（通信与信息系统专业论文）多码扩频无线分块传输技术及其硬件实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 近几年来，移动通信在全球范围内发展迅猛，第三代移动通信系统逐渐进入商用，但仍将不能满足移 动用户日益增长的需要，有必要研究能更好的支持非对称业务、宽带多媒体、i n t e r n e t 及综合业务的高速移 动无线通信技术。根据8 6 3f u t u r e 研究计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标以及国内外 研究发展的状况和趋势东南大学移动通信实验室提出广义多载波时分双工混合多址蜂窝移动通信传输技 术，以实现峰值传输速率不低于2 0m b p s 的高效分组数据传输。 本论文在此背景下，对基于单个子载波的增强的多码扩频系统及双循环的块传输结构进行了较为深入 的研究。文中所介绍的多码扩频系统吸收了多载波和直接序列扩频两种技术的优点，可以在不扩展原始数 据带宽的情况下提供高速的数据传输；同时，通过选择适当的码序列，极大的降低了系统实现的复杂度。 文中所介绍的双循环的块传输结构，具有很强的自适应能力，不但有助于采用简化算法实现半盲的信道估 计，而且有助于采用快速算法实现单载波频域均衡。 本文根据系统的结构特点，采用流水处理技术，对多载波系统中的各个子载波、两种不同的块传输结 构分时处理，只使用很少的资源，分别设计完成了发送端多码扩频、双循环的传输块、接收端多码解扩模 块的f p g a 硬件实现：同时，针对系统的特点，设计完成了专用的单载波基带数字信号处理印制电路板； 在逻辑电路软件仿真和p c b 电气连接性测试完成的基础上，搭建了不同的硬件平台，对所设计的电路进行 了较为全面的测试。 此外，本文还进一步提出了几种既能改善系统性能又便于硬件实现的方案，并给出了相关的硬件设计 结构框图。 关键词：多码扩频、分块传输、沃尔什序列、f p g a 、p c b 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h ew o r l d t h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e di nb u s i n e s sf i e l d ，b u ti tw i l ln o tm e e tu s e r s g r e a t l yi n c r e a s e d n e e d si nt h ef u t u r e ，t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yo u tak i n do fh i g h s p e e dm o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hc a ns u p p o r tu n s y m m e t r ys e r v i c e ，w i d e b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e ，i n t e m e ts e r v i c ea n di n t e g r a t e d s e r v i c e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho f n e wg e n e r a t i o nc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f 8 6 3f u t u r ep r o j e c t a n de v o l u t i o no fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta r o u n dt h ew o r l d ，n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ( n c r l ) o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yi si n v e s t i g a t i n gg e n e r a l i z e dm u l t i c a r d e rt i m ed i v i s i o nd u p l e xx - d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( g m c t d d x d m a ) c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u et o f u l f i l l h i g h e f f i c i e n tp a c k e td a t at r a n s m i s s i o nw i t hp e a kd a t ar a t en o tl e s st h a n2 0 m b p s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eh a v ead e e ps t u d yo ne n h a n c e dm u l t i c o d es p r e a ds p e c t r u m ( e m c s s ) s y s t e mf o r s i n g l es u b c a r r i e ra n dt h ed u a l c i r c u l a rs t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o nb l o c ku n d e rt h eb a c k g r o u n da b o v e t h e e - m c s ss y s t e mw ep r e s e n ta s s i m i l a t e st h es t r o n g p o i n t so fm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g ya n dd i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g y , a n di tc a ns u p p o r th i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o nw i t h o u ts p r e a d i n gb a n d w i d t ho fo r i g i n a l d a t a b e s i d e s ，t h ec o m p l e x i t yf o ri m p l e m e n t a t i o no f t h es u b s y s t e mc a nb eg r e a t l yd e c r e a s e db yp r o p e r l ys e l e c t e d c o d es e q u e n c e s t h ed u a l c i r c u l a rs t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o nb l o c kw ei n t r o d u c e h a sc a p a b i l i t yo fg r e a t s e l f - a d a p t i v i t y i ti sh e l p f u ln o to n l yf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fs e m i - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nu s i n gs i m p l e a l g o r i t h m ，b u ta l s of o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fs i n g l es u b c a r d e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nb yp r o p e rf a s t a l g o r i t h m b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so f 协es y s t e ms t r u c t u r e s w ed e a lw i t he a c hs u b - c a r d e ro fm u l t i c a 州e rs y s t e ma n d t w od i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nb l o c k su s i n gp i p e l i n et e c h n o l o g y a n dw ed e s i g na n di m p l e m e n tm u l t i c o d es p r e a d i n g m o d u l e ，d u a l - c i r c u l a rt r a n s m i s s i o nb l o c km o d u l ei nt r a n s m i t t e ra n dm u l t i c o d ed e s p r e a d i n gm o d u l ei nr e c e i v e r w h i c hc o n s u m ef e wr e s o u r c e sb a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p o a ) a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h e w h o l es y s t e m ，w ea l s od e s i g na p p l i c a t i o ns p e c i f i cp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) w h i c hd e a l sw i t hb a s e b a n dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gf o rs i n g l es u b c a r r i e r a f t e rc o m p l e t e n e s so fs o t t w a r es i m u l a t i o nf o rl o g i cc i r c u i t sa n dp c bt e s t f o re l e c t r i cc o n n e c t , w eb u i l dd i f f e r e n th a r d w a r et e s t b e n c h st ot e s tt h et i r e u i t sc o m p r e h e n s i v e l y m o r e o v e r , w ep r o p o s es e v e r a ls h e m e sw h i c hc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es u b s y s t e ma sw e l la s s i m p l i f y i n gt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n , a n dw ea l s oo f f e rt h ec h a r to f t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s ：e m e s s ，b l o c kt r a n s m i s s i o n ，w a l s hs e q u e n c e s ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , p r i n t e dc i r c u i t b o a r d 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：叠壁塑e t 期：塑垦兰z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 虢鼬翮签趟舭幽 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，移动通信在全球范围内发展迅猛，移动用户数的增长超出了预期，移动业务也正从话音业 务向以i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 接入和多媒体业务为主的方向发展，手持移动终端将逐步成为上网的主要设备 之一。为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统在通信的容量与质量将远远不能满足要求，无 法满足高速率( 峰值业务速率大于2 0 m b i t s 或更高) 、大业务动态范围( 8 k b i f f s 2 0 m b i t s 动态可变) 和多种 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 需求；必须研究能更好支持非对称业务、宽带多媒体、i n t e m e t 及其综合业务的 高速移动无线通信技术，提供高速率、高频谱效率、大容量和低成本的无线多媒体通信系统b i 2 1 随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，国内外有关第四代移动通信的研究已初见端倪。欧盟在前期 研究计划( 第五框架研究计划) 的基础上，成立了世界无线通信研究论坛，着手进7 - i m t2 0 0 0 ”( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) 之后的第四代移动通信的概念、需求与基本框架研究，并将把第四代移动 通信系统列入将于2 0 0 2 年启动的欧盟“第六框架研究计划”。日本总务大臣的咨询机构信息通信审议 会专门委员会，于2 0 0 1 年6 月1 5 日完成了继第三代移动通信系统“i 册2 0 0 0 ”之后的第四代移动通信系 统框架建议。韩国有关运营商和通信研究所也向政府提出了有关第四代移动通信研究计划。在我国，第四 代移动通信己被正式列入国家“十五8 6 3 研究计划，已于近期启动了名为f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e s f o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 的未来移动通信研究计划。 在i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) ，有关b e y o n di m t2 0 0 0 的概念与需求研究于1 9 9 9 年被首次列入议事日程，2 0 0 1 年1 0 月在东京进行的i t ur w p 8 f 会议上，己收到较多有关b e y o n di m t2 0 0 0 的研究提案，并初步明确了b e y o n di m t2 0 0 0 研究的基本框架。 1 2g m c - t d d - x d m a 系统简介 根据b 3 g ( b e y o n d3g e n e r a t i o n ) 课题组一年多来对后3 g 关键技术的研究结果，以及对国内外最新进展 的综合分析，我们认为开展后3 g 蜂窝移动通信系统研究开发的有效途径是：以3 g 演进技术为出发点， 充分考虑瓶一代蜂窝通信系统的后向兼容性，以基于多天线环境的网络结构为构架，以联合空时信号处理 和新型t u r b o 接收机技术为提高系统性能的主要手段，以高效的多相分解滤波器组( f i l t e rb a n k ) 实现方 式为降低系统实现复杂性的主要方法，并借鉴o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统易于 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现的优点，研究开放式的、能够灵活地吸收其它技术优点的新一代蜂窝移动 通信系统传输技术，使之具有高频谱利用率，低发射功率和支持大动态范围分组数据传输的能力。基于上 述考虑，我们提出广义多载波t d d ( g m c t d d ) x d m a ( g e n e r a l i z e dm u l t ic a r r i e r - t i m ed i v i s i o nd u p l e x x d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术。 解决方案的总体框架为： 1 ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽( 连续或非连续) 为2 0m h z 的信道分解成1 6 个3d b 带宽为1 2 8e - i z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组进行多载波 合路和分路，多载波滤波器组可通过本课题组的发明专利技术多相分解和f f t 快速实现；在 扩展模式下，可把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 删z 扩展子载波，可根据未来不同国家 的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波，并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 2 )采用t d d 双工方式，以方便地支持非对称数据业务。 3 )支持x d 雌混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d 蚣方式、多码道c d m a 方式、 自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构等技术以及它们之间的相互组合， 以达到支持高效分组传输之目的。 东南大学硕士学位论文 4 )采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地占用一个或多个基本 子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而达到从1k b p s 至i 0 0 m b p s 的大动态范围传输的要求；并可通过不同小区间的基本子载波或扩展子载波的灵活指配，避 免t d d 系统所可能遇到的时隙碰撞问题。 5 )可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线，使系统频谱利用率线性提高，或使 发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 - 5 倍，发射功率降低l o d b 以上之要求。 1 3 试验验证系统简介 开发本实验验证系统的目的是为了验证g m c ，t d dx d n i a 传输方案能否达到预定的主要目标。并为后 期研究开发提供必要的依据。 如图1 1 所示，整个g m c t d dx d m a 实验验证系统由一个接入点( a p a c c e s sp o i n t ) 和两个移动终 端( m t m o b i l et e r m i n a l ) 组成。其中a p 由固定台和接口组成，它能够接入外部因特网。移动终端由移 动台和终端计算机组成，它可以通过a p 接入外部因特网，且移动终端之间具备直接通信的能力。 图i 1g m c t d d x d m a 实验验证系统构成示意图 g m c t d dx d m a 系统是基于自适应链路技术、时分双工技术、混合多址技术、扩频技术的多载波系 统。上、下行链路均采用多载波方式。将连续或非连续的约2 0m l z 的总带宽分成若干个3d b 带宽为1 2 8 瓶z 的基本子载波或3 8 4m h z 的扩展子载波。考虑到未来上、下行链路业务量的不对称性，系统采用配置 十分灵活的时分双工( t d d ) 方式。各子载波中均可进一步采用t d m a 或c d m a 方式，以构成x d m a 混合多址 方式。每个子载波、码道和时隙均可按需要分配给不同的移动用户，信道的最小单位是个子载波中的一 个时隙中的一个码道。系统可根据业务的需求分配码道、时隙和子载波数量。 本实验系统拟采用的扩频码片速率为l 。2 8m c p s ( 基本子载波) 或3 ，8 4m c p s ( 扩展子载波) 。拟采用 自适应链路技术( 包括自适应编码调制、自适应时隙结构等) ，使系统能够根据应用环境( 如信噪比、移 动台移动速度等) 和业务要求的不同而自适应地调整链路参数，最大限度地提高无线资源的利用率。 考虑到多天线环境下空时联合发送和联合检测的实现难度较大，完整的技术实验拟在f u t u r e 计划第 二阶段进行。在本实验系统拟采用单天线发送、四天线接收的简化形式，可使系统容量较单天线收发系统 提高达2 倍。 整个系统的硬件设计利用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 工具，采用自顶向下的设计方法，在 链路仿真的基础上，设计基于f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 的硬件平台。 系统硬件平台由模拟前端、基带处理、系统主控c p u 、接口电路四个主要部分组成，如图l ，2 所示， 各部分的描述如下： 搓型煎堂 对移动台和固定台来说，这部分基本相同，主要包括收发天线、l n a ( l o w n o i s e a m p l i f i e r ) 、功放、 上下变频、中频a g c ( a u t og a i n c o n t r 0 1 ) 、调制，解调等。 基苤丝堡 包括基带发送、基带接收、系统定时提取三个部分，如图1 3 所示。基带发送部分由多载波合成滤波 器组和若干个单载波基带发送部分等组成。其中单载波发送部分包括自适应编码调制、多码道扩频等部分。 基带接收部分包括多载波分析滤波器组和若干个单载波基带接收等部分，其中每个单载波基带接收包括： 扩频码捕获与跟踪、空时联合检测、多码道解扩、维特比译码等部分。系统定时提供整个系统接收与发送 所需的各种定时信号，其中码片定时和符号定时由扩频码捕获与跟踪部分提供。 2 獬垦枞垦 终 一 终 一 一 一 嗣爵 第一章绪论 歪统主控c p u 负责移动台( 固定台) 的系统控制与管理、协议处理以及它们与终端计算机( 因特网) 的连接。移动 台和固定台可采用统一的m p c 8 2 6 0 主控板。根据两者基带和射频的不同要求在实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ( v x w o r k s 或v r t x 等) 平台上灵活配置并装载相应的控制驱动、简单信令 和业务协议。 擅旦皇堕 实现移动台( 固定台) 与外界的接口，本系统将采用以太口或1 3 9 4 口。 图1 2 固定台和移动台整体结构示意图 1 4 论文的主要内容及意义 图1 3 基带处理部分 本论文的主要工作是对应用于高速移动无线通信中的多码扩频及块传输的理论进行了相关的探讨； 对单个子载波数字基带系统中的多码扩频、分块传输、多码解扩等部分进行了f p g a 硬件实现：并设计出 3 东南大学硕士学位论文 专用的单个子载波基带数字信号处理的p c b 印制电路板；最后搭建了各种硬件测试平台，采用各种不同的 测试方案对所设计的逻辑电路和印制电路板的正确性和健壮性进行了验证。 整个f p g a 硬件设计以b 3 g 项目组前期的定点仿真为基础，p c b 设计借鉴了3 g 项目组的经验：设计 的目的主要是为了验证g m c - t d dx d m a 传输方案能否达到预定的主要目标。并为后期研究开发提供相应 的平台和必要的依据。 本论文共分为六章，主要内容如下： 第二章对多码扩频系统进行了较为详细的介绍，并提出了几种既能进一步改善多码扩频系统性能，又 便于硬件实现的设计方案；同时对分块传输的理论进行了相关的探讨。 第三章简要介绍了演示系统中上、下行链路的多码扩频数据处理流程及相应的传输块结构。 第四章对x i l i n x 的v i r t e x1 1 系列f p g a 芯片进行了简要介绍，并重点阐述了基于单个子载波的多码扩 频、分块传输、多码解扩模块的硬件实现方案。 第五章介绍了p c b 设计的理论原则和方法，重点阐述了单个子载波基带数字信号处理板的p c b 设计 方案，并对相关的硬件测试方案作了相应的介绍。 第六章总结了作者所作的工作，并对硬件实现和课题研究中遇到的问题作了一些展望。 d 第二章多码扩频及分块传输的理论 第二章多码扩频及分块传输的理论 2 1 多码扩频的理论 在无线移动信道上以较低的误码率传输高比特率的数据是一项非常艰巨的任务，无线环境的传输特性 严重限制着在无线、移动信道上的数据传输。在没有相应的措施来减轻时延扩展损伤的情况下。数据传输 速率常常受限于i w o p s 以下。近来得到人们极大关注的一种可能的解决方案是多载波调制或多音调制，它 们将传输数据分成一些交织的比特流，然后将这些交织的比特流分别调制到相应的子载波上去。然而，这 样的传输方案在高的数据速率( 例如l o m b p s 或更高) 和时变无线信道的情况下，实现起来是相当复杂的f 3 l 【4 】。 2 1 1 简介 1 9 9 5 年，a a l b o r g 大学的h o n g b a oz h a n g 和d o m i n i kr u t k o w s k i 提出了一种革新的传输方案正交序 分调制0 s d m ( o r t h o g o n a ls e q u e n e yd i v i s i o nm o d u l a t i o n ) ，这种传输方案采用正交的沃尔什载波取代 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 中的正弦载波，从而极大的降低了系统实现的复 杂度；而且更为重要的是，由于沃尔什函数和p n ( p s e u d o r a n d o mn o i s e ) 序列都是二值函数，o s d m 可以很 容易的直接和直序扩频技术相结合，从而可以直接利用直序扩频系统的各种优点口j 。 在o s d m 的基础上，人们又进行了更为深入的研究，发展出了一种新的调制方案一多码道调制。在这 种方法中，输入的高速数据流被分成许多并行的低速比特流，这些低速的比特流采用直序扩频技术分别被 不同的正交码和特征序列调制到不同的载波上，以分离不同的子信道和减少i s i ( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。合理的选择正交码和特征序列的长度，以使扩频以后的带宽和原始的高速数据流的带宽 相一致，这样就可以在不扩展原始数据带宽的情况下继承扩频技术的内在优点p j 。 多码直序扩频允许同一个用户在同一射频频带同时使用多个正交码，因此有效的提高了直扩的频带利 用效率。只要所用的各个码序列正交，同一个用户就可以在同一信道同时使用多个扩频码序列。利用正交 码提供多址的接入是c d m a 的主要特色。多码直序扩频利用了c d 姒的全部优点，但是无需面对c d m a 系统 存在的问题。c d m a 系统的主要问题包括远近效应问题和同步问题。这两个问题在多码直接序列扩频系统中 都不会出现，因为多码直扩系统是把多个不同的正交码提供给同一个用户。多码直扩系统除了保留了c d m a 的所有优点，并解决了c d m a 存在的问题以外，还保留了最初的直接序列扩频系统的所有优点。它的主要 特色是平衡了抗干扰能力和频率利用率这两种要求，使频率资源能够在最大范围内共享。在点到点的无线 应用上，多码直扩系统可以解决同地区使用( c o l o c a t i o n ) 的电磁兼容问题。在点到多点的接入网应用， 多码直扩的抗干扰性能可以容许不同系统在相邻地区同时使用。多码直序扩频技术为“有限度开放的频率 资源管理”提供了一个非常可行的方案1 7 1 1 “。 2 1 2 信道模型 由于地面和周围建筑物的影响，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的时间到达接收天线。这些 到达波被称为多径波，由于它们的强度、传播时间以及发射信号的带宽等的不同。而使合成后的接收信号 的幅值和相位、甚至波形有可能有很大变化，引起畸变或衰落现象。 衰落是由阴影和多径效应造成的信号电平的抖动，下面是三种最重要的多径衰落效应：( 1 ) 信号强度 在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化；( 2 ) 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调 制；( 3 ) 多径传播时延引起的扩展。无线传播信道中的许多物理因素都会影响衰落，主要有多径传播、移 动台的速度、周围物体的速度、信号的发射带宽等”。 移动通信中的信道是时变的，这种时间变化是由接收机在空间的相对运动引起的。时变信道可以用具 有时变冲激响应的线性滤波器描述如下： 5 东南大学硕士学位论文 l 讹f ) = h t ( t ) a ( t - r t ) ( 2 一1 ) ，一l - x - 啐 ，f f 是第，条传播路径的传播延时，h a t ) = 曩，( t ) + j h q t ( t ) 是第，条传播路径的时变多径分量，它可以 被看作零均值复高斯随机过程，因而又可以写成啊( f ) = 届p 一埔，所以 ( f ；f ) 又可以写成如下形式 矗( r ；f ) = 届艿( f r 3 e 一肼 ( 2 2 ) f i l 其中，届是第，条传播路径的增益，服从瑞利分布；办是第，条传播路径的时变相位，在【o ，2 石】上服从均 匀分布。此外，多径信道中还会引入加性高斯白噪声( a w g n ：a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 。假设发 送的基带信号为j ( ，) ，则通过多径信道后，接收信号为： ，( f ) = f l d ( t - r t ) e 刊+ 行( f ) ( 2 3 ) ，- 1 其中，n ( t ) 是双边带功率谱密度为0 2 的加性高斯白噪声。 一个很有用的度量多径信道的函数是功率延时积，它的定义如下： p ( r ) 垒e 陋( f ) 1 2 】 ( 2 4 ) 这个函数非常重要，因为通过它可以得到一个关键的参数时延扩展，时延扩展的定义如下 其中，平均延时，白定义如下： a = 胁= j ( ，一心) 2 p ( t ) d t i p ( t ) d t ( 2 5 ) ( 2 6 ) 通过多径信道进行数据传输的比特误码率跟归一化平方根均方时延扩展关系很大，归一化平方根均方时延 扩展定义如下： d：a(2-7) r 其中，r 为符号间隔周期【”。 2 1 3 正交扩频码 在多码扩频系统中，扩频码的性能关系到系统的抗同信道干扰、抗多径衰落的能力，关系到信息数据 的隐蔽和保密。理想的扩频码应该具有如下特性： 有足够多的码组： 有尖锐的自相关特性； 有处处为零的互相关特性； ， 6 渺一渺 如丽 第二章多码扩频及分块传输的理论 不同码元数平衡相等： 尽可能大的复杂度： 具有近似噪声的频谱，即近似连续谱且均匀分布。 理论上说，只有纯随机序列作为扩频码才是最理想的。但是，要同时满足这些特征的码是任何一种编 码序列很难达到的；另一方面，接收机必须产生与发送端码序列相同的本地码序列，真正的随机序列或噪 声不可能重复产生。我们只能产生一种周期性的序列来近似随机序列和噪声，称为伪随机码和伪噪声序列。 伪随机码具有尖锐的自相关特性和较好的互相关特性，同一码组内的各码占据的频带可以做到很宽并且相 等。但是伪随机码由于其互相关值不是处处为零，用作扩频码且同时作为地址码时，系统的性能将受到一 定的影响。伪随机码有一个很大的家族，包含很多码组，例如m 序列、m 序列、g o l d 序列、f , a s a m i 序列、 f r a n k 序列、w a l s h 序列、r - - s 码序列和复合码序列等1 9 j i l ”。 皿序列 周期为p = 一1 的m 序列 q ) ，其归一化自相关系数为 i1f = 0 r o ( 7 ) 2 一! f o q 8 lp i l l 序列的互相关性是指相同周期的两个不同的i n 序列 q 岛 的相似程度。实际上，m 序列呈现某种 相关性和互相关函数多值性。并且对多数m 序列来说，其互相关函数峰值纯。，以及它与自相关函数峰值 矿( o ) 的比值，即。，伊( o ) 是太大了尽管能找出m 序列中的一个小子集且有小的互相关峰值，然而这 沃尔什码是由数学家w a l s h 证明其正交性的w a l s h 函数表征的。2 n 阶w a l s h 码可用递推公式产生 = 1 = ( 荔鞘二 一吲 耻暖筠 7 东南大学硕士学位论文 式( 2 9 ) 是产生2 n 阶w a l s h 码的递推矩阵，称为哈达码矩阵。w a l s h 码可以由哈达码矩阵的行( 或 列) 映射构成，码的种类等于码的长度。理论上可以证明，w a l s h 码具有理想的同步正交性能。但是，在 非同步传输状态下，w a l s h 码的自相关性和互相关性均很不理想。r a ( z ) 有较大的旁瓣值，不利于码的同 步；疋( z ) 的旁瓣值是c d m a 系统产生多址干扰的根本原因。此外，w a l s h 码各码序列的功率谱分布彼此不 均匀相同，不能独立承担扩频作用。 对码序列正交性的研究指出，正交w a l s h 码组与伪随机码序列级联形成的级联码组既保持了同步正交 性又降低了非同步互相关函数值- 当选用一个m 序列m ( t ) 和n 个w a l s h 码彬( r ) ，f = 1 ，2 ，n ，组成n 个复 合码r e ( t ) ( r ) ，册( ，) ( ，) ，m ( t ) w n ( t ) ，这一组新码具有同步正交性，在非同步时的互相关和自相关特性 也优于w a l s h 码。 g o l d 序列 对于周期为p = 2 “一1 的m 序列，若序列 a t 和 包) 的互相关函数疋0 ) 满足 i r a ，。( r ) f ”+ 1 ) 上 肿2 ) j 聆为奇数 ( 2 一l o ) 栉为偶数，且n 不是4 的整数倍 则称 a j 和 包 为m 序列优选对。 r g o l d 于1 9 6 7 年提出了一种基于m 序列优选对的码序列，称为g o l d 序列。它是m 序列的组合码， 由优选对的两个m 序列逐位模2 加得到，当改变其中一个m 序列的相位( 向后移位) 时，可得到一个新的 g o l d 序列。 周期为p = 2 ”一1 的i i 序列优选对生成的g o l d 序列，由于其中一个m 序列不同的移位都产生新的g o l d 序列，共有p = 矽一1 个不同的相对移位，加上原来两个m 序列本身，总共有( 2 ”+ 1 ) 个g o l d 序列。 g o l d 序列有三值互相关特性，其互相关函数值为 其中，f 0 ) 定义为 r 。( f ) = ，( ”) 一2 p 一7 1 ( 2 1 1 ) f ( 栉) p ，c 胛，= ：；：凳君萋，且 不是。的倍数( 2 - - 1 2 )( 胛) 2 1 1 + 2 。跏+ 2 ) ”为偶数，且 不是4 的倍数 - 8 5 5 o o 口 口 ，一尸，一p ，jlj、【 第二章多码扩频及分块传输的理论 所以。g o l d 序列的互相关函数低于原m 序列优选对互相关函数，即有r 。( f ) m 时，经过多码扩频以后的信号带 宽比发送信号的带宽大。从而扩展了原始信号的带宽。 图2 1 传统的多码扩频系统原理图 该多码扩频系统有一系列的优点，由于每一个码道的比特序列都是通过同样的无线信道，因此功率控 - 9 东南大学硕士学位论文 制问题就变得相对来说比较简单；此外，公共的无线信道也意味着，对所有码道的数据来说接收的时延特 性是相同的，这无疑会减少接收机设计的复杂度。在接收端，采用一系列的r a k e 接收机来对多径信号进 行分集接收，通过将特征序列直接与正交码相级联，保证了接收端的各个r a k e 接收机的同步处理，并且 在存在时延扩展的情况下，减少了不同子码道之间的互相关。 对多码扩频系统进行数学建模，设输入的二进制数据信号为： x ( f ) = x , p t ( i t b ，( i + o t b ) ( 2 1 3 ) f 1 日 其中，t 一1 ，1 ) ，并且p a x , = 1 = 1 2 ，p a t , ，t 2 ) 是在区间【l i , t 2 】上的一个脉冲信号，瓦是一个数据 比特的持续时间。设经过n 倍采样器之后第k 个子码道上的数据信号和正交码分别为： b r t ) = b f k ) p , ( i t ，( f + 1 ) r ) ( 2 1 4 ) 正交码( f ) 满足如下条件 特征序列c ( f ) 定义如下 一1 w k ( t ) = 形n ( 玎：，( f + 1 ) t ) ( 2 1 5 ) f ，o m 毗肛 ：羔( 2 - - 1 6 ) c ( ，) = c 只( f t ，( ，+ 1 ) t ) ( 2 1 7 ) m 根据上述定义，可以得到y ( f ) 的表达式： m y ( ，) = b k ( t ) w k ( t ) ( 2 1 8 ) k = l 2 1 5 低复杂度的多码扩频系统 传统的多码扩频系统接收机包括m 个r a k e 接收机，接收机的复杂度与经过n 倍采样后的低比特率数 据流的数目成正比，因而系统硬件实现的功率消耗、占用的资源等都是相当大的。考虑到，如果正交码采 用w a l s h 序列，那么，发送和接收都可以采用快速沃尔什变换( f 盯：f a s tw a l s ht r a n s f o r m ) 来实现， 并且接收端只需要一个r a k e 接收机，从而大大降低了系统实现的复杂度。 采用f w t 和i f w t 的多码扩频系统实现结构如图2 2 所示： 1 0 第二章多码扩频及分块传输的理论 一酽 d 吐母一 l 伟t p s 小匡丑吨受墨乎 s p ；知“ 廿回一 例2 2 低复杂厦的多码扩频系统实现结构 下面将证明上图给出的多码扩频系统的实现结构与传统的多码扩频系统在功能上是一致的。考虑一个 符号间隔【o ，列内的数据传输，令x = 【x 1 屯，嘞】，= 蹦“， 石= 【蜀，置，x u 】= x w ，其中， f 形o 喇1 赠1 ：甲硝2 卜哗i ( 2 - 1 9 ) i i i 彤州孵孵耐j 因此，咒= 也嘭s 6 5 。叼“，考虑在区间【o ，明上经过沃尔什变换以后的基带传输信号： 蜀( r ) = 以只( ( 疗一1 ) 乏，n t o ) n = l 2 荟否6 5 ”贬”只( o 1 ) z ，丹瓦? ( 2 2 0 ) 月o i # o l。 = 铲( f ) 三】，( f ) 这样就证明了多码扩频系统的发送机可以用f l 盯实现，同理，也可以证明接收机同样可以用i f w t 实现。 2 1 6 增强的多码扩频系统 图2 3 是增强的多码扩频系统原理图。它对传统的多码扩频系统的改进之处是在c h i p 累加器之后加 了一个线性变换器，这个线性变换器可以采用各种形式的块交织器，从而可以使整个系统的性能得到了相 当程度的改善。通过选择性能好的特征序列c ( r ) 可以进一步提高系统的性能。当然，根据发送端所选择的 符号映射的方式，选择合适的r a k e 接收机的类型，也可以进一步优化系统的性能；当采用圆形星座图形 式的符号映射的方式时，等增益合并和最大似然比合并类型的r a k e 接收机都可以使用；当采用方形星座 图形式的符号映射的方式时，只能采用等增益合并类型的r a k e 接收机，因为最大比合并类型的r a k e 接收 机会改变数据符号星座图的判决边界【1 6 1 1 7 l 【1 8 】。 东南大学硕士学位论文 图2 3 增强的多码扩频系统原理图 传统的多码扩频系统为了克服码间干扰，假设信号的比特持续时间必须明显大于信道的时延扩展。通 过将多码直序扩频技术与块交织结合起来，即在多码扩频与扰码之间加一个c h i p 级的块交织器，整个多 码扩频系统的性能可以得到相当程度的改善，从而即使在严重的多径频率选择性衰落信道的情况下，也可 以提供高速的数据传输。在加交织的多码扩频系统中，通过选择完全正交的扩频序列，可以克服i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ；而通过对多径信道进行分集，可以克服时延扩展明显长于一个码元的信 道散射情况。与传统的多