CDMA扩频通信中的同步实验系统

1、大学毕业论文CDMA扩频通信中的同步实验系统第 1 章 引 言1.1 CDMA技术发展1.1.1 CDMA技术发展现状近年来，蜂窝移动通信系统的发展经历了一个从模拟网到数字网，从频分多址(FDMA)到时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的过程。从1992年开始，在美国出现了一种全新的数字蜂窝移动通信系统CDMA系统。比较而言，该系统有几大突出优点：一是系统抗干扰能力强；二是系统容量增大等。上述这些特点使得CDMA蜂窝移动通信系统将在个人通信网( Personal Communication Network简称PCN)中发挥巨大的作用。并且正如欧洲电信标准协会(ETSI)、日本无线工业事业

2、联合会(ARIB)、美国电信业联合会(TIA)提交的建议所显示的那样，CDMA 技术以其独有的特点和优势己被确认将作为第三代移动通信系统的核心技术，其前景非常广阔。1.1.2 CDMA系统主要特性1CDMA系统的主要特性可概括如下:（1）系统容量。CDMA系统的设计容量远远高于现有的模拟/数字系统。容量的增大源于采用了一种改进的编码增益/调制方式、话音激活性、三分扇区和同一频率在每个小区以及所有扇区的复用。（2）业务质量。CDMA通过在衰落环境下提供强大的运行和软切换功能，从而改善了业务质量。CDMA利用多经衰落来提高通信和话音质量，通过试用RAKE接收机和其他改进的信号处理技术，每个移动台选

3、择几个最强的多经信号并把它们相干叠加产生一个增强信号。因此，射频信号的多径衰落在CDMA中反而成了优点，而在窄带系统中衰落则会引起信号质量的严重下降。通过使用软切换，CDMA消除了用户在小区边界以及在两个小区之间快速的越区切换呼叫时发生的乒乓效应。乒乓效应会导致切换噪声，增加交换设备的负载，提高发生掉话的概率。CDMA软切换，即在与目标小区连接的同时保持与目前服务小区的连接，两者运行在同一载频。这一过程保证了呼叫在小区间的平滑切换，而用户察觉不到这种变化。与之相对应的是，许多模拟和其它数字(TDMA)系统使用“先断后接”方式，需要改变频率，从而增加了切换噪声，提高了掉话率。（3）经济性。CDM

4、A是一种即经济又高效的技术，需要的小区数较少，频率复用方案也不昂贵。CDMA移动台的平均发射功率在67MW比目前一般FM和TDMA电话的平均发射功率低很多。发射功率低意味着延长了电池平均寿命。1.1.3 第三代移动通信系统及其关键技术CDMA业务提供者利用他们的平台进一步开拓增强业务潜力的时候即将到来。业界已经有许多关于第三代数据业务能力的讨论，未来PCs（Personal Communication Service“个人通信业务”）提供者能以高接入速率与有线业务提供者竞争。PCs业务提供者有望提供一系列不同种类的业务、例如因特网和企业网接入、多媒体应用、高速商务处理、遥测业务等。CDMA网络

5、为运营者提供了一个向3G移动系统平滑过渡的途径。考虑到可利用频谱的限制，第三代移动系统的重点是从用户的角度实现无缝业务的网络和无线传输设计的经济性。第三代移动系统使用户能无缝接入到固定数据网，把它设想成未来固定数据网的无线延伸，是固定网络基础设施的一个部分12。在欧洲，目前正深入研究的三种网络平台是：未来公众移动电话系统(FLPMTS， 目前称为IMT-2000)、移动宽带系统(MBS)和无线局域网(WLAN) 。IMT-2000相对于第二代系统的一个主要不同是它的分层小区结构，通过使用先进的传输技术和协议来支持大范围的多媒体宽带业务。第二代系统主要使用单层小区结构，临近小区的频率复用方式为：

6、单个小区只管理它自己的无线区域和移动网内部的无线电路控制、包括业务管理和切换处理。由于频谱的限制，也由于无线传输的灵活性，主要针对话音和低速数据速率优化的限制，每个小区支持的业务量是固定的。业务量增加将导致蜂窝系统重新配置，如小区分裂和分区。IMT-2000多层小区结构的目的是解决这些问题，在覆盖范围很大的宏小区结构上不连续地叠加上微小区和微微小区。同样地，在部署宏小区和支持长途业务不经济的地区，可以使用全球/卫星小区提供覆盖，由于微小区的低移动性和小延迟扩展性能，与支持高移动性的低比特率和低业务量相比，可以以较低的复杂性支持高比特率和高业务密度。用户希望使用一种固定程序，以统一的方式选择业务

7、，不管这些业务是固定的还是移动的。智能卡允许用户在具有不同功能(话音、多媒体、数据、短消息)的不同终端上登记，从而摆脱位置和接入方式的限制5。考虑到移动通信不断增长的市场需求和无线频谱是非常稀有和昂贵的资源，选择一个多址接入方式的无线接口参数是事关频谱效率的关键问题。在先进通信设备研究(RACE)项目框架下进行了几种不同方式的比较评估。一种可能的解决方案是使用CDMA/TDMA/FDMA 混合技术，综合每种方法的优点，满足不同蜂窝/PCs配置在信道容量，业务负载和传输质量上的不同要求。这样一个混合接入方法的缺点是复杂度高，而且很难实现简单的低功率、低成本发射机的设计和多层小区有效灵活的管理。正

8、如欧洲电信标准协会(ETSI)、日本无线工业事业联合会(ARIB)。美国电信业联合会(TIA)提交的建议所显示的那样，3G系统选择了CDMA欧洲和日本提议的宽带CDMA(W-CDMA)避开了IS-95的专利问题(IPR)。北美的CDMA2000采用了基于IS-95B标准的CDMA空中接口，提供有线电路质量的话音业务和高速数据业务，移动用户速率为144kbps，静止用户速率为2Mbps，IS-95的64kbps数据能力可提供在移动环境下的高速因特网接入。这是其它窄带数字技术做不到的11。使用宽带CDMA技术在10年内可达到114kbps的移动速率和超过1.5Mbps的固定峰值速率，而且提供这些业

9、务不降低系统的话音传输质量，也不需要另外的频谱。这对大多数频谱受限的运营者有很大影响，在一个1.25MHz结构中容量翻倍并获得1.5Mbps数据速率看起来非常有吸引力。第三代移动通信系统关键技术6：（1）初始同步与Rake多径分集接收技术CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等。CDMA2000系统采用与IS-95系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过同步(Sync)信道的接收建立帧同步和扰码同步。WCDMA系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过对基本同步信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过对辅助同步信

10、道的不同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为Rake多径分集接收技术。为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。WC

11、DMA系统采用用户专用的导频信号，而CDMA2000下行链路采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。Rake多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越区软切换。WCDMA系统和CDMA2000系统均支持宏分集和越区软切换功能。（2）高效信道编译码技术第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技

12、术。在第三代移动通信系统主要提案中(包括WCDMA和CDMA2000等)，除采用与IS-95 CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用Turb编码技术及RS-卷积级联码技术。（3）智能天线技术从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。

13、（4）多用户检测技术12在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。而使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。（5）功率控制技术在CDMA系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中的最为重要的核心技术之一。1.2 CDMA同步技术重要性9上一节我们看到CDMA系统具有诸多优点，例如它的频率分配，软越区切换，抗多径等等。而对于CDMA移动通信系统

14、来说PN码的同步占有举足轻重的地位。因为只有在接收机使本地PN序列的相位与接收信号PN序列的相位准确一致的情况下，才能解出接收信号所传输的数据信息。但是扩频信号占用频带宽，同步较困难，原因有： （1）同步不确定性的来源扩频通信系统相对于同步来说存在码相位和载波频率两种不确定。必须把本地载波频率控制到足够准确时，才能使解调器能够很好的工作。在发射机和接收机中采用精确频率源就可以去掉大部分码速率、相位和载波频率的不确定性。此时， 由于移动台运动而产生的多普勒效应将影响载波频率和码速率。这是移动通信中频率不确定的主要来源，同时移动台的相对位置变化将改变电波传输路径的长度，影响到达时的码相位。（2）同

15、步的种类一般的扩频系统同步包括：载波同步、位同步、序列同步三种。其中比较重要的是扩频序列同步。扩频系统要求接收机中产生与接收信号同步的PN码序列用于解扩接收。一般来说，PN码相位同步过程通常分为两步，也就是捕获和跟踪过程。同时，与其它通信系统相比，移动通信信道是最为复杂的一种。多径衰落和复杂恶劣的电波传输环境是移动通信信道的特征。这是由运动中进行无线通信这一方式本身所决定的，在典型的城市环境中，一辆快速行驶的车辆上移动台所接收到的无线电信号在一秒钟内的显著衰落可达数十次，衰落深度可达20-30dB。这种衰落现象严重降低接收信号的质量，同时对PN码相位同步带来严重影响。1.3 小结本章首先对当前

16、CDMA技术的发展以及现状作了综述，然后简单的分析了同步技术的重要性以及同步时存在的原因。第 2 章 CDMA扩频通信系统2.1 扩频通信系统在无线通信系统中，多址技术一直是其核心技术。FDMA，TDMA和CDMA 三种多址方式都得到了广泛应用。FDMA是第一代模拟蜂窝系统的核心技术，它现在己成为TDMA和CDMA系统的基础技术。TDMA是第二代数字蜂窝系统的主流技术。采用了CDMA技术的系统容量，比FDMA系统有较大幅度的提高，系统的功能和安全保密能力也有了增强。CDMA是基于扩频通信(Spread Spectrum Communication)的一种无线多址接入技术，也称扩展频谱多址联接方

17、式(SSMA)，它根据扩频通信原理实现，即对各地球站分别用不相同的、互不相关的伪随机码（地址码）将发送的信号进行扩频调制。这样，即使各站发射的信号在频率、时间、空间上相互重叠，也不会出现相互干扰。最初主要用于军事通信和卫星通信。80年代末逐渐开始了民用CDMA的应用开发8。2.1.1 扩频通信的理论基础及主要特点1一、扩频通信的理论基础扩频通信方式来源于香农信息论，如下公式（2.1）所示， （2.1）这个公式的原意是说：在给定信号功率P和白噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，已接近于C的传输信息的速率来传送信息。式中W为频带宽度，C称为传输速率。这个公式暗示在保持

18、信息传输速率C不变的条件下，可以用不同频带宽度W和信噪功率比P/N传输信息。换句话说，频带W和信噪比P/N是可以互换的。如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率传输信息。甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能保持可靠地通信。这一共是指明了采用扩展频谱信号进行通信的优越性，即用扩展频谱的方法换取信噪比的改善。这就是扩频通信的理论基础。二、扩频通信的主要特点由于扩频通信大大扩展了信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调治，在接收端利用相关解调技术，它具有一系列优良的性能，为其他通信方式所不及。1抗干扰性强扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益

19、越高，抗干扰性能越强。从理论上讲，扩频通信能把信号从噪声湮没中提取出来。当然，在接收端一般采用相关检测或匹配滤波的方法提取信号。此外，对于单频及多频载波信号的干扰、其他伪随机调制信号的干扰以及脉冲正弦信号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰提高输出信噪比的作用。特别是对抗敌方人为干扰方面，效果很突出。简单地说，如果信号频带展宽10倍，干扰方面需要在更宽的频带进行干扰，分散了干扰功率。在总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1/10。要保持原有的干扰强度，必须加大10倍总功率，这在实际的战场条件下有时难以实现。另外，由于在接收端采用扩频码序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有

20、用信号的码序列，由于不同码序列之间不同的相关性，干扰也起不了太大的作用。抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。2隐蔽性好由于扩频信号在很宽的频带上被扩展，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低。所以应用扩频码序列扩展频谱的序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下在很低的信号功率谱密度上通信。信号既然被湮没在噪声里，敌方就很不容易发现有信号存在，想进一步检测信号的参数就更困难了。因此，扩频信号具有很低的被截获概率，这在军事通信上十分有用，可以进行隐蔽通信。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。近年来在民用通信上，各国都在研究和在原有窄带通信的频带内

21、同时进行扩频通信，大大提高了频带利用率。特别是对于一些新的通信服务，如个人通信服务，采用扩频码分多址方式时，理论和实践证明，不需要分配另外的频段即可实现，因而引起广泛重视。3可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。如果让许多用户共用这一宽频带，可大为提高频带利用率。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不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取有用信号。这样，在一个宽频带上，许多对用户可以同时通话而互不干扰，这与利用频带分割或时间分割的方法实现多址

22、通信的概念类似，即利用不同的码型进行分割，所以称为码分多址。码分多址方式虽然要占用较宽的频带，但平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是很高的。最近的研究表明，在数字蜂窝移动通信中，采用扩频码分多址技术可以提高容量20倍。除此之外，采用码分多址，还有利于组网、选呼、增加保密性和解决新用户随时入网等问题。4抗多径干扰在无线电通信的各个频段，即短波、超短波、微波和光通信的光波中大量存在各种类型的多径干扰。长期以来，抗多径干扰问题始终是一个难以解决的问题之一。一般的方法是排除干扰或变害为利。前者是设法把最强的有用信号分离出来，排除其他路径来的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思路。后者是设法把

23、不同路径来的不同延时的信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号，这就是采用梳状滤波器的基本思路。这两种基本方法在扩频通信中都容易实现。可以利用扩频码序列之间的相关特性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或者把多个路径来的同一码序列的波形相加合成。另外，在跳频通信系统中，由于用多个频率的信号传送同一信息，实际上起到了频率分集的作用。因此，在目前民用数组蜂窝移动通信及有的军用通信设备中经常采用简单的跳频技术作为抗多径干扰的一种手段。5能精确地定时和测距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

24、出两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间很短。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序列，比较收发两个码序列的相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，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。人们曾经利用月球表面的反射信号，采用扩频信号精确地测量地球与月球之间的距离。目前广泛应用的全球定位系统也是利用扩频信号的这一特点来精确定位和定时的。因此，除通信外，在导航、雷达、定位系统中，扩频技术的应用也是很重要的。2.1.2 扩频通信的几种工作方式扩频通

25、信的一般原理如图2.1所示。信息信息信息调制扩频调制射频调制变频扩频解调信息解调扩频码发生器射 频发生器本地射频发生器本地扩频码发生器图 2.1 扩频通信的一般原理框图在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽以后的信号调制到射频发送出去。在接收端接受到的宽带射频信号变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列解扩，最后经信息解调恢复成原始信息输出。由此可见，一般的扩频通信系统都要经过3次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统相

26、比，扩频通信多了扩频调制和解扩部分。 图 2.2 扩频系统频谱变换关系图2.2是在扩频系统的各个阶段信号的功率谱。在扩频通信系统中，用速率为的扩频信号对速率为信息数据进行频谱扩展(>>)，使信号的能量几乎均匀地分散在很宽的频带内，大大降低了传输信号的功率谱，在接收端，进行解扩处理，解扩就是用与发射端相同的扩频信号与接收信号积分相关，使有用信号能量重新集中起来恢复原始的窄带信号。如果接收信号中除了有用信号外还有一功率很强的窄带干扰，则在解扩过程中此窄带干扰信号被扩频信号扩频，其频谱被扩展开来，干扰信号功率谱密度大大降低，经过窄带滤波后，干扰信号的功率大大减弱10。扩展频谱通信系统按其

27、工作方式可以采用直接序列(Direct Sequence)、跳频(Frequency Hopping)、跳时(Time Hopping)及它们的组合(Hybrid)等方式扩展信号频谱，在移动通信系统中，一般选用直接序列扩频通信（DS-SS）7。1直接序列扩展频谱系统（DS-SS）图2.1中的扩频通信可以看作直接序列扩频系统，它是由待传信息信号与高速率扩频码（伪随机码，如m序列发生器）的波形相乘后直接控制射频信号的某个参量而扩展了传播带宽得名的。有的文献称这种扩频系统为“平均”系统。DS-CDMA主要有下列特点：（1）通信容量大理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想的情况

28、，因而不同的多址方式可能有不同的通信容量系统。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高，因此一些能降低干扰功率的技术，如话音激活(Voice Activity)技术，可以自然地用于提高系统容量。理论分析表明，在同样的条件下，采用DS-CDMA方式的系统容量是采用数字TDMA方式系统容量的4-6倍，是采用模拟FM/FDMA方式的系统容量的20倍。（2）更适合在衰落信道中传输移动信道在一般情况下是一个多径衰落信道，在DS-CDMA系统的接收信号中，大于一个码片(chip)宽度的时延扩展部分，可受到接收机的自然抑制，另一方面，如采用分集接收最大比合并技术，可获得最佳的抗多径

29、衰落效果。而在TDMA系统中，为克服多径造成的码间干扰，需要采用自适应均衡技术，均衡器的使用增加了接收机的复杂度，而且均衡是对信道的预处理，由信息不增性原理可知，任何对信息的处理都会使信息量减小。（3）平滑的软切换和有效的宏分集DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以平滑完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收并合并这些信号，此时处于宏分集状态。当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换。（4）容量的软特

30、性TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户，而DS-CDMA系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。（5）低信号功率谱密度在DS-CDMA系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽度宽百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大为降低。由此可得到两方面的好处，其一，具有较强的抗窄带干扰能力。其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其它系统共用频段，使有限的频谱资源得到更充分的使用。2跳频扩频系统（FH-SS）数字信息与二进制伪码序列模2相加后离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变，跳变系统可以随机选取的频率数通常是几千到个离

31、散频率。每次移频根据信息和伪码序列的状态加权所得到的随机数来选取频率，所以FH-SS实际上是一个“多频、选码和移频键控”系统。在跳频系统中，控制频率跳变的指令码的速率没有直接序列扩频中的伪码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳。在FH-SS中，扩展频带的宽度是由跳变的频率总数N和频率跳变的最小间隔b决定的，即为N*b。跳频系统的特点：（1）FH-SS的核心跳频器，由伪码发生器和频率合成器组成。跳频数和跳频速率是决定整个跳频系统性能的主要参数。跳频数增加则扩展的频谱越宽，系统的处理增益越大。（2）FH-SS的关键同步。对FH-SS来说，同步就是收、发两端的频率必须具有相同的变化规律，即每次跳变频率上

32、有确切严格的对应关系。（3）信息调制方式灵活。信号调制方式的灵活性表现在无论是模拟信息，还是数字信号，均可调制。在DS-SS中，必须先把模拟信号数字化后才能调制。FH-SS的优点及关键性问题：现代战术军事通信和交通运输等部门急需一种机动灵活，具有保密和抗干扰能力，多址联络的区域性无线电通信系统。跳频系统的优点正是战术通信迫切渴望的。FH-SS的优点如下：1）以“躲避”方式提高抗干扰性；2）在非常强的邻近电台烦扰下具有通信能力，构成解决远近问题；3）具有多址和较高的频率利用率；4）易于和其他调制类型的扩展频谱系统组合，构成各种混合式；5）易于与现有的常规通信体制兼容（因为它具有一次信息调制灵活的

33、特点）；6）起到频率分集的作用（优于散射体制）。在工程实现上，研制体积小、重量轻的高速跳频频率合成器和声表面波匹配滤波器等部件是跳频通信中关键的技术问题。3跳时扩频系统（TH-SS）跳时是用伪码序列启闭信号的发射时刻和时间。发射信号的“有”、“无”同伪码序列一样是伪随机的，跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成“时频跳变”系统。跳时系统也是一种扩展频谱技术，主要用于时分多址（TDMA）通信。4混合式以上三种基本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FH/DS、DS/TH、FH/TH等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制有更优良的性能。2.2 扩频通信系统中的同步问题9同步

34、技术历来是数字通信系统中的关键技术，且直接影响接收机对信号的接收。通信系统中的同步问题主要包括载波同步、定时同步和帧同步。通常情况下，在通信开始的初期，接收机首先需依次或同时完成载波同步和定时同步，以保证对发送的数字信号的正确判决接收，然后再利用通信协议中的有关规定，在接收信号中提取帧同步信息，实现收发信机间信息的正确传送。对于扩频通信系统，其帧同步方法与其它窄带通信系统完全相同，直接序列扩频通信系统中的同步技术需解决以下三个问题：1. 直接序列扩频通信系统中首先在发送端用伪随机(PN)序列对发送信号进行频谱扩展，在接收端用与发送端相同且同步的伪随机序列对接收信号进行解扩。由于伪随机序列具有尖

35、锐的自相关特性，因而对接收信号的解扩得以正常进行的先决条件是保证收发信机间伪随机序列的定时误差小于一个码片的时间。2. 与其它带通信系统中的情况相同，接收信号被解扩之后，需要对解扩后的信号进行周期性抽样，每个符号一个样点，以便对传送符号进行判决恢复，因而需保证收发信机间定时的严格同步。3. 由于DS/SS通信的信号带宽较宽，因而在实际应用中通常期望其可以容忍收发信机间存在较大的频率误差，以降低对移动台中频率参考源的要求。另外，由于收发信机间的相对运动，会在接收信号中造成多普勒频移(Doppler frequency shift)。对直接序列扩频信号的解扩过程等效于对接收信号在符号时间内进行积分

36、，因此当接收信号与本地载波间频率误差与符号速率可比拟时，解扩输出信号的信噪比将严重下降。因而在对扩频信号进行解扩之前，需对该频率误差进行估计和补偿。对于相干接收系统，还需对接收信号中的载波相位进行精确估计。前面两个问题是定时同步问题，而第三个问题则与载波同步有关，与上面三个问题相对应，直接序列扩频通信系统中的同步技术被分成三个方面：1. 伪随机序列的捕获指接收机获取伪随机序列的粗略同步，使收发信机间伪随机序列的定时误差小于，其中为一个码元的时间，通常取。2. 伪随机序列的定时跟踪伪随机信号的捕获过程完成之后，接收机本地伪随机序列的定时误差被同步在几分之一码片时间内。在通信开始之后，这一定时误差

37、应该进一步被调整并使之趋于零。另外，由于收发信机间的相对运动以及时钟的不稳定，对伪随机序列定时的校正工作必须不断进行。3. 载波同步从解扩后的信号中获取载波频率误差和载波相位的精确估计，并在扩频信号解扩前或解扩后进行补偿。上述问题是扩频通信系统中的关键技术，对系统性能有很大的影响。作为保证扩频通信得以实现的关键技术，伪随机序列的捕获很早就得到了广泛研究。从理论上讲，匹配滤波方法是获得伪随机序列初始同步的最佳方案。匹配滤波法可以直接在模拟信号上进行，如采用声表面波器件(SAW)实现对指定PN序列的匹配。80年代以前，受材料和工艺的影响，SAW 器件难以小型化，因而只在军用系统中得以应用。90年代

38、初，日本在SAW器件方面进行了深入的研究，得到了小型、低插损的SAW器件，但至今仍未解决可变抽头系数的问题，因而采用SAW器件的匹配滤波法仍只能用于指定PN序列的专用系统。匹配滤波法的另一种实现方式是直接对接收信号以码片速率采样，然后采用数字方式进行匹配，这解决了应用中可能使用不同PN序列的问题。但由于在检测前就己对接收信号进行了采样，所以匹配滤波器的输出信号也是相关信号的采样结果，因而需要依一定的方法从匹配滤波器的输出信号中，对相关峰的峰值时刻进行估计检测，这导致了并行捕获方案的提出。1994年Chawla和Sarwate给出了对于信道波形为时间有限信号的情况下，基于信号插值的并行捕获方案。

39、当伪随机序列的周期较长时，匹配滤波器的实现将变得十分复杂，因而并行捕获方案目前仅能应用于采用短周期PN序列的扩频系统。但近年来，随着ASIC工艺技术的迅速发展，并行捕获技术越来越受到广泛的重视和研究。PN序列的捕获也可以采用基于滑动相关的串行捕获方案，由于该方案所需设备简单，易于实现，因而在绝大多数系统中得到应用。本文对串行捕获方案也作了论述，与并行捕获方案相比，串行捕获的捕获时间较长。 伪随机序列的定时跟踪通常采用基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环(delay- locked loop或简称DLL)。迟早门定时误差检测器在窄带通信系统中就早己得到广泛研究和应用，其本质是基于信道波形自相关函

40、数的偶对称特性。在扩频系统中，对于迟早门检测器，研究的焦点均集中于对DLL的环路特性的分析上。近年来，CDMA技术正成为数字移动通信以及未来个人通信研究中的一个重要内容。在采用CDMA技术的商用移动通信系统的不断推动下，扩频通信中同步技术的研究将更加引人注目。2.3 小结本章详细介绍了扩频通信系统，包括其理论基础、特点和工作方式等。之后说明了同步技术在扩频通信中的重要地位，并概括介绍了目前同步技术所面临的问题，和与此相对应的几个技术。第三章将详细说明这些问题，并介绍这些技术，第四章将会在MAX+plus平台中实现扩频通信中的同步实验系统。第 3 章 扩频信号的同步技术3.1 同步系统93.1.

41、1 同步系统概述扩频系统中的接收机要从接收信号中恢复所传输的数据信号，首先要做的是解除发送是对数据的扩频调制（即解扩）。解扩的实现依靠在本地产生一个与发送端一样的扩频序列，并要求本地扩频序列与接收信号的扩频序列同步。由于收发时钟的不确定性，扩频序列的启动时差、电波传输时延等原因，在接收端我们不能确定接收信号中扩频序列的起始相位。扩频序列同步的第一步便是为本地扩频序列寻找一个相位，使本地扩频序列与发送扩频序列相位相对齐，这一步称为捕捉/粗同步（Acquisition）。同步过程的第二步是跟踪/细同步（Tracking），它使两个序列的相位误差更小，并且在各种外来因素的干扰下能自动保持这种高精度的

42、相位对齐状态。没有扩频序列的同步，接收机的解调无从谈起。因此，扩频序列的捕捉和跟踪是扩频接收机的一个关键组成部分。3.1.2 同步系统的原理框图PN码发生器捕获跟踪同步部分解扩部分模式控制器Walsh码发生器解调部分图3.1同步系统的原理框图上图中的模式控制器用于在捕获、跟踪状态之间的转换。在同步的第一步是捕获，当本地PN码基本与信号对齐时（半个码片之内），模式控制器切换到跟踪模式。跟踪模式进一步调整相位到更小的同步误差状态并保持。与此同时，接收机的后继部分如Walsh解扩等也开始工作，从而完成接收机的任务。3.2 扩频序列（PN码序列）的同步技术CDMA系统通常用PN码来区分用户。在接收端，

43、系统根据相应的PN码，将不同用户数据分别检测出来。在检测过程中，PN码的同步就成为左右检测性能的关键技术。根据不同PN码之间良好的互相关性和码本身的自相关性，可以建立起收发端同步，从而为进一步检测扩频信号提供可能。3.2.1 现有PN码相位捕获技术一、PN码特点及相关原理PN序列，又称为伪随机序列，由于其良好的互相关性和自相关性能，所以在CDMA系统中作为地址码。不同的用户仅根据被调制的PN码的不同加以区分。相互间共享同一宽频资源。伪随机序列一般有以下要求:（1）具有良好的伪随机性，该特性使接收端能够根据已知的PN序列来解调扩频信号。而无关的接收者则难以将信息检测出来。（2）具有良好的自相关性

44、，互相关和部分相关性能，即自相关值锋锐，互相关和部分相关值接近于零，便于接收端准确的把信号检测出来，并减少检测差错。（3）随机序列数目足够多，保证有足够的地址码可以分配给不同用户。（4）易于实现，设备简单，成本低。以m序列为例，其自相关函数为 （3.1）自相关函数曲线如下图 3.2 自相关函数曲线图二、PN码相位捕获原理根据PN码的自相关性，使得接收端能够从本地序列和接收序列的相关运算中获得不同的相关值。接收机开始接收发送来的扩频信号时，调整和选择接收机的本地扩频序列相位。当本地序列和接收扩频信号序列的相位误差在很小范围之类时，得到的相关值较尖锐。同时通过设定特定的相关值门限，可以初步判断接收

45、端是否达到了相位同步。这就是PN码捕获的基本原理。在实际系统中，都是通过类似的方法实现PN码的同步。同时对于PN码的捕获，有三个基本要求：1捕获速度快。在低信噪比和低信干比及受深衰落影响时，也能够迅速的实现捕获。2抗干扰能力强。在受强干扰，噪声和深衰落情况下，错捕概率小，失步概率小。3电路简单，易于实现。为了满足这三个要求，人们对捕获方法进行了大量的研究。从不同的原理出发，得到的方法也不尽相同， 目前的捕获方法可以分为顺序搜索法或滑动相关法、并行搜索法、串并行混合法、匹配滤波器法等。衡量一个捕获系统性能的参数主要有三个：捕获时间、错捕概率和系统硬件复杂度。在下面我们将对上述几种方法作简单的介绍

46、。然后结合这几个参数，对它们的特点做出分析。（一）顺序搜索法(滑动相关法)顺序搜索法的原理是：不断改变本地序列的相位，并在该相位点上进行相关检测，根据检测的结果判断当前相位是否达到同步。开始时随机或固定设定本地序列的初始相位。进行相关运算和判决。如果不同步，则顺序改变相位，再进行一次运算。依次改变本地序列相位，直到检测到同步相位为止，顺序搜索原理的实现电路如下：带通滤波器包络检波器积分抽样失步检测器锁定检测器压控时钟搜索锁定PN码产生器调整跟踪电路本地振荡器状态控制器接收信号图 3.3 顺序搜索法原理框图顺序搜索法是当前研究的比较透彻的一种方法，它的优点是电路简单，易于实现。但其缺点也很突出。

47、当PN码序列长度很长时，如果搜索的初始相位和同步相位差得很远，要逐位移动，实现捕获的时间会很长。根据文献结果，如果简单按照原理图实现电路，则最大捕获时间为顺序搜索完以后相位的时间。为达到节省硬件资源这一目的，我们可以考虑只使用一个相关积分器，即单积分滑动相关处理。通过在两个码组间相对滑动中求相关，寻找相符合的相位，一旦发现两个码组相位符合（即同步）时，就立即使滑动停止。两码组间的相对滑动是通过使接收机时钟周期性地移动一个相位增量而实现的。对于伪随机码组，由于它具有良好的相关性能，当相对滑动的结果使两码组的相位符合时，相关器的输出有尖峰值出现。此时，就可以判断初始同步完成。滑动相关积分同步的原理

48、框图如图3.4所示。接收信号在相关器中与本地伪码相乘，在不同时间段上积分计算出相关值，在未同步时，相关器输出为宽带伪噪声，积分值低于门限，这时，本地码的相位滑动一个增量。当两个码组相对滑动达到同步时，相关积分器的输出电压高于门限，比较器控制相位滑动控制停止产生相位滑动，于是搜索过程停止，初始同步完成并转入跟踪。这正是滑动相关积分捕捉的原理。放大比较器门限设置相位滑动控制本地码载波图 3.4 滑动相关法原理框图若搜索相位改变量为一个码片，可知最大捕捉时间是搜索到伪码序列一个周期N的最后一个码片(相位)时，积分值才超过了门限值，即达到了捕获，则有；要是足够“幸运”，本地序列一开始就与接收到的序列相

49、位一致，那么只需要一次积分就可以捕获成功，就有最小的捕获时间为，这样滑动相关法的平均捕获时间为接收序列的相位等概分布时)。与前述传统的捕获方案的平均捕获时间(与捕获的精度无关，只需积分一次就可以实现捕获)相比，平均捕捉时间有显著的增大。可见，滑动相关积分捕获法的时间有两个因素决定，伪码周期和一个码片持续时间。由于在CDMA通信系统中大量采用长PN码，即N很大，比如WCDMA时，N=8192；CDMA2000时，。而且由于积分时间往往远大于一个码片时间，所以这样的单纯滑动相关积分虽然比较简单，但是其缺点是当两个PN码的时间或相位相差过大时，特别时对于长码的CDMA系统的捕获时间过长也不适用。因而

50、必须采取措施限定捕获范围即加快捕获时间。为了缩短捕获时间，可把单积分滑动相关处理改为双积分滑动相关处理。具体又可分为串行双积分滑动相关系统和并行双积分滑动相关系统。串行双积分系统原理如图3.5所示 跟踪电路放大中频平方PN码发生器时钟控制门限1门限2跟踪开关图 3.5 串行双积分滑动相关捕捉系统此系统把原单一积分器改为积分时间分别为和的两个积分器。第一个积分器提供一个捕捉到的扩频序列相位的估值。第二个积分器在此基础上提供一个本地扩频序列是否进入同步的更准确的估值。其处理流程是：先由第一积分器工作，根据设定的门限进行初步判断是否进入了同步。如果超过门限，则第二积分器开始工作，不改变本地扩频序列相

51、位进行积分。它将提供更高的检测概率和更低的虚警概率。如果第二积分器输出大于设定门限，则完成捕获，启动同步电路。如果小于门限，则输出信号改变相位，重复上述相位搜索过程。实际上，这种方案把同步分为两步，即初检过程和证实过程。和串行系统不同，并行系统的第一积分器(积分时间为)和第二积分器(积分时间为)同时工作。同时输出积分门限比较信号。当两个积分输出均大于各自设定的门限时，则完成PN码的相位捕获过程。然后启动同步跟踪电路工作。只要其中一个积分输出低于设定门限值，则改变本地扩频序列相位。再进行积分比较，直到实现PN码的相位捕获。其结构如下图所示跟踪电路放大中频平方PN码发生器时钟控制门限1门限2跟踪开

52、关图 3.6 并行双积分滑动相关捕捉系统（二）并行搜索法扩频通信使用的伪随机码具有很强的自相关性，而互相关性相对很弱，所以为了捕获伪码的相位，可以利用其自相关函数的特性。为了解决顺序搜索法捕获时间过长的问题，还可以采用多路并行处理的搜索方法。这种方法的原理是：接收信号进入捕获电路时，分成并行的许多路。每一路对应一个可能的PN码相位，信号在每一路上同时进行相关运算，然后比较得到的结果，最大值即为捕获相位。原理框图如图3.7所示。放大比较选择伪码相位载波图 3.7 并行搜索法原理框图和串行搜索法相比，并行搜索法大大增加了系统的硬件复杂度。但同时，其相应的捕获时间也大大缩短了。在理想情况下，可以认为

53、只要一次积分时间TD就可以获得最大相关值，也即得到了捕获相位。这种方法比较适合扩频序列长度比较短，系统对捕获时间要求比较高的时候采用（三）串并行混合搜索法综合考虑串行系统和并行系统的优缺点，人们又提出了混合系统。这种系统将可能的相位分为并行的几组，在每一组采用串行的搜索策略。实际上，也就是在系统的硬件复杂度和捕获时间之间进行均衡，调整串行和并行的组合参数，来获得最佳的系统方案。（四）匹配滤波器搜索法（序列延迟捕捉法）采用基于序列延迟相关捕捉的“匹配滤波器法”，可以极大的缩短捕获时间。因为它搜索每个相位的速度很快。在捕获过程中，接收信号与本地信号进行相关处理，任何时刻的相关结果都与一个门限比较。

54、如果超出了门限，表明此时刻本地序列的相位与接收序列的相位同步。需要注意的是，本地序列是静止的。相关过程相当于接收信号滑过本地序列，每一时刻都产生一个相关结果，当滑到两个序列的相位对齐时，必有一个相关峰值输出(扩频序列在零相移的自相关函数值)。检测到这个相关峰值，并同时去启动另一个预先设置好的扩频序列发生器，则此扩频序列必定与接收序列同步。在仅仅时间内，序列所有可能的相位都被搜索一遍，显然有很高的相位搜索速度。图3.8和图3.9分别是捕获原理框图和匹配滤波器内部实现情况。PN码匹配滤波器包 络检波器比较器图 3.8 匹配滤波器搜索法1 2 3 M1 2 3 M本地PN序列放大数据处理载波图 3.

55、9 匹配滤波器内部寄存器其原理是，对接收到的扩频信号做放大，载波解调后，进行数据处理。然后恢复成宽为T的矩形波信号。暂不考虑噪声和干扰的影响，可以认为此矩形波就是发送来的扩频序列信号。该信号送入M级移位寄存器延迟寄存，本地扩频序列按某一相位送入另一M级寄存器中，这两个寄存器对应位状态相关求和。当发送来的扩频序列输入进M级移位寄存器的与本地扩频序列相位状态不符时，相关求和值低。此时让发送来的扩频序列输入下一相位状态。再做一次估值，即在M级移位寄存器做延迟移位，再和本地扩频序列相关求和。这样逐次进行计算，当求和值大于预先设定的门限时，就可认为扩频序列实现了相位捕获，进入跟踪电路。实际上，序列相关法

56、是实现相关运算的一种具体方法，它同样可以采用并行和串行的结构来实现。如果采用串行方法，则系统只需要两个寄存器，逐次改变本地寄存器中序列的相位(或者改变输入序列的相位)，进行对应位相关运算。如果采用并行的方法，则有多少个相位状态，系统就需要多少个支路。每个支路分别存储一个不同的相位状态，然后同时进行相关运算。此外，也可以采用串并行混合搜索策略。此时，系统在捕获时间和系统复杂度之间获得折衷。三、捕获性能的衡量标准验证捕获方案的最重要的参数是检测概率、虚警概率和捕获时间。下面我们就来讨论这几个参数。检测概率，是当假设正确时，假设检验获得通过的概率；虚警概率，是指当假设不正确时，假设检验获得通过的概率，即误告警概率。利用Neyman-Pearson准则推导，在高斯噪声下，固定无衰落信号，一次比较检测方法的检测概率和虚警概率分别为： （3.2）其中， 为在N个码片的观测时间内，解相关器输出信号y的信噪比，为检测门限，为噪声方差，和 为当前PN序列相位上没有信号发送和有信号发送时，检测变量Z的条件概率密度函数。从式（3-2-1）可以看出，检测概率和虚警概率都是判决门限的函数。当e取较小的数值时，虚警概率减小，检测概率也同时减小；而当e取得过小时，检测概率和虚警概率将同时增大。减小虚警概率的常用方法是增加一个证实电路。一旦检测器