（通信与信息系统专业论文）基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d i r e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ( d s - s s ) t e c h n i q u e h a sb e e nw i d e l yu s e di nb o t h m i l i t a r y a n dc i v i l i a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e md u et oi t s c a p a b i l i t y o fh i g hf r e q u e n c y e f f i c i e n c y a n dg o o di m m u n i t yt oi n t e r f e r e n c e a n d i n t e r c e p t i o n c o d ea c q u i s i t i o n i s i n h e r e n t l y t h em o s ti m p o r t a n t t e c h n i q u e i nd s c d m a s y s t e m r a p i d c o d e a c q u i s i t i o nt e c h n i q u e f o rd s - s ss y s t e mi n s y n c h r o n o u s s a t e l l i t e c h a n n e li sd i s c u s s e di n t h i s p a p e r ap r a c t i c a l s i g n a l m o d e lf o rd s s s s y s t e m i n b a n d 1 i m i t e ds y n c h r o n o u ss a t e l l i t ec h a n n e li sf i r s t l yp r e s e n t e di nc h a p t e r2 ，a n dt h eo u t p u t s i g n a l t o - n o i s e - r a t i od e g r a d a t i o nc a u s e db y c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dc o d ep h a s ee r r o ri s d e e p l yd i s c u s s e db a s e do n t h e a d o p t e do p t i m a ld i g i t a ld s s sr e c e i v e r t h e na n e ws c h e m e b a s e do n p a r t i a l - c o d e m a t c h e d f i l t e r i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e d t oa c c o m m o d a t et h ep r o j e c t r e q u i r e m e n t ( 1 0 w d a t ar a t e ，l o n gs p r e a dc o d e ，l a r g ef r e q u e n c yo f f s e t ，s h o r ta c q u i s i t i o nt i m e a n da c c e p t a b l ec o m p l e x i t y ) ，w i t ht h ee m p h a s i so ni t sp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n d r e a l i z a t i o n c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a la c q u i s i t i o nm e t h o db a s e do i lc o r r e l a t o ro r m a t c h e df i l t e lt h en e wp r o p o s e ds c h e m ec a no b t a i nas h o r ta c q u i s i t i o nt i m ea tt h ee x p e n s e o fa na c c e p t a b l eh a r d w a r ec o m p l e x i t y a n da tl a s t ，au n i v e r s a la l l d i g i t a ld s s sm o d e m i s d e s i g n e d ，i nw h i c h t h ep r o p o s e da c q u i s i t i o na l g o r i t h mi si m p l e m e n t e da n di t sp e r f o r m a n c e j st e s t e d k e y w o r d s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c m m a s p r e a dc o d e sa c q u i s i t i o n d i g i t a lm a t c h e d f i l t e r 第一章概述 第一章概述 扩频通信由于抗干扰性强、保密性好、易于组网、并具有较强的抗多径和 衰落等特点，在军事和民用领域都得到了广泛的应用，如无线通信、雷达测距 测向、航天航空测控等。扩频技术的发展首先受益于战争的需要，第二次世界 大战期间因战争的需要而研究开发出c d m a 技术，其思想初衷是防止敌方对己 方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司 把它更新成为商用蜂窝电信技术。随着令人移动通信的发展，直接序列扩频码 分多址( d sc d m a ) 在个人通信中又显示了其强大的潜力。 本章第一节介绍了扩频通信的基本概念及技术特点，第二节对扩频技术的 发展历史、发展现状及发展趋势进行了简单的综述，第三节介绍了直扩通信的 若干关键技术及研究现状，第四节介绍了本文研究的主要内容、研究成果及论 文章节安排。 第一节扩频通信的基本概念及主要技术特点 本节主要介绍扩频通信的基本概念、原理以及常用的扩频方式，并对几种 常用的扩频方式的技术特点进行了分析和比较。 i 1 扩频通信的定义及分类 扩频通信，即扩展频谱通信，是指将待传输的信息数据用某个特定的扩频 函数扩展成宽频带信号，然后送入到信道中传输；在接收端利用相应的方法将 其频谱压缩，还原出原始信息的一种通信方式。扩频系统中，系统的传输带宽 往往远远大于待传输信息的带宽，单用户信号的平均功率谱密度远低于噪声功 率谱密度。 扩展频谱通信按其工作方式，主要可以分为以下几种： a 直接序列扩展频谱系统( d s s s ) ：直接序列扩频是指将待传输的经信道 第一章概述 第一章概述 扩频通信由于抗干扰性强、保密性好、易于组网、并具有较强的抗多径和 衰落等特点，在军事和民用领域都得到了广泛的应用，如无线通信、雷达测距 测向、航天航空测控等。扩频技术的发展首先受益于战争的需要，第二次世界 大战期间因战争的需要而研究开发出c d m a 技术，其思想初衷是防止敌方对己 方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司 把它更新成为商用蜂窝电信技术。随着令人移动通信的发展，直接序列扩频码 分多址( d sc d m a ) 在个人通信中又显示了其强大的潜力。 本章第一节介绍了扩频通信的基本概念及技术特点，第二节对扩频技术的 发展历史、发展现状及发展趋势进行了简单的综述，第三节介绍了直扩通信的 若干关键技术及研究现状，第四节介绍了本文研究的主要内容、研究成果及论 文章节安排。 第一节扩频通信的基本概念及主要技术特点 本节主要介绍扩频通信的基本概念、原理以及常用的扩频方式，并对几种 常用的扩频方式的技术特点进行了分析和比较。 i 1 扩频通信的定义及分类 扩频通信，即扩展频谱通信，是指将待传输的信息数据用某个特定的扩频 函数扩展成宽频带信号，然后送入到信道中传输；在接收端利用相应的方法将 其频谱压缩，还原出原始信息的一种通信方式。扩频系统中，系统的传输带宽 往往远远大于待传输信息的带宽，单用户信号的平均功率谱密度远低于噪声功 率谱密度。 扩展频谱通信按其工作方式，主要可以分为以下几种： a 直接序列扩展频谱系统( d s s s ) ：直接序列扩频是指将待传输的经信道 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 编码后的信息符号与高速的伪随机码( 扩频码) 相乘，以达到扩展频谱的目的， 然后去控制射频信号的某个参量。频谱扩展因子( 扩频增益) 定义为扩频码速 率和信道编码后的符号速率之比。 b 跳频扩展频谱系统( f h s s ) ：跳频系统的载频在伪随机码的控制下不断 地、随机地跳变，可以看成是载频按照一定规律变化的多频频移键控。与直扩 系统相比较，跳频系统中的伪随机码并不直接传输，而是用来选择信道。跳频 系统的频点可以是几十、几百甚至更多，跳速可以是每秒数十跳到数千跳，甚 至更高。跳速越高，系统实现难度越大。一般将跳频频点数定义为跳频系统的 扩频增益。 c 跳时系统( t i 卜s s ) ：跳时系统是用扩频码序列来控制信号的发送时刻以 及载波持续时间的长短。它和跳频的差别在于扩频码控制的对象不同：一个控 制的是载波频率，而另一个控制的则是载波的发送时刻和载波持续时间。跳时 系统将待传输的低速数据以较高的速率在较短的时间内发送，因此单个用户在 载波持续时间内占用的带宽远大于原始信息( 信道编码后) 的带宽。跳时系统 本质上是一种t d m a 的通信的方式。 d 混合式：以上三种基本的扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了 一些混合扩频体制，如f h i ) s ，d s t h ，f h t h 等。 1 2 扩频通信的技术特点 由于扩频通信具有其独特的技术优势，所以得到了广泛的应用。但由于每 一种扩频方式的工作方式不同，因而各有其长处和不足。简单的t h 抗干扰能 力不强，所以很少单独采用，通常是与其它方式结合，组成各种混和扩频方式。 跳频( f h ) 和直扩( d s ) 由于性能好、实现相对简单，是两种应用最广泛的扩 频通信方式，下面我们就对d s 和f h 的技术特点进行一下分析。 1 抗干扰：d s 和f h 都有良好的抗干扰能力。直扩方式通过在接收端利用 本地码对干扰信号进行非相干处理达到抗干扰的目的，本质上是一种被动抗干 扰的通信方式。通过采用多用户检测技术和窄带干扰抑制技术可进一步提高系 统的抗干扰能力。跳频方式通过在通信过程中不断更换频点来达到躲避干扰的 目的，本质上是一种主动抗干扰的通信方式。自适应跳频是一种改进型的跳频 2 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 编码后的信息符号与高速的伪随机码( 扩频码) 相乘，以达到扩展频谱的目的， 然后去控制射频信号的某个参量。频谱扩展因子( 扩频增益) 定义为扩频码速 率和信道编码后的符号速率之比。 b 跳频扩展频谱系统( f h s s ) ：跳频系统的载频在伪随机码的控制下不断 地、随机地跳变，可以看成是载频按照一定规律变化的多频频移键控。与直扩 系统相比较，跳频系统中的伪随机码并不直接传输，而是用来选择信道。跳频 系统的频点可以是几十、几百甚至更多，跳速可以是每秒数十跳到数千跳，甚 至更高。跳速越高，系统实现难度越大。一般将跳频频点数定义为跳频系统的 扩频增益。 c 跳时系统( t i 卜s s ) ：跳时系统是用扩频码序列来控制信号的发送时刻以 及载波持续时间的长短。它和跳频的差别在于扩频码控制的对象不同：一个控 制的是载波频率，而另一个控制的则是载波的发送时刻和载波持续时间。跳时 系统将待传输的低速数据以较高的速率在较短的时间内发送，因此单个用户在 载波持续时间内占用的带宽远大于原始信息( 信道编码后) 的带宽。跳时系统 本质上是一种t d m a 的通信的方式。 d 混合式：以上三种基本的扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了 一些混合扩频体制，如f h i ) s ，d s t h ，f h t h 等。 1 2 扩频通信的技术特点 由于扩频通信具有其独特的技术优势，所以得到了广泛的应用。但由于每 一种扩频方式的工作方式不同，因而各有其长处和不足。简单的t h 抗干扰能 力不强，所以很少单独采用，通常是与其它方式结合，组成各种混和扩频方式。 跳频( f h ) 和直扩( d s ) 由于性能好、实现相对简单，是两种应用最广泛的扩 频通信方式，下面我们就对d s 和f h 的技术特点进行一下分析。 1 抗干扰：d s 和f h 都有良好的抗干扰能力。直扩方式通过在接收端利用 本地码对干扰信号进行非相干处理达到抗干扰的目的，本质上是一种被动抗干 扰的通信方式。通过采用多用户检测技术和窄带干扰抑制技术可进一步提高系 统的抗干扰能力。跳频方式通过在通信过程中不断更换频点来达到躲避干扰的 目的，本质上是一种主动抗干扰的通信方式。自适应跳频是一种改进型的跳频 2 第一章概述 方式，它通过采用信道搜索技术，选择受干扰小的信道进行传输，使系统的抗 干扰能力得到了进一步的增强。 2 抗多径：直扩系统接收机采用本地扩频码与接收信号进行相关运算，由 于扩频码一般都具有很好的自相关特性，因此只要多径时延大于一个伪随机码 的码片宽度，这种多径就不会给直扩系统形成严重的干扰。通过采用r a k e 接 收的方式还可以对部分多径信号进行有效的利用，迸一步提高系统的性能。在 信息速率、扩频增益相同的情况下，跳频信号的瞬时带宽远小于直扩信号的带 宽，因此与直扩信号相比，跳频信号对多径不太敏感。 3 抗截获：信号截获主要包括信号的存在性判定、信号参数检测以及后续 的数据处理。当扩频增益较大时，单个用户的直扩信号的功率谱密度非常低， 可能远低于噪声的功率谱密度，因此当系统用户数较少时，直扩信号不容易被 敌方检测到。当直扩系统用户数较多时，直扩信号的功率谱密度可能比较高， 容易被敌方检测到，但在各用户信号的特征( 尤其是功率) 基本致的情况下， 敌方很难对信号的参数进行提取，因而也不容易对信号进行解扩解调。单用户 跳频信号的载频虽然在很宽的频带上跳变，但信号瞬时功率谱密度是较高的， 容易被敌方检测到。但敌方要对信号参数进行检测，首先需要从接收信号中破 译跳频图案，而在多用户组网和快速跳频的情况下，直接从接收信号中破译跳 频图案非常困难。 虽然直扩和跳频都具有较强的抗截获能力，但由于截获信号首先是要判断 信号的有无，因此在系统用户数较小时，一般认为直扩系统的抗截获能力要好 一些。 4 多址能力：直扩和跳频都有较强的多址能力，但直扩系统组网更容易、 容量更大、实现更简单。 通过比较发现，d s 和f h 各有其优点，但就目前的发展来说，直扩用得更 多一些。首先，直扩系统比跳频系统更容易实现。其次，目前频带资源非常宝 贵，如何提高频带利用率已经成为一个新的研究热点。虽然单一用户的直扩信 号频谱利用率非常低，但非常多的用户共用一个频段，频谱利用率会得到相应 的提高，如果采用多用户检测技术，频谱利用率可得到进一步得提高。最后， 由于当扩频增益较大和用户数较少时，直扩信号的频谱密度要远低于噪声谱密 度，因此在某些频段使用扩频设备时可以免申请频率许可证。 1 基于部分玛匹配的扩频码快捕技术研究与实现 本文主要研究同步卫星信道下直扩通信技术。 第二节扩频通信的发展历史、现状及趋势 扩频通信理论建立于4 0 年代，基本理论依据是信息论的著名公式一香农 信道容量公式： c 珞- ( z + 胁， ， 其中，c 为信道容量，口为可用信道带宽，s 为信号功率，为噪声功率。该 公式表明：在信道容量一定时，信噪比和带宽可以互换。也就是说，在信息速 率一定、并保证相同通信质量的情况下，如果调制信号占用的带宽很宽，则接 收机能工作在较低的信噪比下；如果调制信号占用的带宽很窄，则接收机需要 较高的工作信噪比。 世界各国从4 0 年代开始对扩频通信技术进行研究，但由于技术复杂和造 价昂贵，很长时间进展不大，而且其应用也仅限于军事抗干扰通信。但是人们 对扩频理论的研究和探索始终没有停止，对于伪随机码的研究不断成熟，扩频 通信的技术问题也一个个地突破。五、六十年代，奠定了扩频通信的理论基础。 随着微电子技术的飞速发展和各种新型器件的出现，尤其是大规模集成电路和 微处理器的出现，扩频技术进入了实用阶段，进入了8 0 年代，它已广泛应用 于军事通信、导航、雷达、遥控遥测等许多领域。全球定位系统g p s 就是扩频 通信的重要应用，美国从7 0 年代末开始研究，经过2 0 年的努力，耗资3 0 0 亿 美元，才完成该系统。实践证明，g p s 对人类活动影响极大，应用价值极高， 它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，定位精度一般可达1 0 1 0 0 m ，系统中伪随机码周期长达约3 8 星期。 近十多年来，扩频通信在军用、民用两个方面都得到了广泛应用，其主要 原因是由于微电子技术的不断发展，随着器件的体积的减小、功耗的降低、功 能及性能等方面的提高，扩频接收机的性能、可靠性也在不断的提高。电子战、 信息战是当前战争的主要战场，信息保密和通信抗干扰变得更加重要。没有一 个可靠的通信手段，很难取得现代战争的胜利。正是由于军事通信的特殊性， 扩频通信依然是其主要的通信方式之一。扩频通信在军事通信中的研究还在进 4 基于部分玛匹配的扩频码快捕技术研究与实现 本文主要研究同步卫星信道下直扩通信技术。 第二节扩频通信的发展历史、现状及趋势 扩频通信理论建立于4 0 年代，基本理论依据是信息论的著名公式一香农 信道容量公式： c 珞- ( z + 胁， ， 其中，c 为信道容量，口为可用信道带宽，s 为信号功率，为噪声功率。该 公式表明：在信道容量一定时，信噪比和带宽可以互换。也就是说，在信息速 率一定、并保证相同通信质量的情况下，如果调制信号占用的带宽很宽，则接 收机能工作在较低的信噪比下；如果调制信号占用的带宽很窄，则接收机需要 较高的工作信噪比。 世界各国从4 0 年代开始对扩频通信技术进行研究，但由于技术复杂和造 价昂贵，很长时间进展不大，而且其应用也仅限于军事抗干扰通信。但是人们 对扩频理论的研究和探索始终没有停止，对于伪随机码的研究不断成熟，扩频 通信的技术问题也一个个地突破。五、六十年代，奠定了扩频通信的理论基础。 随着微电子技术的飞速发展和各种新型器件的出现，尤其是大规模集成电路和 微处理器的出现，扩频技术进入了实用阶段，进入了8 0 年代，它已广泛应用 于军事通信、导航、雷达、遥控遥测等许多领域。全球定位系统g p s 就是扩频 通信的重要应用，美国从7 0 年代末开始研究，经过2 0 年的努力，耗资3 0 0 亿 美元，才完成该系统。实践证明，g p s 对人类活动影响极大，应用价值极高， 它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，定位精度一般可达1 0 1 0 0 m ，系统中伪随机码周期长达约3 8 星期。 近十多年来，扩频通信在军用、民用两个方面都得到了广泛应用，其主要 原因是由于微电子技术的不断发展，随着器件的体积的减小、功耗的降低、功 能及性能等方面的提高，扩频接收机的性能、可靠性也在不断的提高。电子战、 信息战是当前战争的主要战场，信息保密和通信抗干扰变得更加重要。没有一 个可靠的通信手段，很难取得现代战争的胜利。正是由于军事通信的特殊性， 扩频通信依然是其主要的通信方式之一。扩频通信在军事通信中的研究还在进 4 第一章概述 行，主要是围绕着扩频通信的关键技术，进一步提高其各方面的性能，同时在 实现方式上和使用方式上进行新的探索。 个人移动通信已经历了两代，g s m 作为第二代移动通信( 2 g ) 的主要体制， 目前仍占据着个人移动通信的主要市场。但随着人们对个人移动通信服务质量 ( 如业务质量和带宽等) 和业务种类( 如话音、数据、图像或其它多媒体业务 等) 的要求越来越高，g s m 已经没有了近一步发展的潜力。直接序列扩频系统 良好的多址能力和大系统容量等优势在个人移动通信中显示了其强大的潜力。 自然，研究人员就把c d m a ( 码分多址) 和第三代移动通信( 3 g ) 联系起来。c d m a 已经成为第三代个人移动通信系统采用的主要多址方式。无论是c d m a 2 0 0 0 还 是w c d m a ，都是采用d s - c d m a 方式。第三代个人移动通信相对于第二代个人通 信，要求系统有更大的容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了 话音和数据传输外，还能传送高达2 m b i t s 的高质量的动态图像，真正实现“任 何人，在任何地点，任何时间，与任何人”都能便利的通信这样一个目标。采 用c d m a 体制的个人移动通信完全能够达到这个目标。相对于g s m ，c d n i a 除了 系统容量大、数据速率灵活外，c d m a 系统的容量属于软容量，当用户数略超过 系统容量时，一般不会发生堵塞，只是通信质量稍有下降。 中国香港于1 9 9 5 年就建成全球第一个d s c d m a 移动蜂窝网，其后韩国， 欧洲一些国家都建立起c d m a 通信网，我国1 9 9 6 年至今分别在福建、广东等地 建了试验蜂窝网。现在联通面向全国的c d m a 移动蜂窝网已经全面运行，采用 的标准是w c d m a 。 扩频通信除了在军用通信和个人移动通信领域的广泛应用外，在其它领域 也有其广阔的应用前景。利用扩频系统可以方便地组成点对点、一点对多点的 通信网，可以提供话音、传真、数据、图像传输等服务，特别适合于恶劣环境 下的低限度应急通信，如救灾抢险等。 目前的扩频设备开始向着小型化、数字化的方向发展，而且功能更加全面， 性能更加稳定。随着软件无线电技术的进一步成熟，扩频系统的应用领域将会 进一步拓宽。 第三节直扩通信的关键技术 第一章概述 行，主要是围绕着扩频通信的关键技术，进一步提高其各方面的性能，同时在 实现方式上和使用方式上进行新的探索。 个人移动通信已经历了两代，g s m 作为第二代移动通信( 2 g ) 的主要体制， 目前仍占据着个人移动通信的主要市场。但随着人们对个人移动通信服务质量 ( 如业务质量和带宽等) 和业务种类( 如话音、数据、图像或其它多媒体业务 等) 的要求越来越高，g s m 已经没有了近一步发展的潜力。直接序列扩频系统 良好的多址能力和大系统容量等优势在个人移动通信中显示了其强大的潜力。 自然，研究人员就把c d m a ( 码分多址) 和第三代移动通信( 3 g ) 联系起来。c d m a 已经成为第三代个人移动通信系统采用的主要多址方式。无论是c d m a 2 0 0 0 还 是w c d m a ，都是采用d s - c d m a 方式。第三代个人移动通信相对于第二代个人通 信，要求系统有更大的容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了 话音和数据传输外，还能传送高达2 m b i t s 的高质量的动态图像，真正实现“任 何人，在任何地点，任何时间，与任何人”都能便利的通信这样一个目标。采 用c d m a 体制的个人移动通信完全能够达到这个目标。相对于g s m ，c d n i a 除了 系统容量大、数据速率灵活外，c d m a 系统的容量属于软容量，当用户数略超过 系统容量时，一般不会发生堵塞，只是通信质量稍有下降。 中国香港于1 9 9 5 年就建成全球第一个d s c d m a 移动蜂窝网，其后韩国， 欧洲一些国家都建立起c d m a 通信网，我国1 9 9 6 年至今分别在福建、广东等地 建了试验蜂窝网。现在联通面向全国的c d m a 移动蜂窝网已经全面运行，采用 的标准是w c d m a 。 扩频通信除了在军用通信和个人移动通信领域的广泛应用外，在其它领域 也有其广阔的应用前景。利用扩频系统可以方便地组成点对点、一点对多点的 通信网，可以提供话音、传真、数据、图像传输等服务，特别适合于恶劣环境 下的低限度应急通信，如救灾抢险等。 目前的扩频设备开始向着小型化、数字化的方向发展，而且功能更加全面， 性能更加稳定。随着软件无线电技术的进一步成熟，扩频系统的应用领域将会 进一步拓宽。 第三节直扩通信的关键技术 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 由上文的分析可知，在扩频通信中，直接序列扩频是应用最为广泛的一种 扩频方式，因此本文主要研究直扩系统。本节首先对直扩系统进行简单的介绍， 然后再对直扩通信中的若干关键技术问题进行讨论。 3 1 直扩系统的基本组成 图1 1 是直扩系统示意图。由信源输出的符号口( 七) 是码元持续时间为t 。 的信息流；伪随机码发生器产生的扩频码序列为c ( n ) ，每一个扩频码码元的持 续时问为t 。信息码元a ( k ) 与扩频码c ( ”) 进行模二加( 即扩频调制) ，产生一速 率与扩频码速率相同的扩频序列d n ) ，然后再用经过成形后的基带信号波形 d ( f ) 去调制载波，这样就得到了经扩频调制后的中频信号s ( f ) 。在接收端，接收 到的宽带扩频信号经下变频后，变成基带的扩频调制信号，接着便与一个和发 端扩频码同步的伪随机码c ( f ) 进行相关运算( 即解扩) ，然后将解扩后的信号进 行解调，以恢复出所传输的信息符号口( i ) 。对于窄带干扰信号而言，由于与伪 随机序列不相关，在解扩过程中相当于进行了一次扩频，其潜密度大大降低， 因此降低了进入信号频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比得以提高，从 而达到抗干扰的目的。 图1 1 ( a ) 调制器原理框图 图1 1 ( b ) 解调器原理框图 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 由上文的分析可知，在扩频通信中，直接序列扩频是应用最为广泛的一种 扩频方式，因此本文主要研究直扩系统。本节首先对直扩系统进行简单的介绍， 然后再对直扩通信中的若干关键技术问题进行讨论。 3 1 直扩系统的基本组成 图1 1 是直扩系统示意图。由信源输出的符号口( 七) 是码元持续时间为t 。 的信息流；伪随机码发生器产生的扩频码序列为c ( n ) ，每一个扩频码码元的持 续时问为t 。信息码元a ( k ) 与扩频码c ( ”) 进行模二加( 即扩频调制) ，产生一速 率与扩频码速率相同的扩频序列d n ) ，然后再用经过成形后的基带信号波形 d ( f ) 去调制载波，这样就得到了经扩频调制后的中频信号s ( f ) 。在接收端，接收 到的宽带扩频信号经下变频后，变成基带的扩频调制信号，接着便与一个和发 端扩频码同步的伪随机码c ( f ) 进行相关运算( 即解扩) ，然后将解扩后的信号进 行解调，以恢复出所传输的信息符号口( i ) 。对于窄带干扰信号而言，由于与伪 随机序列不相关，在解扩过程中相当于进行了一次扩频，其潜密度大大降低， 因此降低了进入信号频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比得以提高，从 而达到抗干扰的目的。 图1 1 ( a ) 调制器原理框图 图1 1 ( b ) 解调器原理框图 第一章概述 3 2 直扩通信的关键技术 直扩通信的关键技术是扩频码的快速同步、多用户检测和系统功率控制 等。 1 扩频码的快速同步 扩频接收机接收到扩频信号后，首先要进行解扩，即用本地扩频码和接收 信号作相关运算，解扩后的信号再送到解调器去解调。要完成解扩，必须使收 发伪随机序列的相差小于一个码片( c h i p ) 宽度。通常我们把它分为两个阶段 来进行，即码捕获和码跟踪，也称为粗同步和细同步。目前，扩频码一般采用 两种方式进行捕获：滑动相关法和匹配滤波法。滑动相关法的优点是电路复杂 度低，易于实现；缺点是捕获时间长，捕获时间随着码长( 扩频比) 的增加而 线性增加。匹配滤波法和滑动相关法正相反，其优点是捕获时问短，捕获时间 与扩频码长度( 扩频比) 无关，缺点电路复杂度高，当码长超过一定的长度( 如 大于1 0 2 4 ) 时，电路实现非常困难。本文将就扩频码捕获的问题进行深入的研 究，提出一个复杂度不大，并能完成扩频码快速捕获的方案。 扩频码粗同步后，还要通过跟踪环路进行细同步，并使同步得以保持。解 扩后的信号还存在者频差和相差，所以还要进行载波同步。目前常用的方法是 在一定的频偏范围内，对频偏进行足够细的分割，采用逐点扫描的方法获得载 波的粗同步。这样虽然使同步的时间变长，但能保证载波可靠的同步。另一种 方法是通过f f t 校频算法或其它频率估计算法，进行开环载波频偏估计。但在 没有数据辅助的条件下，估计效果往往不是很理想。 直扩系统同步时间的长短以及同步保持跟踪环路的性能，直接影响到直扩 接收机以及系统的性能。 扩频系统的正常工作是建立在扩频码同步的基础之上的，只有在扩频码同 步以后才有可能进行载波的细同步和信息的解调。同步时间的长短是评价系统 性能的一个重要指标。因此，扩频码的快捕技术作为直扩通信中的一项最重要 的关键技术，对其进行进一步的研究是非常有意义的。 2 多用户检测 由于系统容量大、抗干扰能力强、软切换等优点，第三代移动通信选择了 7 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 c d m a 作为多址方式。受到多址干扰的影响，直扩接收机存在“本底噪声”和“远 近效应”现象。“本底噪声”是指对于某一用户来说，其它用户的信号都被作 为接收机的干扰信号( 噪声) 。“远近效应”是指接收机由于距离关系，干扰信 号对于接收机的影响不一样。一般来说，距离中心站远的用户受到的影响要大。 多用户检测接收机具有抗“远近效应”的功能，可以获得优良的接收性能。 最佳多用户检测器在限定条件下具有理想的抗远近效应能力( 性能与用户的接 收功率无关) ，其性能接近单用户工作时的性能，但由于算法实现复杂( 复杂度 与用户数成指数关系) ，难以实用化。因此，目前产生了一系列的次最佳多用 户检测器，这些检测器包括解相关器、串行干扰消除器、多级接收机、自适应 干扰抑制接收机等。它们各具特色，适合于不同的应用环境。 虽然目前有很多科研工作者致力于多用户检测技术的研究，多用户检测理 论也日趋完善，但由于复杂度的关系，目前多用户检测技术并没有获得大规模 的应用。 3 功率控制 直扩系统是自干扰系统，功率控制十分重要。功率控制的目的是保证在最 低发射功率电平下维持可以接受的系统性能。这样做的好处是降低了任何一条 业务信道对其它业务信道的干扰。由于直扩系统是干扰受限系统，因此减小了 干扰等于增大了系统的容量，这在移动通信中显的尤为重要。 功率控制有两种方法，开环功率控制和闭环功率控制。 开环功率控制的基本假设是：信号在传输的过程中，信道特性是缓慢变化 的，而且在双向链路上是相关的。接收机根据自身检测到的信号强弱，控制自 己的发送功率。开环功率控制比较简单，但精度差，这主要由于接收到的信号 中包含有噪声，而且双向链路也不完全相关，信道特性不一致。 由于开环功率控制精度差，因此往往要通过闭环功率控制加以补偿。中心 站( 基站) 根据检测到的移动用户的信噪比，通过控制信道发送控制命令给移 动用户，移动用户根据接收到指令来调节自己的发送功率。显然这种方式的控 制精度要比开环控制精度高的多。但它需要一条控制信道来传送控制信息，为 保证控制的实时性，控制信道的信息速率不能太低。 第一章概述 第四节本文研究的主要内容及主要研究成果 4 1 本文研究的主要内容及课题来源 本文主要研究了同步卫星信道下直扩系统中扩频码的快速捕获问题，结合 常用的扩频码捕获方式提出一种易于实现的基于部分码匹配的扩频码快速捕 获的方案，并对其性能进行了理论分析和仿真，最后在基于d s p 和f p g a 的硬 件平台上设计出了通用性强、可移植性好的快捕模块，并对其性能进行了测试。 本文所研究的课题来源于中国电子科技集团公司第5 4 研究所卫星通信与 广播电视专业部的内部项目，论文的研究成果已在实际系统得到了应用。该项 目的主要技术参数( 指标要求) 如下： 信息速率：2 4 k b p s 信道编码方式：( 2 ，1 ，7 ) 卷积编码 扩频方式：直接序列扩频 扩频比： 1 0 2 4 扩频码速率： 2 4 5 7 6 m b p s 扩频带宽：4 m h z 中频频率： 7 0 m h z 最大载波频偏： 2 4 k h z 载波调制方式：带限q p s k 码钟稳定度： l 1 0 “ 平均码捕获时间：大频偏( 2 4 k h z ) 下小于1s ：小频偏( 2 k h z ) 下小 于1 0 0 m s 。 系统同步时间：大频偏( 2 4 k h z ) 下小于2 s ；小频偏( 2 k h z ) 下小于 5 0 0 m s 。 误码性能：。急= 7 5 招时，误码率优于1 1 。 圳硼信毗：鲁= 6 d b 第一章概述 第四节本文研究的主要内容及主要研究成果 4 1 本文研究的主要内容及课题来源 本文主要研究了同步卫星信道下直扩系统中扩频码的快速捕获问题，结合 常用的扩频码捕获方式提出一种易于实现的基于部分码匹配的扩频码快速捕 获的方案，并对其性能进行了理论分析和仿真，最后在基于d s p 和f p g a 的硬 件平台上设计出了通用性强、可移植性好的快捕模块，并对其性能进行了测试。 本文所研究的课题来源于中国电子科技集团公司第5 4 研究所卫星通信与 广播电视专业部的内部项目，论文的研究成果已在实际系统得到了应用。该项 目的主要技术参数( 指标要求) 如下： 信息速率：2 4 k b p s 信道编码方式：( 2 ，1 ，7 ) 卷积编码 扩频方式：直接序列扩频 扩频比： 1 0 2 4 扩频码速率： 2 4 5 7 6 m b p s 扩频带宽：4 m h z 中频频率： 7 0 m h z 最大载波频偏： 2 4 k h z 载波调制方式：带限q p s k 码钟稳定度： l 1 0 “ 平均码捕获时间：大频偏( 2 4 k h z ) 下小于1s ：小频偏( 2 k h z ) 下小 于1 0 0 m s 。 系统同步时间：大频偏( 2 4 k h z ) 下小于2 s ；小频偏( 2 k h z ) 下小于 5 0 0 m s 。 误码性能：。急= 7 5 招时，误码率优于1 1 。 圳硼信毗：鲁= 6 d b 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 由于信息速率低、扩频码比较长，因此为了满足系统对同步时间的要求， 需要考虑扩频码的快速捕获问题。如果继续采用传统的滑动相关法进行码捕 获，捕获时间会很长，在载波频偏小于2 k h z 时，平均捕获时间一般在3 秒以 上，无法满足用户的要求。但若采用匹配滤波法，由于扩频码比较长，其复杂 度非常高，这将导致设备的成本大幅增加。 目前，当扩频比较大时，在不发送同步码的情况下，扩频码的快速捕获一 般都采用基于相关器的多路并行捕获。这种方法的捕获时问和并行的相关器路 数有关，假设采用8 路并行，其平均捕获时间是滑动相关法捕获时间的1 8 ， 考虑到电路的复杂度，并行的路数都不会太多，所以捕获时间并没有实质性的 缩短。在发送同步码的情况下，扩频码的快速捕获实现起来相对要容易的多。 但大多数系统是不允许发送同步码的( 本课题中这条件也得不到满足) ，所 以在没有同步码的情况下，如何来实现扩频码的快速捕获是一个值得研究的问 题。 根据该项目对捕获时间的要求，并考虑到电路的复杂度，作者提出了基于 部分码匹配的扩频码快速捕获方案。相对于多路并行捕获，本方案的捕获时间 要短的多，但其复杂度并没有很大的提高。同时该方案具有良好的可移植性， 能用于各种码型、各种扩频比的接收机中，相对于其它快速捕获方案，该方案 对载波频偏的敏感度要低的多，所以在大频偏下，该方案有比其它捕获方案更 好的捕获特性。 4 2 主要研究成果 1 论文期间，作者首先根据系统的实际情况下，建立了带限信道下直扩 系统信号模型，这使得后续的理论分析与工程实际情况一致。 2 根据建立的带限信道下的信号模型，对我们所采用的数字接收机的性 能进行了严格的理论分析，推导出了解扩输出信噪比和载波同步误差以及扩频 码相位误差的关系，并证明了该接收机为数字最佳接收机。论文的后续研究工 作均建立在最佳数字接收机的基础上。 3 根据课题要求，提出了一种基于部分码匹配的扩频码快速捕获方案， 并对其性能进行了分析和仿真。该方法可以以较低的复杂度实现扩频码的快速 1 0 基于部分码匹配的扩频码快捕技术研究与实现 由于信息速率低、扩频码比较长，因此为了满足系统对同步时间的要求， 需要考虑扩频码的快速捕获问题。如果继续采用传统的滑动相关法进行码捕 获，捕获时间会很长，在载波频偏小于2 k h z 时，平均捕获时间一般在3 秒以 上，无法满足用户的要求。但若采用匹配滤波法，由于扩频码比较长，其复杂 度非常高，这将导致设备的成本大幅增加。 目前，当扩频比较大时，在不发送同步码的情况下，扩频码的快速捕获一 般都采用基于相关器的多路并行捕获。这种方法的捕获时问和并行的相关器路 数有关，假设采用8 路并行，其平均捕获时间是滑动相关法捕获时间的1 8 ， 考虑到电路的复杂度，并行的路数都不会太多，所以捕获时间并没有实质性的 缩短。在发送同步码的情况下，扩频码的快速捕获实现起来相对要容易的多。 但大多数系统是不允许发送同步码的( 本课题中这条件也得不到满足) ，所 以在没有同步码的情况下，如何来实现扩频码的快速捕获是一个值得研究的问 题。 根据该项目对捕获时间的要求，并考虑到电路的复杂度，作者提出了基于 部分码匹配的扩频码快速捕获方案。相对于多路并行捕获，本方案的捕获时间 要短的多，但其复杂度并没有很大的提高。同时该方案具有良好的可移植性， 能用于各种码型、各种扩频比的接收机中，相对于其它快速捕获方案，该方案 对载波频偏的敏感度要低的多，所以在大频偏下，该方案有比其它捕获方案更 好的捕获特性。 4 2 主要研究成果 1 论文期间，作者首先根据系统的实际情况下，建立了带限信道下直扩 系统信号模型，这使得后续的理论分析与工程实际情况一致。 2 根据建立的带限信道下的信号模型，对我们所采用的数字接收机的性 能进行了严格的理论分析，推导出了解扩输出信噪比和载波同步误差以及扩频 码相位误差的关系，并证明了该接收机为数字最佳接收机。论文的后续研究工 作均建立在最佳数字接收机的基础上。 3 根据课题要求，提出了一种基于部分码匹配的扩频码快速捕获方案， 并对其性能进行了分析和仿真。该方法可以以较低的复杂度实现扩频码的快速 1 0 第一章概述 捕获，并且相对于其它捕获方式而言，对载波频偏不敏感。 4 在基于d s p 和f p g a 的硬件平台上，实现了本文提出的扩频码快速捕获 算法，并且在实际系统中得到了应用。测试结果表明，作者设计的扩频码快捕 模块的捕获性能完全满足课题的指标要求。由于采用了基于d s p 和f p g a 的硬 件实现平台，作者设计的快捕模块具有非常好的可移植性，通过下载不同的软 件，该模块可方便地应用于不同参数扩频接收机中。 4 3 本文的内容安排 本文第二章建立了带限信道下直扩系统信号模型，在此基础上详细分析了 我们所采用的数字接收机的性能，推导出了解扩输出信噪比和载波同步误差以 及扩频码相位误差的关系。第三章对直扩系统同步进行了洋细地论述，主要是 对扩频码的同步捕获以及同步判决。提出了扩频码快速捕获的必要性。第四章 针对课题的具体要求，综合考虑各种捕获方案的优缺点，提出了基于部分码匹 配的扩频码快速捕获方案，对算法性能进行了分析和仿真，并详细讨论了算法 的实现问题。第五章根据课题的要求，在基于d s p 和f p g a 的硬件平台上实现 了数字直扩调制解调器，并在该平台上对作者设计的快捕模块的性能进行了验 证，并对解调器的各项指标进行了测试。最后是全文总结。 第一章概述 捕获，并且相对于其它捕获方式而言，对载波频偏不敏感。 4 在基于d s p 和f p g a 的硬件平台上，实现了本文提出的扩频码快速捕获 算法，并且在实际系统中得到了应用。测试结果表明，作者设计的扩频码快捕 模块的捕获性能完全满足课题的指标要求。由于采用了基于d s p 和f p g a 的硬 件实现平台，作者设计的快捕模块具有非常好的可移植性，通过下载不同的软 件，该模块可方便地应用于不同参数扩频接收机中。 4 3 本文的内容安排 本文第二章建立了带限信道下直扩系统信号模型，在此基础上详细分析了 我们所采用的数字接收机的性能，推导出了解扩输出信噪比和载波同步误差以 及扩频码相位误差的关系。第三章对直扩系统同步进行了洋细地论述，主要是 对扩频码的同步捕获以及同步判决。提出了扩频码快速捕获的必要性。第四章 针对课题的具体要求，综合考虑各种捕获方案的优缺点，提出了基于部分码匹 配的扩频码快速捕获方案，对算法性能进行了分析和仿真，并详细讨论了算法 的实现问题。第五章根据课题的要求，在基于d s p 和f p g a 的硬件平台上实现 了数字直扩调制解调器，并在该平台上对作者设计的快捕模块的性能进行了验 证，并对解调器的各项指标进行了测试。最后是全文总结。 第二章数字最佳接收机及信号分析 第二章数字最佳接收机及信号分析 本章首先对直扩接收机的演变过程进行了简单的介绍，指出了数字直扩接 收机是当前发展的趋势；然后结合工程实际情况建立了带限高斯信道下直扩系 统的信号模型；最后在此基础上对我们采用的数字直扩接收机的性能进行了严 格的理论分析，得到了载波频差和收发扩频码相位误差与解扩输出信噪比之间 的关系表达式，并证明了我们采用的数字接收机为最佳接收机。本章的结论为 后续章节研究扩频码的捕获问题提供了理论依据。 第一节数字扩频接收机是发展的趋势 微电子技术的发展推动了扩频接收机从模拟实现到数字实现的演变。传统 的模拟扩频接收机体积大、功耗高；器件的分布参数较复杂、批量生产时设备 的一致性差、凋试困难；设备稳定性差、性能受环境条件的影响大；设备功能 单一、灵活性差，无法根据用户的需求或实际应用环境的变化灵活改变设备的 参数。而且由于受模拟器件精度的影响，模拟接收机的实现受到码长的制约， 码长过短或过长都很难实现。这些因素制约了扩频接收机的应用，最初的模拟 扩频接收机主要用于军事通信，其它领域很少使用。 随着数字信号处理技术、大