（电磁场与微波技术专业论文）直接序列扩频无线收发信机的设计和实现.pdf

北京邮j n 大学颂j 论文 摘要 本论文主要介绍了直接序列扩频无线收发信机的物理设计与实现。该设备满 足无线视频监控系统的要求，具有良好的信道传输性能。 论文首先介绍了直接序列扩频通信技术的背景和原理，然后通过提出两种简 化的信道模型，着重分析了直扩系统的抗多径性能优势。为实现直接序列扩频无 线收发信机的系统设计，系统采用了可变数据速率传输、扩频码字选择以及解扩 接收的同步、滑动相关、匹配滤波等直序扩频技术；另外系统采用的二次下变频 和正交抽样技术也比较特别。 为透彻理解主芯片z 8 7 2 0 0 ，论文先分模块介绍芯片内信号处理的数学模型 和原理，再分析了各个寄存器的控制功能和取值规律，然后单独提出了视口和门 限的定义，进行理论计算，并列出了实验结果。 系统基带和中频部分的设计首先通过软件仿真得到了验证。收发信机中频对 信号进行合理的匹配、放大、滤波处理后，可以达到中频环回测试零误码率的要 求。而且，论文给出了射频部分的基本电路原理框图。 另外，在硬件电路设计中，电磁兼容阅题是不容忽视的，所以论文结尾处介 绍了电子产品设计中需要考虑的几点电磁兼容原则，尤其是p c b e m c 方面。 直序扩频无线收发信机的设计与实现是未来进行扩频系统扩展开发的基础。 所以具有重要的意义。 关键字：直接序列扩频、二次下变频、正交抽样、匹配滤波、收发信机中频 北京邮电火学破士论文 a b s t r a c t i nm o d e r nc o m m u n i c a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sw i t hr e l i a b i l i t y a n df l e x i b i l i t ya r ed e s i r e d b ym a n ya p p l i c a t i o n s i n t h i st h e s i s ，t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f ad i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ( d s s s ) w i r e l e s st r a n s c e i v e r i sd i s c u s s e dt h i st r a n s c e i v e rw i t hf a v o u r a b l ec h a n n e lt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ec a n s a t i s f - yt h er e q u i r e m e n t o f w i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m 。 t h eb a c k g r o u n da n dp r i n c i p l eo fd s s st e c h n o l o g yi sf i r s ti n t r o d u c e d ，a n di t s r e s i s t a n c eo f m u i t i p a t hf a d i n g i s a n a l y z e d i nt w o t y p e s o fs i m p l i f i e d m u l t i p a t h p r o p a g a t i o nm o d e l s i nd e s i g no f t h ed s s sw i r e l e s st r a n s c e i v e r , t h et e c h n o l o g i e so f v a r i a b l ed a t ar a t et r a n s m i s s i o n ，s e l e c t i o no fp nc o d e ，r e c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o n ，s l i d i n g c o r r e l a t i o na n dp nm a t c h e df i l t e ra r ee m p l o y e d ，a n ds e c o n dd o w n - c o n v e n e ra n d q u a d r a t u r es a m p l i n gm o d ea r es p e c i a l l yp r e s e n t e d t h e s p r e a d s p e c t r u m t r a n s c e i v e r c h i p z 8 7 2 0 0 p l a y s am a i nr o l ei n t h i s t r a n s c e i v e rs y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lt h e o r ya n dm o d e lo fs e v e r a lb l o c k si nc h i pi s f i r s tc o m p r e h e n d e dd e e p l y ，a n dt h e nc o n t r o l l i n gf u n c t i o n sa n ds e t t i n gv a l u e so ft h e r e g i s t e r sa t er e c o m m e n d e d 。t h ev i e w p o i n t sa n d t h r e s h o l d sa r ep i c k e do u ta n dd e f i n e d i n d i v i d u a l l y , f o l l o w e db y f o r m u l a rc a l c u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t r e s u l t s t h ed e s i g no f t r a n s c e i v e rb a s e b a n da n di fi ss i m u l a t e db ys o f t w a r ea f t e rs i g n a l m a t c h i n g ，a m p l i l y i n ga n df i l t e r i n g ，t h ee r r o rb i tr a t eo f t h el o o pt e s ta tt r a n s c e i v e ri f s e c t i o na c h i e v e s0 t h eb a s i cs c h e m a t i co f r fs e c t i o ni sa l s od e s c r i b e d i na d d i t i o n ；e m cp r o b l e m ss h o u l dn o tb en e g l e c t e di nh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n s os e v e r a le m c p r i n c i p l e s 。e s p e c i a l l yo n p c b e m ca r e g i v e n a tt h ee n do ft h i st h e s i s t h es p e c i a lr e q u e s t so ft h ew i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mr u nt h r o u g ht h e w h o l e t h e s i s ，t h o u g h t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ew i r e l e s sd s s s t r a n s c e i v e r h a sl i m i t a t i o n s i th a sa s i g n i f i c a n tm e a n i n g a st h eb a s i cf o rt h ef l t u r es p r e a ds p e c t r u m s y s t e mi m p r o v e m e n t k e yw o r d ：d s s s ，s e c o n dd o w n c o n v e r t e r , q u a d r a t u r es a m p l i n gm o d e ，p n m a t c h e df i l t e r 、t r a n s c e i v e ri f 4 北京酃屯大学硕士论文 第一章综述 随着通信技术的不断发展，随时随地的通信正在从有线的沟通向无线的联想 发展。无线通信的迅猛发展改变着人们的生活方式，从早期简单的传递电报，到 逐渐的有了语音通信，直至今天的多媒体传输，无线通信一步步地向着以有限的 频率资源提供可靠丰富信息的方向演进。可以说，无线通信带动了通信的科研和 产业，拥有无限的魅力和美好的前景。 在目前广大的无线产品市场中，无线视频监控系统是许多厂商争相开发的热 点。视频监控从死扳的有线范围走向灵活的无限空间，视频信号压缩技术和无线 通信扩频技术的发展使这一目标逐渐得到完美的实现。利用无线通信方式远端监 控异地影像和声音，特别适用于布线复杂或困难的地形、楼群或紧急的防汛、救 灾及公安、军事行动等。两且随着系统设置灵活性的提高，监控的实时性、交互 性、个性化也都得到了提高。 视频监控对数据的质量要求属于中等水平，一般数据速率在5 0 3 0 0 k b p s 的 范围内，并且应该满足室内固定和室外移动不同的要求。目前，市场上有许多无 线通信的产品，例如9 0 0 ) h z 及2 ，4 g h z 的无线舄域网产品，它们具有高速率及规 范化的特点，但并不适于远距离传输和多址接入。有许多无线视频监控系统往往 没有很多数碾格式及网络规范上的要求，这时就可以考虑利用自己开发的无线收 发信机对视频信息进行透明的传输。我们选择了国家无线电技术委员会在3 4 0 m h z 丌放的8 m 带宽作为使用频段，采用直接序列扩频技术对监控图像进行传输。更 低的频段可以解决障碍物阻挡的问题，而且受到的同频段干扰较少。扩频码字的 可选择性解决了数据速率可变及多址接入的问题，另外还利于保密。 直接序列扩频是一种最古老的扩频技术。它被许多现存的和未来的蜂窝c d m a 通信系统采用，并广泛应用在军事通信网络与系统中。直接序列扩频之所以能够 一直受到人们的关注和普及应用，主要的一个赈圆是因为它在不断的改进和发 展，适应渚如频率资源限制、各种干扰抵抗、数字集成化、设计智能化等等日益 繁多的要求。所以能够透彻的理解、创造性的研究并充分的实现直接序列扩频技 术，将为适应外来信息技术发展奠定坚实的基础和方向。 本论文就是在这样的市场需求和科研背景下完成的，它的主要工作是完成了 北京邮电大学硕士论文 直接序列扩频无线收发信机的设计与实现：被处理数据的典型速率是2 5 6 k b p s ， 直接序列扩频后信号带宽为8 m h z ，调制方式为q p s k ，解调则通过正交采样和二 次下变频实现，采用的中频为7 0 m h z 、射频为3 4 0 m h z 。 论文的结构是这样安排的。首先，对于采用的直接序列扩频通信技术给出详 细的介绍，包括它的历史和发展、基本原理和性能优势，这些介绍将很好的解释 这一技术被采用的根本原因。其次，将提出直接序列扩频无线收发信机的整体设 计，包括收发信机为满足需求限制而选用的设计思路及各种关键技术、收发信桃 的整体框图和系统仿真结果，以作为接下来设计实现工作的正确指导。论文还将 着重分析关键部件z 8 7 2 0 0 的原理和控制，这是一个经典的数字化、可编程化的 低功耗扩频芯片，深刻领会它的每个功能模块的工作原理和参数设置要求，并通 过反复的调试总结经验，对于实现它的灵活操作都是必不可少的步骤。当然，无 线收发信机的最后实现是要各部分协调工作的，这其中涉及到许多中频和射频电 路中的模拟信号的处理以及一些电磁兼容的问题。最后，就是本文的结论以及对 未来工作的建议和展望。 北京邮电大学碳j ，论文 第二章直接序列扩频通信技术 扩频通信技术的提出可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，但是当时它的发展受到许 多科技因素的限制，诸如高速集成电路的可行性等。到了8 0 年代，随着电子系 统技术的提高，扩频通信技术的发展变得畅通无阻，扩频因子不断提高，科技限 制让位于频率资源限制。由于扩频通信技术具备易保密、抗干扰、便于多址接入 等优点，从最开始应用于军事和空间领域，到今天应用于全球卫星定位系统和移 动蜂窝通信体系，它已经成为引领全世界无线通信系统发展的重要角色。 2 1 扩频通信技术的介绍 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信 息所必需的最小带宽，根据信息论的基本原理可知，增加带宽可以降低对传输系 统$ n 的要求；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方 法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、 解扩及恢复所传信息数据。图2 i 是扩频通信系统一般的结构。 图2 1 扩频通信系统的一般结构 扩频信号的经典定义：占据了比信号数据速率所需频率带宽更宽的频宽的信 号。但这个定义没有明确扩频信号到底要把信号带宽扩展到多少。我们这里讨论 的扩频信号是指最普遍意义下的那些由数字序列推出的相对宽带信号直接调制 得到的数据信号。 扩频通信系统的种类：扩频是要通过一些调制技术实现的，例如f m ，p m 或 a m 。因为有很多的调制方式，所以扩频方式也可以有很多变化。下面是一些常用 的扩频技术，其中就采用了一些基本的调制技术：直接序列( p s k ) ，跳频( f s f f ) ， 带宽线性调频( f m ) 及各种混合方式。调制其实是时域的定义，反映到频域，就 篝孤王到 r。l r，。l 回 魏1 、 北京螂电大学硕士论文 是频谱的扩展。 扩频系统能抵抗各种干扰、噪声和多径失真。扩频系统的抵抗干扰能力，即 扩频处理增益可定义为： ( _ p g ) 船= 1 0 1 0 9 ( b w r 。) ( 2 1 ) 式中b w 为整体扩频带宽，凡为发送数据符号速率。注意：扩频系统中有两卜 调制信号，一个是对应b w 的扩频信号，一个是对应r 的数据符号，而扩频信 号的速率在直接序列扩频中是指码片速率，在跳频系统中是指跳频速率。码片速 率和扩频方式决定了带宽b w 。对给定的干扰来讲，抵抗干扰的能力随带宽的增 加而增强。 扩频通信系统的抗干扰能力还可以用干扰容限来衡量。在输入载波强度的基 础上，可产生破坏扩频信号的干扰的电平可定义为干扰容限： 鸠= p g 一0 + p ) ) ( 2 2 ) 式中三是系统的损耗，s n 是信息输出满足一定比特差错率时所需的信噪比。 可见扩频通信系统的抗干扰能力是有一定限度的，而且小于系统的处理增益。 扩频通信系统可以适应多接入和多用户的需求。当多个用户使用不同的编码 序列时，他们就可以同时占用同一个频带进行通信。互调干扰可以通过( 2 i ) 式 的处理增益降低。( 2 1 ) 式还可以用来计算允许的发射机数目和其在指定接收机 上的场强。事实上，所有的系统性能计算，包括抗干扰容限，都是从这个方程推 导出来的。 2 2 直接序列扩频通信技术的基本原理 _ f 面我们假设直接序列扩频信号的数据调制和扩频采用b a s k 调制，信号定 义可写为： s o ) = 彳口o p o ) c o s ( w o t + o ) ( 2 ，3 ) 其中a 是信号的幅度，口( r ) 是周期为瓦的矩形脉冲序列，d ( f ) 是周期为t 的矩形 脉冲序列，代表数字符号。在大多数应用中，t = n r o ，口) 的脉冲传递与d o ) 的 同步进行。信号口o ) 被称为扩展信号或标签信号。它的基本脉冲通常被称为码片， r 北京批屯大学硕十论文 而这个基本脉冲的形状就是码片波形。码片速率疋= 】z ，数据速率玛= 1 乃。 载波频率，= q1 2 s r 。我们假定口o ) 的带宽远小于载频，即r 。 丘。 矩形脉冲的周期x 定义为：在0 f 旯时，以( f ) 。i ：其他，时，办o ) = 0 。 。0 ) 的脉冲幅度可出扩展序列标签序列g ，) = 0 。，工、，x ：碍到，对矩形码片 波形来讲； 一l 口o ) = p l ( f n i l o s f r ( 2 4 ) * 9 0 式( 2 4 ) 中相应的数据信号为d o ) = 磊办( f ) ，其中d o 表示数据符号。对包含几个 数据符号的消息或数据包来说，口妇) 的总数和时间间隔会受到消息的长度的限 制。序列& 。) 可以是周期的，这样在消息期间此序列可能会有重复。最好是使序 列不重复或者说使其周期超过消息长度。在许多应用中，扩展序列g 。) 的每个元 素取值为+ 1 或一1 。这样的二进制序列通常由逻辑设备产生0 和l 的序列后，再 按o - ) 1 ，i 一) 一l 的规律转换。因为扛。) 通常具有某些随机特性，所以又被叫被 伪随机序列。通常，我们使用伪随机序列这个词来泛指那些具有利于扩频系统使 用的特定性能的序歹1 j ，将在后续章节给出其更详细的介绍。 扩频基带信号o ) = 彳口( ，p o ) 传达了与原始数据信号相同的信息，但占据了 更大的频率带宽，如图2 2 所示。 - 卜卜_ 图2 2 直接序列扩频信号扩频前后的频谱比较 一 托京雌电大学硕士论文 下面是一个广义的直接序列扩频信号定义： s o ) = 4 口( ) c o s 如i f + p ) ( 2 ，5 ) 其中d ( f ) 代表扩展了频谱的数据。假定数据符号序列为铽 ，码片波形为缈o ) 则口0 ) 可以表示为： 口( ，) = 吨。，。j 而矿o 肝t ) ( 2 6 ) 其中b j 表示实数“的整数部分，n 是每数据符号的码片数，因此如果传送数据 符号d o , d 。，丸，( 2 6 ) 式中的求和结果范围应该是o l 一1 。码片波形1 】c ，o ) 不 定是矩形的，其周期也可以超过z 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式定义的信号是a s k 调制的例子。如果以和的值限制在+ 1 和 一1 上，而且码片和数据脉冲的波形都是直角的，a s k 信号在数学意义上将等效于 经典的8 p s k 信号。在这个特殊的情况下，a ( f ) = 口( k ( f ) ，( 2 5 ) ( 2 6 ) 式给出的 信号与( 2 3 ) ( 2 4 ) 式相同。两个a s k 信号联合起来可以给出信号： s ( f ) = 4 慨( ) s ( 敛 + 口) 一奶e ) s i n k f + p ) ) ( 2 7 ) 这是一个q a s k 信号。通常，q 0 ) 和( ，) 由( 2 6 ) 式定义，它们可以有不同的数 据符号集和不同的扩展序列。如果加以限制，q a s k 信号数学上等周子经典的q p s k 信号。如果( 2 7 ) 式的同相成分里的码片在时间上比正交成分里的码片偏移t 2 的奇数倍就生成o q a s k 或o o p s k 信号。也可以使用其他的码片波形，比如正弦 脉冲可产生m s k 信号。 用复数形式可以很方便的表示这样的信号。式( 2 7 ) 的复数形式为 亨 = 夕0 k “7 ，其中基带等效信号为艇) = 彳口( f 弦”。两口) = 岛) + 歹钙每j 。实 际的传输信号是复数信号的实数部分，即s ( ，) ；r e o ) ) 。 扩频的许多特性是由口o ) 的性质得来的，所以要很好研究基带等效信号 ( ) = 4 口( f ”，这对扩频来讲十分重要。式( 2 3 ) 对应的基带等效信号为： 成) = 彳口0 弦0 弦p ( 2 8 ) 北京邮e “火学坝f 论文 这是一个实信号，复指数只是用来跟踪r f 信号的相位。如果( 2 3 ) ( 2 5 ) ( 27 ) 中引入时延从而引起相位变化豌；一婢，则时延信号的基带等效信号为 ( f 一) = 爿理t 一p ( f 一k 和+ 九 ( 2 9 ) 2 3 直接序列扩频的抗多径干扰 直接序列扩频技术普及的原因之一就是因为它可以在各种类型干扰存在的 情况下提供可靠的通信。 首先是作为系统一部分的发射机的干扰多址接入干扰。系统容纳的能在 同频带内同时发射的数目就是它的多址接入能力。为在直接序列扩频系统中提 供多址接入的能力，用序列0 。) 来标识每个信号，因此序列( ) 也被称作标签序 列。直接序列扩频和跳频扩频都可以提供多址接入能力，多个收发信机对可在同 一时间同一频段可靠通信，良好设计的扩频多址系统能保持很高的抗干扰性能， 在蜂窝通信和早期应用中，扩颓多址系统就是指c n , i a 。 另一个移动通信中经常遇到的干扰是由传播路径上物体反射引起的多径干 扰，如图2 3 所示。接收的信号会在时间和相位上产生很多不同的偏差，使得总 信号包含发送信号的多个不同衰减成分，它们的叠加可能是建设性的( 同相) ， 也可能是破坏性的( 反相) 。 图2 ，3 多径传播 直接序列扩频可以在很多的破坏性干扰多径成分中识别出所应接收的信号。 当使用r a k e 接收机对。直接序歹u 扩频可以联合一些建设性多径成分、甚至破坏 性成分用于接收。直接序列c d 】i l a 蜂窝通信的一个优势就在于在多径环境下的可 靠通信能力。为此，接收机必须隔离每个多径成分，然后将分离出来的各个多径 信号在r a k e 接收机里用联合算法进行处理。例如使用这一技术可以在两到多 北京椰屯大学砸士论文 个基站范围内进行软切换：两个或三个基站发射的信号可以被视为多径成分在移 动终端的r a k e 接收机中联合使用。 2 3 1 镜向多径模型 假设信道中的多径是因多个物体的镜面反射形成的，而且每个单独的多径成 分在时间上不弥散。这样的多径成分被称为镜向成分，只产生镜向成分的信道被 称为镜向多径信道。镜向多径信道的输出是传输信号的一些衰减时延成分之和， 每个成分到达接收机都没有失真。可能是也可能不是视距传输。 如果多径信号产生破坏性干扰。信号将严重的衰落。为了解释多径的效果。 我们假设没有使用扩频时的传输信号是4 d ，信道产生两个镜向成分，则接收 到的信号是： r ( f ) = 4 d o ) + 4 d o 一弘 ( 2 ，l o ) 其中是两个路径的对延差，乒= 咆。因为载频远大于1 t ，能同时满足 q * 口和a t 。如果在o ， ? 的时间段里，d ( f ) = + l ，则这段时间的大部 分里，( f ) z 4 4 。这就是产生破坏性干扰的个例子。如果4z 4 ，则在这 段时间的大部分里有r ( f ) t0 ，也就是由于多径，接收信号几乎完全抵消。在一 个接收矩形脉冲的接收机里，多径干扰弓1 起了接收复合信号的衰落，这将增加数 据传输的误码率或者降低视频传输的质量。 为更好解释直序扩频的优势，我们使用确定性线性时不变镜向多径信道模 型。在( 2 3 ) 式洽出的扩频信号中，设一= 1 , 0 = 0 ，d ( f ) = 岛e ) ，t = 蝇，则基带等 效信号( ，) = a 6 0 , o - f 丁，是由n 个码片孝盘成的扩频脉冲。如图2 2 ，n = 7 。 假设r f 信道的基带等效模型是冲激响应为矗( ，) 的时不变线性滤波器。实际 信道不一定是时不变的。但信道变化的速度远慢于消息的周期，所以至少在几个 连续数据比特或整个的消息周期中可将信道视为时不变线性滤波器。 设接收机使用的是冲激响应为k ( f ) = 口伍一，) 的时不变线性滤波器，它与扩 苎至塑皇盔堂堡! ：堡兰一 频信号a o ) 匹配。矗) = 口伍一，l o o ， o 。t 不是对匹配滤波器输出进行抽样的 n 寸问，可以任意选择。这里的匹配滤波器是指匹配传输信号，不同于r a k e 接收 机是匹配信道输出。 信道输出：= 口+ h = p ( f 协( f r 弦f ，匹配滤波器的输出：y = a + h + 。 设兄= “+ h m ，则y = rs 口。最简单的情况：i = 0 ，则k ( f ) = a ( 一t ) ，此时 只；l o e b ( r t d r ，r ( o ) = 。2 是扩频信号4 0 ) 的自相关函数。由码片波形和序 列k ) 的非周期性自相关函数c 决定： c ，d ) = x 0 x ，十x l z ，一l + + x 一卜x 一l ，0 n 一1 c ，c ，) = c ；卜，l1 一n ，- 1 ( 2 1 1 ) c ，u ) = 0 ， 其他， 其峰值c 。( 0 ) 等于k ，o n n 一1 的平方和。旁瓣e o x j 0 可忽略不计。 假设码片波形是周期为t 的矩形脉冲，对每个整数j 有尺o 正) = c o 皿，而 且r ( r ) 在，i f ( ，+ l 迎时的图形是连接r ) 和r 眇+ l 皿) 两点的直线。因为 忽略旁瓣，所以震是一个三角形函数 露o ) = 月( 0 觏一f r i ) r 。l t f - a t 2 ，如图2 4 中b 所示，y ( f ) 的三个成分互相覆盖，很难从滤波器的 输出中分辨出来。这就是码片速率过低，无法提供多径信道分辨率的结果。所以， 对镜向多径信道来说，码片速率应尽可能的高。但直接序列扩频系统的带宽与码 片速率成比例，所以码片速率要受带宽和复杂度的限制。这样，系统设计就要在 多径分辨能力、所需时钟速率及扩频收发信机的帮宽上进行权衡。 假设= q = c 2 = 1 ，且q 是石的奇数倍，这样磊= - ，如= 0 。则匹配滤波 器的输出为y ( ，) = 发e 一毛) 一露( ，一，。一) + r e 一，o 一2 ) 。图2 ，4 中c 是互= 2 的 情况。图2 4 中d 是c = 2 a 的情况。d 中扩频系统的码片速率太低，造成了破坏 性干扰。如果码片速率足够高，即r a 2 ，可以分辨各多径成分，可以估计各 成分的相位，并在多径联合重构信号前使用。这时，图2 4 的c 、d ，应该先将 北京邮l 也火学硕二i + 论文 第二项耿反，再三个成分相加。 2 3 2 镜向多径加弥散多径模型 有些信道包含有一簇或多簇传播路径，每簇路径包含大量有微小时延差的路 径( 这些差异小于扩频信号的码片速率的倒数) 这时的多径被称为弥散多径，由 一簇这样的多径传播形成的成分被称为接收信号的弥散成分。弥散成分是由些 有不同时间偏移的传输信号成分组成的，因此弥散多径信道接收信号的脉冲宽度 将超过发送信号。如果大到一定程度，引起脉冲的严重失真，这时的多径信道就 被称为时间色散。反映到频域的现象就是频率选择性。 我们来研究由一个产生镜向成分和一簇产生弥散成分的信道组成的模型。假 设所有路径的时延差都小到可以忽略其造成的码片波形失真的程度。假设路径时 延差大于载频的倒数，将产生破坏性干扰。假设总信号是一些信号的线性联合， 这些信号的时间偏移小到只产生轻微的或不产生码片失真的程度，但是大到可以 产生破坏性干扰。这时，弥散多径信号将产生菲色散或者说非选择性的衰落。我 们集中考虑非选择性衰落，因为这种衰落引起的误差概率表达式较为简单。但是 研究码片速率对误差概率影响时也要考虑选择性衰落。 非选择性衰落将引起接收能量的变化但不会造成接收信号的严重失真。假 设e 是传输信号的能量，接收信号的能量可表示为v 2 e ，v 是衰落信道的随机 电压增益。一个镜向多径加弥散多径模型产生的多径信号常用的菲选择性衰落的 模型是r i c i a n 模型，其中v 服从r i c i a n 分布 力0 ) ；萼e x p - ( u 2 ；c 2 ) 孝2 ) ，0 ( 2 c “善2 l o “ o 。 ( 2 1 5 ) b 而且办( ) = o ，“ 0 。( 2 1 5 ) 式中函数j 。是第一类零阶修正贝塞尔函数， 缈2 = c 2 + 孝2 ，非负参数c 和善分别对应镜向信号成分和弥散信号成分的强度。 接收信号中镜向成分的能量为瓦= c 2 e ，弥散成分的平均能量为巴= 掌2 e 。，接 收信号能量总和为e = 乓+ 易。( 2 1 5 ) 式中取c = 0 ，- j - 以得到纯弥散多径产生 信号的密度函数，其中v 是个r a y l e i g h 髓机变量。纯弥散多径常用的模型是 北京邮电大学硕士论文 r a y l e i g h 模型，即r i c i a n 衰落中无镜向成分。 无线通信中可以采用许多不同的数字调制方法，要根据特定应用中不同的信 道特性来进行选择。为方便表达，我们看一下适于非相干解调的二进制调制方案。 例如二进制信号集k ，v 1 ) 有信号形式： v ，o ) = y 雌p ，( f 一砜) ( 2 1 6 ) 并且只= b o ，只”，y i 。一，) 有性质：y 0 与m 正交。数据符号周期为丁= m t 0 。( 2 3 ) 与( 2 8 ) 式的数据信号定义为：第m 个时间间隔( m t f + 1 f ) 时，如果发 送0 ，j ( f ) = v o ( t m t ) ，如果发送l ，d ( f ) = v l ( r m t ) 。传输信号的基带等效信 号为层( r ) = 口( ，h o ) 。如果瓦是乏的倍数，在巩( ，一蜗) 的每个扩频信号中都有 整数个码片。为方便讨论，假设风与屈( f ) 的自相关函数是前面定义的理想自 相关函数r 。 向量m 的可取值范围是2 “阶的h a d a m a r d 矩阵的任意两行。例如= 3 ， 我 门可昂t ( + l ，1 ，+ l ，一1 ，一1 ，+ 1 ，一1 ，+ 1 ) 和( + 1 ，- 1 ，一1 ，+ 1 ，1 ，+ 1 + 1 ，一1 ) 。通常2 ”阶的h a d a m a r d 矩阵的行是2 ”个正交信号的集合，有时还可以 使用w a l s h 函数或h a d a m a r d - w a l s h 信号。 我们考虑一下在二进制正交调制、r i c i a n 非选择性衰落信道的情况下，由 包络检测和匹配滤波器组成的标准非相干接收机。匹配滤波器的低通等效冲激响 应是o ( - t ) 、届( 一，) 。用o 2 表示热噪声的双边带功率谱密度。则非相干接收 机的平均差错概率可表示为 ( 2 1 7 ) 在匹配滤波器的输出中有三个s n r 值得关注：镜向成分的s n r ：0 ；弥 散成分的s n r ：g i n , , ：总s n r ：e n o = k o ) + 饵o ) 。弥散成分有效能量 岛，依赖于接收机中使用的滤波器。如果码片速率变了，为匹配码片波形，滤 北京邮f “大学硕，p 论文 波器也必须变化，弥散成分的有效能量就改变了。而镜向能量。是不依赖于滤 波器的。所以我们通常使用固定“镜向成分s n r ”下的“弥散成分s n r ”作为研 究接收机性能的函数。 图2 5 为三个不同镜向s n r 下的弥散s n r 的平均误差概率函数。可见平均误 差概率不是弥散s n r 的单调函数。如果镜向s n r 是2 5 d b ，可以看出误差概率在 弥散s n r 逐渐增至2 5 d b 的过程中是增加的，但在弥散s n r 超过2 5 d b 后，误差概 率就开始随弥散s n r 的增加减小了。 图25r i c i a n 信道的误差概率 固定镜向s n r 时，弥散s n r 的增加将导致总s n r 的增加。这样，图2 5 的曲 线也表明误差概率不是总s n r 的单调函数。在一定范围上，总s n r 的增加导致接 收机性能的恶化。这是因为弥散信号容易引起破坏性干扰，损坏镜向成分，带来 衰落。这样弥散成分有效能量的增加就使得接收性能比我们只用镜向成份进行解 调时更差。当弥散s n r 进一步增加，它将处于支配地位，误差概率就会以反线性 方式降低，这是r a y l e i g h 衰落的一个特点。即对很大值的弥散s n r 来说，( 2 1 7 ) 式可写为e 。 2 + ( 局k 汁1 。 进一步分析可知，对确定性模型存在一个码片速率选择的问题。假设信道为 冲激响应为a o ) 的时不变线性滤波器：a ( r ) = j ) + 恁矗) ，即包括一个离散成分和 一个连续成分。冲激响应的离散成分产生了接收信号的镜向成分，而连续成分产 北京邮屯大学硕j 一论文 生了接收信号的弥散成分。假设取西和) = 1 , - e - t 占，并设其他情况下曩= 0 ， 其中0 t 。 假设传输信号为风o ) ，考虑与其相匹配的滤波器输出的弥散成分，由 y = r t h 可得匹配滤波器抽样输出为 y ( 0 ) - - - r ( 0 ) + 鼬如 8 ) 尺o ) 会随着i 的降低而减小，所以y ( o ) 也会随i 的降低而减小。三角形自相关函 数的底宽为2 瓦，高为震( o ) = e 。码片速率增加，t o 减4 , ，三角形自相关函数变 窄，但高保持不变。也就是说( 2 ，1 8 ) 式中镜向成分不变，保持尺( 0 ) = e 。；但积分 项弥散成分减小，弥散s n r 降低。因此，码片速率提高将导致匹配滤波器输 出弥散s n r 降低。 弥散多径信道更精确豹模型，应该有随机的冲激响应，那样分析将更加复杂。 正如静态多径能引起时间色散，时变多径将引起d o p p l e r 扩展。不过，事实上对 大部分的通用多径信道来说，码片速率的提商都将使解扩信号有更多的镜向成 分、更少的弥散成分，所以弥散成分有效能量会降低的结论都是正确的。但是， 如果系统工作在弥散s n r 降低会导致误差概率降低的状态下，为提高系统性能， 应提高码片速率。这就是我们举的弥散s n r 小于镜向$ n r 的例子。图2 5 表明， 要想得虱较低龅差错概率，需要较小的或菲常大的弥散烈r 值。 码片速率并不总严重影响弥散s n r 。例如。某弥散多径信道，可等效为冲激 响应是宽2 占矩形的滤波器，在0 疋 占1 1 的范围内，弥散s n r 最多变化6 d b 。弥 散s n r 的剧烈变化还需要改变发射功率，这时镜向s n r 也会发生变化。但有时， 很小的弥敬s n r 的降低将使误差概率有很大的改善。 2 3 3 关于r a k e 接收机 使滤波器匹配接收信号的一个重要步骤就是采用r a k e 接收机。r a k e 接收机 的概念是在2 0 世纪5 0 年代提出的，并且得到了十分广泛的应用。虽然每个单独 的多径成分在通信终端移动或传播环境改变时会产生衰减，但并不是所有的成分 北京邮电大学碗二卜论文 都同时衰减。直接序列扩频接收机能够分辨一些不同的成分，f 确联合并加以利 用。从而提供多项分集的私。被处理的多径成分的幅度、对延、相位可能随时阊 而变，联合方法应随着这些参数的变化而自适应调整。 在i s 9 5 中，基站和移动终端都使用了r a k e 接收技术，如图2 5 。基站非相 干联合r a k e 接收机的各个分支输出，即功率相加。移动终端相干联合r a k e 接收 机的各个分支的输出，即电平相加。 鑫稳麓骂 图2 6m 分支r a k e 接收机的实现 早期r a k e 接收机是基于延时线上等时阃伺隔龄大量抽头实现的。每个抽头 对信号处理产生统计，根据这个统计就可以采用不同的增益。如果增益同时采用 相位偏移，就是复数形式。r a k e 接收机可以处理增益加权统计的联合数据，以 采集通过多个传播路径到达接收机的能量。有许多个可以采用的联合方法，比如 最基本的等增益和最大信噪比原则等，在进行选择时要注意综合考虑性能和复杂 度。而且应该根据多径信道特性的变化，采用不同的算法。 近期，有些移动终端的r a k e 接收机采用了相对小数量的解调器。这些解调 器可以跟踪、解扩、并解调接收信号的每一个成分，也可以被用来在一定时间偏 移范围内进行扫描，以检测目前没有被解调的多径成分。他们分别被称为数据解 调器和搜索器。数据解调器用来解扩和解调前面被检测到的多径成分，其输出被 联合起来，用来为接下来类似软判决解码的处理过程提供判断统计。理论上。如 果解调器数目大于多径数目，且系统码片速率足够高，那么r a k e 接收机能分辨 出每个镜向多径成分。但如果码片速率偏低至少有一个数据解调器要处理包含 两个或多个镜向成分的信号，那么此接收机的输出就会有较大衰落。 北京砧宅大学顾士论文 为特定应用设计r a k e 接收机时，了解通信信道和系统传播媒质的特征是十 分必要的。码片速率决定了可获得的最大能分辨多径成分的数目。但如果信道不 会产生这么多的多径成分，系统也就不会达到扩频所能提供的最大分集水平。在 解调器多于多径成分数目的情况下，多余的解调器可以作为搜索器使用，以加速 扫描新多径成分。路径对延范围和可能存在的路径数目的统计是十分重要的。这 样的统计可用来确定所需的码片速率、r a k e 接收机中的解调器的数目，以及为 定位多径成分所做扫描的时间窗。使用过多的解调器将增加系统的花销，而使用 的解调器过少会导致接收信号能量的下降。 2 4 直接序列扩频通信系统的优缺点 直接序列扩频系统会遇到各种干扰，除去多径干扰外，常见的有宽带干扰( 通 常为自嗓声，如雷电、大气噪声、工业设备点火装置等) 、单频干扰( 如其它常 规通信设备信号) 、多频干扰( 也称多址信号) 等。因为直序扩频系统具有很高 的处理增益，能对有用信号进行相关接收，对干扰信号迸行频谱扩展，干扰的大 部分功率都能被接收机中频带通滤波器滤除。所以系统的抗干抗性能很强。 下图是直接序列扩频接收机的模型，我们看一下它的系统s n r 性能。 图2 7 扩频接收机的模型 假设天线输入的噪声只是燕噪声。则s n r = ( 接收功率信号带宽范围内的自 噪声功率) 。处理增益= ( 低通滤波器输出基带信息数据s n r 扩频处理前的扩频信 号的s n r ) = ( c 点s n r b 点s n r ) = n 。n f ( n 2 * 2 n b ) ( n 。2 2 b ) = n 。因为a 、b 两点 的信号带宽一样( 2 n b ) ，所以处理增益也可以定义为( c 点s n r a 点s r ) 。 接收机把所需频谱解扩到原始信息带宽，而把其他干扰扩展到扩频调制带 宽。干抗信号的功率谱密度被处理增益降低了。接下来的低通滤波器的频带满足 信息带宽，所以只有1 n 的干扰信号功率从低通滤波器输出。也就是说，处理增 盏越大，抵抗干扰的能力越强。 我们知道，扩频处理过程占用n 倍的带宽，所以功率谱密度降到l n 。如果 2 0 添 蟛日 卫一嚼固 巴 北京f i f f 电大学坝士论文 功率舀密度足够低，扩频信号就可以和其他窄带系统共同传输，而不会对他们造 成很大干扰。同时信号功率谱有完全淹没在背景噪声下，再加上扩频码的伪随机 性，扩频信号具有很强的隐蔽性。 综合起来，直接序列扩频系统具有很多优点： l 、直扩信号的功率谱密度低。具有隐蔽性和低截获概率，抗侦察，抗截获 能力强；功率污染小，对其它系统引起的电磁环境污染小，以利于多种系统共存。 2 、直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性，系统本身具有 加密的能力。因为用伪随机序列对信息比特流进行扩展频谱，相当于对信息加密； 而所拥有的码型不同的伪随机序列的数目，就相当于密钥量。不知道直扩系统所 采用的码型，就无法破译。安全的程度是由使用的编码系统的完善度和窃听者的 技巧决定的。 3 、利用直扩伪随机序列码型的正交性，可构成直接序列扩展频谱码分多址 系统。在这样的码分多址系统中，每个通信站址分配一个地址码( 种伪随机序 列) ，利用地址码的正交性通过相关接收来识别出来自不同站址的信息。码分多 址系统中的用户是共享频谱资源的。 4 、直接序列扩频系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。这 是因为直接序列扩频系统具有很高的处理增益，对有用信号进行相关接收，对干 扰信号进行频谱扩展使其大部分的干扰功率被接收机中频带通滤波器所滤除的 原因。 5 、利用直接序列扩频信号的相关接收，它具有抗多径效应的能力。当直扩 伪随机序列的码片宽度( 持续时间) 小于多径时延时，利用相关接收可以消除多径 时延的影响，因而直接序列扩频系统具有抗多径干扰的能力。 6 、利用直接序列扩频信号可实现精确的测距定位。利用直接序列扩频瞎号 的发送时刻与反回时刻的时间差，可以测出目标物的距离。因此，在同时具有通 信和导航能力的综合信息系统中直接序列扩频系统由很大的优势。 当然与其它的扩频通信方式相比，直接序列扩频通信也存在着不足之处： l 、在直接序列扩频系统的接收机存在明显的远近效应。 对于直扩多址通信系统由于各地址信号所用的扩频码并非完全正交，即使 完全正交，备用户地址码也可能不同步或存在同步误差，那么对于网中的一个直 i e 京邮电大擎碳i 论文 扩信号来说，多址通信的各邻台信号都是宽带于扰。所以这种系统对多址信号f 勺 抑制能力并非无穷大，在进行多址通信时就存在着大功率信号( 近处的电台) 抑制 小功率信号( 远端的电台) 的现象，即远近效应。 远近效应将极大地限制直扩扩频通信系统的容量，从而影响到通信的质量。 对此，需要在系统中采用自动功率控制以保证远端和近端电台到达接收机的有用 信号是同等功率的。这一点，增加了直接序列扩频系统在移动通信环境中应用的 复杂佳。 2 、直接序列扩频通信系统窄带性能不好。 抵抗窄带干扰是由处理增益实现的。这种干扰可能来自敌台干扰或已经存在 的窄带系统。由于部分频带干扰能量