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文档简介

直序扩频信号码元的同步方法研究扩频通信是围绕提高信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新理论,其构想形成于二战时期,理论形成与40年代末,50年代初期,60年代首先在军事通信保密和抗干扰领域获得应用,70年代以来,尤其是其突出的抗干扰性能,扩频通信(CDMA)系统在移动通信领域占有重要的地位。扩频通信技术起初主要是用来为战争环境下的军队提供安全可靠的通信服务,其独特的信号传输原理从根本上克服了传统通信体制易受干扰的致命缺陷,所以一直以来都是世界各国通信专家关注的焦点。后来,扩频通信的应用范I韦I从原先的军事用途逐渐扩展到民用通信以及网络构建等多个领域,围绕扩频通信技术研发的产品也层出不穷。正是由于扩频通信长期以来在通信领域所处的特殊地位,就更加值得我们去深入研究和探讨,以便在原有基础上寻求更大的突破。根据香农(CE.Shannon)在信息论研究中总结出来的信道容虽公式,即香农公式:C=Wxlog2(S/N)式中:单位:b/s,C为信道容虽,它是信道可能传输的最大信息速率,W为信道带宽,S为有用信号的平均功率,N为白噪声的平均功率,S/N就是信噪比。由该公式可以看出:为了提高信道容量C,可以从两种途径实现,即加大信道带宽W或提高信噪比S/N。换句话说,当信道容虽C一定时,信号的带宽W和信噪比S/N是可以互换的,即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。由此可以理解,当带宽增加到一定程度时,允许信噪比进一步降低,有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术换取信噪比降低来实现可靠性传输的,这就是扩频通信的基本思想。扩频通信有频带效率、处理增益和干扰容限三个基本参数。频带效率:传送的码速率bit/s与数字信号占用的频率带宽Hz之比,即bit/Hz,频带效率和信源编码不相关,仅取决于信号调制的方式,代表调制的信息密度,也称为调制信息密度。例如,GSM标准规定200KHZ信道传输270Kbit/s,它的频带效率是1.4bit/Hz。处理增益:因为发射信号的频谱在扩频系统的发射端被扩宽,在接收端经相反处理恢复原始信号,这一过程会对噪声信号进行一次扩频处理,很大程度地降低噪声信号功率,使得接收机的输出信噪比比输入信噪比增大许多,从很大程度上改善了系统的抗干扰能力。所以,扩频系统的抗干扰性可以用系统的输出信噪比与输入信噪比的比值来表示。大量理论研究证实,扩频系统的抗干扰性能在很大程度上都和扩频信号带宽B与信息带宽Bm的比值成正比。我们把扩频增益Gp表示为:B

Gp=101g—它表示了扩频系统信噪比改善的程度。干扰容限:要想清楚地表明系统在干扰环境下运行的能力如何,仅了解扩频系统的处理增益是不够的。因为扩频系统正常运行,不但要保证输出端有一定的信噪比,而且还要去除系统内部消耗的信噪比,因此干扰容限Mj必不可少,其表达式为:MJ=Gp-【闵。+山式中,(9为输出端的信嗥比,Ls为系统损耗。扩频技术之所以能够在军用和民用领域得到广泛应用,是因为它具有许多窄带通信所不具备的优良性能。它的主要特点有:可以进行多址通信。扩频通信可以用不同的扩频码构成不同的网,它本身就是一种多址通信,即扩频多址(SpreadSpectrumMultipleAccess,SSMA):抗干扰能力强:安全保密性好、隐蔽性好:抗多径:抗衰落:高精度的测距和定位。扩频通信是一种信号传输技术,最常用的是立接序列扩频方式。直接序列扩频的原理是:在发送端,用伪随机(PN)序列与要发送的信息相乘,先使用伪随机码对数据信息进行编码调制,这样信号频谱就扩展到很宽的频带上,即对待传送的信息进行扩频处理,信号幅度小于噪声幅度,然后再传输信号,这就极大地提高了通信的抗截获能力和隐蔽性:在接收端,用与发送端一样的伪随机序列与扩频信号相乘,对接收信号进行相关解扩解调处理,恢复出原来的信息。在接收端进行解扩处理时,干扰信号的频谱会被展宽,这样就会降低信号频带内的干扰信号功率,增加系统的输出信噪比,达到了抗干扰的目的。直接扩频系统的结构框图如图1所示。(b)接收系统图1直接扩频通信系统模型传统的直接序列扩频技术已经发展到相对成熟的地步了,扩频系统采用一个PN码,在解扩时充分利用PN的日相关特性。但是,传统的立接序列扩频技术在接收端还需要进行比较复杂的载波解调。由于载波的获取与同步在硬件电路上实现起来都比较复杂,成本开销比较大,因此提出了双PN码扩频通信的方法。本文具体分析了匹配滤波器的原理,然后提出了利用双PN码实现扩频通信。m序列二元m序列是一种伪随机序列,有优良的H相关函数,也称为伪噪声(PN)序列。m序列易于产生与复制,在扩频技术中得到广泛的应用。m序列是最长线性移位寄存器序列的简称,因此,m序列是由多级移位寄存器或其延迟元件通过线性反馈产生的最长码序列。m序列可以用多项式表示为:f(x)f(x)=Cq+CjX+..…+cn^n=由移位寄存器形成的m序列产生器如图1所示,移位寄存器第一级的输入,由反馈逻辑及移位寄存器的原始状态所决定。图m序列发生器m序列的周期为:P=2n-1,其中n是移位寄存器的级数。m序列具有非常重要的日相关性,其日相关函数表示为:1 j=0R(D=言j=±l,±2,-±(p-l)当m序列的码元宽度(码片宽度)为T:时,则H相关函数是以PT:为周期的函数,此时一个m序列周R(TR(T)=tW7'C其他期内的自相关函数表示为:其他其他伪码同步的研究是立扩系统研究的重点内容。同步可分为两步进行:第一步的目标是使本地的扩频序列相位尽量与发送序列相位对齐,使它们之间的相位差小于一个码片,这一步称为粗同步,即捕获:第二步的目标是在捕获的基础上,使它们之间的相位差更小,保证两序列的相位持续保持高精度的对齐状态,这一步称为精同步,即跟踪。本文研究的重点就是伪码捕获。接收机开始并不知道发送方是否发送了信息,所以,就要有一个在一定的频率与时间范I韦I内搜索和捕获有用信号的搜捕过程,这就是捕获。这一过程的目的是把发送方发来的信号的相位与本地信号的相位差保持在一个PN码的码片内。目前,对直扩系统伪码捕获的问题,国内外提出了许多适应在不同环境下的捕获算法,现在比较常用的捕获算法主要包括滑动相关捕获法、并行捕获法、匹配滤波器法、PMF4FT捕获法和基于FFT的快速捕获法等。滑动相关捕获法虽结构简单,易于实现,但捕获时间较长,并行捕获法和匹配滤波器法,虽然捕获时间较短,但是实施起来很复杂,串/并混合搜索法、PMF-FFT捕获法和基于FFT的快速捕获法便是综合考虑了捕获时间和系统复杂度,它们的捕获时间较短,系统复杂度较低。在这一章,分别对滑动相关捕获法、串行捕获法、串并混合搜索法、匹配滤波器法和PMF-FFT捕获法进行分析研究,并提出了改进的串行捕获法,降低了虚警概率,缩短了捕获时间。此外,还提出采用非相干累加处理的基于FFT的快速捕获法,该方法捕获时间短,而且适合在低信噪比环境下工作。捕获原理简要分析:直扩系统中,虽然有很多种捕获方法,但是它们都有一个共同点:用本地信号与接收信号作相关运算,得到两信号相似性的值,并和一个门限值作比较,如果相关值小于门限值,则继续捕获,如果相关值大于门限值,则捕获成功,紧接着进入跟踪,使系统保持精同步的状态,否则就需要继续搜索。捕获的基本依据是PN码尖锐的|'|相关特性,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。接收机不停地调整和选择本地产生的扩频序列相位与接收到的扩频信号作相关运算。在某一时刻,本地的扩频序列和接收扩频信号序列的相位差很小时,就会得到较尖锐的相关值。同时与设定的相关值门限作比较,可以初步判断出接收端有没有达到相位同步。这就是PN码捕获的基本原理。对一个PN码捕获算法来说,衡螭其捕获性能如何的基本标准有:一是在低信噪比和高动态环境下实现快速捕获;二是它的抗干扰能力强,错捕及漏捕的概率小:三是硬件电路较简单,场于实现。基本伪码捕获法:并行搜索捕获法:并行搜索捕获法在接收端用2N(N是PN码的周期)个间隔了2DT(DT为码元宽度)的本地序列相关处理器,分别与接收信号做相关处理,哪个相关器输出最大,该相关器的本地序列与接收序列接近重合或重合,则该木地序列就是同步的伪码序列,实现了捕获。原理图如图所示。图并行搜索捕获原理图从图中可以看出,2N个PN码序列使用的是同一本地伪码序列,送到相关处理器中的PN码相位各不相同,每个相移了半个码元。相关处理后,送至积分器,积分器的作用是对相关累积的结果在一定的时间段内做积分,并将积分值送到最大值选择器,随后清除置零,接若做下一次积分。从分析中看出,2N路相关解扩后,哪路的结果大于门限值,就说明此PN码序列的相位和接收序列的相最接近。则这种捕获法的平均捕获时间就是一次积分的时间。由此可见,并行搜索捕获法的捕获时间很短,但是当N很大时,需要消耗硬件资源多,这也是该捕获法的最大缺点,因此这种捕获法应用较少。串行搜索捕获法:串行搜索捕获法也称为滑动相关捕获法,此方法硬件实现简单、节约资源,被认为是一种最简单、最实用的捕获方法。该方法的捕获原理是通过相位控制器,控制本地产生的伪随机码与接收信号相对滑动,如果滑动过程中码不重合,则相关值较小,无相关峰出现,当两码接近重合或重合时,则有相关峰值出现,通过相关值与门限值做比较,来判断捕获是否成功。捕获原理图如图所示。图滑动相关捕获法原理图为了分析简便,假设正确相位均匀分布在区域AT内,在该区域内均匀的取D个点。由于正确相位处于任意一个小区的概率相等,所以串行搜索可以从任何位置开始。计算平均时间,就要考虑所有达到正确捕获的事件序列。假设某事件的位置和正确小区的位置相差为m,正确小区漏检的次数为j,且在全部错误的小区中产生虚警的次数为k。用(m,j,k)来定义一次具体事件的总捕获时间,则:T(m,j,k)=mTi+jDTi+kTe.式中,Ti是对每个小区进行估计的积分时间,珞是出现虚警时,拒绝不正确小区需要的时间,咯且比q大许多。在一次虚警事件中,要估测的小区总数为(m+jD),正确小区总数为(j+1),不正确小区总数为(m+jD-j-l)°由于正确相位在任一小区是等概率的,所以第m个小区为正确小区的概率为I/。,在j个漏检测后接若一个正确检测的概率是Pd(l-Pd)1,(Pd是当被估计的小区正确时,平均同步时间结果输入的检测概率)。在(m+jD-j-l)=K个不正确的小区中,k个虚警产生的顺序是任意的。K个小区中产生k个虚警共有(:)种,特定一种的概率是P&k(l-Pfe)K-k(Pfa是被估计小区不正确时,平均同步时间结果输入的虚警概率)。综上可得,事件(m,j,k)的概率为:P(m,j,k)=河心-Pd)J(j)P:(l-PQK-k所以,平均捕获时间为:T=ZT(m』k)P(mjk)m,j,k式中,m的范围为(1,D),j的范围为(0,8),k的范围为(0,K)。结合以下恒等式:K£ =(a+b)kk=0'D-mi=looY1—mi=000Zill?=; ry1=U经数学运算后,得平均捕获时间为:T=(D-g+m)带)+W从式中可看出,如果降低虚警概率Pm,则可以减小平均捕获时间。改进的串行搜索捕获法:扩频系统的接收信号可以表示为:r(t)=y2pd(t—T)PN(t—t)cos(a)0t+甲)+n(t)式中,P是接收信号的平均功率:d(t)是发送信息数据;PN(t)是扩频码:I是捕获环路评估的接收到的扩频信号相位:n(t)是加性高斯白噪声。在图中,用木地栽波f(t)=V^8S(3ot+<p)作栽波解调,解调后的信号为。(t),可表示为航天测控通信系统采用直扩技术实现其功能,可大大提高系统的测距精度,增强系统的抗截获和抗干扰能力.而直扩信号的解扩是建立在扩频信号码元精确同步的基础之上,同步是就是设计者必须首先面对一个课题.载波的同步:载波同步是在接收端产生一个和发射端调制栽波同频同相的相干载波,供给解调器作相干解调用。同步是通信系统中的一个重要问题。在数字通信中,伪随机(PN)码同步是载波同步外解扩的关健,此同步过程称为捕获。码元同步分为2个阶段:捕获与跟踪。首先,捕获过程将本地PN码与接收到的PN码的相位粗对准到一个码元宽度或部分码元宽度以内:然后,跟踪则是精确同步,让本地PN码信号精确跟踪接收PN码的相位

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