（信号与信息处理专业论文）无线扩频通信系统中rake接收技术的研究.pdf

摘要 c d m a 是第三代移动通信系统的主流技术，而无线通信的目标是实现无所 不在的、高质量的、高速率的移动多媒体传输，扩频调制技术是移动通信技术中 最有竞争力的技术之一。如何有效地实现无差错的高速无线传输，亟待解决无线 传输中的若干关键问题。本文重点研究了无线通信系统中的扩频技术、信道估计 技术和r a k e 接收技术。 首先，论文针对短距离扩频通信系统，并以i s 一9 5 标准为基础，从理论上 分析了各种关键技术的应用，根据系统距离短，通信环境不恶劣的特点，以降低 计算的复杂度为目标对原有的某些算法进行了改进，提出了适合于简单通信环境 的无线扩频调制方案。 其次，信道估计技术是r a k e 接收机中最为重要的技术之一，在分析r a k e 接收技术之前，论文首先分析了各种信道估计技术，给出了几种比较常见的信道 估汁算法，分析他们的优缺点与性能。并提出了基于导频的信道估计方案。 然后，由于考虑到信道的多径衰落，论文提出了r a k e 接收技术的应用。 r a k e 接收技术是第三代移动通信系统的关键技术，可以极大地提高系统性能。 本文结合无线扩频通信系统技对此进行了仿真研究，提出了易于实现的r a k e 接收以及信道估计方案，并完成了发射机、接收机的硬件设计。 论文最后介绍无线扩频通信系统及其接收机的硬件实现，整个系统采用 v e r i l o g 硬件描述语言进行开发，并在f p g a 平台上进行了验证。 【关键词】c d m ar a k e 接收机信道估计d s s sf p g a a b s t r a c t c a m ai sb e c o m i n gm a i ns t r e a mi n3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ee x p e c t e dt op r o v i d eu b i q u i t o u s ，h i g h q u a l i t y , a n d h i g h r a t em o b i l em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n d i r e c ts p r e a ds p e c t r u mi so n eo ft h em o s t c o m p e t i t i v et e c h n o l o g i e si nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n i no r d e rt or e a l i z et h e n o - e r r o r h i g h - d a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，m a n yk e yt e c h n o l o g i e s n e e dt ob e s t u d i e dt h i sd i s s e r t a t i o nf o u c u s e so nt h es p e a ds p e c t r u m ，c h a n n e le s t i m a t i o na n d r a k er e c e i v e ro f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m f i r s t l y , t h i s d i s s e r t a t i o n a n a l y z e s t h e k y et e c h n o l o g i e s i nt h i sw i r e l e s s d s s s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss y s t e mw i t hs h o r td i s t a n c ea n dg o o d e n v i r o n m e n t ，au s e f u ls c h e m ei so b t a i n e db ys i m p l i f y i n gt h ea l g o r i t h m a d d i t i o n a l l y , t h ec h a n n e le s t i m a t i o ni nd s - - s ss y s t e mi sa l s os t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n s e v e r a ls i m p l ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sa r ep r e s e n t e da n dt h e i r p e r f o r m a n c e sa r ec o m p a r e d m o r e o v e r ，s i m u l a t i o n so fc h a r m e le s t i m a r i o ni nd i f f e r e n t c h a n n e lc o n d i t i o n sa r ec a r r i e do u t t h ep e r f o r m a n c e so ft h ec h a n n e le s t i m a t i o nb a s e d o np o l i ta r es h o w nf i n a l l y r a k er e c e i v i n gi se s s e n t i a li nd s - - s ss y s t e m ，a n ti ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o ft h er e c e i v e r b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d u l eo ft h er a d i oc h a n n e l ，t h ep r i n c i p l eo f t h er a k e r e c e i v i n gi sg i v e n a n das t r u c t u r eo ft h er a k er e c e i v e ri nd s s ss y s t e m i sp r e s e n t e d ，t h e np e r f o r m a n c e so ft h er a k er e c e i v e rw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r e c o m p a r e d ，a n da no p t i m i z e dr a k e r e c e i v e rs t r u c t u r ei sd e t e r m i n e d t h el a s tp a r to f t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no f b a s e - s t a t i o n r e c e i v e ri nd s s ss y s t e m a l lt h ed e s i g n sa r ed e v e l o p e d 晰mv e r i l o gh d la n d d e s i g na r ef u l l yv e r i f i e do nf p g ap l a t f o r m k e y w o r d s c d m a r a k er e c e i v e rc h a n n e le s t i m a t i o nd s - s sf p g a 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。 尽我所知，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 的研究成果，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。弓我 一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： 塞垒墨日期：型：i ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电f 文档，可以采用影印、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，可以公布【包括 刊登) 论文的全部或都分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：，呈盘醒导师签名 鲰日舭耐扣护 | 东南大学硕上研究生毕业论文 第一章绪论 在当今这样一个高速发展的信息时代，移动通信技术已经成为通信领域内发展最为 迅速的技术之一。随着通信技术的飞速发展和人们对通信需求的不断提高，未来的个人 移动通信发展的最终目的是任何人( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) ，任何地点 ( w h e r e v e r ) 都可以以任何方式( w h a t e v e r ) 与其它任何人( w h o m e v e r ) 实现信息交换。 移动通信就是为了实现这以目标而出现的，同时，还必须满足人们日益增长的对语音、 数据等多种业务并存的多媒体通信的需求。第三代移动通信系统就是在这种背景下应运 而生，它可以提供全球漫游服务、支持多媒体业务并有足够的系统容量。 1 1 移动通信系统的概念与发展 移动通信由于其相关技术的保障，难步入一个高速发展的时代。向所有人提供无线 通信能力的方案一直是一个构想，直到6 0 年代末，美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的 概念和理论，才使得这个构想能够成为现实，社会步入7 0 年代后，随着大规模集成电 路、微处理技术等技术的广泛使用，为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。从此，移 动通信技术发生了本质的变化并得到了迅速的发展。如今，蜂窝移动通信的发展经历了 第一代模拟系统和第二代数字移动系统，目前正进入即将商用的第三代宽带数字移动通 信系统，与此同时，未来移动通信系统第四代移动通信系统( b 3 g ) 的研发已经正 式启动。 1 1 1 历史 8 0 年代，引入了以模拟传输方式实现语音业务的第一代移动通信系统。第一代模拟 移动通信系统以北美的a m p s ( 先进移动电话业务) 、欧洲( 英国) 的t a c s ( 全接入系统) 、 北欧( 斯堪得纳维亚) 的n m t ( 北欧移动电话) 、德国的c - 4 5 0 以及日本的n t t ( 日本电 话和电报) 等系统为代表 1 7 j 。虽然取得了巨大的成功，但是也暴露了其模拟系统的容量 小，频谱利用率低，移动设备复杂，费用昂贵，保密性能差，业务种类受限以及不同系 统不能兼容等不足，这也促使人们研制出以欧洲的g s m 系统、美国i s 一5 4 和i s 一9 5 、日 本p d c 等系统为代表的第二代数字移动通信系统。 第二代数字移动通信系统能提供数字话音通信，以及电路交换的低速或中速率的数 据通信，提供了更高的频谱利用率，更好的数据业务以及比第一代移动通信系统更先进 的漫游技术。欧洲的g s m ( 全球移动通信系统) 、美国i s 一1 3 6 的( d - a m p s ) 和 东南大学硕士研究生毕业论文 i s 一9 5 ( u s c d m a ) 、日本的p d c ( 个人数字蜂窝) 系统7 】都是在这样的环境下应运而生的。 这些系统可能包括语音和一些低比特速率的综合业务。 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现人们最初的目标，比如统一 的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求越来越高，几千比 特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技 术如i p 技术等不能有效地实现，这些需要是高速率移动通信系统发展的市场动力。在 此情况下，具有9 一1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e x y i c e s ) 系统f 9 1 和其它系统开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。 随着社会的发展，技术的进步，国际间的交流合作臼益频繁，人们希望移动通信系 统能和固定网一样提供将话音、图象、数据等综合在一起的交互式多媒体业务，这是目 前正在营运的第二代系统所不能满足的。因此，人们的目光开始向第三代移动通信系统 转移。 1 1 2 现状 国际电联i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n j c a t i o nu n i o n ) 从1 9 8 0 年起就致力于 第三代移动通信系统的标准化工作。第三代移动通信系统( t h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 简称3 g ) 被称为i m t 一2 0 0 0 ，在欧洲被称为全球移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。目前，国际上有关于第三代移动通 信标准的融合和讨论已经完成，提交的候选技术方案中，陆地系统1 0 个，卫星系统5 个，其中，陆地系统又倾向于三种主流体制，也就是广为人知的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 以及 由我们中国提交的t d s c d m a 。区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，第三代移动 通信系统至少要实现下列的基本目标，其主要特点可概括为： 全球普及和全球无缝漫游的系统。第三代移动通信系统即便不能形成统一的全球 标准，但也要实现兼容的标准，从而实现全球漫游。 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持 n t e r n e t 业务的能力。现有的移动通信 系统主要以提供话音业务为主，一般仅能提供1 0 0 k b s 2 0 0 k b s 的数据业务；g s m 演进 到最高阶段也仅能提供3 8 4 k b s 的数据业务。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术 则要求在快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b s ；室外到室内或步行环境，最高速率达 3 8 4 k b s ；室内环境，最高速率达2 m b s 增加分组交换业务：第二代移动通信系统停留在传统的电路交换模式，在信道效 率方面相对较低。在第三代移动通信系统中，电路交换和分组交换将共同存在，提高传 输的灵活性和信道效率。 东南大学硕十研究生毕业论文 增加非对称传输模式：由于新的数据业务，比如w 聊浏览等，具有固定的非对称 特性，上行传输往往只需要几千比特每秒，而下行传输可能要几百于比特每秒，甚至上 兆比特每秒才能满足需要。而第二代移动通信系统只支持对称业务。 高频谱效率：提供软切换、快速功控、相干接收、r a k e 合并接收、智能天线系统 等新技术的应用，有效地提高新系统的频谱效率。 更好的传输质量：未来的移动通信系统使得传输质量达到或者接近有线系统的传 输质量，可以为车载用户提供1 4 4 k b p s ，为行人提供3 8 4 k b p s ，为室内用户提供高达2 m b p s 的传输速率。 其它还有诸如，低成本、高保密性、便于向4 g 过渡演进等特点。 要实现上述目标，移动通信系统在技术上仍有许多问题需要研究解决，空中接口 ( a i r i n t e r f a c e ) 技术是其中的核心问题之一。 在提交给i t u 的关于第三代数字移动通信系统的各种方案中，欧洲提出的基于g s m 的w c d m a 、北美提出的基于i s 一9 5 的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 将是主流技术， 采用码分多址的空中接口标准已基本达成共识。 1 1 3 未来 随着互联网业务的增长以及可携带设备的广泛使用，在今后几年里，互联网的无线 接入将会迅速增长。数字技术以及射频技术的快速发展，可以使终端设备越来越复杂化 和微型化。在第四代移动通信系统中( 或称为后第三代移动通信系统：b 3 g ) ，在宏蜂窝 环境下，数据传输要达到2 5 m b p s ，在微蜂窝环境下，数据传输达到1 0 m b p s 以上。为 了实现这一目标，需要克服许多技术难题，其中主要是要克服无线衰落信道中的多径传 播和散射引起的信号衰落，以及多径时延引起的符号间干扰。它是一种并行传输方法， 利用许多并行的、传输速率低的子载波来实现一个高速率的数据通信。它主要的优点可 以归结为一下几点： 由于每个子载波的调制信号的速率比较低，则其码元的周期相对较长，再加上每 个码元又采用了循环前缀( c y c l i ep r e f i x ) 作为保护间隔，所以符号干扰明显减少。 利用可编程的数字信号处理器，在缓慢变化的信道条件下，o f d m 调制技术通过应 用对子载波间自适应调制和功率分配，以达到对射频频谱有效利用的目的，从而增加了 频谱资源的利用率。 因为窄带干扰只影响子载波中的一小部分，所以o f d m 调制技术能有效地对抗窄带 干扰。 东南大学硕士研究生毕业论文 不像其它宽带技术，o f d m 不需要连续的频带。 并行传输和o f d m 的概念可以追溯到上个世纪5 0 年代术期，在6 0 年代，已经将其应 用于一些高频的军事系统中，例如k i n e p l e x 系统和k a t h r y n 系统。特别在7 0 年代早期， 离散傅立叶变换应用在o f d m 系统中，使得o f d m 系统的实现变得简单化。如今，随着大 规模集成电路的快速发展，o f d m 调制技术在宽带数据通信中得到了广泛的应用。比如， 高速数字用户线( h i g h b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s ，h d s l ) 速率能达到 i 6 m b p s ，非对称数据用户线( a s y m m e t r i cd i g it a js u b s c r i b e tl i n e s ，a d s l ) 速率达 到6 m b p s ，而超高数据用户线( v e r y h i g h b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e tl i n e s v d s l ) 速率达到了l o o m b p s ，数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 和数字视频 广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 也都采用了o f d m 调制技术。最近，o f d m 技术也应用到无线局域网( w l a n ) 如i e e e s 0 2 1l a 和i e e e 8 0 2 1l g ，其在5 g h z 载频频段， 提供的数据速率为5 4 m b p s f l ”。目前在第四代移动通信的调制技术候选方案中，o f d m 调 制技术具有很强的竞争力。 1 2 无线扩频技术的特点 从目前情况看，码分复用( c d m a ) 技术已被广泛接受为第三代移动通信系统的主要 技术。开发c d m a 蜂窝移动通信系统已成为当今世界各大企业的投资热点。c d m a 技术是 基于扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u m c a t i o n ) 的一种无线接入技术。扩频通信可 以采用直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c e ) 、跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 、跳时( t i m e h o p p i n g ) 及他们的组合( h y b r i d ) 等方式扩展频谱。在移动通信尤其是第三代移动通信的 实现中，一般使用直接序列扩频( d s ) 。 与时分复用( t d m a ) 相比，d s c d m a 主要由以下特点： 通信容量大 理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际系统很难达到理想情况，因此不 同的多址方式可能有不同的通信容量。c d m a 是干扰限制型系统，任何干扰的减少都直接 转化为通信容量的增加。理论分析表明，同样条件下，采用d s - c d m a 方式的通信容量是 采用数字t d m a 方式的4 6 倍 4 1 。 更适合在衰落信道中传输 移动信道在一般情况下是多径衰落信道，在d s - c d m a 系统中，大于一个码片( c h i p ) 宽度的时延扩展部分，可受到接收机的自然抑制，另一方面，如采用分集接收最大比值 合并技术，可获得抗多径衰落效果。t d m a 中并无此特性。 平滑的软切换和有效的宏分集 d s c d m a 系统中小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以 4 东南大学硕士瑚f 究生毕业论文 平滑完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送 相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收并合并这些信号，此时处于宏分集。当某 一基站信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上，这种平滑的 切换称为软切换。 容量的软特性 t d m a 系统中同时可接入的用户数是固定的。而d s c d m a 系统中，多增加一个用户只 会使通信质量略有下降，而不会出现硬阻塞。 低信号功率谱密度 d s - c d m a 系统中，信号功率被扩展到远宽于自身频带的频带范围内，因而其功率谱 密度大大降低。由此可以得到两方面好处：其，具有较强的抗窄带干扰能力。其二， 对窄带系统的干扰很小，有可能和其它系统公用频段，使有限的频谱资源得到更充分的 利用。 当然d s c d m a 系统也存在着一些缺点： 占用信号频带宽，扩频后的码序列带宽远大于扩频前的信息序列带宽。 系统实现具有一定的复杂性。 在时变系统中实现同步较为困难。 目前受寻找地址码数量上的限制，实现大容量通信仍存在一定的困难。 1 3 扩频通信中的关键技术 由前所述，无线扩频技术已被广泛接受为第三代移动通信系统的关键技术，因此第 三代移动通信系统存在一些扩频通信特有的技术。此外，随着科学的发展，一些先进的 技术也被应用于3 g 系统中，下面我们主要以w c d m a 为例，介绍这些关键技术【1 7 1 。 同步技术 同步对于任何通信系统都是非常重要的。c d m a 通信系统中通常将同步分为初始同步 即捕获，以及细同步即跟踪。在w c d m a 这样一个异步系统中，专门对初始同步进行了设 计，采用了快速小区搜索方法，缩短了捕获所需时间。 r a k e 接收技术 移动通信是在较为恶劣的无线移动信道下进行的，如何克服电波传播造成的多径衰 落现象是移动通信的基本问题之一。在c d m a 系统中，由于信号带宽远大于信道的相干 带宽，因而在时间上可以分辨出较细微的多径信号。这样，对分辨出的多径信号进行分 集接收，就能在很大程度上降低多径衰落造成的负面影响。这种技术就被称为r a k e 接 收技术。 东南大学硕士研究生毕业论文 分析表明，相干r a k e 接收的性能要优于非相干r a k e 接收3 d b 。为了提高系统性能， w c d m a 系统中专门发送未经调制的导频( p i l o t ) 信号，以便接收端在确知已发数据的条 件下进行信道系数的估计，从而实现相干方式的最大比合并。信道参数的估计可以说是 影响r a l ( e 接收性能的关键要素之一。 我们将在第四章中具体分析r a k e 接收技术。 高效信道编译码技术 在第三代移动通信系统的主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，采用的信道编 译码技术都是卷积码和t u r b o 码。此外，为了对抗移动信道可能带来的突发误码，它们 也都采用了交织技术。 t u r b o 码的性能优于卷积码，但其译码算法复杂，译码延时较大。在w c d m a 系统中， 对实时性要求较高的服务( 如话音通信) 仍然采用卷积码。 在我们这样一个短距离扩频通信系统中，我们仍然沿用了经典的卷积码于v i t e r b i 译码技术，以及交织技术。 发射分集技术 分集技术是对抗多径衰落的关键技术。为了提高接收性能，我们可以在基站端采用 双天线分集接收，但对于移动台讲这是不可行的。第三代移动通信系统中就采用了发射 分集技术，它的基本思想是将接收端的分集等效至发射端。 功率控制技术 在c d b a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码间的相关特性并非理 想，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种 类型。其中较为关键的是闭环功率控制，在w c d m a 中，闭环功控的方法是：测量接收信 号的信干比( s i r ，s i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i 0 ) ，将其与信干比门限值比较，确定 功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射 功率的大小。w c d m a 系统中，闭环功控的速度是1 5 k h z ( 每秒1 5 0 0 次) ，为了达到快速 闭环功控的效果，系统也对功控的定时提出了较为严格的要求。 智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。由 于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。它主要用处是减少 多址干扰，其中包括抑制其它移动台的干扰以及对基站发送信号进行波束成型。当然， 智能天线的使用会大大增加基带处理单元的复杂度。 多用户检测技术 多用户技术同样为了抑制多址干扰。从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大 东南大学硕上研究生毕业论文 程度上改善系统容量。但现在的主要问题是如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到 可接受的程度。 此外，第三代移动通信系统中还有其它很多重要技术，如软切换，宏分集口2 1 等，这 里就不一一列举了。 当然，在本文涉及的这个短距离、点对点的简单扩频通信系统中，我们只运用到了 同步、r a k e 接收、信道编译码以及交织等较为基本的技术。 1 4 论文的研究工作的概述 首先，针对短距离扩频通信系统，并以i s 一9 5 系统为基础，论文从理论上分析了 各种关键技术的应用，根据系统距离短，通信环境不恶劣的特点，以降低计算的复杂度 为目标对原有的某些算法进行了改进，提出了适合于简单通信环境的无线扩频调制方 案。 其次，信道估计技术是r a k e 接收机中最为重要的技术之一，在分析r a k e 接收技术 之前，论文首先分析了各种信道估计技术，给出了几种比较常见的信道估计算法，分析 他们的优缺点与性能。并提出了基于导频的信道估计方案。 然后，由于考虑到信道的多径衰落，论文提出了扎k e 接收技术的应用。r a k e 接 收技术是第三代移动通信系统的关键技术，可以极大地提高系统性能。本文结合无线扩 频通信系统技对此进行了仿真研究，提出了易于实现的r a k e 接收以及信道估计方案， 并完成了发射机接收机的硬件设计。 论文最后介绍无线扩频通信系统接收机的硬件实现，整个系统采用v e r i l o g 硬件描述 语言进行开发，并在f p g a 平台上进行了验证。 1 5小结 本章中，我们首先讨论了移动通信技术的发展历程并对未来移动通信技术进行了展 望，然后针对本论文中所采用的扩频技术进行了简单的介绍，最后简单称述了本论文的 研究工作。 东南大学硕i ：研究生毕业论文 第二章无线扩频通信系统的基本原理 2 1 扩频通信概述 扩频通信技术是以香农( s h a n n o n ) 信息论【2 l 作为理论基础而发展的。香农有关信 道容量的公式为： 弋 c = b l 0 9 2 ( 1 + 告) ( 6 s ) ( 2 - 1 ) v 其中b 为信道带宽( h z ) ，s 为信号平均功率( w ) ，n 为噪声平均功率( w ) ，若白 噪声的功率密度为n ，则信道容量 c = b l 0 9 2 ( 1 + ) ( 6 f 5 ) ( 2 - 2 ) d v0 从上式我们可以看出，要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加 传输信号的带宽( b ) 或增加信噪比( s n ) 来实现；当信道容量c 为常数时，带宽矽与 信噪比之间可以互换，即可以通过增加带宽( b ) 来降低系统对信噪比( s n ) 的要求， 也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽；当带宽( b ) 增加到一定程度后，信道容 量c 不可能无限制地增加。因此，在保持无差错传输的信息速率c 不变时，在信噪比很低 的情况下，则可以用足够宽的带宽来传输相同的信号量。 扩频通信系统按其工作方式可以分为下列几种： 直接序列扩频系统( d s s s ) 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 扩频码序去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频技术用高速 码序列对载波作移相键控( p s k ) ，一般要求扩频通信用的码序列具有随机的特性，而且 能够在对应的收信机里复制出来，因此通常使用的是伪随机噪声( p n ) 码。由于伪随机序 列的速率远远大于要传送信息的速率，直接序列将会把信息扩展成很宽的频带，因而它 的功率频谱密度比噪声还要低，使之能很好地隐蔽在噪声之中，不容易被检测出来。对 于干扰信号，收信机的码序列将对它进行非相关处理，使干扰电平显著下降而被抑制。 跳频扩频系统( f h s s ) 数字信息与二进制伪码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频 率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变。跳变系统可以随机选取的频率数通常是几 千n 2 个离散频率。每次移频是根据信息和伪码序列的状态加权所得到的随机数来选取 频率。所以f h s s 实际上是一个“多频、选码和移频键控”系统。在调频系统中控制频 东南大学硕士研究生毕业论文 率跳变的指令码的速率，没有直接序列扩频中的伪码速率高。一般为每秒几十跳到几万 跳。在f h s s 中扩展频带的宽度是由跳变频率总数n 和频率跳变的最小间隔来决定的。 跳时扩频系统( t h s s ) t h 扩频方式，与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。时间轴由许多时片 组成，跳时就使用一定的码序列进行选择的多时片的频移键控。由于采用了窄得很多的 时片去发送信号，相对来说，信号的频谱也就展宽了。跳时也可以看成是一种时分系统 所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制 的按一定规律跳变位置的时片。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用，通常与 其他方式结合使用，组成各种混合方式。 混合扩频 由于每一种扩频系统都有各自的长处和短处、优点和局限性。若采用几种扩频方式 组合，优势互补，不仅能提高系统的抗干扰能力，降低部件制作的技术难度，而且还 能简化设备，降低成本，可谓一举数得。混合扩频方式有d s f h 系统方式，d s t h 系统 方式及d s f h t h 系统方式。将三种扩频方式组合在一起，技术相当复杂，但对于一个 有多功能要求的系统，三者可分别实现各自独特的功能，同时还能解决抗干扰、多址组 网、定时定位、抗多径干扰等问题。这种方式在一般的具有抗于扰能力的电台中很少使 用，而多用于时分多址的大的信息系统中。 2 2 直接序列扩频 直接序列扩展频谱系统，又称“平均”系统或者伪噪声系统，它是目前应用较为广 泛的一种扩展频谱系统。在c d m a 系统以及3 g 的三种主流标准体制( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a ) 中均是基于直接序列扩频技术的。 2 2 1 扩频序列编码 扩频通信系统的频谱扩展是借助于扩频序列而实现的。扩频序列的特性对于扩频通 信非常重要，对于扩频通信的性能具有决定性的重要作用。扩频序列编码是扩频通信系 统的核心内容之一。在扩频通信系统中，抗干扰、抗多径、抗截获、保密、多址通信、 实现同步等都与所采用的扩频序列密切相关，即对扩频序列提出了各式各样的要求。其 中最基本的要求就是扩频序列应该具有随机性。香农在证明编码定理的时候，提出具有 白噪声统计特性的信号来编码，这二者不谋而合。然而，随机信号的产生、复制、控制 难以实现。伪随机序列( p s e u d o n ojs es e q u e n c e ) 具有类似于随机信号的一些统计特性， 但又是具有规律的，容易产生和复制，因此它是扩频序列的当然选择。其实，扩频通信 系统中也把扩频序列成为伪随机序列，正是源于系统中一般都采用伪随机序列。 东南大学硕士研究生毕业论文 在扩频序列的产生过程中，扩频序列的自相关特性和不同扩频序列间的互相关特性 的是两个衡量扩频码质量的主要标准。 序列互相关定义：周期长度为p 的两个码序列x , y 的互相关函数r 。( ) 定义为 ( ，) = 去妻础。( 2 - 3 ) ，f _ l 若尺。( _ ，) = 0 ，则x 和y 正交。 序列自相关定义：周期长度为p 的码序x 的自相关函数r ，( ，) 定义为 其中：x = 靠。 蹦加去杰碱， 一i = 1 对于 o ，1 二进制码，= 0 的互相关函数可简化为 r 。( 护历a - d = 了a - d ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 其中，a 是码字x ，y 的对应码元相同的数目，d 是对应码元不同的数目。这是因为总有 f p = a + d 1 杰础；：4 一d l i = 1 类似的，自相关函数尺，( ，) 也可以表示为 ( 2 6 ) = 筹= 竿 ( 2 _ ，) 扩频序列的研究就是寻找或构造各种序列，来满足系统的种种要求。综合这些要求， 扩频序列应该具有如下理想特性： 有尖锐的自相关特性 尽可能小的互相关值 足够多的序列数 有尽可能大的序列复杂度 序列平衡 东南大学硕士研究生毕业论文 工程上易于实现 下面是几种常见的伪随机序列： m 序列 m 序列是线性移位序列的一种，即所谓最大长度线性移位寄存器序列( m a x i m a l l i n e rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r ) 7 1 ，是一种典型的伪随机序列，在d s 系统中用于扩 展基带信号，在f h 系统中用来控制f h 频率合成器，组成随机调频图案。它具有伪随机 序列的三个基本特性： ( 1 ) 平衡特性：在每一周期p = 2 ”一1 内，0 出现2 ”1 1 次，“1 ”出现2 ”1 次，1 的个数比“0 ”的个数多1 个。这是因为”级线性移位寄存器在0 ，l 组成的二元域中共 有2 “个状态。这2 ”状态包含了所有栉个元素的不同的组合，其中0 和l 出现的机会必然 相等。因此在2 ”个不同状态序列中必然包含相等的0 和1 ，各为2 ”。由于在m 序列中 全0 态是不出现的，故0 出现的次数就比1 少一次。 ( 2 ) 游程特性：在每个周期内，共有2 ”1 个元素游程，其中0 的游程和1 的游程数 目各占半。并且，对 2 ，当l k ”一2 时，长度为k 的游程占总游程总数的1 2 ， 其中0 的游程和l 的游程各占一半。长度为( n 一1 ) 的游程只有一个，为0 的游程，长度为 ，z 的游程也只有一个，为1 的游程。 ( 3 ) 移位特性：m 序列 a k 与其移位序列 唧一，) 的模2 和仍是朋序列的另一位移序 列h ， ( 4 ) 自相关特性：聊序列具有双值自相关特性 f = 0 r 0 ( 2 - 8 ) 由上可知，m 序列为双值自相关序列。 通常产生伪随机序列的电路为反馈移位寄存器，它分为线性反馈移位寄存器和非线 性反馈移位寄存器，而m 序列是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的二进制数字序 列。 ，一p ，雎 一 、 i i 、，p 尼 东南大学硕士研究生毕业论文 图2 1 是一个产生m 序列的线性反馈移位寄存器的一般结构 l 输出 铀 儡 a o 图2 - 1 线性反馈移位寄存器 g o l d 序列 要了解g o l d 码首先要了解优选对的概念。 这里我们定义优选对：设a 是对应于”级本原多项式f ( x ) 所产生的m 序列，b 是对 应于珂级本原多项式g ( x ) 所产生的m 序列，当它们的互相关函数k 叫( 七) i 满足： r 。七，l ：芝+ ， n = z 后+ 。一。， 1 22 + 1月= 2 k ， 4 七 则f ( x ) 和g ( x ) 产生的m 序列构成对优选对。 g o l d 码是m 序列的复合码，是由r g o l d 在1 9 6 7 年提出的，它是由两个码长相等、 码时钟速率相同的m 序列优选对模2 加构成的 6 1 ，如图2 - 2 所示。每改变两个m 序列相 对位移就可得到一个新的g o l d 序列。当相对位移2 ”一i 比特时，就可以得到一族2 ”一1 个 g o l d 序列。再加上两个m 序列，共有2 ”+ i 个g o l d 序列。 槲一g 。l d n y , l i 生鐾! 广了：。“” 时钟一 i + l 斗。 啊羽赢网下 l 生器2 广一 图2 - 2o o l d 序列发生器 东南大学硕士研究生毕业论文 产生g o l d 码序列的结构形式有两种，一种是串联级数为2 n 级的线性移位寄存器， 另一种是两个n 级并联而成。图2 - 3 和2 4 分别为n = 1 2 级的串连型和n ：6 并联型结构 图，其本原多项式分别为：厂( x ) = x 6 + x + 1 ，g ( x ) = x 6 + 工5 + x 2 + z + l 。 即= 1 2 f ( x ) g ( x 、= 1 + z 3 + x 5 + x 6 + x 8 + x + x 1 2 图2 3 码长为6 3 移位寄存器级数n = 1 2 的g o l d 码发生器 厂( z ) = x 6 + x + 1 ，g ( x ) = x 6 + x 5 + x 2 + x + 1 图2 - 4 码长为6 3 移位寄存器级数n = 6 并联型g o l d 码发生器 这两种结构是完全等效的，它们产生g o d 码的周期都是p = 2 ”一1 。虽然对于串联 型的联接多项式，( x ) g ( x ) = x ”+ x ”+ x 8 + x 6 + x5 + x 3 + 1 的最高次数是1 2 ，但是由于 东南大学硕士研究生毕业论文 不是不可约多项式，更不是本原的，所以不能产生码长为p = 2 2 ”- 1 的序列，又由于厂( z ) 和g ( x ) 的周期都是2 ”一1 ，因此两者之积也必然是2 ”一l 的周期序 列。 g o l d 作为扩频码的优势在于：由优选对模2 加产生的g o l d 族2 ”一1 个序列已经不再 是m 序列，也不具有m 序列的游程特性。6 0 d 码族中任意两序列之间互相关函数都满 足优选对定义。由于g o l d 码这一特性，使得码族中任一码序列都可以作为地址码，其 地址数大大超过了用m 序列作为地址码的数量。所以g o l d 码在多址技术中得到了广泛 的应用。 此外g o d 码的互相关、自相关以及平衡特性也有着与m 序列不一样的地方。 ( 1 ) 互相关特性：g o l d 序列具有三值互相关特性。其三值互相关r ( k ) 特性见下表 归一化互相关函数出现频率 码长2 ”一1 嘭一 o 5 - ( 22 + 1 ) n 为奇数2 ”一1 c z t 影。 t o 5 形q o 7 5 n + l 一r 22 + 1 ) 2 ”一1 即为偶数，但不是4 的倍数 c z 争影。 o 2 5 由上表可以看出，当行为奇数时，码族中约有5 0 码序列有很低的互相关函数值； 而n 为偶数时，有7 5 的码序列有很低的互相关函数值。 ( 2 ) 自相关特性：g o l d 码的自相关旁瓣也和互相关函数一样是取三值的，只是出 1 4 东南大学硕士研究生毕业论文 现的位置不一样。 g o l d 族同族互相关取值已经有理论结果，但不同族之间互相关函数尚无理论结果。 用计算机搜寻发现，不同族之间互相关函数已经不是三值而是多值的，而且其互相关函 数值大大超过优选对的互相关函数值，所以，我们不能采用不同族的g o l d 码作为地址 码。 ( 3 ) 平衡特性：在扩频通信中，对系统质量影响之一就是码的平衡性，也就是序 列中0 ，1 的均衡性，当序列码中0 和1 个数之差为一时，称此序列码为平衡码：当其 中o 和1 的个数之差大于一时，则称此序列码为非平衡码。平衡码具有更好的频谱特性。 在o s 序列中码的平衡性对载波抑制度有密切的关系。码不平衡d s 系统载波泄漏增大， 将破坏扩展频谱通信系统的保密、抗干扰和抗侦破能力。 产生平衡码的步骤如下： ( 1 ) 确定优选对，在优选对当中，选取一参考序列，设为a 。求出序列 口 的生成 函数g 。 ) g 。( 石) = d x * j a _ ( x ) l 胛= 2 七+ l ( x ) ：兀( 工) + 坐华她 n ：2 k x ( 2 ) 根据下式长除求出特征相位，使序列扛 处于特征相位上。 g =