（通信与信息系统专业论文）基于stel2000a的扩频通信系统的设计与实现.pdf

捅要随着移动通信的迅猛发展，国际电联( i t u ) 提出了把i m t 2 0 0 0 标准作为第三代移动通信系统的发展目标。i m t 2 0 0 0 标准化建议中最有影响和应用前景的就是基于扩频通信技术的w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。这标志着扩频通信技术在移动通信领域的应用进入了新阶段。在这样的背景下，世界上很多著名的大规模集成电路芯片制造商纷纷推出了自己的专用扩频芯片产品。这些专用扩频芯片的功能都很强大，它们的出现为扩频通信系统的应用提供了更加便利的平台。本文在阅读和研究了大量相关文献的基础上，以美国s t a n f o r dt e l e c o m 公司生产的最新扩频专用芯片s t e l 一2 0 0 0 a 和a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 为核心，设计实现了一个直接序列扩频通信基带系统。在该设计中，分析阐述了s t e l 2 0 0 0 a 内部结构和工作原理，重点分析了芯片中的各个重要模块与关键技术。接着进行了扩频系统方案设计，包括系统总体框架的设计和各种系统参数的选择。该方案的设计采用a s i c 芯片来完成扩频通信系统中的大部分主要功能，可以用软件进行控制，电路简单，使用灵活，能够满足不同数据速率的传输需要。完成了硬件电路设计，对系统中的各个芯片性能以及它们之间的外围接口电路进行了详细讨论。在分析掌握芯片控制时序和系统工作原理之后，进行了系统的软件设计，设计给出了主程序模块、发送控制模块和接收控制模块，并重点讨论了对s t e l 2 0 0 0 a内部寄存器的设置。最后在硬件平台上进行了调试，得到了正确的波形结果。通过对本系统的软件和硬件的设计和调试，加深了对扩频通信系统中各个重要模块和各种关键技术的理解，并得到了一些有意义的结论。为今后我国研制具有自主知识产权的专用扩频芯片积累了一定的实际经验。关键词：扩频通信；c d m a ：s t e l - 2 0 0 0 at h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ns t e l 一2 0 0 0 aa b s t r a c tw i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h er r ua d v a n c e st h es t a n d a r do fi m t 2 0 0 0a st h et a r g e to ft h e3 ”g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h em o s ti n f l u e n c i n ga n da p p l i c a t i v ec o m m u n i c a t i o n a lt e c h n o l o g i e sb a s e do nc d m aa r ew c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，a n dt d s c d m a a n dt h e nt h et e c h n o l o g yo fc d m ab a s e do ns p r e a ds p e c t r u mt h e o r yp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n a lt e c h n o l o g y , w h i c hi n d i c a t e st h eu s eo f o fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei nt h ec o m m e r c i a lf i e l dh a sd e v e l o p e di n t oan e ws t a g e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，al o to ff a m o u sl s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o no fc i r c u i t s ) m a n u f a c t u r e ri nt h ew o r l dh a sd e v e l o p e dt h e i ro w ns p r e a ds p e c t r t u nc h i pp r o d u c t sw h i c hh a v eal o to ff u n c t i o n s t h e i ra p p e a r a n c e sp r o v i d et h ea p p l i c a t i o no ft h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mam o r ec o n v e n i e n tp l a t f o r m b a s e do ns t u d y i n ga n dr e a d i n gal o to fr e l a t i v el i t e r a t u r e s ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e sad i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nb a s e b a n ds y s t e md e p e n do ns t a n f o r dt e l e c o mc o r p o r a t i o n sn e ws p r e a ds p e c t r u mc h i ps t e l - 2 0 0 0 aa n di n t e l c o r p o r a t i o n sa t 8 9 c 51 t h i sp r o j e c ta n a l y s e sa n de x p a t i a t e st h ei n t e r i o rc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs t e l 一2 0 0 0 a ，a n de m p h a s i z e so nt h ei m p o r t a n tb l o c k sa n dp i v o t a lt e c h n i q u e si nt h ec h i p t h e ni td e s i g n st h es c h e m eo ft h es p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ，i n c l u d i n gt h eh o l i s t i ef r a l t l eo ft h es y s t e ma n dt h ec h o i c e so fc r u c i a lp a r a m e t e r s t h ed e s i g no ft h i ss c h e m ea d o p t sa s i cc h i pt of u l f i l lt h em a i nf u n c t i o n so ft h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dc a nb ec o n t r o l l e db ys o f t w a r e t h ec i r c u i ti ss i m p l ea n df l e x i b l e t h i sd e s i g nc a nf u l f i lt h ed e m a n d so fd i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o ns p e e d i ta c c o m p l i s h e st h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t ，a n de x p a t i a t e st h ec a p a b i l i t yo fe v e r yc h i p si nt h i ss y s t e ma n dt h ep e r i p h e r yi n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h e s ec h i p s a f t e ra n a l y s i n ga n dp r e d o m i n a t i n gt h ec o n t r o l l i n gt i m i n go f t h ec h i pa n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n st h es y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m m eb l o c k ，t h et r a n s m i s s i o nc o n t r o l i n gb l o c ka n dt h er e c e i v i n gc o n t r o l l i n gb l o c k a n di te m p h a s i z e so nh o wt os e tt h ei n n e rr e g i s t e r so fs t e l 2 0 0 0 a a tl a s t ，d e b u g g i n gi sd o n eo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h ec o r r e c tw a v e f o r mr e s u l t sh a v eb e e ng a i n e d t h r o u g ht h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e , t h ec o m p r e h e n s i o no ft h ei m p r o t a n tb l o c k sa n dp i v o t a lt e c h n i q u e si nt h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e c o m ed e e p e r a n ds o m eu s e f u lr e s u l t sh a v e b e e na c q u i r e d p r a c t i c a le x p e r i e n c e sh a v eb e e na c c u m u l a t e df o rt h ed e v e l o p m e n to fs p r e a ds p e c t r u mc h i po fo u rc o u n t r yo w n k e yw o r d s ：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 ；c d m a ；s t e l - 2 0 0 0 a大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文：基王s i 量l ：2 q q q 的芷题通信丞统数遮让生塞现：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。栌蚴擀船蟒脯担妣奠- 7 磊, 嬉罗月劢论文作者签名：扶御磷多月巧曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密d ( 请在以上方框内打“，)做储獬茎器豸殍日期：础年5 月二5 日。第1 章绪论1 。1 扩频通信技术概述c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 通信是利用互相正交( 或尽可能正交)的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。采用于利用相互正交( 或尽可能正交) 的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此，对这种调制方式的通信，又称为扩展频谱通信。扩展频谱通信( 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 ) 是将待传送的信息数据被伪随机码( 扩频序列：s p r e a ds e q u e n c e ) 调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。显然，这种通信方式与一般常见的窄带遥信方式不同，是在扩展频谱后的宽带通信，再相关处理恢复成窄带信号后进行解调数据。因此，具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰、抗噪声、抗多径衰弱、能在低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等。扩展频谱通信作为新型通信方式，特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用。【1 1 2 扩频通信技术发展与现状扩频通信技术最早应用于军事领域。5 0 年代美国麻省理工学院研究成功n o m a c ( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) 系统威为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面广泛应用扩频通信方式的研究十分活跃。1 9 8 5 年5 月美国联邦通信委员会( f c c ) 制订了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩频通信的标准和规范，明确规定公共安全用3 7 m h z 一9 5 2 m h z ，最大输出功率为2 w 的电台：工业、科学和医疗用9 0 2 m h z 一9 2 8 m h z 、2 4 g h z 2 5 g h z 、5 7 2 5 g h z 一5 8 5 g h z 三个频段，最大输出功率为1 0 0 m w 。世界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体，开始了对扩频通信的深入研究和广泛应用。1 9 9 9 年，在火爆的移动通信领域，世界目光的焦点是3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ) 标准。3 g 即第三代移动通信技术。1 9 9 9 年1 0 月2 5 日至1 1 月5 日在芬兰赫尔辛基召开的i t u rt g 8 1 最后一次会议顺利确定了3 g 无线接口标准，即i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范建议( i m t r s p c ) ，基于这一全球统一的标准，用户可以实现全球漫游。世界各国都提出了自己的建议和标准，其中最有影响的是欧洲的w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 以及我国提出的拥有自主知识产权的t d - s c d m a 。2 0 0 1 年3 月16 日，t d s c d m a 标准被正式写入3 g p pr e l e a s e4 ，这是t d s c d m a发展史上一个重要的里程碑。而基于扩频理论的c d m a 技术更是成为国际电联3 g标准的主流技术。从2 0 0 4 年开始，全球的3 g 市场开始快速发展。进入2 0 0 5 年，在3 g 商用网络建设上逐渐进入稳定增长的时期，业务发展和用户数量继续快速增长，产业链和设备市场也越来越成熟。截至2 0 0 5 年6 月底的统计数据显示，全球使用c d m a 2 0 0 0i x 和w c d m a 等3 g 技术的用户已经达n t1 8 7 亿人以上。2 0 0 6 年，随着我国3 g 牌照的发放，3 g 用户将迅猛增长，信息产业部预计到2 0 0 6 年底我国3 g 用户将超过1 0 0 0 万。随着技术的融合，业务需求的增长，最终在全球范围内3 g 将全面取代2 g 网络。这样便确立了以扩频理论为基础的c d m a 通信技术在当今移动通信领域中的稳固地位，把扩频c d m a 通信的研究、应用和发展推向了一个全新的阶段。f 1 1 1 2 3 1 1 4 5 1 1 6 1 7 1 1 8 9 11 3 专用扩频芯片研发现状目前，在专用扩频芯片研制领域，国外不少的公司都推出了自己的产品。如美国a m i 公司生产的直接序列扩频芯片s x 0 4 3 ，美国h a r r i s 公司的直接序列扩频基带处理芯片h s p 3 8 2 4 ，z l o g 电信公司生产的直接序列数字脉冲调制解调芯片z 8 7 2 0 0 ，美国s t a n f o r dt e l e c o m 公司生产的单片全数字扩频处理芯片s t e l 2 0 0 0 a等。这些扩频芯片的功能很强大，比如s x 0 4 3 扩频芯片具有可选长度为ii 位的b a r k e r 码和最长码长达2 0 4 7 的i t i 序列或g o l d 码，在全双工或半双工方式下，具有高达1 m b p s ( b p s k d b p s k ) 、2 m b p s ( q p s k d q p s k ) 、3 m b p s ( 8 q a m ) 、4 m b p s ( 1 6 q a m ) 的数据速率，能完成直接序列扩频基带处理的全部功能。而h s p 3 8 2 4 更是在片内集成了i q 两路a d 转换器，应用起来更加方便，可编程数据率最高也可以达到4 m b p s ，调制方式可以选择d b p s k 或者d q p s k 。值得一提的是s t a n f o r dt e l e c o m 公司的s t e l 2 0 0 0 a ，在这几款芯片中它的功能最为强大，使用时只需根据具体要求将功能寄存器设定为不同的值即可实现不同的工作模式，外围电路也相对简单。这些大规模集成电路的出现，使扩频设备的体积大大缩小，成本大幅度降低，电路设计也更为简单，功能更加齐全，可靠性更高。由于我国半导体生产工艺以及设计水平的相对落后，目前在扩频芯片研制领域，还没开发出自己的专用扩频芯片，只能使用国外现成的产品。而这些专用扩频芯片产品虽然功能都很强大，但是也存在着一定的局限。比如它们作为现成的a s i c 产品，其内部电路与大部分功能都已无法改变，缺少针对不同应用环境所应具有的灵活性，也不便于系统以后的升级。另外在扩频系统被应用到军事领域的情况下，使用这些国外的芯片产品，对于军事机密和国家安全来说，并不是一件好事。1 4 本论文的研究内容本课题以s t e l - 2 0 0 0 a 为核心，采用a t 8 9 c 5 1 对它进行控制，辅以d a 、a d等外围电路，设计实现了一个直接序列扩频通信系统。论文首先对扩频通信系统进行了介绍，着重介绍了直接序列扩频通信系统和扩频码序列。接着阐述了对系统硬件平台的设计，包括系统设计的总体方案、系统参数的设计、芯片器件的选择、各部分闯的接口电路、系统中的主要模块和关键技术。最后设计出了系统的软件平台，重点介绍了对s t e l 2 0 0 0 a 内部寄存器的设置。并对软硬件平台进行了调试，得到了正确的波形结果。第2 章扩频通信系统2 1 扩频通信的基本原理扩频通信一般是指用远远大于原始数据信号带宽的频带宽度来传输信息的技术。在信号发送端，首先将信息调制形成数据信号，该数据信号经扩频序列( s p r e a d i n gs e q u e n c e ) 调制后，信号的频带被展宽，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号经变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经过信息解调恢复成原始信息输出。具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰、抗噪声、抗多径衰弱、能在低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等。扩展频谱通信作为新型通信方式，特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用。图2 - 1 扩频通信的基本原理图f i g 2 - 1b a s i ct h e o r yf i g u r eo f 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扩频通信的基本原理如图2 1 所示。信息数据d 经通常的数据调制后变成带宽为且的信号( 且为基带信号带宽) ，用扩频序列发生器产生的伪随机编码( p n 编码：p s e u d on o i s ec o d e ) 去对基带信号作扩频调制，形成带宽为b 2 ( b 2 且) 、功率谱密度极低的扩频信号，再发射。众多的通信用户，使用各自不同的伪随机编码，可以同时使用带宽为b ：的同一频带。在接收端，首先使用与扩频信号发送者相同4的伪随机编码作扩频解调处理，把宽带信号恢复成通常的基带信号，再使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据d 。显然，接收端不知道发送的扩频信号所使用的伪随机编码时，要进行扩频解调是非常难办，甚至不可能的。1 1 i2 1 1 扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础是信息论中关于信息容量的香农定理：c = b l 0 9 2 ( 1 + s n )( 2 一1 )式中：c 为信道容量( 比特，秒) ；b 为信道带宽( 赫兹) ；n 为噪声功率：s为信号平均功率。可见，增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加信道带宽( b ) 增加信噪t l ( s n ) 来实现；当信道容量c 为常数时，带宽b 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 肘) 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，在无差错传输的信息速率c 不变时，如信噪比很低，则可以用足够宽的带宽来传输信号。扩频通信的另一个理论基础是柯捷尔夫的抗干扰理论，其中得到的如下关于信息与差错概率的公式：只a ，( e l n o )( 2 - 2 )这个公式指出：差错概率c 是信号能量e 与噪声功率频谱o 之比的函数。设信号频谱宽度为b ，信息持续时间为t ，信号功率为s = e r ，噪声功率为n = b n 0 ，信息带宽为a f = 1 ，r ，则：= f ( s t 纠n ) = f ( ( s n ) ( b a f ) )( 2 - 3 )从上式可知：差错概率e 是输入信号与噪声功率比吖n 和信号带宽与信息带宽比驯f 二者乘积的函数。也就是说，对于传输定带宽f 的信息来说，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处这一客观规律。总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍的带宽信号来传输信息，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。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 1 0 l2 1 2 扩频通信系统的指标扩频通信系统有两个重要的性能指标：处理增益和干扰容限。1 处理增益( 扩频增益)扩频通信系统的抗干扰性能在扩频和解扩的处理过程中得到提高，这种扩频处理得到的好处称之为扩频系统的处理增益，用g 表示，定义为接收相关处理器输出与输入信噪比之值，即：q 2 裂黼或g ，钏t g 湍q b ，2 簧陋。，式中：建为频谱扩展后的信号带宽，吃为频谱宽展前的信息带宽。在赢扩系统中，处理增益也等于伪随机码速率r c 与信息速率舶的比值，即扩频的倍数。扩频通信系统的抗干扰能力与扩频处理增益成正比。2 干扰容限干扰容限指在保证系统正常工作条件下( 系统输出信噪比一定) ，接收机输入端能够正常承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用肼，表示：m j = g p - h 引c p s ，式中：厶为系统的损耗，( 寺) 。为系统输出端信噪比，g 一为处理增益。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能允许的极限干扰强度，当干扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因此它往往比处理增益更确切表征了系统的抗干扰能力。2 1 3 扩频通信的特点扩频通信是通信领域中的一个重要发展方向，与传统的通信相比它具有如下特点：( 1 ) 抗干扰能力强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6的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，在接收端进行相关解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。因此扩频系统具有极强的抗干扰能力。( 2 ) 抗衰落能力强，信息传输可靠性高扩频信号占据的频带很宽，当由于某种原因引起衰落时，只会使- - d , 部分频谱衰落，而不会使整个信号产生严重畸变。故具有抗频率选择性衰落的能力。( 3 ) 抗多径干扰能力强由于在扩频系统中增加了扩频调制与解扩过程，这样可以利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时用分集接收技术从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可以有效地消除无线通信中多径干涉造成的信号衰落现象。( 4 ) 保密性好由于扩频信号分布在很宽的频带内，功率谱密度很低，信号可以在强噪声背景下，甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，这有利于减少对其他通信系统的干扰，同时降低了被“窃听”和被“截获”的机会。因而扩频系统具有很高的保密性。( 5 ) 可以采用码分复用实现多址通信利用扩频码序列之间良好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，在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样在同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。提高了频带利用率。( 6 ) 易于多媒体通信组网扩频系统是宽带系统，是一个透明的高速数字信道，可以传送语音、传真、数据和图像等综合业务。 1 0 1 】2 1 4 扩频通信的分类按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几种：1 直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 通信系统，简称直扩( d s )通信系统。就是采用高速率的直接序列伪随机码( p n 码) 在发端进行扩频，在收端采用相同的伪码进行相关解扩。扩频调制可用振幅键控、频移键控和相移键控。2 跳变频率( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 通信系统，简称跳频( f h ) 通信系统。形象地说就是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。简单的频移键控只有两个频率，它分别代表传号与空号。而跳频系统是用伪随机码来为选择载频的，跳频通信有几十个甚至上千个频率，由所传信息码与伪随机码的组合码序列进行控制，按照码序列随机地自动地改变电台的工作频率。虽然在每一瞬间跳频通信的频谱与窄带通信相同，但从一个较长的观察时间来看，跳频通信的频谱占据了很宽的频带，所以通常认为跳频通信也是扩频通信的一种形式。3 跳变时间( t i m eh o p p i n g ) 通信系统，简称跳时( t h ) 通信系统。跳时系统也是一种扩展频谱技术，主要用于时分多址( t d m a ) 通信。跳时是用伪码序列来启闭键控发射机，将一个信码的持续时间分成若干时隙，由伪随机编码序列控制在每一个时隙中发射一个信码。因此，信息码是在短时隙中以高的峰值功率突发式传输的。发射机的启闭同伪码序列一样，在时间上是伪随机的。通常，跳时技术在扩频系统中不单独使用，而与其他扩频方式结合组成混合式系统。4 宽带线性调频( c h i r pm o d u l a t i o n ) 通信系统，简称c h i r p 通信系统。如果发生的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。5 各种混合方式。在上述几种基本的扩频方式基础上，可以组合起来构成多种混合方式。例如：f h i d s 、d s 厂r h 、f h t h 等。不同方式结合起来的优点有时能够得到单用其中一种方式所得不到的特性。因本课题是针对直接序列扩频通信技术( d s s s ) 的研究，所以对d s s s 做一下重点介绍。2 2 直接序列扩频通信系统( d s s s )直接序列扩频通信系统与其他扩频通信系统相比较，实现频谱扩展方便，无论对通信、测距应用，还是对其他应用都很适合，是目前应用最多、最广泛的一种扩频通信系统。其原理框图如图2 2 。以d s 扩频b p s k 调制信号为例，设二进制信息序列的基带信号用v ( o 表示为：v o ) = g ，( t - n t 。)( 2 6 )其中k = l ，一0 0 竹 m ) ，g r ( f ) 为带宽为瓦的矩形脉冲。p n 序列发生器输出的信号为：c o ) = c 。p ( t - n t o )( 2 _ 7 )b 表示取值为士l 的二进制伪随机序列，i i ipn ( p s e u d o - r a n d o m ) 序列。尸( ，) 为宽度为i 的矩形脉冲。基带信号与p n 序列信号乘积为v ( o c ( t ) ，经载波4 c o s ( 2 税，+ 伊) 调制得：u ( t ) = a 。v ( t ) c ( t ) c o s ( 2 杭，+ p )因为在任何时刻t 都有v ( f ) c ( r ) = l ，则信号可表示为“o ) = a 。c o s 2 考：，+ 臼( f ) + 妒】( ： 嘞其中4 为载波信号幅度，z 为载波频率，矽为初始相位，当v ( f ) c ( f ) = + 1 时一( f ) = o ，当v ( f ) c ( ，) 一1 时，o ( t ) = 石。其相位变化速率为i l t i( 2 r 12 )( 2 _ l3 )式( 2 12 ) 与2 - 1 3 ) 中，n - - - - 2 - i 为i l l 序列的周期。它的自相关函数如图2 - 5 所示图2 - 5m 序列的自相关函数f i g 2 - 5s e l f - c o r r e l a t i o nf u n c t i o no f r ns c q u e f l c cm 一肛。一型a上w，l，由图2 - 5 可知，m 序列的自相关系数在f = o 处出现尖峰，并以幄时间为周期重复出现。尖峰底宽2 。i 越小，相关峰越尖锐。周期n 越大，一t i n 就越小。在这种情况下，m 序列的自相关特性就越好。由于m 序列自相关系数在e 的整数倍处取值只有1 和i - 1 t n l 两种，所以m 序列称作二值自相关序列。对2 - 1 3 式进行傅立叶变换，可得m 序列的功率谱为：gc 由2 嘉d c 叻+ 等霹( 嘉 圭一器，p t 图2 - 6 给出了m 序列的功率谱。川iiih 川：4 7 r2巧0巧瓦2 厅l图2 - 6 m 序列的功率谱密度f i g 2 6p o w e rs p e c t r u mo f ms e q u e n c e4 石瓦从图中可以看出，n 越大，即m 序列周期越长，且瓦越小，即m 序列的码元速率越高，m 序列的自相关函数和功率谱越接近白噪声的性能。因此，m 序列是一种性能非常好的伪随机序列。选取两个码长相等，码时钟速率相同的m 序列优选对，模2 加就可以组成互相关特性良好的gd d 码序列。在扩频通信中常用的码序列除了m 序列之外，还有m 序列、g o l d 序列、r - s码等。在cdma 移动通信系统中还使用相互正交的w a l s h 函数。近几年随着对混沌序列研究的深入，混沌序列也逐渐被应用作为扩频序列。在这里就不一一详细介绍了。i t 】1 1 3 l1 42 4 扩频信号的捕捉与同步扩频系统除了有一般数字通信系统的载波同步、位同步、帧同步外，还有它特有的p n 码序列同步。p n 码序列同步是扩频系统所特有的，是扩频通信的一个十分重要的关键技术问题，也是扩频技术中的难点。要求接收机的本地伪随机码与发射来的扩频编码相位完全同步，否则就不能正常接收到通信对方发来的信息，接收到的是一片噪声。若实现了发、收同步而不能保持同步，也不能准确可靠获取发送来的信息数据。在p n 码同步的过程中，包含了两个过程p n 码的捕获与p n 码的跟踪。p n码的捕获完成p n 码的粗同步，而p n 码的跟踪则完成在一个伪码码元内的精确同步。pn 码捕获电路捕获n pn 码相位后，由p n 码跟踪电路进行精确调整，当pn码跟踪电路工作不正常，即失步时，再将控制权交还给pn 码捕获电路重新捕获。p n 序列的捕获方式有很多种，如序列相关积分处理i j k 滑动相关搜捕溺、序贯估值搜捕法、同步头法、发射参考信号法、发射公共时间基准法、匹配滤波器法等，其中最常用的是滑动相关搜捕法、序贯估值搜捕法和匹配滤波器法。本次设计中采用的是匹配滤波器法来实现pn 序列的同步，下面对该方法做以介绍。设匹配滤波器的冲激响应为：h ( t ) = s ( r r ) ( 0 f t ) ( 2 - 1 5 )s ( 0 为输入波形，则其输出波形为：o ) = s o ) + 向o ) = e s o f ) ( f ) c ，= e s o 一砷s ( ，一r ) d r = r o 一丁) ( 2 - 1 6 )r ( t ) 为输入信号的自相关函数，因此匹配滤波器可以看成是一个相关器，但一般相关器必须经过时问为t 的积分，才能得到一个相关值，而匹配滤波器的每个时间点上都能输出一个相关值，因而是一种快速的相关器件。数字匹配滤波器( dmf ) 电路由三部分组成：循环移位寄存器组、乘法器和多输入加法器。其结构如图2 7p y r e , 。采用循环移位寄存器组来产生本地的pn 码，移位寄存器的个数等于码长n ，且以速率等于pn 码速率的时钟控制它的循环移动，循环移位积寄存器的任何一级都可以作为输出。在循环移位寄存器中存放1 ”和巴l ”，”l ”对应于p n 码的高电平，- 1 ”对应于pn 码的低电平。乘法器用来求得本地p n 码和接收信号的乘积，共需n 个乘法器。由于在本地循环移位寄存器中存放的是l 1 ”和1 ”，因此乘法并不需要用真正意义上的乘法器。多输入加法器是一个n 个并行输入一输出的累加器，它可以在一个pn 码片内求得n 个并行输入数据的累加和，此累加和就是需要求得的相关值。利用数字匹配滤波器实现捕获的原理如下：当数字匹配滤波器用于直接序列扩频通信时，采样信号每骗对间z 送入移位寄存器一次。其中是扩频码一个切谱( 码元宽度) 所占的时间。伪码寄存器中的系数与采样信号分别相乘，经抽头延时然后将结果一级一级往后送，并进行逐一相加，最终得到一个输出结果。这个输出结果的绝对值反映输入信号与本地扩频码的同步情况，当该绝对值超过某一数字时，本地扩频码与接收到的信号相位差已小于正，可以认为完成捕获。假定接收信号已经成功地从数字中频经由数字下变频变换到零中频，用数字匹配滤波器实现捕获的原理如图。图2 8 中虚线部分即为数字匹配滤波器。输入图2 7 数字匹配滤波器结构图f i g 2 7d i g i t a lm a t c h e df i l t e rc o n f i g u r a t i o nf i g u r e1 6输出图2 - 8 使用数字匹配滤波器实现捕获原理图f i g 2 8r e a l i z a t i o no f c a p t u r eb yu s eo f d i g i t a lm a t c h e df i l t e r一般来说，用于捕获的移位寄存器的典型长度为6 4 b i t 或1 0 2 4 b i t 。移位寄存器的长度越长，码捕获的时间越长、捕获的错漏率越低。特别是在一定的信噪比下，要得到码同步，必须使用较长的匹配滤波器。但这又带来一系列问题：捕获时间过长、电路的规模过于庞大、消耗的功率相当可观、工作速度较低。在实际应用过程中应根据具体情况选择移位寄存器的长度。【1 1 【1 0 l 【l l l 【1 2 】 1 4 1第3 章系统硬件平台设计3 1 系统总体方案设计3l 1 系统总体构成根据现有的实验条件和研究方向的要求，本论文设计了基于s t e l 一2 0 0 0 a 芯片的直接序列扩频通信系统的基带部分。系统的总体框图如图3 - 1 所示。单片机l7p c 机i1l 白化ls t e l - 2 0 0 0 ai 去白化l上tj 输入数据处理器k 出数据处理上上tt睦分编码i陲分解调ili丰发送端一扩频处理数字匹擎滤波器h 僦銎p n 码发tt。生器j r上lb p s k o p s k 调缃ill 下变频器iir a 搪搀a d 转搀ij r放大器带通滤波tt眵相功分器i+千千l 宽带放大l带通滤波器itr f 糙换ir f 糙擤i图3 - 1 系统总体框图f i g 3 - 1s y s t e mo v e r a l l 疗t m ef i g u r e1 8图中虚线框中的部分即为本次设计中所完成的部分。该部分的工作原理如下：欲发送的数据信息由单片机以串行方式输入，在输入端首先进行白化处理，即将输入数据与伪随机序列进行模二和，使输入信号的频谱在带内均匀化。若采用q p s k 调制，则在输入数据处理器中由串行方式转化为两路路与q 路) 并行输出。若采用b p s k 调制，则只有i 路信号输出到差分编码器，将q 路与地连接。接着进行差分编码，这样可以保证在解调时消除了载波同步的相位模糊度。然后与发射端p n 码舁或”实现了扩频，扩频后的信号经b p s k q p s k 调制，产生一个中频已调信号数字信号输出，最后进行d a 转换。接收信息时，经过a d 转化的数据先进行下变频，变换为基带已调的扩频信号，该信号送入数字匹配滤波器完成解扩，再经差分解调成为原始的数据信号，最后送入输出数据处理器，并去白化，以同步串行方式输出到单片机。单片机可通过串口与p c 机通信。实际调试过程中可以d a 转换器的输出经过信道模拟器后直接送入a d 转换器，观察是否能恢复出原始的数据信息，从而使所设计的硬件电路的正确性得到验证。3 1 2 系统参数设计( 1 ) 扩频工作方式考虑到目前直接序列扩频通信系统应用最广泛，如在第三代移动通信中wcdma 系统与c d m a 2 0 0 0 系统均采用的是直扩方式，所以本设计也采取直接序列扩频工作方式。p n 码的选择在当今cdma 通信系统中的编码按功能可大致分为信源编码、纠错编码( 信道编码) 和扩频编码。具有良好伪随机特性和相关特性的扩频编码对于扩频通信和它的应用是非常重要的。在c d m a 2 0 0 0 通信系统中，采用相同m 序列进行基站地址编码，区分不同的小区，用m 序列进行用户地址编码，通过不同的相位偏置区分不同的用户。在w - c d l a 通信系统中，基站地址编码和用户地址编码均采用go l d 序列，依靠不同gold 序列区分不同的小区和用户。由于在本设计重点讨论的是扩频编码，略1 9去信道编码和信源编码，考虑到本设计的重点在于系统地硬件及控制部分，所以扩频序列选择比较易于实现的m 序列。扩频通信中的另一个主要问题是确定扩频序列的长度，即伪码长度。根据扩频通信系统抗干扰性能分析，为提高扩频增益，希望采用尽量长的伪码。现行的c dma 2 0 0 0 系统中的基站地址码的序列码长一般为2 ”一1 ，用户地址码的序列码长一般为2 “一l ，这时扩频增益将达到1 2 0 拈，射频带宽更宽，抗干扰能力更强，但捕获时间也会更长，实现难度较大。本次设计中选用的扩频芯片是s t e l 一2 0 0 0 a ，在s t e l - 2 0 0 0 a 中有同步pn 码和数据扩频pn 码两处需设定的伪码，最大长度均为6 4 ，可通过对芯片内部寄存器写入数据来产生这两种pn 码。为了提高系统的扩频增益，数据扩频pn 码长度也应尽可能长一些。为提高捕获概率和降低捕获时间，通常同步pn 码长应大于n 2 ，n 为扩频码长。在本设计中，两种pn 码长度均选为6 4 。根据m 序列的性质可知，一个m 序列( 多于1 位) 与由它移位得到的另一个m 序列的相互系数为1 n ，当n 很大时，相互系数趋于零。这样由其中的一个m序列就可以方便地得到另一个。长度为6 4 的m 序列由长度为6 的移位寄存器产生，所选的6 阶m 序列特征多项式为：f ( x 1 = x 6 + x + 1c 卜1 )用m a t l a b 编程得到对应特征多项式3 1 的m 序列：c o l u m n slt h r o u g h1 1l1lll10l0loc o l u m n s1 2t h r o u g h2 2l1001101l1oc o l u m n s2 3t h r o u g h3 311o1001o01lc o l um n s3 4t h r o u g h4 41000l0l1lloc o l u m r l s4 5t h r o u g h5 50l010001100c o l u m n s5 6t h r o u g h6 300100000( 3 ) 调制方式的选择在当今的cdma 系统中所采用的射频调制技术主要有q p s k 和b p s k 等。在w - c dma 系统中数据调制方式为b p sk ( 上彳亏) 和q p s k ( 下徇，扩频调制采用b p s k ( 上衙和q p s k ( 下徇。在c d m a 2 0 0 0