[通信工程电子信息工程信息工程论文][移动通信]扩频通信中伪码的产生与捕获技术

1、扩频通信中伪码的产生与捕获技术毕业论文目 录摘 要iiabstractiii第一章 绪论11.1扩频通信的概述11.2研究内容及意义31.3论文主要工作内容安排3第二章直接序列扩频通信系统的基本原理52.1直接序列扩频通信系统的组成52.2直接序列扩频通信系统的信号分析5第三章常用的扩频码103.1概述103.2伪随机序列103.2.1m序列113.2.2gold序列163.2.3kasami小集序列22第四章扩频通信系统中伪码的捕获234.1扩频码捕获方法概述234.2扩频编码捕获方案244.2.1单积分滑动捕获系统294.2.2双积分滑动捕获系统294.2.3k次积分滑动捕获系统32第五章

2、 结束语34致 谢35参考文献36摘 要扩频技术是一种信息传送技术。它是利用伪随机码对被传输信号进行频谱扩展，使之占有远远超过被传送信息所必须的最小带宽。本论文以扩频通信为基础，首先简要阐述了扩频通信的基本理论，然后研究了直接扩频的性能特点，分析了伪随机序列的特点，着重介绍了m序列和gold序列的相关知识，并对这两种常用的伪随机序列的性质、产生原理、自相关特性及互相关特性进行了详细的分析研究，最后在理论分析的基础上应用matlab仿真产生m序列和gold序列，同时仿真出m序列和gold序列的相关特性图形并加以比较。最后论文围绕直接序列扩频码的捕获展开，介绍了一些常用的捕获方法，并针对单积分滑动

3、捕获系统，双积分滑动捕获系统，k次积分滑动捕获系统进行了一些理论分析和探讨。关键词：扩频通信，伪随机码，m序列，gold序列，捕获方法abstractspread spectrum technology is a kind of information transmission technology. it uses the pseudo random to spread the transmitted signals spectrum, so that it was large enough than the transmit information minimum bandwidth. t

4、his dissertation, based on spread spectrum communication ,firstly briefly expounds the basic theory of spread spectrum communication, secondly does some research of the direct sequence spread spectrum, analyses the features of pseudo random sequence, emphatically introduces the gold sequence and m s

5、equence ,thirdly the dissertation uses matlab to simulation m sequence and gold sequence. finally the dissertation introduces some common methods for capture, theoretically analysis and discusses the single integral sliding capture system, the double integral sliding capture system, k times sliding

6、capture system. key words: spread spectrum communication, pseudo-random code, m sequence, gold sequence, capture method- iii -第一章 绪论1.1 扩频通信的概述扩展频谱通信（简称扩频通信）是一种高技术通信传输方式，它是将待传送的信息数据用伪随机码（pn码）调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的pn码进行相关处理及解调，恢复原始信息数据。扩频技术具有伪码调制和相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩频通信有许多优良特性，如抗干扰强、抗多径干扰、可以实现码分多址等。扩

7、频通信的具体实现方式主要有:直接序列扩频（ds/ss）；跳频扩频（fh/ss）；跳时扩频（th/ss）；线性调频。直接序列扩频（dsss）使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化:跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过程。另外，几种方式组合的混合系统在实际中也经常得到应用。扩频通信的理论基础是信息论中著名的shannon公式 (1.1)式1.1中，c为系统信道容量（bit/s）；b为信号带宽（hz）；n为噪声功率；s为信号平均功率。shannon公式阐述了两个最重要的思想：（1）要增加信道容

8、量，可以通过增加传输信号带宽b，或增加信噪比s/n来实现。并且，增加b比增加s/n更有效。（2）当信道容量c一定时，带宽b和信噪比s/n可以互换，即可以通过增加带宽b来降低系统对信噪比s/n的要求；也可以通过增加信噪比s/n来降低信号的带宽。表面上看，信道容量c将随着带宽b的增加而增加，但在信号功率s和噪声功率谱密度一定时，信道容量是有限的。 （1.2）式中：为噪声功率谱密度。扩频通信系统原理如图1.1和图1.2。扩频通信系统具备三个主要特征：载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号；载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多；图1.1发送系统图1.2接收系统接收过程是通过将本地产生的宽带载波信

9、号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。频谱扩展的方式主要有以下几种： 直接序列扩频：使用伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制； 跳频扩频：利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化； 跳时扩频：数据的传输时隙是伪随机的； 线性调频：频率扩展是一个线性变化的过程； 混合扩频：将上述两种或两种以上方式组合起来形成的。衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势：低截获概率；抗干扰能力强；高精度测距；多址接入；保密性强。也正是这些特性使其获得了广泛的应用。1.2 研究内容及意义扩频通信，即扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星

10、通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列）调制，实现频谱扩展后再传输;接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的:一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大特点，使扩频通信有如下的优点:抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、具有保密性和功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率，可多址复用和任意选址，高精度测量等。正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等

11、各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。在第三代通信中也得到了运用，如扩频码分多址。1.3 论文主要工作内容安排论文主要围绕直接序列扩频通信展开，首先简要阐述了扩频通信的基本理论、扩频通信系统的工作原理，分析了伪随机序列的特点，研究了直接扩频的性能特点，着重介绍了m序列和gold序列的相关知识，然后分别对m序列和gold序列这两种常用的伪随机序列的性质、产生原理、

12、自相关特性及互相关特性随机特性进行了详细的分析研究，最后在理论证明的基础上应用matlab仿真产生m序列和gold序列并验证它们的性质，同时仿真出m序列和gold序列相关特性图形并加以比较。最后论文围绕直接序列扩频码的捕获展开，介绍了一些常用的捕获方法，并针对单积分滑动捕获系统，双积分滑动捕获系统，k次积分滑动捕获系统进行了一些理论分析和探讨。全文共分为五章，各章主要内容如下：第一章主要介绍课题研究的意义和背景，说明论文的主要工作。第二章主要介绍了直接扩频通信系统的基本原理。第三章主要介绍了一些常用的扩频编码序列及其特性。第四章主要介绍了直接扩频通信系统中的伪码捕获方法。第五章结束语第二章直接

13、序列扩频通信系统的基本原理直接序列扩频通信系统是将要发送的信息用伪随机（pn）序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。2.1 直接序列扩频通信系统的组成图2.1为直接序列扩频通信系统的发送系统。图2.1直扩发送系统图2.2为直接序列扩频通信系统的接收系统。图2.2 直扩接收系统2.2 直接序列扩频通信系统的信号分析信号源产生的信号为，码元速率为，码元宽度为，则为 (2.1)式中：

14、为信息码，以概率p取+1，以概率1-p取-1，即 (2.2)为门函数 (2.3)伪随机序列产生器产生的伪随机序列为，码元速率为，码元宽度为，则为 (2.4)式中：为伪随机码码元，以等概率随随机取+1和-1，为门函数，其定义与的定义与相似。扩频过程实质上是信息流与伪随机序列模2相加或相乘的过程。随机码速率比信息流速率大得多，一般为整数，且，所以，扩展后的信号速率仍为伪随机码速率，扩频后的信号为 (2.5)式中：用扩频后的信号去调制载波，将信号搬移到载波频率上。调制方式有bpsk、msk、qpsk、tfm等。若采用bpsk调制方式，调制后的信号为 (2.6)式中：为载波频率。在接收端，天线上感应的

15、信号经高频放大和混频后，得到以下几个信号：有用信号、信道噪声、干扰信号和其它的网的扩频信号等，即收到的信号 (2.7)解扩过程是扩频过程的逆过程，但其原理是相同的，用本地的伪随机序列与接收到的信号相乘，即 (2.8)式中：为解扩后的信号。： (2.9)若本地产生的伪随机序列与发送端产生的伪随机序列同步，即有，则。这样，信号分量，如果后面所接滤波器的频带正好能让信号通过，就可以把有用信号筛选出来。对信道噪声、干扰信号和其它的网的扩频信号等，解扩相当于再次扩频，它将这些信号的功率分散到很宽的频带上，谱密度降低，解扩器后接的滤波器只让与有用信号频带相同的信号通过，所以，经解扩处理后，信道噪声、干扰信

16、号和其它的网的扩频信号等会被大大削弱。扩频系统的波形如图2.3所示。图2.3扩频系统波形图扩频系统的频谱图如图2.4。（a）调制信号的频谱（b）伪随机序列信号的频谱，即伪码调制后信号的频谱（c）接收信号的频谱（d）伪码解调后信号的频谱与干扰信号频谱对比（e）带通滤波后信号频谱与干扰信号频谱对比图2.4扩频通信中频谱变化图第三章常用的扩频码3.1 概述在扩频系统中，实现扩频码的同步包含两个步骤，首先是捕获，使本地参考码和接收码基本一致，它们的相位小于一个码元宽度，要求本地震荡的中心频率精确到使解扩后的信号落在相关运算后面的滤波器通带内，通常管这一步叫同步捕获或粗同步，初始同步。第二部是跟踪，一旦

17、扩频接收机实现同步捕获后，本地参考信号（包括扩频码相位和载波频率）必须尽可能精确地跟踪接收信号的变化。国内外已经提出了许多的捕获方法，无论是使哪种捕获方法，都是应用了扩频码的自相关特性。扩频码一般使用伪随机序列，或称伪噪声（pn）序列。它是用确定性方法产生的序列，但它却近似具有随即产生序列所希望获得的某些随机特性。伪噪声（pn）码序列的自相关特性非常的好，它的自相关旁瓣和互相关值极低，因而，可以通过检验本地产生的扩频码序列和接受到的扩频码序列的互相关值来实现扩频序列的同步捕获。伪噪声（pn）码序列常见的有m序列和gold序列、m序列和一些组合码等，其中，最常用的是m序列和gold序列，在此加以

18、重点介绍。3.2 伪随机序列伪随机序列是用确定性方法产生的序列，但却近似具有随机产生序列所希望获得的某些随机特性。在现代卫星导航和通信系统中，抗干扰、抗截获，信息数据隐蔽和保密，抗多径干扰和抗衰弱、实现同步和捕获等都与扩频码的设计密切相关。伪随机序列具有如下的期望特性： 非常尖锐的自相关特性； 极低的互相关特性； 不同码元的平衡特性； 同样长度下足够多的码。这些正是白噪声的特性，通常讲的白噪声是一种随机过程，其瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，且白噪声的自相关函数具有类似冲激函数的形状。不同的白噪声之间相互独立，其互相关函数接近为零。具有白噪声统计特性的一个随机序列具有预先不

19、可确定的，且不可重复实现的特性称为随机特性的特征。一般随机特性包括以下三个方面的内容：(1) 相关性:若将某个码序列和与它的任何循环位移码字在一个周期内逐位相关，则在它们对应的码元中，相同的数目与不同的数目之差最多为1。(2) 平衡特性：在每个码序列中，“1”码元的数目最多比“0”码元数目少1个，也就是说，“0”和“1”的个数接近相等。(3) 游程特性：在每个码序列内，长度为n元素的游程比长为n-1元素的游程多一倍（长为n元素的游程指相同的元素连续出现n次的长度），在同长度的游程中，0游程数和1游程数大致相等。一般来说，如果一个确定序列（即预先可确定的，并且可以重复实现的序列）具有某种随机序列

20、的特性，则就称这种序列为伪随机序列。最容易产生、最常用的伪随机序列是m序列。m序列具有尖锐的自相关特性，有较小的互相关值且码元平衡。但m序列数目不多，复杂度也不大。gold序列的自相关值和互相关值与m序列一样，但是序列数目大大增加，序列复杂度也有一定的改善，是又一重要的扩频序列。3.2.1 m序列m序列是最大周期线性移位寄存器序列的简称，它是由多级移位寄存器或其他延迟原件通过线性反馈产生的最大周期码序列。m序列是构成gold码和kasami码的基础。在二进制移位寄存器码发生器中，若移位寄存器级数为r，则产生的码序列最大长度为。由移位寄存器构成的m序列发生器如图3.1所示。r级非退化的线性移位寄

21、存器其反馈逻辑可用二元域gf(2)上的r次多项式来表示 (3.1)式(3.1)称为线性移位奇仔器的特扯多项式。其中表示移位奇仔器的反锁连线，时表明第级移位寄存器和反馈网络的连线存在；否则，表明连线不存在。 时，r级线性移位寄存器为动态的；时，r级线性移位寄存器为静态的。时，r级线性移位寄存器为非退化的；时，r级线性移位寄存器为退化的，此时线性移位寄存器已退化为r-1级的。对于动态线性移位寄存器，其反馈逻辑也可以用线性移位寄存器的递归关系式来表示 (3.2)特征多项式(3.2)和递归关系式(3.1)是r级线性移位寄存器反馈逻辑的两种不同表示法，因其应用的场合不同而采用不同的表示方法。以(3.1)

22、式为特征多项式的r级线性反馈移位寄存器所产生的序列，其周期。假设以gf(2)上r次多项式(3.1)为特征多项式的r级线性移位寄存器所产生的非零序列的周期为，我们称序列是r级最大周期(最长)线性移位寄存器序列，简称m序列。图3.1r级线性移位寄存器m序列的均有随机特性，一是具有预先不可确定性，并且是不可重复实现的；二是它具有某种随机的统计特性，主要表现在:序列中两种不同元素出现的次数大致相等；序列中长度为k的元素游程比长度为k+1的元素游程的数量多一倍；序列具有类似于白噪声的自相关函数，即函数。图3.2m序列的波形图m序列是一种伪随机序列，它满足以下3个特性:(1) 0-1分布特性。在每一个周期

23、内，元素0出现次，元素1出现次，元素1比元素0多出现一次。(2) 游程特性。在每一个周期内，共有个元素游程，其中元素0的游程和元素1的游程数目各占一半，长度为k()元素游程占游程总数的；长度为r-1的元素游程只有一个，为元素0的游程；长度为r的元素游程只有一个，为元素1的游程。(3) 位移相加特性。m序列与其位移序列的模2和序列仍是该m序列的另一位移序列，即 (3.3)m序列的另一个特性是它的自相关函数非常尖锐，根据序列自相关函数的定义以及m序列的性质，很容易求出m序列的自相关函数: (3.4)图3.3 m序列的自相关函数图3.4 m序列的互相关函数 但当采用伪随机序列作为码分多址通信地址码时

24、，m序列具有很大的局限性。因为m序列虽然自相关性能优良，但互相关性不好，且相同级数的移位寄存器产生不同类型的m序列的个数有限，如r=7时，m序列的个数才有17个，这远小于。为此，r.gold提出了一种基于m序列的码序列gold码序列。它具有良好的自相关和互相关特性，且可作地址码的数量要多得多，因而在码分多址通信、组网工作、雷达等许多工程领域得到了广泛的应用。 在一代双星定位系统中，出站信号i和q支路分别采用kasami序列和gold码序列扩频，因此下面将简要介绍gold码序列和kasami序列。m序列的仿真m_seq函数源代码如下：function mseq=m_seq(prim_poly);

25、 %函数声明fbconnection=de2bi(oct2dec(prim_poly);%de2bi-转换十进制为二进制%oct2dec-8进制转换为十进制%因此以上语句的作用实际上是将8进制本原多项式直接转换成2进制。fbconnection=fbconnection(end-1:-1:1); %2进制本原多项式位数顺序颠倒。n=length(fbconnection);%length（z）表示求出z元素的个数，这个函数表示求出fbconnection的元素个数n=2n-1;register=ones(1,n); %n级移位寄存器赋初值全“1”mseq=zeros(1,n); %zeros为

26、赋值全为0mseq(1)=register(n);for i=2:nnewregister(1)=mod(sum(fbconnection.*register),2);%第一，fbconnection.*register表示两个数组对应元素的相乘，%第二，sum(a)表示将所乘得到的数组a中的每个元素相加%第三mod(a,b)就是求的是a除以b的余数。for j=2:nnewregister(j)=register(j-1);endregister=newregister;mseq(i)=register(n);end生成m序列的主函数prim_poly=1,0,0,0,1,1,1,0,1 %

27、特征多项式prim_poly= ; %给出的8进制数据m_out=m_seq(prim_poly);for n=1:1:10*length(m_out);x(n)=n/10;t2(n)=int16(ceil(x(n);y(n)=m_out(t2(n);endplot(x,y)ylim(-0.1,1.1);m序列的自相关函数dt=.1;seq1=m_seq(537);a,b=xcorr(seq1,unbiased);plot(b*dt,a);m序列的互相关函数dt=.1;seq1=m_seq(537);seq2=m_seq(436);a,b=xcorr(seq1,seq2,unbiased);p

28、lot(b*dt,a);3.2.2 gold序列在1967年，r.gold曾经指出:“给定移位寄存器级数为r时，总可以找到一对互相关函数值是最小的码序列，采用移位相加的方法构成新码组，其互相关旁瓣都很小，并且自相关函数和互相关函数都是有界的。”并由此提出了采用优选对组合成复合序列，简称gold码。m序列优选对是指在m序列集中，其互相关函数绝对值的最大值(称为峰值互相关函数)最接近或达到互相关值下限(最小值)的一对m序列。设是对应于r次本原多项式所产生的m序列，是对应于r次本原多项式凡所产生的m序列，当峰值互相关函数(非归一化)二满足下列关系 (3.5)则和所产生的m序列和构成m序列优选对。go

29、ld码是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟相同的m序列优选对的模二和构成。每改变两个m序列相对位移就可以得到一个新的gold码序列。当相对位移比特时，就可以得到一族个gold序列，再加上两个m序列，共有个gold序列。可见，gold序列比m序多很多。gold码就其平衡性而言，可以分为平衡码和非平衡码。平衡码序列中“1”码元目仅比“0码元数目多一个，非平衡码序列中“1”码元和“0码元的数目之差大于1。对r等于奇数的gold码序列，约有50%的序列是平衡的，r等于偶数(不为4的倍数)时，约有75%的序列是平衡的。在直扩系统中，序列的平衡数(不为4的倍数)时，约有75%的序列是平衡的。在直扩

30、系统中，序列的平衡性与载波抑制度有密切关系，扩频序列不平衡则使系统载波泄漏大，因此在采用gold码序列作为扩频序列时，应尽量选用平衡的gold码序列。此外，gold码的互相关函数具有二值特性，如表3.1所示。表3.1gold码的三值互相关函数特性可以看到gold码的自相关函数也是三值函数，但是出现的频率不同。另外，同族gold码的互相关函数是三值的，而不同族gold之间的互相关函数是多值函数。gold序列有两种结构形式，一种是两个r级线性移位寄存器串联成级数为2r的线性移位寄存器;另一种是两个r级线性移位寄存器并联而成。如图3.5所示。图3.5gold码发生器图3.6 gold序列的波形图经研

31、究gold序列的主要性质有以下三点:(1)gold序列具有三值自相关特性，其旁瓣的极大值满足上式表示的优选对的条件。(2)两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是gold序列。因为总共有个不同的相对位移，加上原来的两个m序列本身，所以，两个r级移位寄存器可以产生个gold序列。因此，gold序列的序列数比m序列数多得多。(3)同类gold序列互相关特性满足优选对条件，gold码的互相关值不超过优选对互相关值。可以看到gold序列是性能很优秀的一种扩频码。图3.7gold码的自相关特性图3.8gold码互相关特性比较图3.2到3.7可以看出，m序列有着良好的自相关性，同周期的不同m序列之间存

32、在较大的互相关峰值，gold序列的自相关性不如m序列好，但有较优良的互相关特性，其旁瓣的极大值满足优选对的条件。gold_seq函数functiongoldseq=gold_seq(fbconnection1,fbconnection2)mseq1=m_seq(fbconnection1);mseq2=m_seq(fbconnection2);n=2length(fbconnection1)-1;for shift_amount=0:n-1shift_mseq2=mseq2(shift_amount+1:n) mseq2(1:shift_amount);goldseq(shift_amount

33、+1,:)=mod(mseq1+shift_mseq2,2);end;gold序列的主程序fbconnection1=fbconnection2=goldseq=gold_seq(fbconnection1,fbconnection2);for n=1:1:10*length(goldseq);x(n)=n/10;t2(n)=int16(ceil(x(n);y(n)=goldseq(t2(n);endplot(x,y)ylim(-0.1,1.1);gold序列的自相关函数dt=.1;seq1=gold_seq(435,537);a,b=xcorr(seq1,unbiased);plot(b*d

34、t,a);gold序列的互相关函数dt=.1;seq1=gold_seq(435,437);seq2=gold_seq(743,703);a,b=xcorr(seq1,seq2,unbiased);plot(b*dt,a)3.2.3 kasami小集序列kasami序列也是一种在m序列的基础上构造出来的扩频序列，它继承了m序列良好的伪随机性，同时又具有良好的自相关和互相关特性，而且序列的数量页也相当可观。kasami小集合序列是周期为的二进制序列。其生成方法是:从m序列a开始以取一抽样，形成m序列b，能够证明，得到的m序列以为周期。然后将b序列周期延拓次，用位的a和b序列及b的所有个循环移位序

35、列通过模二加形成一个新的序列。包括b序列在内，得到一个长度为、数量为的二进制序列集，如果m序列a由生成函数h(x)生成，b由g(x)生成，kasami小集合序列中所有码序列可以由生成函数h(x)g(x)生成。用序列移位的方式来表示kasami小集合序列就是其中，表示对进行i次循环移位后得到的序列。这些序列的自相关函数和互相关函数值都在下列集合中，因此，最大互相关值几乎是gold序列的一半。它的序列数量也很多，可见kasami小集合序列是作为扩频码予以应用也是十分出色的。第四章扩频通信系统中伪码的捕获4.1 扩频码捕获方法概述1964年，g.f.sage最早提出伪随机信号的串行捕获同步方法。r.

36、b.ward于1965年提出了通过序列检测进行快速捕获的方法。在以后很长一段时间里，许多研究中考虑串行搜索方法，并且把sage提出的捕获方法称为滑动相关器pn捕获电路。在后来的滑动相关器（以及现在广泛使用的数字化器件实现）方法中，接收pn波形和本地pn波形之间的时间差异变化多通过离散的步进过程来实现，本地pn码的相位在时间上以均匀增量前进或者后退，对不确定区域进行时间离散的扫描。a.polydoros等于1981年提出使用匹配滤波器进行快速的串行捕获，匹配滤波器的输出判决可以以码片速率或者码片速率的整数倍进行，所以对码定时相位的搜索和判决速度远远高出使用滑动相关器的串行搜索，减小了捕获时间。进

37、入80年代中后期以来，随着超大规模集成电路（vlsi）技术的发展，数字器件和数字信号处理技术日益广泛使用，通信系统向数字化和智能化的方向迅速迈进。另一个推动着码捕获技术发展的重要因素是cdma通信系统的出现和发展。cdma通信系统引起了人们广泛而深入的研究兴趣，pn码捕获方面的许多研究工作开始以cdma移动通信为主要背景，早期提出的扩频码捕获的方法和性能分析等也被推广到cdma系统环境。早期的码捕获方法中主要考虑加性高斯白噪声环境，现在则开始针对信号经历信道衰落的性能进行分析。cdma系统中，由于各个用户的扩展码序列不完全正交，在接收机中其它多址接入用户成为期望用户的干扰，称为多址干扰（又称多

38、址接入干扰），多址干扰的存在会影响到cdma系统的容量。为了抑制多址干扰，使得cdma系统的容量达到最大，在系统中使用功率控制技术。上面所介绍的相关器类型的捕获方法是一种标准的捕获方法，相关器实现简单，在高斯白噪声情况下是最优的。在出现多址干扰和远近效应的情况下，相关器捕获的性能变差，甚至失效，为此人们研究了抗远近效应的码定时估计方法。随着阵列天线(有的文献中称为多天线)在通信系统中的应用，有关的信号检测己经有大量的方法被研究和提出，使用阵列天线的码捕获方法也引起了人们的研究兴趣。使用阵列天线后，期望用户信号能在更低的信干噪比条件下工作，这时传统的单天线捕获方法性能较差，在捕获时使用阵列天线可

39、以抑制干扰，提高接收信号的信干噪比，从而提高码捕获的检测性能。在遇到强的人为干扰的应用环境中时，在捕获时使用阵列天线可以在空域抑制强干扰，对信号提供抗干扰保护。a.f.naguib针对使用长伪随机扩展码的ds-cdma通信系统，提出了一种基于阵列天线的盲(不需要导频或者训练序列)码定时估计方法。4.2 扩频编码捕获方案在扩频通信系统中，接收机要从接收信号中恢复所传输的信号，首先要解除发送时对信号的扩频调制，即解扩。实现解扩需要本地产生的扩频码序列与发送端所用的扩频码序列完全相同，即不仅要求本地扩频码序列与发送端所用的扩频码序列具有相同的码型、码长和码元宽度（chip），而且还必须完全同步。让本

40、地扩频码序列与发送端所用的扩频码序列具有相同的码型、码长和码元宽度（chip）容易实现，但在实际过程中，本地扩频码序列与发送端所用的扩频码序列往往不同步，所以，实现本地扩频码序列与发送端所用的扩频码序列的同步是非常重要的，没有扩频序列的同步，接收机的解调将无从谈起。实现扩频码序列的同步通常分为两个步骤：捕获和跟踪。在捕获阶段，获取的是扩频码序列的粗同步，使本地产生的扩频码序列与接收到的扩频码序列之间的相位差小于某个门限，在实际系统中通常是半个码片间隔。捕获一旦完成，将启动跟踪环路，进一步精确地调整本地扩频码序列的相位，使本地扩频码序列与接收信号中的扩频码序列相位误差更小，并且在各种外来因素的干

41、扰下能自动地保持这种高精度的相位对齐关系。扩频码序列的同步是扩频系统接收机所要完成的首要步骤。基本的捕获方案有两种：并行捕获和串行捕获。（1）并行捕获方案并行捕获方案的基本原理如图4.1所示。接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大和载波解调后，分别送往2n个编码序列相关处理解扩器(n是编码序列长度)，2n个输出中哪一个输出最大，那该输出对应的相关处理解扩器所使用的序列相位状态就是发送来的扩频信号的编码序列相位，实现了编码序列的捕获。2n个序列相关解扩器使用同一本地编码序列（要接收的发送信号所使用的序列），使用相同平衡调制器和积分器结构，但作解扩时的本地序列相位各不相同，一个比一个相移tc/2，即

42、相移半个序列码元，是编码序列码元宽度。积分器是相关积累的积分清除积分器，从作积分，输出时刻的积分值，随后清除置0，又次作的积分。图4.1并行捕获算法设直接扩频系统接受到的信号为 (4.1)用本地载波作载波解调，在载波角频率，相位的情况下，滤除2次谐波成分后，其输出信号为 (4.2) 一般来说，直接扩频系统在做初始同步时，不发送数据信号，往往用一个固定电平代替，一般为。则 (4.3)式(4.3)中：该信号送往2n个序列相关解扩器，经解扩处理后，输出为 (4.4)如果为且相关积分器积分时间为，根据编码序列的码元结构特性，应满足式中：n是生成编码序列的线性移位寄存器级数。在2n个序列相关解扩器输出中

43、，只有第i个输出最大，为 (4.5)式中：。而其它序列相关解扩器输出为 (4.6)这里，是编码序列码元长度为，且的部分自相关值，一般在的情况下，有（）()因此，若最大就知道最接近发送来的序列相位，实现了编码序列的捕获，并给出了本地编码序列的同步相位。这样，实现编码序列捕获的时间（捕获时间），就是各序列相关解扩器的积分时间，即这里，所以，这种编码序列捕获方式的捕获时间是很短的。但是，接收机要使用2n个解扩器，由于，所以，序列捕获电路的硬件设备量就很大。例如，n=2047，捕获用解扩器就要4094个，的确过于庞大了。这也是并行捕获方案的致命缺点。（2）串行捕获方案串行捕获方案的基本原理如图4.2所

44、示。串行捕获方案只使用一个序列相关解扩器，积分器的输出送给一个比较器，当比较器输出小于某一设定门限值时，就是本地编码序列相位不同于发送来的序列相位，门限比较图4.2串行捕获方案器输出一信号给编码序列相位搜索控制器，使它改变本地序列的相位状态（相位变化量小于）若改变后的本地序列相位状态还不同于发送来的序列相位状态时，比较器继续输出一信号给序列相位搜索控制器，使它再改变本地编码序列相位。直到本地序列相位状态相接近于发送来的序列相位状态时，序列相关解扩的积分器输出最大，超过设定的门限值，门限比较器的输出不再改变编码序列相位状态，达到本地序列相位同发送来的序列相位一致，实现了编码序列的捕获。与并行捕获

45、方案相比，串行捕获方案需要的硬件投入非常少，但是，捕获时间却比较长，有时甚至让人不能容忍。设编码序列长为n，码元宽度为，则编码序列信号周期，发送来的编码序列信号与本地序列作相关积分解调后，送往门限比较器比较判别，设其检测概率为1，虚警概率为0。为搜索相位改变增量，则搜索完编码序列一个周期(n个码元)的时间，即最大捕捉时间为 (4.7)当本地序列一开始就与发送来的序列相位一致时，只经过一次积分，不需要搜索就实现了捕获，这是最小的捕获时间 (4.8)这样，串行捕获方案的平均捕获时间（各种相位状态出现概率相同）为 (4.9)式(4.9)中：是相关积分时间，那么，串行捕获方案的平均捕获时间，是使用2n

46、个序列相关解扩器的并行捕获方案的捕获时间倍。如果检测概率，虚警概率，则串行捕获方案的平均捕获时间为 (4.10)设检测概率，虚警概率，考虑到，则串行捕获方案的平均捕获时间为 (4.11)图4.3给出了的关系曲线。图4.3的关系曲线显然，串行捕获方案的平均捕获时间至少是解扩积分时间的n倍。随着检测概率的降低，平均捕获时间会迅速增大。串行捕获方案的电路硬件设备量少，但捕获时间明显增大，要实现迅速捕获是非常困难的。4.2.1 单积分滑动捕获系统见图4.2扩频编码捕获方案中的（2）串行捕获方案。4.2.2 双积分滑动捕获系统把单积分滑动相关处理改成双积分相关处理的捕捉系统称作双积分滑动相关捕捉系统，又

47、称双驻留捕捉系统。分为串行双积分和并行双积分滑动相关捕捉系统。（1）串行双积分滑动相关捕捉系统如图4.4所示。它把单积分滑动相关处理中的单一积分器改为两个积分器，并且有。图4.4串行双积分滑动相关捕获系统第一个积分器提供一个捕获到的编码序列相位的估值，第二个积分器在此基础上提供一个本地编码序列是否进入同步的更准确的估值。整个系统的滑动相关处理流程如图4.4所示。开始，第一积分器工作，决定该积分器输出是否大于预定门限。如果小于所设门限，输出一信号，改变时钟，控制本地编码序列相位改变，再重复进行该积分。如果第一积分器输出大于预定门限，则输出信号给第二积分器，不改变本地编码序列相位再进行积分。它将提

48、供更高的检测概率和更低的虚警。如果第二积分器输出大于预定门限，则完成捕获，转入同步跟踪(由同步跟踪电路执行)。如果第二积分器输出没超过预定门限，积分门限比较器将输出信号去改变时钟，控制本地编码序列相位滑动，重复上述相位搜索捕获过程。这种双积分滑动相位捕获系统的平均捕获时间是（） (4.12)捕获时间的方差是(4.13)式(4.13)中：，是两个积分门限比较都正确检测的联合概率；是第一个积分门限比较的虚警概率；是第一个积分门限比较的虚警概率；是第二个积分门限比较的次数，即积分次数；k是消除本地编码序列相位与发送来的编码序列相位之差所需进行的相位滑动次数。如果，即第一个积分器不起作用，串行双积分滑

49、动相关捕获系统退化为单积分滑动相关捕获系统。（2）并行双积分滑动相关捕捉系统如图4.5所示。图4.5并行双积分滑动相关捕获系统第一个积分器的积分时间为，第二个积分器的积分时间为，彼此并行同时进行积分，同时输出门限比较信号。当两个积分输出均大于各自的比较门限时，实现了捕捉，两输出经与门输出，形成编码序列同步信号启动同步跟踪电路工作。如果其中一个的积分输出低于预定的门限值，则有一个输出信号改变时钟信号，控制本地编码序列的相位移动，再次进行积分比较，直到实现捕获。设第一个积分器积分时间为，则其平均捕获时间为 (4.14)设第二个积分器积分时间为，则其平均捕获时间为 (4.15)式中：q是最大相位滑动

50、次数，一般，是第一个积分器达到相位同步（实现捕获）的积分次数；是第二个积分器达到相位同步（实现捕获）的分次数；并有。由于这两个积分器并行工作，所以，平均捕获时间为(4.16)由于。当满足时，设,则 (4.17)这个结果与单积分滑动相关捕或系统的平均捕获时间比较，在的情况下，并行双积分滑动相关捕获系统的平均捕获时间为单积分系统的倍，即缩短了捕获时间（因为）。并行双积分滑动相关捕获系统还增加了实现捕获的可靠性。4.2.3 k次积分滑动捕获系统在双积分滑动相关捕获系统中，积分器再增多，由一个、两个变成k个，则构成k次积分滑动相关捕捉系统，如图4.6所示。该系统有k个积分器，积分时间分别为。设每个积分

51、器的门限检测的检测概率和虚警概率。编码序列信号捕捉开始时，积分时间工作，其积分输出比检测门限低时，改变本地编码序列相位（滑动延迟，为最小滑动延迟，q为整数)，再作积分，直到积分器输出大于所定门限。这时维持积分器状态不变，令第二积分器（积分时间工作，判别其输出是否小于所设门限（该门限比第一积分器输出门限大）。若小于，则相对滑动；若不小于，则令第三积分器工作，判别其输出是否小于所设门限，依次类推。当k个积分器的输出都不小于相应门限时，可以认为本地编码序列与输入的编码序列信号已大体同步，完成了对编码序列的捕获，可转入同步跟踪（同步保持），这种捕获系统又称为多次驻留串序捕获系统。若积分输出的门限检测的

52、正确检测概率均为，虚警概率均为，时，k次积分滑动相关捕获系统的平均捕捉时间为 (4.18)式(4.18)中： (4.19)：第i次积分门限检测的虚警条件概率。：检测虚警造成的损失时间。 (4.20)该捕获系统的捕获时间的方差为 (4.21)图4.6k次积分滑动相关捕获系统（4.20）和（4.21）式表明，平均捕获时间随积分次数的增加而减少。检测概率越大，虚警概率越低，平均捕获时间就越大。当k=2时（即双积分滑动相关），较之k=1(即单积分滑动相关），在捕获性能上有较大的改善，而之后，改善程度明显减小。多次积分滑动相关捕获系统有较小的平均捕获时间，而且在积分门限检测概率相同的情况下，对输入信号的信噪比要求比单积分、双积分系统低。第五章 结束语扩频通信是一种有着极其优异性能的通信方式，自其诞生之日起就受到了广泛的关注。扩频系统通过信息与扩频码相乘来实现扩频。扩频系统的抗干扰、保密、多址、捕获与跟踪等都与扩频码的设计密切相关，因此扩频码设计与评估成为各类扩频系统的核心技术。对扩频码的要求是：(1)尖锐的自相关特性；(2)尽可能小的互相关值；(3)足够多的序列数；(4)序列平衡性好；(5)工程上易实现，通常采用的扩频序列有m序列、gold序列等。实际工程中应根