（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga的列车扩频通信基带处理器设计.pdf

北京交通大学硕士论文 究；提出了中频调制方案d q p s k ，对其进行了分析；深入 研究了接收的同步问题一捕获和跟踪，并且在对数字匹 配滤波器原理及其实现方法进行深入研究的基础上，提 出基于数字匹配滤波器的捕获平u 跟踪方案；采用相关检 测的解扩原理，完成了扩频数据的解扩。 之后，在对扩频通信机理研究的基础上提出了基于 f p g a 实现扩频通信基带处理单元的设计方案，完成了基 带处理收发部分的功能模块划分，以及提出了各个模块 的实现方法并得出了仿真和综合结果。其中发送部分： 时钟模块、微控制器接口模块、f i f o 模块、串并转换模 块、差分编码模块、伪随机序列发生器模块、扩频模块、 n c o 模块、i ) q p s k 模块；接收部分：数字滤波器以及基于 数字滤波器的捕获和基于延迟锁定环的跟踪电路、差分 解码及数据输出模块。借助于o u a r t u sl i 软件平台和 s y n p l i f y 综合平台，利用v e r i l o g 设计语言编程，在完 成各个模块电路的基础上，完成了整个系统的设计，仿 真和综合结果达到了预期要求。 最后，对本文的工作进行了总结，对以后工作进行 了展望。 关键词：扩频通信，f p g a ，伪随机码，匹配滤波器， 捕获和跟踪 1 1 1 北京变通大学硕士论文 d s s sb a s e b a n dp r o c e s s o rf o rl o c o m o t iv e d e sig n e dwit hfle l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y a b s t r a c t t h e 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 s y s t e m h a s s t r o n g e ra b i l i t y o fr e s i s t i n gj a m m i n g ，n a r r o wb a n d ，a n d m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c et h a n t h a to ft h ec o n s e r v a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e rw e i n t r o d u c e dt h i sk i n d o fc o m m u n i c a t i o n w a y s t or e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nl o c o m o t i v ea n dg r o u n d t h e o v e r a l ld e s i g ns c h e m e o fak i n do fd 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 ) b a s e b a n d s i g n a lp r o c e s s o r i s g i v e n i nt h i s p a p e r t h i s p a p e rp r i m a r i l yd i s c u s s e dt h e b a s e b a n dp r o c e s s i n go fd s s s c o m m u n i c a t i o ns i g n a lb a s e df i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a s i cc h i p t h ed e s i g nt e c h n i q u eo f f p g ar e l a t e d t od s s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e di n t h i s p a p e r f i n a l l y ，t h e d s s sc o m m u n i c a t i o n b a s e b a n d 北京交通大学硕士论文 p r o c e s s o rh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do nt h e f p g a d e v e l o p m e n tp l a t f o r mq u a r t u s i i b e l o n g i n gt ot h e u s a l t e r ac o m p a n y f i r s t l y ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fd s s s a n dr e s e a r c h e d a n d a n a l y z e d t h em e a n sh o wt or e a l i z ed s s sb a s e b a n d p r o c e s s o r b a s e do n f p g a m a i n l y i n t r o d u c e dt h e b a c k g r o u n d r e l a t e dt ot h e t h e o r y i t c o n t a i n ss h a n n o n c o m m u n i c a t i o n t h e o r y ，p s e u d o - n o i s e c o d e t h e o r y ， d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n gm o d u l a t i o nt h e o r y , d e s p r e a d s p e c t m mt h e o r y b a s e do na u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ， a c q u i s i t i o n a n d t r a c k i n gt h e o r 5d i g i t a l m a t c h i n g f i l t e r t h e o r y s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ni s an o v e lt e c h n o l o g y t h ed a t ai s s p r e a db y t h ep s e u d o n o i s e s e q u e n c e i nt h e t r a n s m i t t e r a tt h er e c e i v e r ，t h es a m es e q u e n c e i su s e d ，a n d t h ed i g i t a li n f o r m a t i o ni sr e c o v e r e d t h et o t a ls y s t e mc a n b e d i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h a ti st r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e ru n i t t h et r a n s m i t t e r u n i t m a i n l y c o n s i s t e do fc l o c km o d u l e ， i n t e r f a c em o d u l e ，f i f om o d u l e ，s e r i a lt od i b i tc o n v e r s i o n ， v 北京交通大学硕r 上论文 d i f f e r e n t i a le n c o d e r ，p nc o d e g e n e r a t o r ，n c o ( n u m e r i c a l c o n t r o lo s c i l l a t o r ) m o d u l ea n dq p s km o d u l a t o ra n ds oo n t h er e c e i v e ru n i t m a i n l y c o n s i s t e do f d i g i t a l m a t c h e d f i l t e r ( d m f ) ，s y m b o la c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gm o d u l e b a s e d o n d i g i t a lm a c t h e d f i l t e r ，d i f f e r e n t i a ld e m o d u l a t o r ，d i b i tt o s e r i a lc o n v e r s i o nm o d u l ea n ds oo n t h e t a s ki s d e s i g n e d o nt h ep l a t f o r mo fq u a r t u s i io fa l t e r ac o m p a n y i tc a n u s e v e r i l o ga st h ei n p u t ，a n dc a ns i m u l a t e t h ed e s i g na s w e l l t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n dc i r c u i tt e s tp r o v e st h a tt h e s c h e m e i sr i g h t k e y w o r 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 ，f p g a ， v 1 p s e u d o n o i s e c o d e ，d i g i t a l m a t c h e df i l t e r ， a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g 北京交通大学硕士论文 1 1 课题背景： 第一章概述 可靠、实时、高效的列车运行监控记录系统可以大大提高列 车安全运行，提高铁路运输效率，提升铁路科技含量，提高铁路 管理水平。 列车运行监控记录系统对运行中或停车状态下的机车设备【1 】、 车辆以及这些设备所构成的系统进行在线检测，提供故障未发生 时的预警以及故障发生后故障所在部位的信息。机车运行的过程 中，连续监测机车的实际运行状态，采集机车的各种运行数据， 将其与预先存储的正常状态的数据进行比较，如果发现两者之间 有差别就认为机车发生了某种故障，同时将故障发生前后一段时 间的运行数据和机车环境数据记录下来。实时在线诊断专家系统 根据故障数据进行故障诊断与定位，并向司机提供有关的状态信 息，指出所需采取的措施和可能的补救方法。当机车返回检修段 进行维修时，调出系统中存储的故障数据作为故障诊断与故障定 位的依据，然后利用地面软件中的专家系统的分析方法，找出故 障所在，帮助进行机车维修工作。 随着列车运行监控记录装置功能的完善，监控装置内存的列车 运行数据信息日益丰富，而要在地面获得这些数据信息资源，目 前的方式是在装有监控装置的机车回机务段后，人工使用专用的 转储器，通过监控装置记录板数据输出口进行转储，然后人工操 作将转储器中的数据转录至地面微机分析系统。这种数据的传输 北京变通大学硕士论文 方式的缺陷是： 获得的数据滞后。对数据的转储必须是在机车回机务段或特殊 指定地点才能迸行，所获得的数据是已发生过甚至是几天以前 的数据信息，缺乏时效性，这就大大降低了数据本身的价值。 转储过程繁琐。当机车回段时，转储人员必须手持专用转储器 登上机车对监控装置进行转储，然后再将转储器送至指定地面 微机分析系统进行转录，才能进行分析处理，一旦转储有闯题， 转储人员就必须重新进行转储，重复上述过程。 必须有专门的转储人员，增加了人员的投人。 针对以上问题，这就使得研制更加实时、可靠、高效的无线数据 传输方式成为必要。 另外，我国的大秦铁路建设中1 2 j 1 3 】，为了提高运输效率，使用 双机牵引技术，这种方式必须解决好组合式熏载列车的重联问题， 即解决双机牵引和制动中的同步问题。多个独立系统在运行时发生 冲突将直接影响全列车的安全运行，关系到列车在紧急状态下能 不能停下来和在最短距离内停车及产生的冲动能不能被旅客和所 载货物接受。多机复合牵引的列车在复杂地形下的运行还要解决 协调操纵的问题，主要目的是要充分发挥各牵引点的效率，同时 最大限度地减少列车的冲动。另外虽然复合牵引列车头部机车( 主 控机车) 、尾部机车( 被控机车) 相距不足8 0 0 m ，但由于山区、隧道 地区地形复杂，无线电波传输遇到很大困难。解决上述问题的关 键就在于必须有可靠，有效的通信方式。因此，需要一种比较理 想的无线数据传输方式，使得各牵引机车之间具有实时、可靠的 通信方式，使之能够相瓦协调，同步工作。要求此种无线数据传输 方式可靠性更高，并且对控制指令在传输及信息处理中实时性要 2 北京交通大学硕士论文 求更强，要求传送速度快，数据处理时间短，否则将造成前后机 车工作不盼调。 综上所述，车地双向通信系统的重要性越来越为人们所深知， 但是，铁路运输系统究竟需要什么样的车地信息交互通道呢? 也就 是说，这条系统需要有什么样的特点昵? 在展开相应的研究开发之 前很需要进一步明确这些问题。 显然，面向铁路运输系统的车地通信系统，不仅要结合我国铁 路的现有的实际情况，而且还要具有前瞻性。这就需要车地信息 交互的通道需要具有如下的特点： 1 1 支持信息的多样性。 作为车地双向通信系统，需要传输的内容不再拘泥于单 纯的话音，而要能够支持各种形式的信息，如数据等。只有 这样才能使车地自由交互各种信息，成为真正车地无障碍通 道。 2 ) 具备较大的数据吞吐能力。 铁路运输所追求的高效、安全、优质等目标，无一例外地 需要移动体和固定体之间进行实时的、大数据量的信息交瓦， 这种交互必须是安全、可靠和畅通的。特别是随着列车速度的 提高以及铁路信息系统的完善，这个需求显得更为突出。 3 1 技术的先进性要求。 着眼于构建现代通信系统，该系统需要在技术上，具有一 定的先进性，体现出通信及其相关领域当今的最新水平。如数 字信号处理技术、调制解调技术等。 4 ) 具有持续发展性。 通信和其相关技术领域发展的相当迅速，尤其是近几年， 北京交通大学硕士论文 更呈现出日新月异、欣欣向荣的景象。如果产品具有能够持续 发展的能力和空间，可以快速地响应最新的技术成果，比较容 易地保持设备在技术上的先进性，显然在技术飞速发展的今天 尤其显得重要。 5 1 经济性。 具有良好的性能价格比，无疑会使新设备具有巨大的吸引 力。新设备的初期投入以及后续的升级换代，是很值得考虑的 一个经济投入问题。显然，如果能够利用铁路现有资源，如频 段资源，可以减少初期投入；如果新设备具有持续发展的能力 和空间，也会减少设备升级换代所需要的后续投入。 6 1 高性能。 新一代的车地通信系统需要具有较高的工作稳定性、以及 较高的传输质量。如根据设备的实际工作环境，自动调整信道 的相关工作参数，使干扰降低到最低程度。显然，如果能够实 现出满足上述要求的车地信息交百系统，不仅可以为铁路智能 运输系统提供理想的车地交瓦通道，而且肯定会有更广阔的发 展空间。 1 2 铁路无线数据通信的现状： 无线通信是铁路通信的重要组成部分，是铁路运输的重要基 础设施。由于它具有可移动、机动灵活等特点，因此在满足铁路 运输生产需要方面，发挥着其它通信手段不可替代的作用。 同国外列车使用的g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 系统相比，我国 的列车监控装置自动化程度比较落后。德国i c e 动车组装有先进 的列车故障诊断系统【4 l ，能自动记录全部电气故障信息，并且以编 北京交通大学硕士论文 码形式把列车乘务人员发现的其他故障一起输入该诊断系统中。 通过动( 拖) 车总线、列车总线及列车无线电，把采集的所有故障信 息一起通过g s m r 网，将数据快速、及时地传输到动车段；段内 又借助于高效电子数据处理装置，能在动车组进入维修前约l h ， 制订下一步维修措施：使用调度程序将诊断结果转换成工作指令 打印出来，该工作指令含有维修人员所需的包括材料及图纸的编 号在内的全部资料；维修人员工作结束后，将信息再逐级反馈回 列车故障诊断系统。这一切都是建立在必须具有完整的g s m r 网 络基础上的。同国外的g s m r 网络建设相比我国的g s m r 网络 建设还处于起步试验阶段。据报道，青藏铁路通信工程格尔木至 不冻泉g s m r 试验段上，初步完成了g s m r 试验。其在1 8 6 公 里的路段上建起了2 9 座高4 5 米的无线通信铁塔以构成g s m - r 通 信网络。本次实验的目的，是根据中国铁路对综合移动通信的需 要，开发、测试、验证g s m r 在中国铁路的应用，确定相关标准 和规范，评估其技术性能。可见我国的g s m r 系统尚处于起步试 验阶段。g s m r 通信网络在全国范围的全面建成还有很长的路要 走。 鉴于中国铁路移动通信系统还很不完善，这就使得我们必须考 虑藏酶逶信手段完成车遮双淹数据逶绩。嚣蘸我嚣蘸列车控裁l ”， 主要实现由地列车的单向数据传输，即地面将行车安全数据( 如 减速，停车等简短指令) 通过鞔道电路发送绘耱i 车。轨道电路的 缺点是数据传输率低，只适合地对车的单向短数据传输，而列车 上的机车工况数据等大量实时数据无法发送给地面。如架能采粥 无线方式实现撼霆对事的双目数据遵倍，地西控制中心就能将列 车返回的实时信息加以利用，实现对列车安全运行的熙好控制， 北京交通大学硕十论文 从而进一步提高运输效率和线路利用率。 另外一种可能的数据传输方式就是借助于我国铁路目前都已 普及的列车无线调度通信系统【6 l 。列车无线调度通信系统是话音通 信系统，要传输数据信号，必须对现有系统进行必要的改动，使 之可以实现数话兼容通信。发送时首先对话音信号进行模拟处理， a d 转换，压缩编码，再与数据进行基于时分复用技术的复接，经 过话带数据调制器变成话带内的模拟信号，替代原模拟话音信号 与呼叫，控制信号一起通过f m 调制到1 5 0 m h z 或4 5 0 m h z 高频 频率上；接收时接收到的f m 调制信号经过解调恢复出原有话音和 数据信息的话带内模拟信号，经过话带解调器解调，数字分接后， 话音数据信号恢复出模拟话音信号，数据可以送高层应用单元进 一步处理。但由于此种方式必须对现有模拟制式进行改造，而且数 话同传，这将导致数据传输速率较低，一般在2 4 0 0 b i t s 左右，亦 不适应列车监控系统的数据传输量大的要求，所以此种制式也不 适应此系统的应用要求。 由于现有方式不能满足监控系统对传输速率、可靠性、有效 稳静要求，这藏要求我翻寻找雯逶合于本系统豹传赣方式。隧着 通信技术的发展，能够适合铁路现代化发展需要的现代无线通信 方式有时分多址f f d m a ) 帮采用扩籁技术的透信方式。t d m a 系统 主鬟宙g s m 系统等。g s m 使用了时分复用的设计，在一个频点 上，可必支持8 个用户，每个用户占用一个时间片，肤逻辑上讲， 就是一个镲道。如裁所述的g s m r 系统。应用于铁路豹扩煨频谱 通信系统主要可以分为码分多j t k ( c d m a ) 和跳频系统。c d m a 系统 采越妻接垮翔扩频，具有系统容量大、抗予撬笈力强、易予加密 和数话兼容等优点，这种技术已广泛用于军事通信和民用蜂窝移 6 ! ! 塞壅望查兰竺主堡塞 动通信系统。世界许多铁路设备供应商非常注重这种系统的开发， 例如由w a t k i n s j o h n s o n 公司采用扩展频谱技术开发的先进列车定 位和监督系统( a t l a s ) 、a e g 公司运输部与a n d r e w 公司合作开发 f l e x b l o k 扩频系统、s a f e a a n 公司提出了信号系统和数据链路采用 扩展频谱技术。此外，a l c a t e l 既有系统也在考虑增添扩展频谱功 能。 日_ 小7 0 0 系新干线高速电动车组的信息传输系统川，开发了列 车信息系统与地面系统之间的传输系统，两个系统通过扩频无线 通信交换信息。日本7 0 0 系新t - 线高速电动车组由日本铁路东海 客运公司和西日本客运公司共同开发，用于东海道山阳新干线运 营。1 9 9 9 年3 月开始运营，到2 0 0 1 年1 0 月，已有3 1 列共4 9 6 辆 车投入运营。日本为7 0 0 系干线动车组开发了列车信息系统与地 面系统之间的信息传输系统。这种系统用在7 0 0 系的车上和地面 之间进行通信。为了减少维护，提高分析能力，更积极主动防止 故障，采用的系统则通过扩展频谱无线传输，从车上向地面自动 传输检测数据。采用扩频无线通信技术交换诸如监控记录等信息。 车辆发生异常状态时的信息传递通过扩展频谱无线传输，从车上 向地面自动传输检测数据。通过装在车上和地面的扩频通信装置 自动收集数据。这样就无须以往一样写卡和读卡，使检修作业时 间大大减少了。并可以使地面和车上之间的信息通信容量大幅度 增加，同时也更加先进。 基于上述的背景，我们提出采用扩展频谱无线通信方式传输 列车运行监控信息。扩频通信在日本列车的应用以及扩频通信系 统本身所具有的优势，为我们提供了思路，使我们考虑如何使用 扩展频谱通信方式实现车地双向通信。 北京交通大学硕士论文 1 3 扩展频谱通信的技术优势 a l g l 1 0 l ； 电波传播特性是研究任何无线通信系统首要遇到的问题。不 同频段的无线电波，其传播方式和特点是不同的，与其他通信信 道相比，铁路移动通信信道，其运行环境是铁路沿线和站场地区， 恶劣的信道特性是不可回避的问题，衰落经常发生。而且对于数 据通信来说衰落将使得误码率大大增加。 电波传播过程中会遇到各种建筑物，树木，植被以及起伏的 地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射和绕射等。 因此到达接收端的信号不单是单一路径来的，而是由许多路径的 众多的反射波合成的，由于电波通过各个路径的距离不同，所以 各条路径来的反射波到达时间也不同，相位也不同，这些信号互 相叠加，使得接收信号出现了有时因叠加而增强有时则减弱的现 象，从而产生了衰落。这种衰落是由于多径引起的，又称为多径 衰落，又称快衰落。阴影衰落是传播过程中受到地形起伏，建筑 物及障碍物的遮蔽等，而引起接收天线处场强中值的变化，从而 引起衰落，这种衰落速率较慢，成为慢衰落。 数字无线通信中丰要考虑多径所引起的脉冲信号的时延扩 展。主要是因为时延扩展会引起码间串扰，从而严重影响数字信 号的传输质量。 扩展频谱通信( 以下简称扩频) 采用伪随机码调制和相关处 理，使扩频通信具有抗干扰性强，抗多径下扰、抗衰落、可以实 现码分多址( c d m a ) 等优良特性。再加上码分多址系统的频谱利 用率高，大容量等特点，使得码分多址技术非常适合在铁路移动 8 北京交通大学硕士论文 通信中应用，更能解决目前铁路移动通信中的r 扰和频谱紧缺等 问题。因此研究扩频通信技术在铁路移动通信中的应用已经十分 必要。 抗干扰能力强：扩频通信将信号扩展到很宽的频带上，在接收 端对扩频信号进行相关处理即带宽肤缩，恢复成窄带信号。对 1 i 干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很 宽的频带上，使之进入信号通频带内的一1 扰功率大大降低，相 应的增加了相关器输出的信号噪声比，因而具有较强的抗干扰 能力。 扩频通信采用相关检测技术恢复传输数据，因此可在较低的信 噪比下传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，即信号噪 声比为负的情况下，也能进行可靠地通信。 可进行多址通信：扩频通信本身就足+ 种多址通信，即扩频多 址，用不同的扩频码构成不同的网。 抗衰落：由于扩频系统的频带很宽，当遇到衰落，如频率选择 性衰落，它只影响到扩频信号的一小部分，因而整个信号的频 谱影响不大。 抗多径干扰：扩频技术本身具有很强的抗多径能力，只要满足 一定的条件，就可以达到抗干扰甚至可以利用多径能量来提高 系统性能的目的。 1 4 扩频芯片国内外研究现状1 1 l 【1 2 】【1 3 1 1 4 】： 关于扩频芯片，国外不少公司都研制出了自己的芯片。由于 我国在这方面水平相对落后，目前能看到的这方面的产品只有北 京智源利和微电子技术公司的s c l l 2 8 扩频通信芯片，但由于它是 9 北京交通大学硕士论文 为电力线载波通信研制的芯片，用于无线领域还有一定差距。国 外主要的扩频通信芯片主要生产企业有h a r r i s ，a m i ，z i l o g ， s t a n f o r dt e le c o m 等。 h a r r is 公司的h s p 3 8 2 4 芯片( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u mb a s e b a n dp r o c e s s o r ) 它可以达到4 m b p s 的数据速率， 采用d b p s k 调制方式或d q p s k 调制方式，而且在片上还带有i q 两路a d 转换器。 a m i ( a m e r i c a nm i c r o s y s t e m si n c ) 公司的扩频芯片s x 0 4 3 在p n 码长为3 l 位，3 m c h i p s 每秒时，能达到lo o k b p s 的数据速率 ( d a t er a t e ) ，能够实现d b p s k 调制解调功能。 z i l o g 公司生产的2 8 7 2 0 0 芯片是全数字化芯片，该芯片包括 发送部分，接收部分和控制部分，将扩频收发丰要电路的各个部 分都集中于一个芯片内。 这些芯片功能都很强大，但由于这些产品的功能都已固化， 不利于系统以后的升级，因而缺少产品开发的灵活性。另外由于 这些芯片并非为铁路通信特定环境设计，而针对铁路系统特定环 境的无线通信，为了降低数据传输误码率，保证数据传输可靠性， 芯片毖须采取信息源编码、差错控制等技术以提高数据传输可靠 性。而这也是此类芯片所欠缺的。还有就是随着通信技术和可编 程器件的发展，以及越来越多的公司投入到i pc o r e 的开发上来， 使得这类产品的市场在减小，因此购买起来有一定的闲难，同时 也缺乏足够的技术支持。另外在需保密的单位应用这些国外器件 安全性也是需要考虑的因素。 1 0 北京交垭大学硕士论文 1 5 本论文的主要内容： 论文所要完成的一f 要设计工作是实现一个基t - f p g a 的扩频通 信基带处理器，实现的主要功能是对基带信号的扩频处理，d q p s k 调制以及解扩处理。本论文的主要工作内容如下： 在广泛收集相关资料的基础上，熟悉和研究扩频通信技术原理 及可编程逻辑设计技术，特别是目前发展迅速的f p g a 开发技术， 并对相关国外芯片进行了详细的分析研究。 对整个系统进行理论上的分析和考虑，并确定系统的主要参数 和设计方法。 完成整个系统的总体设计分析和各个模块的功能划分 在a l t e r a 公司的q u a r t u si i 平台上，采用v e r i l o g 硬件描述 语言，进行各个模块及系统总体设计，实现各个模块及系统总 体功能，并对它们进行仿真和综合。 第一章介绍r 课题背景，并阐述了扩展频谱通信的技术优势； 第二章扩频通信原理研究，其中包括收发信机总体构成以及具体 各个部分的原理研究； 第i 章介绍了扩频通信基带处理发射机部分的实现算法，设计过 程和仿真结果。其中包括伪随机序列发生器、串并转换、 差分编码、频谱扩展、n c o 、以及数字上变频的算法及实现 过程： 第四章介缁r 扩频通信基带处理接收机部分的实现算法，设计过 程和仿真结果。其中数字匹配滤波器、差分解码等部分的 实现算法及实现过程及仿真结果。 第五章课题总结及展望。 北京交通大学硕士论文 第二章扩展频谱通信技术理论研究 2 。1 扩频通信技术理论基础： 扩展频谱通信就是待传输的信息数据被伪随机编码( 扩频序 列：s p r e a d i n gs 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，恢复原始数据。在传 输同样信息时所需的射频带宽，远比我们熟悉的各种调制方式带 宽要宽的多。也就是扩频前的信息码元带宽远小于扩频码序列的 ( c h i p ) 带宽。信息不再是决定调制带宽的重要因素，其调制带宽 主要由扩频函数来决定。一般常用的扩频函数是伪随机序列。在 扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频 信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调 起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。 下面是对其的定性分析。 在信息论中信息量i 是作为衡量标准来对通信系统的传输质 量进行分析和计算”。一个通信系统在一定时间里能够传输的信 息量越多，表明其传输性能越好。信道容量c 是通信系统单位时 间内所能传输的最大信息量，它表征了通信系统的极限传输能力。 通信系统每秒内传输的信息量定义为信息速率，用r 来表示。 通常，信息源所发出的信息速率可以由下式得出： r = r j n ( 2 - 1 ) 其中：r 为每秒内产生的符号速率 i 。为每一个符号所包含的平均信息速率 北京交通大学硕士论文 而信息能否以信息速率r 被传送，则取决于信道容量，正如 香农第二定理指出的：如果信源的信息速率r 小于或等于信道容 量c ，即rsc ，那么信息源能够以任意小的差错概率通过信道传 输，可以做到元误差的传输。 假设信号平均功率为s ，噪声功率为n ，取负载l q ，则接收 的信号是信息加噪声的混合波形，其均方根值为s + n ，而噪声 电压的均方根值为n ，要使信号振幅在噪声均方根值中辨别出 来，那么输入电压就要大于n ，否则接收机就无法辨认信号，要 求接收机能无误分辨的不同电平数目为 l = j 等= 乒熹 c z z ， 则有l 个不同电平的脉冲所能传送的最大信息量为 - 。幽9 2 l 乩g ：( + 导= 三l 0 9 2 ( 1 + s ) ( z ) 由抽样定理可知，在带宽为b 的系统里，每秒最多能够传送 2 b 个脉冲，于是根据上式可得带宽为b 的系统所能传送的最大信 息速率为： r 。：= r ，。；c z 口，。2 z b 【三一。g ：o + 熹，】= b l 0 9 2 c t + 熹，( 2 4 ) 根据信道容量c 的定义，可得到： c = 曰l 。g 2 ( 1 + 万s ) ( 2 5 ) 式中：b 为信道带宽，s 为信号平均功率，n 为噪声功率。 这就是著名的香农公式，若白噪声的功率谱密度为”。，噪声功率 北京交通大学硕十论文 n = n o b ，则信道容量c 可表示为 c=b l o g ，( 1 + 啬) c z 删 从上式可以看出，b ，n 。，s 确定后，信道容量c 也就确定了。 由香农第二：定理知，若信源的信息速率r 小于或等于信道容量c ， 通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为 使信源产牛的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容 量是人们所期望的。由香农定理可以看出“： ( 1 ) 要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增 加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽b ，或增 加信噪比s i n 来实现，可以看出b 与c 成正比，而c 与 s n 成对数关系，因此增加b 比增加s i n 更有效。 ( 2 ) 信道容量c 为常数时，带宽b 与信噪比s n 可以互换， 既可以通过增加带宽b 来降低系统对信噪比s n 的要 求；也可以通过增加信号功率，降低信号豹带宽，这就 为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严 格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。 其次香农还指出“6 “”1 ：在高斯噪声的t 扰下，在平均功率 受限的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统 计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性， 其功率谱为： s ( ) ；冬 一mc 珊 *( 2 7 ) 其自相关函数为： 1 4 北京交通大学硕士论文 月p ) = 去正s ( 咖删如t6 。) 等 ( 2 删 其中：m = 耐，r 为瞧咐。书东 白噪声的自相关特性具有6 p ) 函数的特点，说明它具有尖锐 的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生，如工和复制至今都 存在着技术上的困难。然而，有许多易于产生，便于加工和控制 的伪随机噪声序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特 性。这就使得我们可以选择这些序列来逼近香农定理的极限速率， 关于伪随机序列的理论会在稍后介绍。 由以上分析可知，只要通过编码调制的手段使信号带宽扩展， 就可以在较小的信噪比情况下，提高信道容量，从两也就为提高 通信系统的传输速率提供了可能。这就是扩频通信的理论依据和 基本出发点。 2 1 2 扩频通信系统模型 伪随机序列载波 图2 - 1 发送系统模型 北京交通大学硕士论文 本地载波本地p n 码 斟2 - 2 接收系统模型 f i g u r e2 - 2t h em o d e lo ff e c e i v e f 图2 - l ，2 - 2 所示为扩展频谱通信系统发射和接收模型。信息 数据d ( f ) 是宽为t 的+ l 或i 的矩形波信号，首先用扩频编码进行 调制。扩频编码是码长为n ，码元宽度为e ，+ l 或一l 取值的矩形波 信号p n ( t ) ，扩频编码周期等于信息数据的比特宽( 脉宽) t ，有 t = n l ( 2 9 ) 信息数据正好对扩频序列作周期调制。信息数据为+ 1 ，扩频编码 极性不变，信息数据为一i ，扩频编码倒相，记为d ( t ) p n ( t ) ，如图 2 - 3 所示。信息数据d o ) 脉宽为t ，其功率谱密度s 。( ，) 主要分布 在( 一厶，厶) 的频带内，厶为 小；( 2 - 1 0 ) 信息数据的频谱宽度为b 。，b 。i2 厶。扩频编码的码元宽度为 t ，则功率谱密度s ，( ，) 辛要分布在( 一丘，丘) 的频带内，丘为 正。毒 协】1 ) 扩频编码的频谱宽度为b ：，b ：= 2 ，c 。信息数据和扩频编码都是 些塞銮塑奎兰塑主堡兰 1 t l。 1 0 0 手觇盘墨肚矗r l n i nmnm 】nmmn 1nmmnf 1 。 l ，uu wvwvwuwvuwvw 一 l r 门r 门。n 门 1ju u u 。i ：ju l 7 数据信息 l 图2 - 3 扩频系统波形 f i g u r e23 t h ew a v e f o r mo fs p r e a ds p e c t r u ms y s t e m _ 二值矩形波序列，其数据速率为凡( r d ；) 和编码速率为r 。 ( r e ；髭) 。这样，数据带宽( 基带) 置和扩频带宽射频带宽 口：之间，有如下关系： 1 7 北京交通大学硕上论文 生：五：三；生。( 2 1 2 ) b if lt ：r d n 为扩频序列码长，扩频编码的码长越大，码元宽度越小，即码 速率见越大，扩频系统的扩频增益也越大。 经信息数据调制的扩频编码，再调制载波为0 3 。的载波，形成 射频信号发射。 扩频通信系统的发射信号为 s ( o = a d ( t ) p n ( t ) e 叫+ 。 ( 2 1 3 ) 它的实信号为 5 ( f ) = a d ( t ) p n ( t ) c o s ( 珊o t + 巾) ( 2 1 4 ) 该信号经过传输信道到达接收机，接收机除接收到发射信号s ( t ) 外，还有传输信道中的干扰j ( t ) 和噪声n ( t ) 。假定，射频滤波器 是带宽为口，无衰减的理想滤波器，让射频信号无失真通过。因 此，进入接收机的信号，即接收信号是 “( f ) 。5 0 ) + j ( f ) + “( f ) ( 2 - 1 5 、 = a d ( t ) e n ( t ) e7 6 “+ 。+ ，o ) + h o ) 该信号经接收机的本地载波e m j + 9 2 解调，再经本地伪随机序列 p n 。( f f ) 作解扩处理后，得到： 川) = a d ( t ) p n ( t ) p n 。( f r ) e 舳。+ 。8 肿”( 2 - 1 6 ) + s ( t ) p n ( f f ) p 肺+ 。+ n ( t ) p n ( f f ) e 。 为简便，上式可分别用三项表示，即 北京交通大学硕士论文 其中 w ( t ) = w 1 0 ) + w 2 ( f ) + w ，o )( 2 - 1 7 ) w 1 ( t ) = a d ( t ) p n ( t ) p n 。( f f ) e 7 “。+ 哪- e 扣+ + w 2 ( f ) ；j ( t ) p n p r ) p 蜘” 虬p ) ；n ( t ) p n p f ) e 胁“1 ( 21 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 显然，m p ) 是接收机对发送来的扩频信号的解调结果，w 2 ( ，) 是对外部丁扰的解调结果，o ) 是对噪声的解调结果。这些信号 送往基带滤波器，堪个基带滤波器是带宽为b 1 ，传递函数为h ( t ) 的窄带滤波器，它的输出为： v g ) 2 l h ( f g ) ”( a ) d 。 ( 22 1 ) ；v 1 0 ) + v 2 0 ) + v 3 ( r ) 其中， r 。o ) = f o h ( , 一d ) w ，( a ) d a ( 2 - 2 2 ) v ：o ) = h ( t 一吐) w 。( d ) d a ( 2 - 2 3 ) v ，o ) = ；h ( t - a ) w ，( a ) d a ( 2 - 2 4 ) 如果，传输信道是没噪声，没干扰的理想信道，接收机经解 调，基带滤波器后的输出仅为式2 - 2 2 ，即 v ( f ) = o 一) a d ( a ) p n ( a ) p n 一f 弦舳一e 加。例d a ( 2 2 5 ) 基带滤波器是窄带，截至频率凡远小于射频，因此上式中的高频 分量能完全滤除，得 v ( f ) = f 。h ( t a ) a d ( a ) p n ( a ) p n 。( 口一f ) e 7 。一。扣+ 。一9 d a ( 2 2 6 ) 北京交通大学硕士论文 v o ) = f h ( t a ) ，a d ( 日) p n ( a ) p n ( n r ) c 。s ( ( m 。一m 。) + ( 币一中+ ) 矽a 载波频率，相位完全一致，即w 。= w ，m = 巾。那么上式化为： v ( f ) t 正 ( f _ 口) 。a d ( c t ) p n ( a ) p n ( 口一r v 口( 2 - 2 8 ) 式中e n ( t ) 为发射扩频编码，p n 。( f ) 为接收机的本地扩频编码，f 为本地扩频编码与发射扩频编码间的相位差。如果 p n ( f ) = p n ( t ) ，且跟踪同步f = 0 ，那么 p n ( t ) p n o 一_ r ) ；p n ( t ) p n + o ) = 1 ( 2 2 9 ) v ( f ) = ( 卜a ) 。a d ( a ) d a ( 2 - 3 0 ) ?=h；一d(t)e-z咖，dtsin(mfa) c z 一。， ：t ( 1 卜“7 、n f f d 。 主要为( 一九，厶) 频带内的信号。基带滤波器是理想的，其频率特 町，= 羔他 唧， 北京交通大学硕士论文 v ( f ) 一 ( f 一a d ( a ) d a a d ( t 一卢) ( 2 - 3 3 ) 这样就完全获得发射来到的信息数据d ( t ) ，实现r 准确接收。 2 3 扩频系统的伪随机序列： 扩频系统应用最广泛的一种是直接序列扩展频谱系统 ( 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 ，d s s s ) ，此论文所涉及的 内容全是此模式。所谓直接序列扩频就是用高速率的伪随机码序 列与信息码元模二加后( 波形相乘) 的复合码序列去控制载波的 相位而获得直接序列扩频信号。 在直序扩频系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收 时又用它将信息压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗 下扰能力。 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 扩频通信技术应用是非常重要的，对扩频通信的性能具有决定性 的重要作用。 香农编码定理指出：只要信息速率尺。小于信道容量c ，则总 可以找到某种编码方法，使在码字相当长的条件下，能够几乎无 差错的从遭受到高斯白噪声干扰的信号中复制出原发送信息。这 里有两个条件：一是r 。sc ；二是编码字足够长。香农在证明编 码定理时，提出了用具有白噪声统计特性的信号进行编码。白噪 声是一砷随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的 频带内都是均匀的，它具有优良的相关特性。高斯白噪声的理想 特性为 北京变通大学硕：t 论文 和 r 。o ) = 皂6 ( r ) g 。p ) 一要 ( 2 3 4 ) ( 23 5 ) 式中嘭为白噪声的双边功率谱密度。但是至今无法实现对白噪声 的放大，调制，检测，同步及控制等，而只能用具有类似