基于matlab的直序扩频通信系统的仿真设计

1、基于matlab的直序扩频通信系统的仿真摘 要根据扩频理论，用MATLAB对直接序列扩频通信系统进行了仿真。根据香农定理和科捷尔尼科夫潜在抗干扰理论,通过MATLAB的仿真平台对直扩通信系统进行了仿真,建立了扩频通信系统仿真模型,详细讲述了各个模块的设计,接收端同步捕获过程采用数字匹配滤波器的原理。在给定的仿真条件下，对仿真程序进行了运行测试，得到了预期的仿真结果。关键词：直接序列扩频；通信；MATLABDirect sequence spread spectrum communication system based on matlab simulationAbstract In this

2、paper, based on the spread spectrum theory, I use MATLAB to simulate the direct sequence spread spectrumAccording to the shannon theorem and jie's nico's potential interference theory, direct sequence spread spectrum is simulated by the simulation platform which is offered by MATLAB. And it

3、tells the story of the design of various modules in detail. The receiver synchronization capture process adopts the principle of digital matched filter. In a given simulation conditions, I run the test simulation program and get the expectant simulation results.Key Words:direct sequence spread spect

4、rum, communication, MATLAB目录1绪论11.1 扩频通信的概述11.2扩频通信的发展与应用12 直接序列扩频通信32.1理论基础32.2扩频通信系统的指标42.3扩频通信的种类52.4直接序列扩频通信系统62.5 扩频序列112.6 扩频序列的同步捕获142.6.1 扩频序列的伪码同步142.6.2 扩频序列的同步捕获163 直接扩频系统MATLAB仿真253.1 直接扩频MATLAB仿真组成框图253.2 m序列发生器253.3 高斯噪声253.4干扰和解扩判决263.5仿真结果分析263.6实验心得28附录29参考文献32致3334 / 341 绪论1.1 扩频通信

5、的概述扩频通信与光纤通信、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,它是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上,在接收端通过相关接收,将信号恢复到信息带宽的一种系统1。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处,即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善,从而提高了系统的抗干扰能力。扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展频谱后成为宽频带信号，然后送入信道中传输，在接收端再利用相应的技术或手段将扩展的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。利用扩频技术，系统频率利用率比频分系统要高很多1。由

6、于扩展频谱技术具有抗干扰能力强、截获率低、多址能力强、抗多径干扰、性好与测距能力强等一系列的优点，使得扩频通信越来越受到人们的重视1。1.2扩频通信的发展与应用扩频技术的历史可以追溯到20世纪50年代中期，扩频技术主要应用在军事通信和通信中，但是直到80年代初，随着个人通信业务的发展以与全球定位系统的应用，扩频通信技术又在移动通信中得到广泛的应用，无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域，到现在为止使用扩频技术的用户已经超过一亿。因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，目前它在这两个领域仍占据重要的地位。 扩频技术的最初构想是在第二次世界大

7、战期间形成的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以与其它方面。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素，战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率"的结论。跳频通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频则起源于导航系统中高精度测距1。 真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9CARake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞

8、克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室(JPL)在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以与跟踪环路的设计。从此军事部门对军事通信、空间探测、卫星侦察、导弹制导等方面广泛应用扩频通信方式的研究就十分活跃了1。 一直到80年代初期，美国联邦通信委员会(FCC)于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告，从此扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。扩频技术最初在无绳中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳使用，而扩频通信

9、技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历，而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址(CDMA)的应用。随着通信技术、超大规模集成电路和计算机技术的发展，以与扩频通信理论的不断深入研究和成熟，基带的编码和相关信号处理都变得越来越容易实现和完善了，扩频技术也从军用不断地向民用方面普与。由于扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰性能、低功率密度隐蔽传输、信息传输、任意选址等特点，在通信、测距、定位、控制等诸多领域使用时都具有其独特的优点，因而在国际上受到普遍关注而迅猛发展。目前，各个国家为了满足R益增长的民用通信容量的需

10、求和有效地利用频谱资源，都纷纷提出在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，因此扩频技术己广泛应用于蜂窝、无绳、微波通信、无线数据通信、遥测遥控等各种系统中1。2.直接序列扩频通信2.1理论基础直接序列调制扩展频谱通信系统，是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，在收端再用与发端扩展用的一样的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，从而恢复出扩频调制以前的信息。扩频技术主要是将基带信号的频谱扩展至很宽的频带进行传输，接收端采用相关接受的原理，将扩展的频谱恢复到基带信号的频谱，从而抑制传输过程中加进来的干扰。通常的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函数（一般

11、是伪随机编码信号）在时域相乘来扩展信号的频谱。扩频通信的基本理论依据是信息论中香农的信道容量公式 C=Blog2(1+) (bit/s) （21）式中：C为信道容量（比特/秒）；B为信道带宽（赫兹）；N为噪声功率；S为信号平均功率。由上式可以看出，对于任意给定的信噪比SN，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者说在信道中当传输系统的信噪比下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变，而C是系统无差错传输信息的速率。这说明了在增加信道带宽后，在低的信噪比情况下，信道仍可在一样的容量下传送信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加传输信

12、号的带宽，也能保持可靠的通信。可见，扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统大几百倍至几千倍，所以在一样的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰能力2。扩频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。即在发送端将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去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号调制到射频发射出去。二是相关处理后恢复成窄带信息数据。由接收端采用与发射端同步的代码进行相关检波，把被展宽有用频谱收集起来，所形成的信息码送给后端进行解码。正是由于这两大持

13、点，使扩频通信系统比常规的通信系统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰能力。此外还具有信息隐蔽、高分辨率测距、低的空间无线电波“通量密度”与多址通信等优点2。22扩频通信系统的指标衡量扩频通信系统性能好坏的性能指标主要有两个：处理增益和干扰容限。在衡量扩频通信系统的抗干扰能力的优劣时，通常引入处理增益Gp来描述，它定义为接收相关处理器的输出信噪比与输入信噪比之比，即： Gp=输出信号噪声功率比/输入信号噪声功率比=10lg(db)=（22）式中：Bc为频谱扩展后的信号带宽，Bb为频谱宽展前的信息信号带宽。在直扩系统中，处理增益也等于伪随机码速率Rc与信息码的码速率Rb的比值。Gp= （

14、23）处理增益的物理意义表明扩频系统对于信噪比的改善程度，即对干扰的抑制程度。它反映经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号能力的大小。扩频通信系统的抗干扰能力与扩频处理增益成正比，处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。目前国外在工程上能实现的处理增益对直扩系统来说可以达至70dB，如果系统的基带滤波器输出信噪比为10dB，则这个系统的输入端信噪比为-60dB，也就是说，信号功率可以在低于干扰功率60dB的恶劣条件下正常工作。所以扩频系统在深空超远距离的通信工程中占有显著的地位2。处理增益表明了扩频系统对干扰的抑制程度，但系统能否正常工作仅靠处理增益是不能描述的，它主要取决

15、于干扰容限。干扰容限用来表示扩频系统在干扰环境中的工作能力。它定义为在保证系统正常工作条件下(系统输出信噪比一定)，接收机输入端能够正常承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用Mj表示：（24） 式中：Gp为系统的处理增益，Lsys为扩频系统的部损耗，(SN)out为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比。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，当干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因此它往往比处理增益更确切表征了系统的抗干扰能力2。例如，某系统扩频处理增益Gp=30dB，要求相关器输出信嗓比(SN)=10dB，系统损耗Lsys=2dB，由此可得干

16、扰容限为Mj=30-(2+10)=l8dB，也就是说，只要接收机前端的干扰功率不超过信号功率18dB，系统就能正常工作。23扩频通信的种类 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信基本方式分为：直接序列扩频、跳频、跳时、线性调频以与上述几种方式的组合。就是采用高速率的直接序列伪随机码与待传输的信息信号波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，在发送端来扩展传输信号的带宽，在接收端采用一样的伪码进行相关解扩，恢复出传送的信息。形象地说就是采用特定伪码控制的多频率频移键控。它是用二进制伪随机码控制射频载波振荡器输出信号的频率随着伪随机码的变化而跳变。频率跳变系统可供随机选取的载波频率数通常是几千几万

17、个离散频率。就是采用特定的伪随机码控制的多时片的时移键控，使发射信号在时间轴上离散地跳变，由于采用了窄很多的时隙去发送信号，相对来说信号的频谱也展宽了。跳时方式主要用于时分多址(TDMA)通信中。是指系统的工作频率在一给定的脉冲时间间隔线性地扫过一个很宽的频带，形成一个带宽很宽的扫频信号。由于线性脉冲调频信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而也可以获得较好的抗干扰性能。在上述几种基本的扩频方式基础上，可以组合起来构成多种混合方式。例如：FHDS、DSTH、FHTH等。不同方式结合起来的优点有时能够得到单用其中一种方式所得不到的特性3。因本课题是针对直接序列扩频通信技术的研究，所以对直扩系统做

18、一下重点介绍。2.4直接序列扩频通信系统直扩系统是最典型、应用较为广泛的一种扩展频谱通信系统。人们对直接序列扩频系统的研究最早，研制出了许多直扩系统，比如美国的国防卫星通信系统(AvVSC28)、全球定位系统GPS等等3。直接序列扩频方式是直接用伪随机编码序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。接受机在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电路来捕获发送来的精确伪码相位，并由此产生跟发送端伪码相位完全一致的伪码作为本地解扩信号，以便能够与时恢复出数据信息，完成整个直扩通信系统的信号接收3。直扩系统的组成原理框图如图2-1所示：信号源扩频

19、调制器时钟源扩频码发生器载波发生器高放放混频器解扩解调器本振时钟源扩频码发生器 同 步图2-1直接序列扩频通信系统的组成原理框图 由信源产生的信息流通过编码器变换为二进制基带信号d(t)，二进制数字信号中所包含的两个符号的先验概率一样，均为1/2，且两个符号相互独立，二进制基带信号是宽为Tb的+1或-1值的矩形波信号，1Tb为信息数据的传输速率，用Rb表示；扩频编码是码长为N、码元宽度为Tc、+1或-1取值的矩形波信号c(t)，扩频序列脉冲c(t)通常称为码片(chip)，其持续时间Tc。被称为码片间隔，其倒数lT。称为码片速率Rc，通常发送信号的带宽取决于码片速率，一般扩频序列的速率Rc是M

20、bs的量级，有的甚至达到几百Mbs，而待传输的信息流数据的码速率Rb较低，如数字语音信号一般为1632kbs。 基带信号与高速率的扩频编码序列时域相乘或者模2加得到频谱扩展后的复合信号d(t)c(t)，经载波Acos(2fct+)进行调制(直接序列扩频一般采用PSK调制)，然后通过发射机和天线送入信道中传输，发射机输出的射频信号用s(t)表示。直扩系统发射信号s(t)的数学表达式为： s(t)=Ad(t)c(t)cos(2fct+) （25） 因为在任何时刻t都有d(t)c(t)=±1,则信号可表示为：S(t)=Acos(2fct+(t)+) (26) 其中A为载波信号振幅，fc为载

21、波频率，为初始相位，当d(t)c(t)=+1时，(t)=0；当d(t)c(t)=-1时，(t)=，其相位变化速率为1Tc 。 直扩系统的处理增益为码片速率与信息数据速率的比值，即，其值越大，说明抗干扰能力就越强。 扩频信号的功率谱密度函数如图2-3所示，它等于信息码和扩频码两信号功率谱密度函数在频域的卷积积分，包络是(sinxx)2型的，其带宽等于功率谱的主瓣宽度Rc，即直扩系统的射频带宽在二元PSK调制下BRF=2Rc，而与数字基带信号的码速率Rb无关4。图2-2 理想扩频系统波形示意图图2-3直接序列扩频信号的功率谱 在传播过程中，传输信号受到各种干扰信号与噪声的污染，在不考虑传输过程号电

22、平衰减的情况下，接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，收到的信号用r(t)表示为 r(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) （27） 式中sI(t)为有用信号，nI(t)为信道噪声，JI(t)为干扰信号，sJ(t)为其它网的扩频信号。接收端伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端产生的伪随机序列一样，但起始时间或初始相位可能不同，为c,(t)。解扩的过程与扩频过程一样，用本地的伪随机序列c,(t)与接收信号进行相关运算，相乘后为 r(t)=r(t)c(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) （28） 对噪声分量、干扰分量和不同网干扰，因与本地伪随机码不相关

23、，经相关处理后其频带在接收端被扩展，即干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之，使落入信号频带的干扰信号功率大大降低。 而有用信号分量 sJ,(t)=sI(t)c,(t)=Ad(t)c(t)c,(t)cos(2fct+) （29） 若本地产生的伪随机序列c,(t)与发端的伪随机序列c(t)同步时，有c,(t)=c(t)，则c,(t)c(t)=1，这样信号分量 sJ,(t)= Ad(t)cos(2fct+) （210）经后面解调器进行解调后，将有用信号d,(t)解调出来。由于有用信号和本地伪随机码有良好的相关性，在通过相关处理后被压缩到中心频率为fIF，带宽为Bb的频带，又因为相关器后的中频滤波器通

24、频带很窄，通常为Bb=2Rb，所以中频滤波器只输出被基带信号d,(t)调制的中频信号和落在滤波器通频带的那部分干扰信号和噪声，而绝大部分的干扰信号和噪声的功率被中频滤波器滤除，这样大改善了系统的输出信噪比，达到抗干扰目的。下面以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明这一问题。 图2-4 解扩前后信号功率谱密度示意图 如图2-4所示，解扩前，假设所有信号的功率谱是均匀分布在B=2Rc的带宽之，各信号的功率一样，在图中各部分的面积均为Po；解扩后的信号功率谱各部分面积保持不变，通过相关解扩后，有用信号的频带被压缩在很窄的带宽，可以无失真地通过带宽为Bb=2Rb的中频滤波器，其他信号与本地伪随机序列不相

25、关，根据频域卷积定理，频带被扩展为本地伪随机序列带宽的两倍，即B=4Rc，所以进入中频滤波器的能量很少，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。可以定性地看出，解扩前后的信噪比发生了显著的改善。综上所述，直接序列扩频系统具有如下优点：(1) 抗干扰能力强 扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效地恢复，干扰信号(包括瞄准性窄带干扰和宽带干扰)由于与本地PN码不相关而被相关器抑制掉。(2) 具有强的抗多径干扰能力 无线电波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体(如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面)等引起的反射和折射信号被接收

26、天线接收。反射和折射信号的传播时问比直射信号长，就会对直射信号产生多径干扰。多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。由扩频序列的自相关函数的特性知道，当两个接收信号序列相对时间超过码元宽度时，相关器输出只为码长的倒数，故被很大程度地抑制掉3。 (3) 对其他电台干扰小，抗截获能力强理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间的能量就很小，同时它的频带很宽。因此它具有很强的抗截获性。简单的说：由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度

27、比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，特别适合应用于军事领域的通信6。(4) 可以同频工作由于采用相关解扩，所以只要每部通信机的解扩PN码不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有互相干扰，只是多增加点背景噪声而已。(5) 便于实现多址通信由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址(CDMA)通信。移动通信系统采用CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量大6。2.5 扩频序列在扩展频谱系统中，扩频运

28、算是通过伪随机序列来实现的，因此在系统中有一个伪随机码发生器，它是构成扩展频谱通信系统不可缺少的一部分，伪随机码性能的好坏，直接关系整个系统性能的好坏，是一个至关重要的问题。 (1) 伪随机码的要求 香农编码定理指出：只要信息速率Rb小于信道容量C，则总可以找到某种编码方法，在码周期相当长的条件下，能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信号中恢复出原发送的信息。同时香农又指出：在高斯白噪声的干扰下，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。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为 S(f)= -<f<（211） 其自相关函数为：（2

29、12）其中为时延，定义为：（213） 白噪声是一种平稳随机过程，它具有如下特性：瞬时值服从高斯分布(或正态分布)；功率谱在很宽的频带都是均匀的，其值为N0/2；自相关函数具有类似函数的形状，即具有尖锐的自相关函数。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难，然而人们已经找到一些易于产生又便于加工和控制的伪随机码序列，它们的统计特性近似于或逼近于高斯白噪声的统计特性，因此在工程上与实践中，用伪随机码信号来逼近，并作为扩频通信系统的扩频码。伪随机码又称为伪噪声码，简称PN码。大部分伪随机码都是周期码，通常由二进制移位寄存器来产生，在工程上常用二元域0，1的0元素与1元

30、素的序列来表示。由于这种码具有类似白噪声的性质，相关函数具有尖锐的特性，功率谱占据很宽的频带，因此易于从其他信号或干扰中分离出来，具有良好的抗干扰特性。理想的扩频码主要应具有以下特性：有尖锐的自相关特性，而互相关特性应接近0值；有足够长的码周期，以确保抗侦破与抗干扰的要求；码的数量足够多，以实现码分多址的要求；在cdmaOne通信系统中采用的用户地址码是周期为2421的m序列，在WCDMA通信系统中采用的用户地址码是周期为2411的Gold序列等，其中最简单、最基础的伪随机序列是m序列。因此，本文采用的扩频序列也是m序列，故对m序列作重点介绍。（2）m序列m序列是最长线性移位寄存器序列，这种序

31、列易于产生与复制，有优良的自 相关特性，是扩频系统中应用最多的一种伪随机码。m序列有如下性质：周期性：m序列的周期为N=2n-1,n为移位寄存器的阶数。均衡性：在m序列的一个周期，“1”与“0”的个数基本相等，准确地说，“1”的个数比“0”的个数多一个，且“1”的个数为2n-1个，“0”的个数为2n-1个。游程特性：游程就是一个序列中取值一样的连在一起的元素。在一个游程中元素的个数称为游程长度。在周期为N=2n-1的m序列中，总游程数为2n-1个，其中元素0的游程与元素1的游程数目各占一半；长度为k（1kn-2)的游程占游程总数的2k，最后还有一个长度为n的全1游程和一个长度为n-1的全0游程

32、。移位相加特性：一个m序列与其任意移位序列模2相加，所得序列仍是该m序列的另一个位移序列。m序列的自相关特性： (214)将m序列的每一比特变换为宽度为Tc（Tc=1/Rc）、幅度为1的波形函数，当m序列为0元素时，波形函数取正极性，否则取负极性。经过这样变换后，周期为N的m序列就变为码元宽度为Tc、周期为NTc的m码。m码的自相关函数为：（215）式中，N=2n-l为m序列的周期。它的自相关函数曲线如图2-5所示。由图可以看出，当周期很长与码元宽度很小时，R()近似于冲激函数()的形状。 图2-5 m码的自相关函数曲线由相关函数理论可得知，信号的自相关函数R()与功率谱密度函数G(f)构成一

33、对傅里叶变换，因此我们很容易由m码的自相关函数经过傅里叶变换得出功率谱密度，如图2-6所示，其趋于白噪声的功率谱特性。图2-6 m码的功率谱密度示意图 m序列的生成是由移位寄存器加上反馈后所产生的，其结构如图2-7所示 C0 1 C2 C3 Cn 序列输出 a1 a2 a3 . an 图2-7 m序列生成器结构示意图图中ai(i=1，2，n)为移位寄存器中每位寄存器的状态，Ci(i=0，1，2，n)为第i位寄存器的反馈连线系数。当Ci=0时表示反馈线断开；当ci=l时表示反馈存在。在此结构中co=cn=1，不同的反馈逻辑，即ci取不同的值将产生不同的移位寄存器序列。若初始状态为全0时，则线性移

34、位寄存器输出的状态将不会改变，因此在实际应用中全0这种状态应避免。n级线性移位寄存器的反馈逻辑可用特征多项式表示为： （216）若n级移位寄存器产生的非零序列周期为N=2n-1，则称这个序列为n级最大周期线性移位寄存器序列，简称m序列。能产生m序列的特征多项式必是不可约的，且是本原多项式，一个本原特征多项式对应一个最大长度序列，也就是对应一个m序列。2.6 扩频序列的同步捕获2.6.1 扩频序列的伪码同步 对于常规数字通信，接收端有了相干载波，即可解调出基带数字信号，然而对于扩频信号，首先要完成解扩才能进行解调。接收机若要把伪码扩展的信号解出，接收方就必须能产生一个与发方一样的伪码序列(保证最

35、大相关值)，而且该本地伪码速率、相位要与接收到的伪码保持一致。对于约定好的收、发方用同一个伪码很容易办到，但是，如果要从解扩相关器得到传送的信息，仅仅保证一样的码型是远远不够的，因为即使一样的伪随机码，当相位差大于一个码片时，它们的相关峰就完全消失。所以扩频信号的同步是扩频通信的关键技术，其性能的好坏直接影响到系统的性能和可靠性。在扩频系统中，对同步来说存在两类不确定的因素，即伪码延时(伪码相位)和载波频率的不确定性。引起同步这两个不确定性因素的原因主要有以下几个方面：频率源的漂移、扩频序列的启动时差、电波传播的时延、多普勒频偏、多径效应等，这些原因将造成收发两端的不同步。 伪码同步一般分为两

36、步进行，伪码同步流程见图2-8。同步捕获 是 调整时钟 搜索 是否捕获 停止搜索 否 转入同步跟踪 失步 同步锁定 同步跟踪 是 否 图2-8伪随机码同步流程图一是同步捕获(又称粗同步)，主要是捕获伪码。接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间围搜索和捕获有用信号，找到接收信号中伪码的起始相位，使收端伪码与发端伪码的相位差小于二分之一个码元；二是同步跟踪(又称精同步)，一旦完成捕获后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，进一步减小收端码元与发端码元的相位误差

37、，一般误差要小于十分之一码元时间，并使收端码元跟踪发端码元的变化。同步捕获的方法很多，由于解扩过程通常都在载波同步之前进行，载波相位在这时是未知的，大多数捕获方法都利用非相干检测。捕获方法的共同特点是用本地信号与收到的信号相乘，即进行相关运算，获得二者相似性的量度，并与一个门限相比较，以判断其是否捕获到有用信号。如果认为捕获到有用信号，则开始跟踪过程，使系统保持同步，否则又开始继续搜捕。当伪码捕获完成后，系统将控制权交给伪码跟踪电路，对本地伪码序列相位进行精确调整，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步；当伪码跟踪电路失步时，再将控制权交给伪码捕获电路，重新进行同步捕获。跟踪与一般的数字通信系

38、统的跟踪方法类似，一般采用锁相环原理来完成跟踪过程，关键还是在第一步的同步捕获。在直接序列扩频系统中，伪码的同步捕获是构成码同步系统的重要结构，也是直扩系统中必不可少的部分，因此在本论文中只讨论几种同步捕获的方法。2.6.2 扩频序列的同步捕获应用中扩频码大部分是伪随机序列，伪随机序列的一项基本特性是其自相关函数的旁瓣极低。例如，m序列的自相关函数相移为零时为序列周期N；当相移不等于零时，相关函数值为-1。扩频序列的捕捉与跟踪便是依据此特性而实现的，只要检测发送扩频序列与本地序列在2N个相位状态下的相关函数值，便可判断二者相位是否对齐，即是否捕捉成功。PN码捕获方法可分为有源相关和无源相关两种

39、。有源相关时采用了在不同的搜索区间，用不同相位的本地码与输入码相关的方法。如果检测不到相关峰，则时钟脉冲驱动本地码移向下一个搜索区间并重复上述的相关过程，一直到检测到正确的相关峰为止。常用的有源相关法有滑动相关法、序列相位搜索法等；而无源相关是采用一种与已知的扩频码相匹配的无源滤波器，只有当输入码与接收机的匹配滤波器的脉冲响应相匹配时，才可得到最大的相关输出，否则就没有相关输出。常用的无源相关法多使用声表面波器件(SAW)或数字匹配滤波器。 捕获的过程是检测器采用某种特定算法遍历整个未知相位区间的过程。通常，把整个未知相位区间分成有限个小区间，每次检测一个小区间。遍历算法可以是串行也可以是并行

40、，或者串并结合，或者从某个特定的区域开始，逐渐扩展到整个区域。以前采用的主要是串行捕获方法，这种方案实现简单，但捕获速度不能满足要求。而现在大规模集成电路的应用使并行捕获方案成为可能，但系统的复杂度很高，因此研究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折衷。在串行捕获方案中，利用一些新的搜索算法，进一步缩短捕获时间，改进这些系统的性能，已经成为研究的热点。(1) 序列相位搜索捕获法当扩额序列周期N>l时，并行捕捉法需要2N个相关器，电路设备量过大。为了减少并行捕捉的相关器数量，一般采用顺序搜索的捕捉方法，只需要一个相关器即可。顺序搜索捕捉的基本原理是：使用一个相关器，在0一TD期间

41、积分，在TD时刻将积分器的输出送给一门限比较器，当积分器的输出值小于设定的门限值时，说明本地参考扩频码序列的相位与接收扩频码序列的相位不一样，门限比较器输出一信号给扩频码序列相位搜索控制器，在其作用下不断地改变本地序列的相位状态，相位的变化量可设为Tc2，并在每个相位进行相关检测，判断该相位是否同步，直到相关器的积分值超过设定的门限而达到最大，从而实现扩频码序列的同步捕获。 门限值门限比较器接收信号 解调器 相关器 射频放大器扩频码发生器相位搜索控制器0 T0积分器 已捕获 载波 图2-9序列相位搜索捕获系统若扩频码序列长为N，码元宽度为Tc，则扩频码序列信号的周期为T=NTc。接收扩频码序列

42、与本地参考扩频码序列作相关积分后，经门限比较器进行比较判别，TD为一次积分的时间。设检测概率Pd=1，虚警概率Pra=O，若Tc/2为搜索相位改变增量，则搜索完扩频码序列一个周期的时间即为最大的同步捕获时问TACmax=2NTD，若只经过一次积分，不需要再搜索就实现了捕获，即为最小的同步捕获时间TACmax=TD，这样扩频码序列相位搜索捕获法的平均同步捕获时问为TAC=(N+1/2)TD。 扩频码序列相位搜索捕获法的特点是电路设备量少，易于实现，但平均同步捕获时间随着扩频码长度的增加而增大，在扩频码的长度比较长的情况下要实现快速捕获是很困难的，所以不适用于低信噪比长序列PN码捕获。(2) 滑动

43、相关捕获法 滑动相关捕获法，是基于扩频码序列相位搜索方法建立起来的，是一种最简单也是最基本的搜索法。所谓滑动相关就是使本地参考扩频码产生器的时钟频率与接收扩频码时钟的频率有一定的偏差，通过改变本地参考扩频码产生器时钟的频率来达到改变码序列的相位。依据具体的实现方案，分成单积分滑动相关法、串行双积分滑动相关法和并行双积分滑动相关法。单积分滑动相关捕获系统的电路由压控振荡器(VCO)、分频器和时钟信号成型电路组成，如图2-10所示解调后的扩频基带信号与本地扩频序列相关后送入积分器，输出的积分值和门限比较器的门限值作比较，若该值低于设定的门限值时，输出一低电平信号给时钟电路，此信号控制VCO输出信号

44、的频率，从而改变时钟信号的频率，间接改变了本地参考扩频码序列的相位状态，其结果相当于本地参考扩频码序列的相位作Tc/2的滑动。当积分器的输出大于设定的门限值，就完成了扩频码的捕获，进入到扩频码序列的同步跟踪。因此单积分滑动相关捕获法的平均同步捕获时间同序列相位搜索捕获法一样也为TAC=(N+1/2)TD。图2-10 单积分滑动相关捕获系统原理图 与序列相位搜索捕获法不同的是，门限比较器输出的低电平用以控制时钟信号的速率而不是直接控制相位。如果本地扩频序列相位与发送来的扩频序列相位相差Tc，单积分滑动相关捕获系统积分时间TD=Tc。在初次作TD=Tc相关积分后，因本地扩频序列相位与发送来的扩频序

45、列相位不一致，积分输出信号经门限比较输出一个信号，控制改变时钟信号的速率，即压控振荡器的振荡信号频率，使本地扩频码的码元宽度由Tc变为Tc，使积分时间TD由原来的Tc变为TD=(+1/2)Tc，这就实现了本地扩频码的相位滑动了半个码元，经过了2次相位滑动后，本地参考扩频码序列相位状态达到与接收扩频码序列相位一致，这时本地参考扩频码的码元宽度由F恢复到最初的瓦，相位滑动被中止，实现了扩频码序列相位的同步捕获，因此扩频码序列的相位同步捕获时间为2TD。 单积分滑动相关捕获电路简单，但是当扩频序列很长时，同步捕获时间很长。实际上平均同步捕获时间与积分时间TD、检测概率Pd、虚警概率Pfa都有关，而T

46、D、Pd与Pfa之间相互牵制，故难以减小捕获时间。因此当要搜索的PN码相位比较多时，此时可以考虑使用多个相关器，即将单积分检测改为多积分检测，这样每个相关器只要搜索较少的相位，从而减少捕获时间4。多积分检测器中具有若干个积分电路，并且各个积分电路具有不同的积分时间。捕捉开始时，先用积分时问最短的积分器进行积分并对其输出判决，这样可以快速地去掉那些非同步状态，当然这会引起很高的虚警概率。如果输出大于门限，判决为同步(其中包含了虚警)，再用积分时间更长的积分器来检测，以进一步去除虚警。直至所有检测都大于门限时，才判定为同步。这样，通过快速地去除非同步相位，系统的平均捕捉时间大大降低。 最常使用的多

47、积分检测是采用双积分检测，根据两个积分器相对位置的不同，又可分为串行双积分滑动相关捕获系统和并行双积分滑动相关捕获系统。串行双积分滑动相关捕获系统把原单一积分时间为TD的积分器改为积分时间为TDI和TD2的两个积分器，并且TDl<TD2，第一个积分时间为TDl的积分器仅提供一个捕获到扩频码序列相位的粗略估值，在此基础上第二个积分时间为TD2的积分器提供一个本地序列是否进入同步跟踪的更准确的估值，处理流程见图21l。 并行双积分滑动相关捕获系统同理也是积分时间为TDl和TD2的两个积分器，并且TDI<TD2，两个积分器并行同时进行积分。当第一个积分器输出小于门限值，则对两个积分器同时

48、清零开始下一个相位的检测，若大于门限值，则第二个积分器继续TD2的积分，直到两个积分器都大于门限值，表明同步捕获完成。积分器清零门限2TD2积分门限1改变Tc/2TD1积分开始 否 是 跟踪环路 图2-11串行双积分滑动相关捕获系统的捕获流程滑动相关法的优点是硬件电路十分简单，但是当接收码同本地码之间失配量达到很大时，搜索过程可能很长，因为要识别捕获总要一定的时间，因此搜索速度不能过快。尽管存在上述问题，在实际工程应用上，滑动相关法总是首选方案之一。但是要和别的方法结合使用，先用其它快速捕获的方法使两个码序列接近到一定程度，再用滑动相关法实现捕获，即并串结合的快速捕获方法。(3) 匹配滤波器法

49、 以上串行捕获系统的电路结构简单，但是其搜索时间较长，在许多应用的场合，对捕获的时间有较高的要求，因此采用并行捕获结构可以实现捕获时间最短，但并行捕获需要N个相关器，所以电路较为复杂。用匹配滤波器对伪码进行快速捕获是一种行之有效的方法，这种方法可以在中频进行，也可以在基带进行。中频多采用模拟器件声表面波(SAW)匹配滤波器来完成，基带多采用数字集成电路来完成。匹配滤波器的基本原理 匹配滤波器是一种无源相关技术，它可以快速地实现相关器的功能。这里的“匹配"是指滤波器的传递函数为所传输信号的复共轭函数4。匹配滤波器的基本结构如图2-12所示。主要由三部分组成：移位寄存器、乘法器和多输入加

50、法器组成，这是一个类似于FIR数字滤波器的结构。图2-12 匹配滤波器结构图滤波器的输出SO(t)是输入信号s(f)和滤波器冲激响应向(f)在时间域的卷积积分。在0一TD的时间间隔，匹配滤波器的冲激响应为输入信号的时间反转，即： h(t)=s(Th-t) (0tTb) （217）则其输出波形为： s0(t)=s(t)*h(t)=R(t-Tb) （218）R(t)为输入信号的自相关函数，因此匹配滤波器可以看成是一个相关器，但一般相关器必须经过时间为T的积分，才能得到一个相关值，而匹配滤波器的每个时间点上都能输出一个相关值，因而是一种快速的相关器件。当处理基带信号时，设输入的伪随机码序列为： s(

51、n)= （219）其中ak为周期为N的伪随机码序列的序列值，为冲激序列。匹配滤波器的输出波形为输入伪随机码序列的自相关函数，如前图2-5所示。匹配滤波器的冲激响应为： （220） （221）所以匹配滤波器传递函数为： （222）基带数字匹配滤波器同步捕获法传统的匹配滤波器捕获法采用声表面波器件，该器件在通信领域应用广泛，可以大大减少捕获时间，另外它是无源器件，结构简单，稳定性能好。但SAW器件插损大，而且滤波器长度也受限于国工艺水平，只能对长码的一小段进行匹配，在低信噪比下不可靠；而且对SAW延迟器件来说，伪码序列是预先确定的，器件制造好以后伪随机序列就不能改变了。 随着大规模集成电路的迅猛发

52、展，使用数字匹配滤波器(DMF)进行并行捕捉方式的优势逐渐体现出来，对于需要高性能、低功耗的数字扩频通信系统来说，使用DMF是一种必然的选择。 数字匹配滤波器与传统的匹配滤波器相比，它主要有以下一些优点：可通过编程改变PN码的码型，码长等；获得很大的处理增益，而且处理增益在一定的围任意可调，此外它还有捕捉时间短、体积小、开发周期短、易于实现等。 如图2-13所示，在数字匹配滤波器中，接收的扩频码序列信号被送入M级移位寄存器中寄存，本地参考扩频码序列按某一相位状态存入另一M级移位寄存器中。当两码序列的相位状态不一致时，所得到的相关值较低(此时为扩频码序列自相关函数的旁瓣值)，接收扩频码序列再输入

53、下一相位状态，相关过程相当于接收信号滑过本地序列，每一时刻产生一个相关结果，当滑到两个序列相位对齐时，必有一个相关峰值输出(扩频序列在零相移时的自相关函数值)，检测到这个相关峰值，并同时启动另一个预先设置好的PN码序列发生器，那么此PN码序列必定与接收序列同步，实现了扩频码序列的捕获。图2-13 数字匹配滤波器的并行相关捕获法设输入数据的矩形脉冲周期为Tc，输入码序列长为N，在仅仅T=NTc时间里，码序列所有可能的相位都被搜索一遍，因而具有很高的相位搜索速度。其平均同步捕获时间为： TAC=MTs+Tc （223）式中，Ts是每级移位寄存器装载一个码元的时间对于M级移位寄存器需要花费的时间为MTs。一般Tc=Ts，所以平均捕获时间又可以写为： TAC=（M+)Tc （224） 数字匹配滤波器在解扩过程中自动完成了伪随