（通信与信息系统专业论文）扩频码同步技术的研究.pdf

摘要 扩频通信是当前信息领域迅猛发展起来的一门前沿技术，由于其抗干扰性强， 保密性好，功耗低等诸多优点，已成为非常重要的通信方式。5 0 年代开始，扩频 通信的概念成熟以后，此后的二十多年，扩频通信技术虽得到很大的发展，但都只 是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。而个人通信业务( p c s ) 的发展 终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。从而得到更广泛地应用。9 0 年代初， 在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了p c s 研究的热潮，而p c s 要长久持续 发展，最为经济合理的方法，是让p c s 与其它用户共享一段频谱e 7 j 。扩频技术为 共享频谱提供了可能。随着无线频带越来越拥挤，各种干扰也在增强，研究出系统 性能优异的扩频通信一直是研究扩频通信人们的一个主攻方向。同步是扩频通信的 关键技术，本论文研究的重点是使直接扩频通信这一最典型的扩频通信，能保持 良好的同步系统，从而有效地、可靠地工作。 扩频序列的同步分为扩频序列的捕获和跟踪两个环节。目前研究主要集中在对 周期较长的码捕获过程，以前较为常用的方法是串行捕获方法和并行捕获方法，因 前者捕获时间长后者系统复杂度高而使应用受限。目前研究的目标是要找出能完成 捕获时间短，占用f p g a 资源小，捕获抖动小的扩频码捕获算法。第四代移动通信 系统( 4 g ) 的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展，新技术 的发展以及现有无线系统的集成是4 g 系统发展的两个方向，而扩频技术在这两方 面都大有可为之处，因此只有在4 g 系统这个大背景下，才能更好地把握扩频技术 的发展方向。而发展到现在，主要是硬件的改善和性能的提高，即从系统的角度考 虑其总体性能，这也体现了目前的研究方向将更为精细和深入。 本文在解决码捕获时间性能和系统复杂度之间折衷的基础上，提出了增加辅助 电路实现快速捕获改进的算法，使得同步捕获可以在不改变门限值的前提下，有效 地降低了虚警概率，提高了伪码捕获性能。并应用k 口t t l a b 仿真软件对不同快速捕 获算法在不同信噪比下的检测概率、虚警概率、平均捕获时间及存在多普勒频偏时 捕获性能的进行了仿真，结果表明，此方法能够缩短捕获时间还可降低虚警概率。 关键词：扩频通信；扩频码；捕获；虚警概率；m a t l a b 仿真 a b s t r a c t 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 si sac u t t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p d l yi nt h e i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，i tu s e dm o r ea n d m o r ew i d e l yi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，w i r e l e s s d a t ac o m m u i l i c a t i o n sa 1 1 do t h e ra r e a sf o ri t sm g hp e r f o r m a n c ei na n t i - j a m m i n ga n d s e c u r i t y t h ec o n c e p to fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n sh a sr i p e n e ds i n c et h e19 5 0 s ； i th a sm a d eh e a d w a yd e v e l o p m e n tb u to n l yi np a r t i a ld e v e l o p m e n tf o rm o r et h a nt w e n t y y e a r s t h ep c sp r o v i d eo p p o r t u n i t yf o rs p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y t h e r ew a s ag r e a t u p s u r g ef o rp c si nt h ee a r l y9 0 sb a s e do nc d m a a b e s tw a yf o rp c s d e v e l o p m e n t c o n t i n u o u s l yi st h a tp c s s h a r et h es p e c t r u mw i t ho t h e ru s e r s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y m a d ei tp o s s i b l ef o rg r e a t e rs p e c t r u ms h a r i n g a sm o r ea n dm o r ec r o w d e dw i r e l e s sb a n d i n t e r 矗玎e n c ci sa l s oi n c r e a s e d t h e d i r e c ts e q u e n c e ( d s ) s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n si so n eo ft h em o s tt y p i c a ls p r e a ds p e c t r u mm o d e s s y n c h r o n i z a t i o ni s t h ek e yt e c h n o l o g ya n di sm a i nd i r e t i o no fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s t h ek e yo f s t u d yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m si sa b i l i t yt oe f f e c t i v e l ya n dr e l i a b l yw o r k s y n c h r o n i z a t i o no fs p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c es p r e a d - s p e c t r u ms e q u e n c e sa r ed i v i d e d i n t ot w oa s p e c t so ft h ec a p t u r ea n dt r a c k i n g n o ws t u d i e so nl o n gp nc o d ea r em a i n l y t h ep u r p o s ei st oc o m p l e t et h ea c q u i s i t i o nt i m et oc o m eu ps h o r t ，o c c u p yf p g a r e s o u r c e si ss m a l l ，t h es p r w a d i n gc o d et oc a p t u r eas m a l lj i t t e ri sn e c e s s a r yt oc a p t u r e a l g o r i t h m t h e4 gd r i v e ss p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g ye x t e n d i n gi nt h eh i g h s p e e d d a t a c o m m u n i c a t i o n n e wt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o ri n t e g r a t e di st w o d i r e c t i o n sf o r4 gs p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yw i l lg oal o n gw a yi nt h et w oa s p e c t s t o d e s c r i b ea l li m p r o v ea l g o r i t h mf o rr a p i dc a p t u r e ，a tt h i sb a s ea n da d dt oa na u x i l i a r y c i r c u i te n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fp n w i t h o u tc h a n g i n gt h ej u d g e m e n tl e v e la n d r e d u c et h ef a l s ea i a r me f f e c t i v e l y t h u si n c r e a s et h ea c q u i s i t i o nc a p a b i l i t y o nt h eb a s i so fa c q u i s i t i o nt i m ea n da c q u i s i t i o np e r f o r m a n c e t h ep a p e ri n t r o d u c e d a i d e dc i r c u i tw h i t c hc a l lr e a l i z ea na l g o r i t h mo ff a s ta c q u i s i t i o n s p r e a d s p c t r u mc o d e s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h ec a p t u r ea n dt r a c k i n gu n d e rn o r m a lc o n d i t i o ni m p r o v e da l g o r i t h ma n dt h ee x i s t e n c e o fd o p p l e rs h i f tu n d e rt h ec o d ec a p t u r ea n dt r a c k i n ga l g o r i t h ma n dp e r f o r m i n gt h e s i m u l a t i o nb yu s i n gm a n a b t h er e s u l ts h o w st h i sm e t h o dc a r ls h o r t e nt h ea c q u i s i t i o n t i m ea n dl o w e rf a l s ea l a r mp r o b a b i l i t y k e yw o r d ： s p r e a ds p ec t r u mc o m m u n i c a t i o n ；s p r e a ds p e c t r u mc o d e ；a c q u i s i t i o n ；f a l s e a l a r mr a t e ：m a t l a bs i m u l a t i o n i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的精心指导下取得的研究成果，在本学位论 文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过 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。在论文完成过程中，其他老师给予我的帮助及对本学位论文做出 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 垒这云 z 口汐年年月3 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全部或部分内容，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全部或部分内 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： 垄丑之 2 。f 年卜月；日 1 绪论 1 1 扩频通信的理论基础 ( 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 ) 简称扩频通信，最初是军事上用于抗干扰通信 中发展起来的，后来又在移动通信中得到广泛的应用，真正实用的扩频通信系统是在 5 0 年代中期发展起来的。该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。此后的二十多 年扩频通信技术虽然得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的新技术改进和 应用领域的拓展。而个人通信业务( p c s ) 的发展终于使扩频技术迎来了一次大发展的机 遇。 扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，当时已经没有可用的频段供无绳电话 使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，这是其在民用通信系统中应用 的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分 多址( c d m a ) 的应用。 扩频技术的发展为频谱共用提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址通信， 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，如将其他用户的信号 看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频 用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。 扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信 息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农 ( s h a n n o n ) 在信息论的研究中得出了信道容量的公式： c = 矿l 0 9 2 ( 1 + p ) 公式指出：如果信息传输速率c 不变，则带宽w 和信噪比p n 是可以互换的，就 是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，甚 至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然保持可靠的通信，即， 通信时代由信噪比换带宽的年代进入了用带宽换信噪比的年代。 1 2 扩频通信的主要特点 扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术接收信号， 这一过程使其具有诸多优良特性： ( 1 ) 抗干扰性强 扩频增益g ( s p r e a d i n gg a i n ) ，为扩频前的信号带宽b 1 与扩频后的信号带宽b 2