（微电子学与固体电子学专业论文）基于dsuwb的扩频系统算法仿真及电路实现.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 基于d s u w b 的扩频系统算法仿真及电路实现 微电子学与固体电子学 李勇 余宁梅教授 摘要 签名：奎复 签名：金圭拭 超宽带无线通信技术由于具有高传输率、低功耗和低成本等诸多优点，在短距离局域 网中有着广阔的应用前景，也被视为下一代无线通信的关键技术之一。 本文主要讨论了基于d s u w b 系统的扩频仿真与电路实现。首先对扩频系统中采用的 扩频码进行了分析与比较，由于扩频序列的自相关性和互相关性直接影响扩频系统的 误码率及多用户性能，本文对扩频序列的这两种特性进行了详细分析，然后在m a t l a b 仿真平台上选用了不同的扩频码对整个基带扩频系统进行了仿真，给出了仿真结果并 进行了分析，得出了与其它扩频方式相比，采用三进制的m b o k 扩频可以获得更高系统 处理增益及较低误码率的结论。 其次，对整个扩频模块的电路实现进行了详细描述。给出了所采用的算法及电路 设计，在扩频电路设计时分别采用了可变长的p n 码和三进制码。其中关键部分在于全 数字扩频同步模块的设计，由于充分利用了d s - u w b 无载波的特点，整个同步电路可以 工作在码片速率上。此部分的设计包括数字匹配滤波器，延迟锁定环及直接数字频率 合成模块。控制部分在延迟锁定环中实现。首先用v e r i l o g 语言对电路部分进行了描 述，接着利用m o d e l s i m 和q u a r t u s 软件分别对所设计电路做了功能和时序仿真，并对 仿真结果进行了分析，最后对采用两种扩频码的应用场合进行了分析。系统最高工作 频率可以达到1 1 3 m 。 最后，在a 1 t e r ac y c l o n e i i 系列的e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 8 上进行了验证，用逻辑分析仪测 出了验证波形。结果表明，扩频及解扩电路工作正确可靠，同步精度可以达到1 4 个码片， 由于该扩频电路采用参数化设计，通过调整参数，该电路亦可应用于类似的无线扩频通信 系统当中。 关键字：d s u w b ；无载波；捕获；跟踪；同步 t i t l e ：s i m u l a t l o na n dc i r c u i ti m p l e m e n to fd i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mb a s e do nd s - u w b m a j o r ：m l c r o e l e c t r o n i e s n a m e ：y o n gl is i g n a t u r e ：! 塑丑! s u p e r v i s o r ：p r o f n i n g m e iy us i g n a t u r e a b s t r a c t u w bw i r e l e s st e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g eo fh i g hr a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w c o s ta n ds oo n i th a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nl a na n di sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h e k e yt e c h n o l o g yo fn e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e ss i m u l a t i o na n dh a r d w a r er e a l i z a t i o no fs p r e a ds p e c t r u m b a s e do nd s u w b f i r s to fa u a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ni sd o n ea b o u tc o d eo fs p r e a d s p e c t r u m b e c a u s eb o t hs e l f - c o r r e l a t i o np e r f o r m a n c ea n dc r o s s c o r r e l a t i o np e r f o r m a n c ea f f e c t d s s s sb i te r r o rr a t ea n dm u l t i u s e r sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y , t h e s et w oc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e d e l a b o r a t e l yh e r e t h e nt h ew h o l eb a s eb a n ds p r e a ds p e c t r u ms y s t e mw i t ht e r n a r yc o d ei s s i m u l a t e do nm a t l a bp l a t f o r mw i t hd i f f e r e n tc o d e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l ti sg i v e n t h er e s u l t s u g g e s t st h a tm - b o ks p r e a ds p e c t r u mw i t ht e r n a r yc o d ec a l lg e th i g h e rs y s t e mp r o c e s sg a i n a n dl o w e rb i te r r o rr a t e s e c o n d l y , d e t a i l e dd e s c r i p t i o n i sd o n et ow h o l ed s s s m o d u l e sh a r d w a r e r e a l i z a t i o n b o t ha l g o r i t h ma n dc i r c u i td e s i g na r eg i v e n v a r i a b l el e n g t ho fp nc o d ea n d t e r n a r yc o d ea r eu s e di ns p r e a ds p e c t m mc i r c u i td e s i g nt h ek e yp a r ti sd e s i g no fa l ld i g i t a ld s s s s y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e t h i sm o d u l em a k e su s eo fc h a r a c t e r i s t i co fd s u w bw i t h o u tc a t t i e r w a v e ，s ot h ew h o l es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mc a l lw o r ko nc h i pr a t e t h ed e s i g ni n c l u d e sd i g i t a l m a t c h e df i l t e r , d e l a y l o c k e db o pa n dd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e rm o d u l e s c o n 仃o lp a r ti s r e a l i z e di nd e l a y l o c k e dl o o pm o d u l e f u n c t i o n a la n dt i m i n gs i m u l a t i o n sa r ed o n eo n m o d e l s i ma n dq u a r t u ss o f t w a r es e p a r a t e l y , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e d c o d e s s t h e c i r c u i t sw o r k i n gf r e q u e n c yc a nr e a c hu pt o1 1 3 m f i n a l l y , t h i sd e s i g ni sv e r i f i e do na l t e r a sc y c l o n e l ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 8a n dw a v e f o r mi s m e a s u r e db yl o g i ca n a l y z e r t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ec i r c u i tw o r k sw e l la n ds a t i s f i e st h e d e s i g n t h es y n c h r o n o u sp r e c i s i o ni s1 4c h i p t h i sc i r c u i tc a nb ea l s oa p p l i e di ns i m i l a rd s s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d s u w b ： n oc a r r i e rw a v e ； a c q u i s i t i o n ；t r a c k ；s y n c h r o n i z a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：奎塑j 。啤；月 f 日 学位论文使用授权声明 本人李堕在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：玺雾一导师签名：继2 。，年；月，日 1 绪论 1 绪论 本章将首先介绍论文的研究背景和意义，然后介绍论文的组织结构。 1 1u w b 简介 1 1 1u w b 现状 u w b 技术的历史可以追溯到1 9 4 2 年d er o s e 提交的随机脉冲的专利“。2 1 。早期的u w b 系统利用占有频带极宽的超短基带脉冲进行通信，主要用于军用的雷达以及低截获率低 侦测率的通信系统。2 0 0 2 年2 月1 4 日，这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会 ( f c c ) 的批准用于民用通信。近年来，u w b 技术开始应用于民用高速通信领域，并有了 较大的发展和变化，产生了d s c d 姒和船一t f i o f d m 等多种实现方式。在硬件实现方面， 国内还比较落后，只有东南大学等少数大学正在使用f p g a 对系统进行验证，而国外像 f r e e s c a l e 等一些公司已有成品出现，但是还不太成熟。从产品上来讲，d s - c d m a - u w b 在 开始的时候走在了前面。它的样品在2 0 0 4 年初的时候已经在拉斯维加斯的消费电子展上 展出，但之后的进展比较缓慢，当时存在的问题今天依然存在，例如功耗很大、需要两根 天线分别收发、在天线与接收器中间有阻挡时会出现花屏等。 而另一方的o f d m 阵营正迎头赶上，来自s t a c c a t o 公司芯片级的物理层芯片( p i 1 ) 在 2 0 0 4 年的第一季度已经完成，八、九月份的时候，配合t i 公司可编程门阵列( f p g a ) 的媒 体存取控制器( m a c ) 已经可以工作。f p g a 还不是芯片级的产品，是在芯片生产之前用来验 证和测试逻辑功能的，完全芯片级的平台要过一段时问实现。这将是一个由两个芯片组成 的方案，相比较于d s c d m a u w b 目前的芯片方案在成本、体积和功耗上占有一些优势。对 于扩频系统来讲，采用m 序列的芯片已经有成熟的成品，但是速率都不是太高，一般在百 m 以内，不能达到u w b 系统g 级的要求。而使用三进制码的扩频芯片还没有面世。下面简 要介绍下一代短距离无线技术“u w b ( 超宽带技术) ”。主要有如下三大特点：( 1 ) 高达 数百m b i t 到数g b i t 秒的高速通信；( 2 ) 耗电量为现有无线技术的1 1 0 0 以下；( 3 ) 较现 有无线技术成本更低n ，。 1 1 2u w b 的优点 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，但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 5 0 m w ) ， 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。易于重复使用频率，提高了 无线频谱利用率。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 西安理工大学硕士学位论文 与单位可以无执照使用“。 1 1 3u f f b 与现有无线通信方式的比较 表1 - 1 各种无线通信方式比较 t a b l e l 1c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e s i e e e 8 0 2 1 l ab l u e t o o t hh o m e i u pu w b 传输速率 5 4 m b p s 小于1 m b p s1 - 2 m b p s可高达5 0 0 m b p s 通信距离 1 0 m - 1 0 0 m1 0 m 5 0 m 小于1 0 m 发射功率1 瓦以上 1 毫瓦1 0 0 毫瓦1 瓦以上1 毫瓦以下 空间容量 8 0 k b p s m 2 3 0 k b p s m 25 0 k b p s m 2 1 0 0 0k b p s m 2 应用范围无线局域网计算机等家庭和家庭语音和数据 近距离多媒体 办公室设备互连流 终端类型 笔记本，台式电脑，笔记本，台式电笔记本，无绳电 无线电视，d v d 高速因 掌上电脑和因特网 脑，掌上电脑，话，无线音响，特网网关 网关移动设备移动设备 主要支持公司 c i s c o ，l u c e n t , 3 c o me r i c s s o n ，n o k i a a p p l e ，d e l l i n t e l , m o t o r l a ，s o n y , s h a r p m o t o r o l a c o m p a q 1 2 课题的提出及研究意义 超宽带无线通信技术由于具有高传输率、低功耗和低成本等诸多优点，在短距离局域 网中有着广阔的应用前景，也被视为下一代无线通信的关键技术之一。而扩频通信系统与 常规的通信系统相比，具有很强的抗人为干扰，抗多径干扰的能力，并具有信息隐蔽，多 址保密通信等特点。这两种技术的融合，可以使通信系统兼得各自的优点，是目前通信系 统中研究的一个热点方向。完成了对超宽带基带扩频系统仿真之后，可以直观地体现超宽 带系统的工作性能及其抗噪声，抗干扰和抗多径干扰的能力。同时，可以为后续的电路实 现打下良好基础。此外，对扩频及其同步的电路的研究工作可以保证整个通信系统的接收 端能正确无误地接收到传输信号，这显然也是无线通信能否成功实现的一个关键。本文对 d s u w b 扩频的算法实现以及f p g a 的实现可以为可能的芯片级设计提供必要的理论和电路 基础。 1 3 本论文的工作内容和主要结构 本文主要介绍了u w b 的特点及扩频解扩的算法、扩频及其同步的f p g a 实现，第一 章简单的介绍了u w b 的现状及其的主要特点。第二章介绍了扩频通信的相关知识，重 点介绍了与本课题相关的直扩系统。第三章利用m a t l a b 平台上，按照d s u w b 的标准， 搭建了整个扩频系统并给出了在不同条件下的仿真波形，最后对仿真结果进行了分析。 第四章设计了一种可变码型和码长的扩频解扩电路，重点在于扩频同步电路的设计， 完成了从r t l 代码，前仿，后仿布局布线及f p g a 验证的全过程，并辅以图表进行了说 2 1 绪论 明和分析。第五章对所做的内容进行了总结，提出了了论文中一些不足，并给出了一 些改进的方法。 3 2 扩额通信的基础 2 扩频通信的基础 本章首先介绍扩展频谱通信的基本概念，理论基础，主要性能指标及几种扩频通信的 工作方式，最后简单介绍了与d s - u w b 相关的直扩系统的一些知识。 2 1 扩展频谱通信的基本概念 2 1 1 扩展频谱通信的定义 所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“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，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”。 通过这一定义，可以对扩频通信有一个初步的了解： 1 信号的频谱被展宽了。 2 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。 3 在接收端用相关解调来解扩。 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 5 0 m w ) ，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。 2 抗干扰性强，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，信嗓比很高，因此抗干扰性强。 4 西安理工大擘硕士学位论文 当g 。= 3 5 d b 时，抗干扰容限m ，= 2 2 d b ，即在负信噪比( - - 2 2 d b ) 条件下，可以将信 号从噪声的湮灭中提取出来。 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干扰在扩频设备中如何被抑制的物理过程，可以用图2 1 和图 2 2 加以说明。 对于各种形式人为的( 如电子对抗中) 干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，见图2 1 所示。 7 ； 千精 l；i _ 图2 - 1 扩频系统抗宽带干扰能力示意图 f i g u r e 2 - 1f i g u r eo fs p r e a ds p e c t r u ms y s t e m sw i d eb a n da n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a c i t y 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，见图 2 2 所示。 谱 图2 - 2 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图 f i g u r e 2 - 2f i g u r eo fs p r e a ds p e c t r u ms y s t e m si m p u l s ea n t i i n t e r f e r e n c ec a p a c i t y 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 。o ，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。 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干 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。 功 扰 一 号 干 _ 1 信 么h 皿 艏良一 蜱 一茳湍玺 2 扩频通信的基础 如果让许多用户共用这一宽频带，则可提高频带的利用率。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，多径干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干扰的能力： 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频系统中，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。 6 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 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“1 。 2 2 扩频通信的理论基础 长期以来，人们总是设法使信号所占领谱尽量的窄，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( 缈) 远大于原始信息本身实际 所需的最小( 有效) 带宽( t w ) ，其比值称为处理增益g ，： 6 西安理工大学硕士学位论文 g p = 矽a 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 1 k h 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、诃频或脉冲编码调制制式，g ，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 ，值，高达数百上千，称为“宽带通信”。 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。信息论中关于 信息容量的仙农( s h a n n o n ) 公式为： c w l 0 9 2 ( 1 + s r ) ( 2 2 ) 式中： c 信道容量( 用传输速率度量) 一信号频带宽度 p 一一信号功率 一一白噪声功率 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，在较低的信嗓比p n ( s n ) 情况下，传输信息。 扩展频谱换取信噪比要求的降低，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： p o w 一，( 驯n 。) c 3 ) 式中： _ t o w 一一差错概率 e 一一信号能量 。一噪声功率谱密度 信号功率p t 驯t( t 为信息持续时间) 噪声功率n h 。 ( 形为信号频带宽度) 信息带宽舡- 1 t 则式( 2 3 ) 可化为： p o w - f ( i w p | n 1 tf 妲n w | 龌、 q 4 式( 2 4 ) 说明，对于一定带宽f 的信息而言，用g ，值较大的宽带信号来传输，可 以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下通信的安全可靠。亦即式( z 4 ) 与式( 2 2 ) 一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。 7 2 扩频通信的基础 总之，我们用信息带宽的1 0 0 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。这就是扩展频谱通信 的基本思想和理论依据。 2 3 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 r e a d i n gg a i n ) ，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缈之比： g - w a f( 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，而排除掉宽频带w 中的外部干扰、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干扰环境下正常工作的能力，定义为： m j g 一【岱n ) o u t + t 】c 6 ) 其中： m ；抗干扰容 g 处理增益 ( s l v ) o u t 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 工接收系统的工作损耗 2 4 扩频通信的工作原理及工作方式 2 4 1 直接序列扩频工作方式 所谓直接序列( d s d i r e c ts e q u e n c e ) 扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发 射端去扩展信号的频谱。而在接收端，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 4 2 跳变频率工作方式 另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频( f h - - f r e q u e n c yh o p p i n g ) 。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。 8 西安理工大学硕士学位论文 2 4 3 跳变时间工作方式 与跳频相似，跳时( t h t i m eh o p p i n g ) 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 4 4 各种混合方式 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 f h 、d s t h 、d s f i t h 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 f h 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 3 所示。 f h f l ) s 图2 - - 3d s f s 系统信号频谱 f i g u r e2 - 3d s f ss y s t e ms i g n a l ss p e c t r u m 由图可见，一个d s 扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。d s f h 系统的处理 增益为d s 和f h 处理增益之和。因此，有时采用d s f h 反而比单独采用d s 或f h 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d s 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d s t h 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，d s 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d s f h 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，d s 、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 5 直接序列扩频系统 由于d s u w b 系统从本质上来讲是属于直接序列扩频范畴的，下面简要地从原理，性 能等方面介绍以下直接序列扩频系统。 9 2 扩频通信的基础 2 5 1 直扩系统的组成与原理 所谓直接序列( d s ) 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。面在收端，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 5 2 直扩系统的性能 1 直扩信号的抗截获性 理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的 频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内 的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。 如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声 功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外，由于直扩信号的宽频 带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号 可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信 号的检测与估值问题。 2 直扩码分多址通信系统 多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而 且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统 ( 网) 。 具体的做法是给每一个用户分配一个p n 码作为地址码。首先，利用直扩信号中p n 码的相关特性来区分不同的用户，每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号，此 时自相关特性出现峰值，可以判别出是有用信号。对于其他用户发来的别的信号，因p n 码不同时互相关值很小，不会被解扩出来。其次，利用直扩信号中频谱扩展，功率谱密度 很低，因此可以有许多用户共用同一宽频带。此时相互之间干扰很小，可以当作噪声处理。 另外，每个用户平占用的频宽很窄，相对说来，频谱利用率也是高的。 实现直扩码分多址通信值得注意的问题有： 一是要选择有优良互相关特性的码。 一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。g o l d 码就可以作为地址码来用，它既有较优良的相关特性，也有足够的数量可供选。 其二是要注意克服“远一近”问题。 所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强，它会干扰距离远的弱信号的接收。 解决的办法是采用自动功率控制，自动调节各用户的发射功率，使达到接收机时各用户信 号功率基本相等，也就是满足接收机输入端等功率的条件，才能正确地区分有用信号。 其三是同时通话的用户数，决定于整个网内的噪声水平。 1 0 西安理工大学顾士学位论文 因此，直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加，通信质量逐渐 变坏。 3 直扩系统的抗多径干扰性能 多径信道就是发射机和接收机之闻电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射 和折射，以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电 波在幅度上衰减不同，到达时间的延迟也不同。 直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延迟到达的电波，由于相 关解扩的作用，只起到噪声干扰的作用。这就是利用p n 码的自相关特性，只要延迟超过 半个p n 码时片，其相关值就很小，可作为噪声来对待。另外，如果采用不同时延的匹配 滤波器，把多径信号分离出来，类似梳状滤波器( r a k e ) 的作用那样，还可以变害为利，将 这些多径信号在相位上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。 因此，直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。 4 直扩测距定时系统 直扩系统的发展是从测距开始的。电磁波在空间是以固定的光速传播的。如果测定了 电波传播的时问，也就测定了距离。 用直扩信号来测取和定时有独特的优点。当采用一个较长周期的p n 码序列作为发射 信号、用它与目的地反射回来或转发回来的p n 码序列的相位进行比较，即比较两个码序 列相差的时片数，就可以看出其时间差，也就能换算出发射机与目的地之间的距离。不难 把码片选得很窄，即码的钟速率很高，则可以高精度的测距与定时，基本的分辨率即一个 码片。 此外，有了精确的测距的定时系统，不难形成一个精确的定位系统；按照简单的几何 关系，己知两个点的位置( 坐标) 和距离，及其在某一平面上分别与第三点的距离，也就能 确定第三点的坐标位置。 2 5 3 直扩系统的同步 任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一 致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收 端与发送端必须实现信息码元同步、p n 码码元、序列同步和射频载频同步。只有实现了 这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。 同步系统是扩频通信的关键技术。在上述几种同步中，信息码元时钟可以和p n 码元 时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载频同步 来说，主要是针对相于解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用，例 如用跟踪锁相环来实现载频同步。因此，这里我们只重点讨论p n 码码元和序列的同步。 一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不 确定性。但引起不确定性的因素有以下一些： 1 l 2 扩额通信的基础 法。 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差： 收发信机相对不稳定引起的频差； 收发信机相对运动引起的多普勒频移； 以及多径传播也会影响中心频率的改变。 因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方 3d s - i 舯中扩频的算法、仿真及其结果分析 3 d s - u w b 中扩频的算法、仿真及其结果分析 本章首先给出了系统框图，接着对各种扩频码序列进行了分析，并通过自相关和 互相关性能分析，指出了三进制序列的优越性，然后搭建了d s u w b 的基带扩频系统， 最后对系统进行了仿真，给出了仿真结果并进行了分析，验证了三进制序列m b o k 扩频 在d s u w b 系统中的优越性能。 3 1 系统框架 图3 - 1 是基于d s - u w b 的系统实现框图。 古 扰 图3 一ld s u 粕系统框图 f i g u r e 3 1d s - u w bs y s t e m sb l o c kd i a g r a m 信号经过信源编码，卷积编码以及交织以后的数据进行扩频处理，之后经过脉冲 成形等过程发射出去，而接收端基本上是发送端的逆过程。本章节所要研究的工作为 扩频与解扩的算法实现。扩频码有很多种，应用的场合也不尽相同，扩频码的性能直 接决定着整个直扩系统的性能，下面对扩频码序列做一些分析。 3 2 扩频码序列 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。 选用什么样的码序列作为扩频码序列和它应该具备哪些基本性能是值得研究的问题。 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，所以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。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 p n 码。 西安理工大学硕士学位论文 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。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： 兜一l 甄争心肌) 他一f ) d t ( 3 1 ) f0f 0 一 一t 常数f = 0 式中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 一曲来比较： 如二者不完全重叠，即百_ 0 ，则乘积的积分饥为0 ： 如二者完全重叠，即百= o ；则相乘积分后1 i ，。( o ) 为一常数。 因此，1 i i 。( 旬的大小可用来表征f ( t ) 与自身延迟后的f ( t 一曲的相关性，故称为自 相关函数。 在扩频通信当中，一般用到的扩频序列大概有以下几种： 1 f f l 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。图3 - 2 为一最简 单的三级移位寄存器构成的m 序列发生器。 1 4 时 图3 - 2 三位移位寄存器示意图 f i g u r e3 - 2t h r e eb i t ss h i f ir e g i s t e r sf i g u r e i o 3 d s u i k b 中扩频的算法、仿真及其结果分析 表3 - 1 显示了移位寄存器的转换状态。 表3 - 1 寄存器状态转换表 t a b l e 3 1r e g i s t e r ss t a t ec o n v e r s i o n d 11 o0lo11 d 21 1 oo1o 1 d 3 l 1 l o 0l o 图中d 1 、d 2 、d 3 为三级移位寄存器，圆圈表示模二加法器。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。模二加法器完成如下运算：0 + 0 = 0 ，0 + i = i ，1 + 0 = 1 ，1 + 1 = 0 。图2 4 中d 2 、d 3 输出的模二和反馈为d 1 的输入。在表2 - 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。d 3 的变化即输出序 列。如移位寄存器各级的初始状态为l l l 时，输出序列为1 1 1 0 0 1 0 。在输出周期为2 3 一l = 7 的码序列后，d 1 、d 2 、d 3 又回到1 1 1 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 0 1 0 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，已经进行了大量的研究工 作。现在已经得到3 1 0 0 级m 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1 5 位的m 序列之一为1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 。同理不难得到3 1 、6 3 、1 2 7 、 2 5