（模式识别与智能系统专业论文）dmbt系统中pn码捕获识别的研究与实现.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 d m b t 系统中采用的直接序列扩频通信是目前应用最广的扩频工作方 式，而p n 码同步是接收端能否正确解扩的关键技术之一，它一般包括捕获、 跟踪以及载波同步三个步骤，捕获是整个同步过程中最困难的，尤其是低信 噪比条件下长码的快速捕获。本文主要研究d m b t 系统中p n 码的捕获识别 技术，分析比较了基于滑动相关器和匹配滤波器两种捕获方案的工作原理与 捕获性能，提出一种改进的基于匹配滤波器的多停顿捕获方案。 针对传统匹配滤波器占用硬件资源大的缺点，新方案在匹配滤波器结构 和算法上进行了优化，在原有硬件规模的基础上扩充了系统的捕获验证功能， 降低了系统的虚警概率，减少了p n 码的平均捕获时间和方差。在软件无线 电硬件平台上完成了p n 码捕获识别系统的全f p g a 设计和实现，通过对捕 获系统的仿真测试，验证了所提出方案的可行性和先进性。 最后，在总结了本文内容的基础上，针对文章的理论分析和仿真结果， 结合实际设计中遇到的问题，探讨后续研究工作展望。 关键词：数字匹配滤波器p n 码捕获直接序列扩频 d m b t f p g a 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t l l l m ( d s s s ) t e c h n o l o g ya d o p t e di nd m b t s y s t e mi st h em o s tc o m m o n - u s es p r e a ds p e c t r u mp a t t e m a sak e yp r o c e s so f d s s s ， s y n c h r o n i z a t i o ni n v 0 1 v e st h r e es t e p s ： p nc o d ea c q u i s i t i o n ，p nc o d e t r a c i n ga n dc a r r i e rr e c o v e 巧，w h i l ea c q u i s i t i o ni sm em o s td i m c u l tt e c h n 0 1 0 9 yo f t h e m ， e s p e c i a l l yf o rl o n gs e q u e n c er a p i da c q u i s i t i o ni nl o ws 培n a l - t o - n o i s e r a t i o t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ea c q u i s i t i o na n dr e c o g n i t i o no fp nc o d ei n d m b ts y s t e m ，w eh a dr e s e a r c h e da n dc o m p a r e ds e v e r a la c q u i s i t i o ns c h e m e s s u c ha ss l i d i n gc o r r e l a t i o na n dd i g i t a lm a t c h e df i l t e r ( d m f ) ，t h e i rs t r u c t u r e sa n d p e r f - o m a n c ew e r ed i s c u s s e da l s o f i n a l l y ；ai m p r o v e dm u l t i p l e - d w e l ls c h e m e b a s e do nd m fw a sp r o p o s e do nt h ef b u n d a t i o no fa n a l y s i sa b o v e s i n c et h er e a l i z a t i o no fc o n v e n t i o n a ld m fr e q u i r e sc o m p l e xh a r d w a r e r e s o u r c e ， s t r u c t u r ea n da l g o i l i t h mw e r eo p t i m i z e di nt h ep r o p o s e ds c h e m ei n w h i c hav e f y i n gf u n c t i o nh a db e e ne x p a n d e di n t os y s t e mb a s e do no r i g i n a l c r i c u i t a c c o r d i n g l y ，c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a ld m f ， n e wd e s i g nc a n e f f e c t i v e l yd e c r e a s et h ef a l s ea l e r tp r o b a b i l i t ya n ds h o r t e nt h ea v e r a g et i m eo f p na c q u i s i t i o na n di t sv a r i a n c e t h ew h 0 1 es c h e m ew a si m p l e m e n t e do nf p g a h a r d w a r ep l a t f b mc o n c r e t e l ya n ds k i l l 如l l y ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h e a d v a n c e m e n ta n df e a s i b i l i t yo fp r o p o s e ds c h e m e a tl a s t ， i tr e v i e w e dt h ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na n da c c o r d i n gt ot h e 1 i m i t a t i o no ft h es y s t e md e s i g n e db o t hi ns i m u l a t i o na n di m p l e m e n t a t i o n ，s o m e i d e a sw e r ed i s c u s s e dt oi m p r o v et h e 向t u r ew o r k k e yw o r d s ：d m f ；p nc o d ea c q u i s i t i o n ；d s s s ；d m b t ；f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得西南科技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。 签名：霜窀彬 日期：少莎纱 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅：学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名谢彦衫 导师签名：芴一钐 日期：形夕纱 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1绪论 1 1课题研究的背景 在经历了机械电视时代、黑白电视和彩色电视时代以后，电视正朝着高 清晰度电视和数字化方向前进，模拟电视在全世界范围内正在逐步引退。经 过多年坚持不懈的研究和发展，地面数字电视广播取得了很多的成果，世界 上已经提出了三个地面数字电视广播标准：欧洲的d v b t 、美国的a t s c 和 日本的i s d b t ，许多国家和地区都在选择和制定自己的地面数字电视广播标 准。在此背景下，我国相关机构吸取了上述世界上三个地面数字电视系统的 经验和教训，借鉴了数字通信领域近年来取得的最新技术成果，提出了一种 创新的、适合我国国情的地面数字电视广播传输系统，和美国、欧洲的地面 标准相对应，称为地面数字多媒体电视广播( d m b t ：t e r r e s t r i a ld i g i t a l m u l t i m e d i “t vb r o a d c a s t i n g ) 协议。 在电视信号传输过程中，由于回波干扰和信道的线性失真，会在接收符 号间产生符号间干扰( i s i ) 。目前有效消除i s i 的技术有两种：时域均衡技 术和正交频分复用( o f d m ) 技术。美国的数字电视就是采用了判决反馈均 衡器，而调制技术采用了数字8 v s b 方式。均衡器技术比较成熟，被广泛应 用于各种通信领域，但它有两个缺点：一是结构复杂，成本较高；二是仅对 时延较短的i s i 效果比较好，对时延较长的i s i 效果比较差，此时，采用正交 频分复用( o f d m ) 技术更好。o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成 ( 设共有n 个载波) ，各载波通常采用同一种或不同的调制方式调制。串行 传输的符号序列亦被分为长度为n 的组，每组内的n 个符号分别被n 个子 载波调制，然后一起发送，所以o f d m 实质是一种并行调制技术。将符号周 期延长n 倍，从而提高了对i s i 的抵抗能力。在o f d m 中，为提高频带利用 率，使各载波上的信号频谱互相重叠，载波间隔的选择应使这些载波在整个 符号周期上是正交的，即在符号周期上的任何两个载波的乘积都为零。这样， 即使各载波上的信号频谱间存在重叠，也能无失真地复原，由于当载波间最 小间隔等于符号周期的倒数时可满足正交条件，为实现最大频谱效率，一般 取载波最小间隔等于符号周期的倒数。 欧洲的d v b t 系统中采用编码的正交频分复用c o f d m 传输。编码正交 频分复用中的“编码 的含义之一是指在o f d m 频谱中随机插入了一些“导 频 信号，这里所谓的“导频 是指这样一些o f d m 的载波，它们由接收机 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 已知的数据调制，它们所传输的不是调制数据本身，因为这些数据是接收机 系统己知的，设置导频的目的是系统通过导频上的数据传送某些发射机的参 量或测试信道的特性。导频在c o f d m 中的作用十分重要，它的用处包括： 帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计、传输模式识别和跟踪相 位噪声等。但是，因为在c o f d m 中f f t 和导频是互相需求的，导频是在f f t 之后插入的，而f f t 计算又需要首先同步( 导频) ，然后才能计算f f t 。因 此，c o f d m 采用迭代逼近算法，该方法收敛误差大，收敛时间长。 为克服己有技术的不足之处，我国提出的d m b t 标准采用了时域同步 正交频分复用( t d s 0 f d m ：t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u s 一0 r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 多载波调制技术。它是一种时域频域混合的方案，它 既具有o f d m 的优点，又避免了欧洲c o f d m 的缺点。在该方案中没有插 入c o f d m 导频信号，而是利用了扩频通信技术在信号帧体中插入扩频的 p n 伪随机码，用于帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计和跟 踪相位噪声等，使其具有收敛误差小，收敛时间短的优点。为了实现快速和 稳定的同步，d m b t 传输系统采用了可与绝对时间同步的分级帧结构形式， 帧结构的基本单元是信号帧，2 5 5 个信号帧定义为一个帧群，5 1 2 个帧群定义 为一个超帧，帧结构的顶层称为日帧，由4 7 8 个超帧组成。信号帧由帧同步 和帧体两部分组成。帧同步采用了b p s k 调制的经过编码的8 阶m 序列， 扩频方式为直接序列扩频( d s s s ) ，帧体由采用多载波调制的d f t 块组成。 其中的每个信号帧能由其帧同步认定，由于8 阶m 序列共有2 5 5 个不同的相 位，每个信号帧同步序列可分配有唯一的相位，所以帧同步序列能作为一个 特殊信号帧的帧同步特征而用于识别幢。 扩频技术是一种信息处理传输技术，它与光纤通信、卫星通信一同被誉 为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频技术是利用同欲传输数据 ( 信息) 无关的码对被传输信号扩展频谱，使之占有远远超过被传送信息所 必需的最小带宽。在接收机中利用同一码对接收信号进行同步处理以解扩和 恢复数据。这种通信方式与常规窄带通信方式的区别是：首先，它在信息的 频谱扩展后形成宽带传输；其次，它在相关处理后再恢复出窄带信息数据。 按照扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可以分为：直接序列扩频( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 工作方式，简称直扩方式；跳变频率 ( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 工作方式，简称跳频方式；跳变时间( t i m eh o p p i n g ， t h ) 工作方式，简称跳时方式；宽带线性调频( c h i 印m o d u l a t i o n ) 工作方 式，简称c h i r p 方式；上述各方式的混合形式例如d s f h ，d s t h ，d s f h t h 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 等 1 。 鉴于d m b t 系统中采用直接序列扩频方式( d s s s ) ，且d s s s 接收系 统中核心关键技术之一的伪随机码( p s e u d o r a n d o mn o i s e ，p n ) 同步问题为当 前研究的热点，本文拟就t d s o f d m 中p n 码的同步捕获及识别问题进行深 入的研究。 1 2 直接序列扩频通信中的同步问题 与其它数字通信系统相同，同步是扩频系统中的关键技术。对扩频系统 来说，其同步不仅需要一般数字通信系统的同步过程( 载波同步、位同步、 帧同步等) ，还需要实现扩频码同步( 码时钟同步、码相位同步) 。当码同 步定时偏移超过系统1 个码元时，接收机就不能对接收到的扩频信号正确解 扩，即使同步偏差小于地址码元宽度也会引起有用信号功率损失，使输出有 用信号功率下降，处理增益降低。所以扩频系统同步不仅比一般数字通信系 统同步更为复杂，其要求也更为严格。对扩频系统性能要求越高，对同步系 统要求也越复杂、越严格，在各种实际扩频系统中，设计优良的同步系统往 往是最困难的，在人为干扰情况下p n 码同步电路如果失效将严重影响系统 性能，甚至导致整个系统完全瘫痪n ，。 在扩频通信中，引起扩频系统同步不确定的因素有：频率源的漂移、电 波传播的时延、多普勒频移、多径效应等，这些都会导致码相位及载波频率 的不确定。扩频接收机要能够正常工作，就必须解决上述因素的干扰，达到 以下的接收效果：码相位的分辨率必须小于一个码片( c h i p ) 时间，从接收 机看到的中心频率必须使解扩后的信号落到相关滤波器的频带范围内，并将 本地载波频率始终对准输入信号的载波频率。 总的来看，直扩系统的p n 码同步过程一般分为两个阶段：第一阶段为 捕获过程即粗调过程，它通过调节送到解扩器的本地码相位实现两个伪码之 间初始同步，当捕获过程完成时用于解扩的本地参考信号码相位与接收扩频 信号码相位偏差将小于一个p n 码单元，这时接收机能大致正常解调出信息； 第二阶段为p n 码的定时跟踪即细调过程，跟踪是通过相位锁定方法不断调 节补偿本地码相位漂移，以达到进一步缩小同步误差和保持这种精确同步的 目的。在扩频码同步系统工作过程中，同步捕获和跟踪状态应该可以相互转 换，在捕获出现假锁或因强干扰引起失步时，同步系统必须能够迅速地从跟 踪状态重新转入捕获状态。而在捕获真正锁定时，同步系统也应迅速转入到 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 跟踪状态。所以同步系统应采用同步识别控制系统以控制捕获和跟踪之间的 相互转换1 。 p n 码定时跟踪问题研究限于两种基于迟早门的定时误差检测器一延迟 锁定环( d l l ) 和t 抖动环( t d l ) 以及基于这两种环路的改进类型，比如 双抖动环( d d l ) 、和差延迟锁定环( d l l ) 以及改进码跟踪环( m c t l ) 等，其本质是基于信道波形自相关函数偶对称特性。以上两种环路分析设计 技术比较成熟，因此目前直扩同步系统研究的主要着眼点在于研究高效、稳 定的捕获系统。 1 3直接序列扩频通信同步捕获技术的研究现状 直扩系统捕获技术在国外研究得较早也较为广泛，通过查阅近期国内外 发表的文献，得知当前研究主要集中在以下几个方面：搜索策略( 串行， 并行，串并行) 及其分析方法u 町“。基于参量估计和信号检测理论，研究 最佳的检测和判决方式，提高检测概率，降低虚警概率”。判决信号的产 生方法，即针对不同的输入信号( 基带中频，相干非相干，存在数据调制 或多普勒频移等) 和不同分布的噪声、干扰，研究最佳的相关器和匹配滤波 器的结构，以获得最佳的信噪比和最短的驻留时间n 3 。1 ”。几乎所有捕获方法都 包含以下过程：接收p n 序列与本地p n 序列相乘得到一个相关值，该相关 值通过某种检测器或某种判决准则来判断两个序列是否同步，若不同步则通 过某种搜索策略处理本地p n 序列。 从检测、判决方式来考虑，可将捕获系统分为单次停顿( s i n g l ed w e l l ) 和多次停顿( m u l t i p l ed w e n ) 两种，单次停顿是指通过单一固定时间观测结 果来判决是否同步，还可以分为观测整个p n 码周期的单停顿系统和观测部 分p n 码周期的单停顿系统。多次停顿是指根据多次观测判决结果来确定p n 码是否同步，可以将多停顿系统的多次观测判决看成是对第一次观测判决的 确认，一般多用两次停顿，因为它对系统性能的提高最为明显引。 从搜索策略来考虑，目前扩频系统的典型同步捕获方法有：滑动相关器、 匹配滤波器法和序贯估值搜捕法。 滑动相关器的优点是简单，只需将接收机码时钟调到合适的速率即可， 这是因为接收系统在搜索同步时，码序列发生器与发射机的码序列发生器以 不同的速率工作，结果这两个码序列在相位上互相滑动，只有在到达某点 时才停下来。它的缺点在于p n 码的时钟频率相差不多时，导致搜索时间过 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 长。现在常用的一些捕获方法大多在此基础上采用一些措施来限定搜索范围 或加快搜索时间，从而改善其性能。 匹配滤波器法有识别码序的功能，可以利用它进行快速捕获。当前存在 模拟和数字两种匹配形式，模拟形式是指采用电荷耦合器件( c h a r g ec 0 u p l e d e v i c e ，c c d ) 与声表面波器件( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 构成相干 器，以其可编程性和使用灵活而受到广泛的重视，它的缺点是插入损耗大 以及硬件工艺的水平有待提高。数字形式的滤波器采用数字集成电路，如移 位寄存器构成，匹配滤波器工作性能的好坏决定于元件延迟时间是否准确， 能否与时钟周期匹配，如失配则影响同步质量。 序贯估值搜索法由w a r d 于1 9 6 5 年提出幢”。这种捕获系统主要是使用序 列估计方法通过观察接收信号来估计发端p n 码发生器移位寄存器状态，并 用估计到的状态加载本地p n 码发生器移位寄存器。可以看出这种系统同步 速度也相当快，但很容易受到噪声干扰。其最大不足在于要对发端p n 码发 生器移位寄存器状态进行估计，首先要对接收信号解调，因此是一个相干系 统，这在很大程度上限制了其应用。 1 4 课题的来源及意义 本课题来源于绵阳广电中心“数字移动电视项目，主要研究基于软件 无线电硬件平台实现d m b t 传输系统中扩频序列的捕获识别系统。软件无 线电是近来比较热门的技术，其思想是通过软件将多种功能加载在一个通用 的硬件平台实现各种无线通信功能，是实现未来无线通信系统的有效手段。 因此采用软件无线电技术来实现扩频捕获系统是很自然的思路，用软件无线 电技术来实现扩频系统的研究也一直在继续。 当前针对扩频系统捕获的方法有很多，不同的方法有各自的优点和缺点， 找到一种具有较好的实时性、较高的精确度和较低的复杂度的同步方法对整 个扩频通信系统的设计和实现是非常重要的。同时，现代通信系统都逐渐从 模拟走向数字化，实现一个全数字化的扩频捕获系统显得十分有必要和有意 义。在以往的数字信号处理电路中一般都采用d s p 芯片，它具有移植性较差 的缺点，目前f p g a ( 现场可编程门阵列) 容量、功能和可靠性都得到很大 的发展，结构布局布线方便灵活，含有丰富的库资源，很容易实现各种电路 设计和完成较复杂的运算，而且具有较好的移植性，这些都非常有利于系统 的全数字化实现。因此本文基于软件无线电平台用f p g a 实现扩频序列的捕 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 获识别系统也是非常具有研究意义的。 1 5 论文的主要工作和内容安排 在导师的悉心指导下，结合项目要求，作者阅读了大量的关于扩频通信 方面的文献，并对扩频通信捕获电路进行了较深入的学习。本文的主要工作 是对d m b t 系统中帧同步p n 序列捕获识别电路的设计和实现，重点对p n 码捕获的不同算法进行深入的分析和研究，并提出一种改进的基于匹配滤波 器的捕获识别方案。同时，也对该算法的全f p g a 设计进行了详细的介绍。 第l 章是本文的引言部分，对本课题的理论基础及应用背景做出简介， 提出了本文研究的意义，并对本文的主要工作做出总结。 第2 章主要介绍了直接序列扩频系统的基本原理及扩频系统的基本组 成。另外就扩频系统中常用的扩频码m 序列的理论及性质也给出了较详细的 分析。 第3 章对直接序列扩频码的捕获技术进行了研究，详细分析了基于滑动 相关器和匹配滤波器捕获方案的结构框图及工作原理，提出了一种改进的基 于匹配滤波器的捕获方案并进行了性能分析和比较。 第4 章基于软件无线电平台对所提出新方案各个组成模块的硬件实现方 法做了介绍，并进行了m o d e l s i m 软件与f p g a 硬件仿真，验证了系统的可 行性与先进性。 文章的最后是对全文的总结。在回顾本文内容的基础之上，针对文章的 理论分析和仿真结果，结合实际设计中遇到的问题，探讨今后工作改进的方 法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2直接序列扩频技术 本章研究了直接序列扩频技术的基本原理，通过详细分析得出了其相对 于一般通信系统的优点。介绍了完整的直接序列扩频收发系统的框图，并简 要说明了各个模块的组成和作用，为以后的系统仿真和系统实现提供了基本 的框架。由于扩频系统的性能同扩频码有很大关系，所以本章最后对扩频码 的性能也作了详细分析。 2 1 直接序列扩频技术基本原理 2 1 1理论基础 直接序列扩频通信系统( d s s s ) ，简称直扩系统，是目前应用最广泛的 扩频系统。将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去，在接 收端用与发射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，恢复出原来的干扰信息。由于干扰信息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，达到抗干扰的目的儿2 ”。其理论依据是信息论中的信道容量公式一 香农定理： c = b l 0 9 2 ( 1 + ) ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中： c 为信道容量，表示该信道信息传输的最大速率； b 为信道传输带宽： & ，为信噪比。 式( 2 1 ) 表明在带限a w g n 信道中，一个系统信道无误差地传输信息 的能力跟信道中的信噪比( 彤，) 以及用于传输信息的信道带宽( 曰) 之间的 关系。也即，要想提高信道容量，可以通过提高信噪比或是增大传输带宽来 实现。换句话说，在信道容量一定的情况下，可以用增大带宽的方法换取低 的传输信噪比。扩频技术正是利用这一原理，用高速的扩频码来扩展待传输 数字信息的带宽以获得较低的信息差错率，扩频通信系统的带宽比常规通信 系统大几百倍至几千倍，因此具有较强的抗噪声干扰能力。 其次，香农又指出：在高斯噪声的干扰下，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 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为： s 【= o 2 一 w + ( 2 2 ) 其自相关函数为： 尺g ) = 去亡s ( 如m 咖= 等万( r ) ( 2 3 ) 其中：w = 2 和为时延，荆= 像：。 白噪声的自相关函数具有j ( f ) 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、加工和复制至今仍存在着许多技术上的困 难。然而，有许多易于产生又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信号的统计特性。 设某种伪随机序列周期为p ，且码元都是二元域 l ，1 ) 上的元，假设一个 周期为p ，码元为x 的伪随机序列x 的归一化自相关函数为： 尺，o ) = ! ，：1 ，_ ，：o p ? 1 。 ( 2 4 ) ! ，：! ，j 知 一“ pi 毫p 式中歹= 0 ，1 ，2 p l 。 可以看出当伪随机序列码长p 取足够长或p 趋于无穷时，该伪随机序列 和白噪声信号有类似的统计特性，也就是逼近于高斯信道要求的最佳信号形 式。可见用伪随机码扩展待传输基带信号的扩展频谱通信系统，优于常规通 信体制。 2 1 2扩频技术的特点 由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调 制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难于替代的优良 性能，民用后迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特 点【7 j ： ( 1 ) 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，但仍然满足 不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干 扰，为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。 扩频通信发送功率极低( 1 6 5 0 m w ) ，采用了相关接收技术，且可工作在 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今 各种窄道通信共享同一频率资源。所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频 通信不需申请频率，任何个人与单位可以无执照使用。 ( 2 ) 抗干扰性强，误码率低 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检 测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩 展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干 扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信 噪比很高，因此抗干扰性强。当处理增益g p = 3 5 d b 时，抗干扰容限m 产2 2 d b ， 即在负信噪声比( 2 2 d b ) 条件下，可以将信号从噪声的湮灭中提取出来。在 目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信 方式。 ( 3 ) 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小 由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小， 信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数( 如伪 随机编码序列) 就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有 很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。 ( 4 ) 可以实现码分多址 扩频通信提高了抗干扰性能j 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，则可大为提高频带的利用率。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 不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一 来，在同一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。 ( 5 ) 抗多径干扰 在无线通信的各个频段，长期以来，多径干扰始终是一个难以解决的问 题。在以往的窄带通信中，采用两种方法来提高抗多径干扰的能力：一是把 最强的有用信号分离出来，排除其他路径的干扰信号，即采用分集接收技术； 二是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐 相加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。 这两种技术在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性，在接 收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码 序列的波形相加合成，这相当于梳状滤波器的作用。另外，采用频率跳变扩 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 频调制方式的扩频系统，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起 到了频率分集的作用。 ( 6 ) 能精确地定时和测距 我们知道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，也就等于测量两个物 体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码 速率很高，每个码片占用的时间就很短。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码序列，然后比较收发两个码序列相位之 差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而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。 ( 7 ) 适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务 扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适 合于数据和图像传输。 ( 8 ) 安装简便，易于维护 扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此十分 可靠、小巧，大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。 2 1 3 主要性能指标 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标他“。 ( 1 ) 处理增益g 口 在扩频系统中，传输信号经过扩频和解扩的处理，系统的抗干扰性能得 到提高，这种扩频处理得到的好处，称之为扩频系统的处理增益，其定义为 接收相关处理器输出与输入信噪比的比值，即 q = 输出信噪比一只d 输入信噪比 墨m ( 2 5 ) 一般用分贝表示为： 叫0 l g 器( 7 ( 2 - 6 ) 可以看出： g p = 鲁= 鲁 协7 ， 由此可见，直扩系统的处理增益为扩频信号射频带宽眈与传输的信息带 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 宽曰的比值，或为伪随机码速率尺。与信息速率尺的比值，也即直扩信号的 扩频倍数。一般情况下，发送信息的带宽是不变的，要提高扩频系统的抗干 扰能力，就应该提高扩频系统的处理增益，即提高扩频用的伪随机码的速率。 但是当处理增益提高到一定程度时，就不能再靠提高伪随机码速率的方法来 提高系统的处理增益，而应考虑用别的办法，比如可以降低信息速率等。 扩频增益表征了扩频系统对信噪比的改善程度。但是这并不意味着，当 干扰信号功率电平超过有用信号功率电平的量等于扩频增益时，系统还能良 好的工作。为此，必须引入另一个性能参数：干扰容限。 ( 2 )干扰容限 所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下( 系统输出信噪比一 定) ，接收机输入端能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝( d b ) 数。 用尬表示，如( 2 8 ) 式所示。 、牛g p 一熹粕 其中： s 为系统内部损耗； 洲为系统正常工作时要求的最小输出信噪比； g 。即系统的处理增益。 ， 干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能允许的极限干扰强度，即只有 当干扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因此它往 往比扩频增益更能确切的表征系统的抗干扰能力。在d s s s 码分多址系统中， 不同伪随机序列调制的各个数据信息调制在同一载频上进行传输，由伪随机 序列间互相关引入的干扰成为扩频码分多址系统性能的限制因素，因此对伪 随机序列相关特性的研究成为提高系统容量、抗干扰能力和同步速率的重要 方面。 2 2d s s s 扩频系统组成 d s s s 扩频系统由发射机和接收机组成。以b p s k 调制为例，图2 1 给出 了一种中频软件无线电方式实现的d s s s 系统的简化框图，在该系统中，扩 频解扩处理是在基带完成的。 在发射端，信源数据经过信源编码和信道编码后通过和伪随机码相乘( 或 作异或) 进行扩频调制，伪码调制后的信号带宽远大于数据带宽，宽频基带 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 信号通过数字上变频器变换到中频，将中频信号经过d a 、中放、射频功放 然后由射频天线发射出去；接收端通过天线、波段滤波和高放以及和本振混 频，得到中频模拟信号，再经过中频的a d 变换得到数字中频宽带信号，将 数字中频信号下变频得到基带的扩频数字信号，然后和本地伪随机码相乘解 扩，再经过窄带低通滤波器后恢复出原始数据信息。 基带通带 基带 图2 1直接序列扩频系统简化框图 f i g 2 1 b l o c kd i a g r a mo fd s s ss y s t e m 信号输入：7 ( 1 ) 二进制传输数据 比) = 口。g r o 一疗瓦)瓴= 1 ，哪 刀 o o ) 。 ( 2 - 9 ) 式中g 刑是持续时间为死的矩形脉冲。 ( 2 ) 伪随机扩频码 c o ) = c 。p ( f 一力疋) c 。= + 1 棚 甩 ( 2 - 1 0 ) 式中p ( f ) 是持续时间为疋的矩形脉冲。 其中v ( f ) 的速率为尺，瓦= 去；c ( f ) 的速率为r c ，疋= 去。那么传送数据 的带宽b w d 。协约为尺，伪随机扩频码的带宽b w 。约为尺c 。 扩频调制： 将二进制数据v ( f ) 和伪随机码c ( f ) 直接相乘，得到新的传输的二进制基带 信号烈f ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 d ( f ) = v ( f ) c ( d 这样传送的数据的速率即为p n 码的速率r 。，带宽也约为尺。， 谱的展宽。扩频增益为： 。g p ：堕：生：c 。 。 曰形妇 尺 具体时域和频域的变化过程如图2 2 所示。 ( 2 11 ) 实现了频 ( 2 - 1 2 ) | | i 肌a f r e q u e h c y 图2 2扩频过程时域、频域变化图 f i g 2 2 g r a p h i co fs i g n a it i m ea n df r e q u e n c yd o m a i ns h i f t i n gi ns p r e a d s p e c t r u mp r 0 c e s s 信号解扩： 在接收端，将接收信号乘以一个与发送端相同并且同步的伪随机码c ( f ) ， 得到 烈f ) c ( f ) = v ( f ) c ( f ) 。= v ( f )( c ( f ) 。= 1 ) ( 2 - l 3 ) 即实现了解扩过程，这时数据的带宽从尺。又变回到了尺，其时域和频域 的变化如图2 3 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 * t b l； 肌?扩。 图2 3解扩过程时域、频域变化图 f i g 2 3g r a p h i co fs i g n a lt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i ns h j f t in gi nd e s p r e a d s p e c t r u mp r o c e s s 2 3 直接序列扩频通信系统的伪随机序列 在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的，扩频系统的性能 同扩频码的性能有很大关系。对扩频码通常提出以下要求m ，： ( 1 )易于产生； ( 2 ) 具有随机性； ( 3 ) 扩频码应该具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小 段去重建整个扩频序列： ( 4 ) 扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接 收时的捕获和跟踪，以及多用户应用。 从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中 为了解扩应当有一个与发送端扩频码相同的副本。因此，实际上我们只能用 伪随机或伪噪声( p n ) 序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质， 但它是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序列。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 扩频码中应用最广的是m 序列，又称最大长度序列，其它还有g o l d 序 列，l 序列和霍尔序列等，本文主要讨论m 序列。 m 序列是最长线性移位寄存器序列，是由移位寄存器加反馈后形成的。 m 序列是伪随机序列中最重要的一种，其易于实现，有优良的自相关特性， 在直扩通信系统中用于扩展要传递的信号。它可由图2 4 所示的反馈移位寄 存器产生。 图2 4反馈移位寄存器结构 f i g 2 4 t h ef r a m eo ff e e d b a c ks h i f tr e g is t e r 图2 4 中锄f ( f = 1 ，2 ，3 ，) 为移位寄存器中每位寄存器的状态，取值为l 或者o ；c f ( 卢1 ，2 ，3 ，) 为对应于第f 位寄存器的反馈系数。当c 产o 时，表 示无反馈，将反馈线断开；当c 尸1 时，表示有反馈，将反馈线连接起来。注 意在此结构中必须保证c d = c ，= 1 。 在把m 序列作为扩频码时，每一个码元有一定的宽度，设为瓦，下面推 导扩频码的相关函数。设二元脉冲序列码元宽度为疋，幅度+ 1 和一1 的概率 各为1 2 ，所有脉冲幅度值相互独立。脉冲波形起始时间为丁，z 在o 到疋 之间均匀分布。任取两个时刻f j 和如，且o f j 幻 疋。当延时i | = 七疋 ( 扣l ，2 ，3 p 1 ) 时，m 序列的自相关函数为 f 1 ，= o ，o )