systemview第五章

1、第五章第五章 直序扩频通信基本原理及其在直序扩频通信基本原理及其在SystemView上的仿真上的仿真5.1 扩频通信的基本原理扩频通信的基本原理 扩展频谱技术：一般指使用比信号带宽宽扩展频谱技术：一般指使用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术得多的频带宽度来传输信息的技术 为了扩展发射信号的频谱，可以使用不同为了扩展发射信号的频谱，可以使用不同技术对所传的信息进行处理，从而产生了技术对所传的信息进行处理，从而产生了不同的扩频调制类型不同的扩频调制类型 常见的扩频类型有：直接序列扩频（常见的扩频类型有：直接序列扩频（DS）、）、调频（调频（FH）、跳时（）、跳时（TH）和线性调频脉冲）和

2、线性调频脉冲（Chirp）。）。直接序列扩频直接序列扩频输入的信息数据输入的信息数据D D，经过载波调制变成了带宽为，经过载波调制变成了带宽为B1B1的的信号，再由伪随机码调制成带宽为信号，再由伪随机码调制成带宽为B2B2的宽带信号后发的宽带信号后发射。射。在接收端，首先通过同步电路捕捉发送来的在接收端，首先通过同步电路捕捉发送来的PNPN码的码的准确相位，产生与发送来的伪随机码同相的本地参考准确相位，产生与发送来的伪随机码同相的本地参考伪码，以供解扩使用。伪码，以供解扩使用。跳变频率方式跳变频率方式 输出信号的载波频率受伪随机码发生器控制，在带宽为输出信号的载波频率受伪随机码发生器控制，在带

3、宽为B2（B2B1）的频带内随机跳变，实现带宽为）的频带内随机跳变，实现带宽为B1的窄的窄带信号到带宽为带信号到带宽为B2的发射信号的频谱扩展的发射信号的频谱扩展。跳变时间方式跳变时间方式 信息数据信息数据D送入受伪随机码控制的脉冲调制发射机，送入受伪随机码控制的脉冲调制发射机，发射出携带信息数据且为伪随机间隔的射频信号。发射出携带信息数据且为伪随机间隔的射频信号。 这种工作方式允许在随机时分多址通信中，发射机和这种工作方式允许在随机时分多址通信中，发射机和接收机使用同一个天线，接收机使用同一个天线， 一般与其它方式混合使用一般与其它方式混合使用扩频技术的理论基础扩频技术的理论基础 要增加系统

4、的信息传输速率，即增加信道容量，要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号的带宽或增加信噪比来实可以通过增加传输信号的带宽或增加信噪比来实现现 当信道容量当信道容量C为常数时，带宽与信噪比之间可以互为常数时，带宽与信噪比之间可以互换，可以增加带宽来降低系统对信噪比的要求，换，可以增加带宽来降低系统对信噪比的要求，也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽NSWC1log2直接扩频通信系统的仿真直接扩频通信系统的仿真1KHz10KHz100KHz单频率窄带干扰单频率窄带干扰单频率窄带干扰参数设置单频率窄带干扰参数设置信号源未受干扰的频谱信号源

5、未受干扰的频谱信号源受干扰的频谱信号源受干扰的频谱输入信号波形输入信号波形经过整型后的输出信号波形经过整型后的输出信号波形5.2 扩频系统中的扩频系统中的PN码码对扩频码的要求对扩频码的要求1. 易于产生易于产生2. 具有随机性具有随机性3. 扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列通过扩频码的一小段去重建整个码序列4. 扩频码应具有双自相关函数和良好的互相关特扩频码应具有双自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户使用户使用 所以用纯随机序列去扩展信号频

6、谱是最理想的，所以用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的，但为了解扩，在实际工程中用伪随机或伪噪声但为了解扩，在实际工程中用伪随机或伪噪声序列作为扩频码序列作为扩频码伪随机序列具有类似随机序列的性质：伪随机序列具有类似随机序列的性质：1. 平衡特性：伪随机序列中平衡特性：伪随机序列中0和和1的个数近似相的个数近似相等等2. 游程特性：把伪随机序列中连续出现游程特性：把伪随机序列中连续出现0或或1的的子序列称为游程。连续的子序列称为游程。连续的0或或1的个数称为游的个数称为游程长度。伪随机序列中长度为程长度。伪随机序列中长度为1的游程约占的游程约占游程总数的游程总数的1/2，长度为，长度为2的游程

7、约占游程总的游程约占游程总数的数的1/4。3. 相关特性：伪随机序列的自相关函数具有类相关特性：伪随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。似于白噪声自相关函数的性质。扩频码通常为：扩频码通常为：m序列、序列、L序列、霍尔序列序列、霍尔序列随机序列的产生随机序列的产生D触发器的真值表触发器的真值表得到的结论得到的结论 线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列 当初始状态是当初始状态是0 0时，线性移位寄存器输出全时，线性移位寄存器输出全0 0序列序列 级数相同的线性移位寄存器的输出序列与反级数相同的线性移位寄存器的输出序列与反馈逻辑有关馈逻辑有关

8、 同一个线性移位寄存器的输出序列与起始状同一个线性移位寄存器的输出序列与起始状态有关态有关 对于级数为对于级数为r r的线性移位寄存器，当周期的线性移位寄存器，当周期 时，改变移位寄存器初始状态只改变序列的时，改变移位寄存器初始状态只改变序列的初相，这样的序列称为最大长度序列或初相，这样的序列称为最大长度序列或m m序列序列12 rpm序列产生器的结构序列产生器的结构1M M序列的特性：序列的特性：1.1. 平衡性：最大长度序列中平衡性：最大长度序列中1 1的数目比的数目比0 0始终多始终多1 1个，且个，且1 1的个数为的个数为 ，0 0的个数为的个数为2.2. 移位可加性：某个移位可加性：

9、某个m m序列与相移为任意值的序列与相移为任意值的同一同一m m序列的模序列的模2 2和是另一相移和是另一相移m m序列序列1M M序列既可以用硬件产生，也可以用软件产序列既可以用硬件产生，也可以用软件产生生1硬件一般用移位寄存器和异或门来实现，并硬件一般用移位寄存器和异或门来实现，并且有两种结构：简单线性码发生器（且有两种结构：简单线性码发生器（SSRGSSRG）和模块式码发生器（和模块式码发生器（MSRGMSRG）。）。r212rM序列发生器的两种结构序列发生器的两种结构1简单线性码发生器（简单线性码发生器（SSRGSSRG） 参与反馈的各级输出，经多次模参与反馈的各级输出，经多次模2 2

10、和后，把最后结果送和后，把最后结果送入第一级入第一级1模块式码发生器（模块式码发生器（MSRGMSRG） 多级的输出都可能与反馈信号模多级的输出都可能与反馈信号模2 2和后送下入一级，因和后送下入一级，因为为n n级码发生器是由级码发生器是由n n个相同模块构成的，因而是模块式个相同模块构成的，因而是模块式机构机构 两种结构是等价的，并且都需要有全两种结构是等价的，并且都需要有全“0”0”启动启动电路，但前一种结构比后一种结构时延大，一般电路，但前一种结构比后一种结构时延大，一般用第二种结构。摩托罗拉把四个模块集成在一起，用第二种结构。摩托罗拉把四个模块集成在一起，型号为型号为MC8504MC

11、8504。1M M序列都存在一个与之对应的反商序列都存在一个与之对应的反商3 3、4 4反馈的反馈的PNPN码序列码序列1 1、2 2反馈的反馈的PNPN码序列码序列通信库中的通信库中的PN码发生器码发生器5.3 复合码复合码当选用伪随机序列作为码分多址通信的地址码时，当选用伪随机序列作为码分多址通信的地址码时，m序列有很大的局限性，这主要是因为有序列有很大的局限性，这主要是因为有m m序列组序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少。成的互相关特性好的互为优选的序列集很少。如果要求的地址数多，只有降低对互相关的要求。如果要求的地址数多，只有降低对互相关的要求。Gold码有两种产生方法，通过

12、将一对优选的周期码有两种产生方法，通过将一对优选的周期和速率均相同的和速率均相同的m序列序列的移位寄存器进行串联或并的移位寄存器进行串联或并联后得到的联后得到的5.3.1 戈尔德（戈尔德（Gold）码）码Gold虽然虽然m m序列具有很好的自相关特性，其鉴别序列具有很好的自相关特性，其鉴别指数很大。不管是对于码分多址通信还是测指数很大。不管是对于码分多址通信还是测距，在一些情况下要求码捕获快时，距，在一些情况下要求码捕获快时，m序列序列还是不够理想。在测距中，常要求码周期很还是不够理想。在测距中，常要求码周期很长，以减小模糊距离；另外还要求测距精度长，以减小模糊距离；另外还要求测距精度要高，即

13、要求码速率很高，同步又要快。要高，即要求码速率很高，同步又要快。另一种组合码称为另一种组合码称为JPL测距码，其构造特征测距码，其构造特征非常适合于对码周期要求很长，而且对同步非常适合于对码周期要求很长，而且对同步又要求很快的远距测距的情况又要求很快的远距测距的情况如果将两个或两个以上周期长度互质的如果将两个或两个以上周期长度互质的m序序列列进行模进行模2和，则可产生和，则可产生JPL测距码测距码5.3.2 JPL测距码测距码假定有三个长度分别为假定有三个长度分别为 且为互质且为互质的的m序列，则产生的序列，则产生的JPL码码周期长度为：周期长度为： 121212pnm12 p12 m12 n

14、JPL码码5.4 利用利用SystemView对实际系对实际系统仿真统仿真 在上一章中对各种数字载波通信的理想系在上一章中对各种数字载波通信的理想系统进行了原理上的仿真，但没有考虑实际统进行了原理上的仿真，但没有考虑实际系统中的噪声、信号功率等问题系统中的噪声、信号功率等问题 本节将是对一个完整系统进行仿真，将充本节将是对一个完整系统进行仿真，将充分考虑发射接收设备和信道的实际情况。分考虑发射接收设备和信道的实际情况。5.4.1基于基于IEEE802.11的无线局域网直序的无线局域网直序扩频系统在扩频系统在SystemView上的仿真上的仿真 该系统是一个用于无线局域网通信的直序扩频系该系统是

15、一个用于无线局域网通信的直序扩频系统，电路中部分参数参考了统，电路中部分参数参考了IEEE802.11标准。标准。 在对射频的放大器、衰减器、混频器等仿真时，在对射频的放大器、衰减器、混频器等仿真时，利用了射频利用了射频/模拟库的图标。模拟库的图标。 射频射频/模拟库的放大器、衰减器等图标与算子库或模拟库的放大器、衰减器等图标与算子库或其它基本库中类似的图标相比，在参数设置上突其它基本库中类似的图标相比，在参数设置上突出对射频电路的仿真，增加了如噪声系统或噪声出对射频电路的仿真，增加了如噪声系统或噪声特性、特性、1dB压缩点、干扰特性等参数，更加适用压缩点、干扰特性等参数，更加适用于对真实射频

16、电路的仿真。于对真实射频电路的仿真。仿真说明仿真说明保持了原系统的结构，保留了信源码和扩频保持了原系统的结构，保留了信源码和扩频伪随机码的码速率。伪随机码的码速率。为了提高仿真速度和效率，降低系统仿真时为了提高仿真速度和效率，降低系统仿真时间，在不影响系统原理说明的情况下：间，在不影响系统原理说明的情况下： 将仿真系统的载波频率从原来的将仿真系统的载波频率从原来的2.4GHz降低降低为为350MHz； 两个本振频率从原来的两个本振频率从原来的2.162GHz和和2.132GHz，分别降低为分别降低为250MHz和和220MHz； 中频频率也从中频频率也从280MHz降为降为100MHz。发射参

17、考信号的码同步发射参考信号的码同步 在扩频通信系统中，码同步的精度及其电在扩频通信系统中，码同步的精度及其电路的复杂程度直接影响着系统的性能、体路的复杂程度直接影响着系统的性能、体积和成本。积和成本。 发射参考信号法是在传输扩频信号的同时，发射参考信号法是在传输扩频信号的同时，在另一路载波或副载波上再传输一路在另一路载波或副载波上再传输一路PN码，码，在接收端使用收到的在接收端使用收到的PN码对扩频信号进行码对扩频信号进行解扩的一种方法。解扩的一种方法。系统的原理框图系统的原理框图调制器与发射机子系统调制器与发射机子系统声表面波滤波器声表面波滤波器(SAW，surface acoustic w

18、ave) 利用石英、铌酸锂、钛酸钡晶体具有压电效应的利用石英、铌酸锂、钛酸钡晶体具有压电效应的性质做成的。性质做成的。 所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电场的现象。产生与压力成正比的电场的现象。 具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可也会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。把电信号转为声信号。 由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面波。波。 声表面波滤波器的英文缩写为声表

19、面波滤波器的英文缩写为SAWFSAWF，声表面波滤，声表面波滤波器具有体积小，重量轻、性能可靠、不需要复波器具有体积小，重量轻、性能可靠、不需要复杂调整。杂调整。声表面波滤波器的特点是：声表面波滤波器的特点是： （1）频率响应平坦，不平坦度仅为）频率响应平坦，不平坦度仅为0.3-0.5dB，群时延群时延30-50ns。 （2）SAWF矩形系数好，带外抑制可达矩形系数好，带外抑制可达40dB以上。以上。 （3）插入损耗虽高达）插入损耗虽高达25-30dB，但可以用放大器，但可以用放大器补偿电平损失。补偿电平损失。 u声表面波滤波器包括声表面波电视图像中频滤波声表面波滤波器包括声表面波电视图像中频

20、滤波器、电视伴音滤波器、电视频道残留边带滤波器器、电视伴音滤波器、电视频道残留边带滤波器 固定增益放大器固定增益放大器射频到中频变换子系统混频器混频器原理（混频器原理（1） 工作频率：混频器是多频工作器件，除指明射频信号工作频率外，工作频率：混频器是多频工作器件，除指明射频信号工作频率外，还应注意本振和中频频率应用范围。还应注意本振和中频频率应用范围。 噪声系数：混频器的噪声定义为：噪声系数：混频器的噪声定义为：NF=Pno/Pso Pno是当输入端是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时时，传输到输，传输到输出端口的总噪声出端口的总噪

21、声 资用功率。资用功率。Pno主要包括信号源热噪声，内部主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。 变频损耗：混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波变频损耗：混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起

22、。 1dB压缩点：在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，压缩点：在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢， 混频器出现饱和。混频器出现饱和。当中频输出偏离线性当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的时的射频输入功率为混频器的1dB压缩压缩点。对于结构相同的混频器，点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低二极管特性

23、，一般比本振功率低6dB。 动态范围：动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。动态范围：动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。压缩点。混频器原理（混频器原理（2） 双音三阶交调：如果有两个频率相近的微波信号双音三阶交调：如果有两个频率相近的微波信号fs1和和fs2和本振和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，将产生交调，其中三阶交调可能出现

24、在输出中频附近的地方，落入中频通带以其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增时，三阶交调信号抑制比增加加2dB。 隔离度：混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振隔离度：混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度

25、定义为与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dBdB。 本振功率：混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功本振功率：混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善（率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善（1dB压压缩缩点上升，三阶交调系数改善）。点上升，三阶交调系数改善）。 端口驻波比：端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一端口驻波比：端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参

26、数。个随功率、频率变化的参数。 中频剩余直流偏差电压：当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，中频剩余直流偏差电压：当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余在中频输出一个直流电压，即中频剩余解扩子系统第3级接收机子系统信息解调costas环5.4.2 MSK直序扩频相关解调系统仿真直序扩频相关解调系统仿真 PSK方式易于调制和解调，但频谱特性不好，相方式易于调制和解调，但频谱特性不好，相比于比于PSK信号，信号，MSK信号具有带宽窄，频谱主瓣信号具有带宽窄，

27、频谱主瓣能量集中，旁瓣滚降衰减快，频带利用率高等优能量集中，旁瓣滚降衰减快，频带利用率高等优点，因此很多保密通信要求较高的直序扩频系统点，因此很多保密通信要求较高的直序扩频系统中，大多采用中，大多采用MSK调制。调制。 最小频移键控（最小频移键控（MSK）信号主要有两种产生方法：）信号主要有两种产生方法：一种是原始信号经过差分编码，串并变换和载波一种是原始信号经过差分编码，串并变换和载波相乘产生；另一种是相乘产生；另一种是PSK转换法产生。转换法产生。 系统仿真电路图系统仿真电路图用户自定义数据，输出5个数据扩频伪随机序列发生器和扩频调制子系统MSK调制卷积器相关峰处理子系统信息解调信息转换及

28、提取用户自定义图符用户自定义图符伪码发生器和扩频调制器比特信息转换子系统比特信息转换子系统MSK调制MSK调制就是扩频信号经过PSK调制后，再经过一个冲激响应为一个周期的频率为f1的正弦信号的滤波器。图中经过伪随机序列扩频后的数据与频率为f2的正弦载波相乘完成PSK调制后得到PSK信号，滤波器是带宽Tb的冲激响应信号，滤波器是通过一个带宽为Tb时间窗截取出来的方波与频率f1的正弦信号相乘实现的。卷积器卷积之前都要进行这样的转换。 格式转换器格式转换器卷积卷积在信息输入端少了输在信息输入端少了输入信息的控制部分，入信息的控制部分，使得使得M序列的循环移序列的循环移位状态总是固定的。位状态总是固定的。图中图中PROM的的D3D2D1D0=000000000E9A58F9H，可以，可以看出接收的伪随机序看出接收的伪随机序列和本地码发生器产列和本地码发生器产生的伪随机序列是反生的伪随机序列是反序的，这主要是由相序的，这主要是由相关运算的特性决定的。关运算的特性决定的。 本地伪随机序列产生子系统本地伪随机序列产生子系统 dtyxtz dtyxtytx中频相关峰中