 相关函数的定义为下列积分: ， 叶酥以 (t)f(t 一 ，州 0 常 盈 r笋 0 ( 2 . 7 ) r= 0 式 (2. 7) 中 f(t)为 信号的时间函数， 下 为时间延迟。 上式的物理概念是f (t ) 与 其相对延迟的:的f(t 一: ) 来比 较: 如二者不完全重叠，即: 特 如二者完全重叠，即: = 。 ; 0，则 乘 积 的 积 分 。 二 ( 月为0 ; 则 相 乘 积 分 后。 。 ( 0)为 一 常 数 。 因 此 ， 。 ， ( 口 的 大 小 可 用 来 表 征f (t ) 与 自 身 延 迟 后 的f ( t 一 协 的 相 关 性 ， 故 称为自 相关函数t91 。 南京理工大学硕一 1 : 学位论文摧于o psk 调制的扩频系统的f p g a 实现 2 . 口 序列 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。由于m 序列容易产生、规律性强、 有许多优良 的 性能， 在扩频通信中 最早获得广泛的 应用.顾名思义， m 序列是由 多 级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。 在二进制移位寄 存器发生器中，若n 为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2 “ 一1 位。 现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m 序列的. 图2 . 3 . 3 为一最简单的三级移位寄存器构成的m 序列发生器。 乌1乌 时 钟 助丈 冲 输 出 111 001 0 图2 . 3 . 3 三位移位寄存器示意图 表 2 ， 31寄存器状态转换表 d ll0 010ll d 21l001 01 d 31 1l00l0 图中d i 、0 2 、0 3为三级移位寄存器，为模二加法器。移位寄存器的作用为在 时钟脉冲驱动下，能将所暂存的“ 1 ” 或 “ 0 ” 逐级向 右移。 模二加法器的作用为如 下运算，即0 十0 二0 ，0 十 1 “1 ，1 十0 二1 ，1 十 1 =0 。图2 . 3 . 3 中d z 、d 3 输出 的模二和反馈为di 的输入。在表2 ， 3 . 1 中示出，在时钟脉冲驱动下， . 三级移位寄 存器的暂存数据按列改变。 d3的变化即输出序列。 如移位寄存器各级的初始状态为 川 时， 输出 序列为 1 1 1 0 0 1 0 。 在输出 周期为2 ， 一1 = 7 的码序列后， 0 1 、。 2 、 d 3 又回到1 11状态。 在时钟脉冲的 驱动下， 输出 序列作周 期性的重复。 因7 位为所能 产生的 最长的 码序列，1 1 1 0 010 则为m 序列。这一简单的例子说明: m 序列的最大 长度决定于移位寄存器的级数， 而码的结构决定于反馈抽头的 位置和数量。 不同的 抽头组合可以 产生不同长度和不同结 构的 码序列。 有的 抽头组合并不能产生最长周 期的 序列。 对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，己 经进行了 大量的 研究 工作. 现在己 经得到3 一 100 级， 序列发生器的 连接图 和所产生的m 序列的结构. 例如4 级移位寄 存器产生的15位的m 序列之一为1 1 1 1 0 101 1 0 0 1 0 00. 同 理不难得到 3 1 、6 3 ，1 2 7 、2 5 5 、5 1 1 、1 0 2 3 ， 一 位的m 序列。 南京理工大学硕士学位论文墓于中s k 调制的扩频系统的f 陀启 实现 一个码序列的随机性由以 下三点来表征:一个周期内，1” 和 “ 0 ”的位数仅相 差1 位。 一个周期内 长度为 1的游程