（通信与信息系统专业论文）基于fpga扩频通信系统中伪码同步技术的研究.pdf

黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n ds t r o n gc a p a b i l i t y o fa n t i - j a m m i n g ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eap o p u l a rt e c h - n o l o g yi nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns i n c ei t sb i r t h i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i v e t e c h n o l o g y , t h e f u t u r e s c o p e o f d e v e l o p m e n t f o rt h e s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i v et e c h n o l o g yi sb r o a d e n e d w i t ht h ea d v e n to ft h ei n f o r m a t i o na g e ， l i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c e sc a nn o tm e e tt h en e e d so fu s e r s t h es p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o np r o v i d e sa ne f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l es o l u t i o nf o rt h es h a r i n go f f r e q u e n c yr e s o u r c e s ，t h ep r e m i s eo fd i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w o r k i n gn o r m a l l yi st h a tt h er e c e i v e rm u s td e s p r e a dt h es p r e a ds p e c t r u mc o d e c o r r e c t l y b u tb e c a u s eo ft h ea f f e c to fn o i s ea n di n t e r f e r e n c ea st h ed e l a yo ft h e c h a n n e la n ds i g n a l ，t h es p r e a d i n gc o d ep h a s eo fs e n d e ra n dr e c e i v e rc a nn o tb e i n c o n s i s t e n t t h e r e f o r e ，t h er e c e i v e rs h o u l dg e ts p r e a d i n gc o d es y n c h r o n i z a t i o n f i r s t l y t h i si st h ep r e r e q u i s i t eo fs p r e a ds p e c t r u mt h a tm a k es u r er e c e i v e rw o r k s n o r m a l l y c o d es y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e sa c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g a c q u i s i t i o ni s t og e tt h ei n i t i a ls y n c h r o n i z a t i o no fs p r e a d i n gc o d ep h a s e ；t h e r ea r eac e r t a i n p h a s e d i f f e r e n c e sb e t w e e nr e c e i v i n gc o d ea n dl o c a lc o d e t r a c k i n gw i l lc o n t i n u et o r e d u c et h ep h a s ed i f f e r e n c e st oa c h i e v ep r e c i s es y n c h r o n i z a t i o n ，a n dm a i n t a i nt h i s k i n do fs y n c h r o n i z a t i o ni ne n t i r ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s t h i sp a p e rs t u d i e st h et h e o r yo fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nf o rt h ef i r s t h a n d a f t e rt h a t ，t h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo fd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m s i g n a l i s a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o n g e s tl i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r i i a b s t r a c t s e q u e n c ea r ea l s os t u d i e d f o u ra c q u i s i t i o nm e t h o d sa n dt w od e t e c t i o nj u d g m e n t m e t h o d sa r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h ep h a s ed i s c r i m i n a t o ra l g o r i t h ma n db a s i c p a r a m e t e r so fl o o pf i l t e ra r eg i v e nt o o t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h el o o pd e s i g n m e t h o d si ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p r e a d s p e c t r u ms i g n a l ，s e g m e n t e dm u l t i - i n t e g r a ls l i d i n gc o r r e l a t i o nm e t h o di s t ob e b r o u g h tf o r w a r d a n dp l u s p u l s em e t h o di su s e dt oa c h i e v es l i d i n ga c q u i s i t i o n s e c o n d o r d e rd i g i t a ld e l a yl o c k e dl o o pi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d as i m p l i f i e d c o d et r a c k i n g l o o pd e s i g nm e t h o di s g i v e nt o o f i n a l l yc o d es y n c h r o n i z a t i o n s y s t e mi si m p l e m e n t e di nf p g au s e ds o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si sg i v e na tl a s t k e y w o r d s ：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，c o d es y n c h r o n i z a t i o n ，a c q u i s i t i o n ， t r a c k i n g i i i 黑龙江大学硕士学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外同类课题研究现状及发展趋势3 1 3 论文研究的主要内容与结构安排。5 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论7 2 1 扩展频谱通信概述7 2 1 1 扩频通信的基本原理及系统模型7 2 1 2 扩频系统的主要特点9 2 1 3 扩频系统的参数指标与基本类型1 0 2 2 直接序列扩频通信系统11 2 2 1 直接序列扩频通信系统的原理分析1 2 2 2 2 直扩信号的频谱分析1 3 2 3 同步的基本理论1 4 2 3 1 参数估值理论1 4 2 3 2 似然函数1 5 2 3 3 直接序列扩频通信系统的伪码同步1 6 2 4 最长线性反馈移位寄存器序列1 7 2 4 1 耽序列的产生18 2 4 2m 序列的特性1 9 目录 2 5 本章小结) 2 1 第3 章直扩系统的伪码捕获技术研究”2 2 3 1 基本的捕获方法2 2 3 1 1 滑动相关法2 2 3 1 2 匹配滤波器法2 7 3 1 3 序贯检测捕获法2 9 3 1 4 发射参考信号法3 0 3 2 判决捕获的方法3 l 3 2 1 单积分判决检测3l 3 2 2 多积分判决检测3 4 3 3 本章小结3 6 第4 章直扩系统的伪码跟踪技术研究。3 7 4 1 码环的基本原理3 8 4 1 1 基带延迟锁定环的基本原理3 8 4 1 2 全时间非相干数字延迟锁定跟踪环4 1 4 2 环路的设计方法4 4 4 2 1 鉴相器的设计4 4 4 2 2 环路滤波器的设计4 6 4 3 本章小结5 0 第5 章码同步系统的f p g a 仿真及实现_ 。5 1 5 1 码n c o 的f p g a 实现5 3 5 2 伪码捕获实现方案5 6 5 2 1 串行滑动相关法实现方案5 6 5 2 2 捕获方法的改进5 8 5 3 伪码跟踪实现方案6 4 黑龙江大学硕士学位论文 5 3 1 数字延迟锁定环的实现6 4 5 3 2 伪码跟踪环的简化实现7 l 5 4 性能分析7 3 5 5 本章小结：7 3 l 宕论7 4 参考文献7 5 致谢8 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文与奖励。8 l 攻读硕士学位期间参加的科研项目8 l 独创性声明8 4 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 简称扩频通信，是建立 在香农信息论基础上的一种高技术通信方式，是指将待传输的基带信号用扩 频码对其频谱进行扩展传输的通信方式，接收端的扩频码与发送端的扩频码 需要同步才能进行解扩，恢复原始信息，传输的扩频信号所占用的频带宽度 远大于基带信号的带宽。扩频通信的研究始于上个世纪中旬，由于它可以改 善接收信号的质量，具有抗干扰能力强、保密性能优越、系统容量大、多址 能力强、误码率低等优点，而且由于美国军方的大力推动，使之率先在导航、 电子对抗、精确测距等国防军事领域得到了广泛应用。 但是，在当今信息时代中海量信息频繁传递，对系统传输速度和容量的 要求越来越高，而且电子设备所处的环境越来越恶劣，它们之间的相互干扰 越来越严重，因此，如何提高通信系统的容量、增强通信系统的抗干扰能力 的问题摆在了人们的面前。随着2 0 世纪8 0 年代美国军方对扩频技术的解密， 以及数字信号处理技术和微电子技术的迅猛发展，使得扩频技术在移动通信 和无线局域网等领域得到了广泛的应用，正是由于扩频通信能够满足当今民 用通信系统的需求，它才被迅速应用于民用通信领域。 香农定理告诉我们信息在传输的过程中占用一定的带宽，例如，模拟语 音信号的带宽一般为3 0 0 3 4 0 0 h z ，而视频的带宽相对较大，可达到几兆赫。 实际应用中的通信系统的频率资源是有限的，所以一般的通信系统为了有效 的利用频率资源，传送信息所使用的带宽大致是相当的，如传送语音或视频 信号所需要的带宽一般为待传送语音或视频信号带宽的l 2 倍，像这种调制 前后信号所占带宽的比值为i - 2 的通信称为窄带通信。现今人们使用的大多 数通信系统的通信方式都属于窄带通信，而只有当调制前后的带宽比值大于 黑龙江大学硕士学位论文 1 0 0 甚至更大的通信才称为扩频通信【2 1 。 直接序列扩频通信( d s s s ) 是由扩频伪随机( p n ) 码直接将基带信号的 频谱展宽进行通信，这就要求接收端的扩频码相位需要与发送端的扩频码相 位同步才能正确的解扩，这样才能保证扩频接收机正常工作。码同步是由捕 获和跟踪两部分组成。捕获又称为粗同步，其e l 的是将本地解扩码的相位与 接收的扩频码相位控制在一定的范围内即控制在一定的相位差之内，而这个 差值的典型值为半个码元的宽度，其中码元宽度是指扩频码的宽度。捕获成 功之后进入跟踪，又称为精同步，在跟踪过程中要继续减小接收码相位与本 地码相位的差值，直至达到精确的同步相位锁定并在整个通信过程中保持这 种同步的关系【3 1 。因此，直接序列扩频通信系统不仅需要一般数字通信系统的 同步，更需要严格的扩频码同步。 随着扩频通信系统在军民领域的广泛应用，扩频芯片的需求也大幅度的 提升。但是，目前的扩频芯片大都是国外厂商生产的专用芯片，直接将扩频 系统嵌入芯片中，不利于系统的升级，开发起来也不灵活。尤其在国防军事 体系中，使用这些芯片会对国家的安全造成一定的威胁。近几年，随着大规 模可编程逻辑器件的广泛应用和d s p 技术的飞速发展，软件无线电技术应运 而生。 软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 是指无线电物理层功能的部分或全 部是软件定义【4 1 。它的基本思想就是将数模和模数转换器尽量的靠近射频天 线，从而将信源编码和信道编码全部由功能强大的数字信号处理器( d s p ) 和 大规模可编程逻辑器件来实现，它的出现是通信领域的第三次革命。将软件 无线电与扩频系统结合构成的数字接收机具有系统升级方便，开发周期短， 可重构性较强等优点5 1 。 本项目来源于哈尔滨工业大学某国防项目“数据链终端数字扩频调制及 解调解扩技术研究”。围绕数据链终端基带和中频信号处理与软件无线电技 第1 章绪论 术，重点研究包括数字扩频、调制、解扩、解调、数据加解密等关键技术， 解决无线信息可靠传输的技术和工程化方面问题，具备一定的抗干扰、抗截 获、抗欺骗、抗攻击和可靠通信能力。数字接收机信源处理部分主要负责信 号的解压缩、解复接和检验等任务，信道处理模块的主要功能是数据解扩、 解调和解密，然而若要对信源解码就必须先对信道进行解码，由于扩频发射 机将基带信号的频谱展宽并隐藏在背景噪声中传输，所以接受机接收的扩频 信号信噪比是很低的，所以为了获得较高的信噪比应首先进行扩频码的解扩， 之后解除载波调制才能进行基带的处理，解扩性能决定了接收机的性能，所 以伪码同步系统在扩频接收机中具有举足轻重的地位。论文的研究内容为扩 频数字接收机中的扩频码同步系统。 1 2 国内外同类课题研究现状及发展趋势 扩频通信技术是为解决国防军事领域中的通信问题而提出的，随着上个 世纪8 0 年代末美国军方对扩频的解密以及i s m 频段的开放，扩展频谱技术才 逐步进入民用领域。由于扩频系统将信号隐藏在噪声中传输，所以发射功率 很低，非常适合移动通信环境【6 j ，而今移动通信业务的飞速发展，使得第三代 移动通信技术成为了热门话题，在国际电信联盟批准的三种3 g 技术标准中， 无论哪种标准，其码分多址( c d m a ) 的具体实现都离不开扩频技术。 扩频码的同步过程是比较复杂的，而且种类也是繁多的，从信号域的概 念考虑，主要集中在时域和频域的研究上。与传统的时域处理相比，频域处 理方法能更好的抵抗强干扰和多径效应，而且适合大多普勒频移的高动态通 信环境。 p n 码的捕获是一个随机过程，而几乎所有的时域捕获方法都是利用伪随 机序列良好的自相关特性，首先进行相关运算，得到的相关值与预设的门限 进行比较来判定捕获成功与否【7 j 。传统的串行滑动相关法捕获p n 码序列虽然 实现起来容易，硬件开销小，但是在实际应用中对长码的捕获性能就很难满 1 黑龙江大学硕士学位论文 足系统的要求，相比之下，串并结合的方法则可以满足大多数的需求【8 1 。虽然 采用匹配滤波器可以快速的捕获扩频码序列，但是其占用硬件资源较大，而 且实现起来比较复杂，一旦p n 码序列的长度固定则不易修改，仅适合某种固 定的通信系统中致使其灵活性较低f 9 】。文献 1 0 】在频域处理的角度上，研究了 高动态、低信噪比通信环境下的f f t 捕获算法。近些年，随着神经网络和小 波变换理论的快速发展，国内外也有很多学者欲在此基础上能在p n 码的捕获 算法上获得重大的突破，但是只处于理论研究阶段，要想在实际的工程中应 用还需要进一步研究。近几年捕获算法的研究主要集中在如何快速准确的捕 获扩频码序列，降低虚警概率，增大捕获概率。 由于无线信道各种电磁干扰、衰落以及噪声的污染，捕获即使成功也有 可能在恶劣的通信环境下失去这种粗同步，即便粗同步没有失去，若接收伪 码和本地伪码的相位差f f l d , ，即使小于一个码片宽度，接收到的信号也没有 足够的能量被解扩出来，这是由伪随机序列的自相关特性所决定的，那么精 同步就显得更加重要。 伪码跟踪的基本原理就是利用锁相环来锁定接收伪码与本地伪码之间的 相位。其中延迟锁定环( d e l a y - l o c kt r a c k i n gl o o p ) 也被称为d l l 和t 抖动环 ( t d i t h e rt r a c k i n gl o o p ) 也被称为t d l 是比较常用的，主要区别是二者使 用相关器的个数不同。s i m o n 等人对d l l 和而t d l 进行了详尽的分析，d l l 在跟踪两个相关波形的相位差时是一种最佳电路【l “】，由于对自相关函数具有 双值特性的任何一种扩频码，延迟锁定环都可以进行跟踪，因此被广泛的应 用于扩频通信系统中。w j g i l l 分析了延迟锁定环的性能并对其做了比较1 1 引， a p o l y d o r o s 等人详细的分析了伪码跟踪环的基本理论，并提出了优化设计方 案【1 3 】，可以依据通信环境的不同来确定d l l 的阶数。目前国内外对伪码跟踪 环的研究集中在高动态、大多普勒频移通信环境下的d l l 性能的研究，主要 是环路最佳带宽的选取以及环路参数的设计，期望跟踪环路能够自适应调节。 第1 章绪论 总之，目前同步算法的研究趋势是在高动态、大多普勒频移条件下，使 用较少的硬件开销实现长扩频码的快速、准确的同步。 1 3 论文研究的主要内容与结构安排 本文将对直接序列扩频通信系统的基本理论进行深入的研究，重点研究 扩频伪码同步问题，包括捕获和跟踪两部分。深入分析捕获系统和跟踪系统 的基本原理，将介绍几种捕获方法和检测判决方法，并在此基础上进行了改 进以适应工程中的应用；探讨了伪码跟踪环的原理，重点研究码跟踪的设计 方法，并在f p g a 中实现伪码同步系统。论文的具体章节安排如下： 第一章，主要介绍扩频通信产生的时代背景以及同步问题的产生，简要 介绍了同步的基本过程和软件无线电技术。归纳了国内外在扩频伪码同步领 域的研究进展并分析了发展趋势，为下一步详细介绍伪码同步技术打下基础。 最后介绍了本文的主要内容和章节安排。 第二章，给出了扩频通信的基本原理、性能参数和基本类型，重点研究 直接序列扩频通信系统的基本原理，并对其频谱特性进行分析，讨论伪码同 步对扩频系统的重要性。详尽的研究了以参数估值理论为基础的同步理论。 探讨了最长线性反馈移位寄存器序列即m 序列的产生原理，并介绍了m 序列 的基本特性。 第三章，研究以m 序列良好的自相关特性为基础的伪码捕获技术。给出 了几种基本的捕获方法：滑动相关法、匹配滤波器法、序贯检测法和发射参 考信号法，以平均捕获时间和电路复杂度为参考对其性能进行分析。介绍了 两种判决检测算法：单积分时间和多积分时问判决检测，给出它们的实现方 案。 第四章，简要介绍锁相环的基本结构，重点研究了数字延迟锁定环的锁 相原理和鉴相特性，对其改进并给出了在工程应用中使用的全时间非相干延 迟锁定环。介绍了四种常用的跟踪环路鉴别器算法以及二阶环路滤波器的基 s 黑龙江大学硕士学位论文 本参数，详细研究了环路的设计方法，在此基础上给出了一些在工程设计中 的经验值。 第五章，在前四章的基础上在f p g a 中实现码同步系统。首先描述了同 步系统的整体结构，之后研究了数字频率合成技术( d d s ) 的基本原理，利 用d d s 实现码n c o ，分析了其频率漂移问题并给出解决方案。加脉冲法实现 多积分滑动相关捕获伪码相位，经过对扩频信号的结构分析，提出了改进的 分段多积分滑动相关法，提高了系统的捕获性能。以第四章中的设计方法设 计了码跟踪环，给出了跟踪时间，提出一种简化的伪码跟踪环并给出实现方 案，分析了码同步系统的性能。 最后总结了本文的所有研究工作，提出了直扩系统伪码同步技术研究的 下一步工作重点和方向。 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论 _ _ i 置薯i 置圈i i 暑i i i 薯皇i _ 萱一 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论 2 1 扩展频谱通信概述 扩展频谱通信系统是将待传送的基带信号频谱展宽之后进行传输的通信 系统。长期以来，通信领域的专家学者们总是希望选择某种调制方式使得信 号所占用的频率资源尽量的少，同时力求在信道上传输的信号带宽也要尽量 窄，以其到达有效利用有限的频谱资源。虽然从表面上看，扩展频谱通信是 违背常理的事情，是与提高系统频带利用率的基本通信准则相违背的。然而， 信息论的基本理论告诉我们，扩展频谱通信系统是完全正确的，能有效解决 无线信道抗干扰、安全性的问题，实现码分多址。 2 1 1 扩频通信的基本原理及系统模型 1 9 4 8 年，香农将统计理论与通信理论的结合奠定了通信技术的理论基础， 扩频通信的基本理论正是在信息论中的香农公式上建立和发展起来的1 。香 农公式阐述了信道容量与带宽、信号的发送功率及加性噪声之间的关系，其 数学表示为： c 一引0 9 2 ( ，+ 熹) ，) 式( 2 1 ) 表明在信号的功率s 与信道的加性高斯白噪声的平均功率一 定的条件下，在频带宽度为b 的信道上，能够传输的最大信息量的理论值c 。 若想实现信号的无差错传输，信源的传输速率s 就必须不能大于信道容量的极 限值，否则在传输过程中就必然出错。 若信道中噪声的单边功率谱密度为o ，将香农公式改写为 c 一引( 嘉j 2 ) 由式( 2 - 2 ) 可知，增大s 就可以增大信息传输速率，考虑极限情况则有 黑龙江大学硕士学位论文 ， l i m c = l i m s - - ) o a 慨( + 嘉卜 沼3 ， 一 s _ 。i 厂 曰j 、一一 同理，若减小噪声功率也可以增加信道的容量，进而增大信息的传输速 率，若在理论情况下无噪声，即 l i m c = l i m 。b l o g n ：( + 熹) 一 4 ， j _ o_ o ij 但是，无限的增大带宽却不可能带来信道容量的改善，因为无穷大的带 宽也会带来无限大的噪声。将式( 2 1 ) 变换为以p 为底的对数，即 一c b 4 ( + 嘉) 亿5 ， 在通信环境极其恶劣的通信环境下，s n 1 ，对式( 2 5 ) 幂级数展开，省 略高次项【15 1 ，得 c b 一s n ( 2 - 6 )bn 将式( 2 6 ) 改写为 曰= 丽c n 警( 2 - 7 )1 4 4 ss 我们从式( 2 7 ) 可以看出，给定任意的信噪比，若想在信道中无误差的 传输信息，则可以通过增大传输信息的带宽来实现。用低信噪比来换取大的 传输带宽，降低了发射信号的功率，提高了系统的抗干扰能力，保证能够可 靠的传输数据，从理论上回答了扩频通信的可行性：。 图2 1 是扩展频谱通信系统的结构模型。在接收端，原始信号通过基带信 号处理形成数字信号，之后发射端的扩频码对其进行扩频调制展宽其频谱， 最后通过射频调制发射到信道中传输。接收端的处理是发送端的逆过程，首 先对接收的中频信号数字下变频，然后用与发送端完全同步的扩频码解扩数 据，最后信息解调还原原始数据。所以说扩频伪随机码的同步是保证系统正 常工作的关键环节。 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论 图2 - 1扩频通信系统结构模型 f i g u r e 2 - 1s t r u c t u r em o d e lo fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 扩频通信系统是在信息被调制为数字信号之后对其进行扩展频谱处理 的，之后通过载波调制将其发送出去，也就是说扩频通信比一般的数字通信 系统多了扩频与解扩的处理，这为改善接收机接收的信号能量提供了很大的 帮助。 2 1 2 扩频系统的主要特点 扩频通信自从美国军方研究开始，尤其在2 0 世纪8 0 年代步入民用通信 领域起，已经广泛地应用于各种通信系统中，在通信领域中扮演者重要的角 色，这与它具有优良的性能是分不开的1 6 】。 1 、强抗干扰性，低误码率 扩频通信将信号的频谱展宽，接收机通过相关运算可以将信号恢复到原 来的频带上，还原为窄带信号，此时的干扰信号的频率将会被扩展，所以在 信号通频带内的干扰功率就大打折扣，增强了系统的抗干扰能力，尤其在军 事领域成为保证军事通信安全的有效手段。 2 、隐蔽性好，保密性强 信号经过扩频处理后，信号功率被分配到较宽的频带上，那么信号的功 率谱密度较低，甚至可以隐藏在背景噪声中，不容易检测，信号被“隐蔽”， 达到保密通信的目的。 3 、抗多径和衰落能力强 9 黑龙江大学硕士学位论文 若在无线信道中出现频率选择性衰落，对于信号频带很宽的扩频信号而 言，受影响的只是一小部分频谱，对其它信号不会造成致命的衰落，所以能 够抵抗频率选择性衰落。文献【1 7 】对直扩系统在瑞利衰减信道中的性能进行了 分析，证明了直扩系统可以有效的抵抗多径衰落。 在无线通信中难免会遇到多径问题，一般对多径问题的解决方法有两种， 一是采用梳状滤波器提出功率最强的有用信号1 8 】，二是利用分集接收技术使 各个路径不同时间到达的信号在时域同步，合成大功率有用信号19 1 。而扩频 伪随机码尖锐的自相关特性使得这两种方法都很容易实现，所以扩频通信系 统的抗多径干扰能力强。 4 、能与其它通信系统共用频段，实现码分多址( c d m a ) 扩频通信系统的解扩处理依赖于扩频码序列的自相关特性和互相关特 性。不同用户分配的扩频码是不相关的，因此他们可以占用同一频段通信而 不互相干扰，而其它通信系统对信噪比很低的扩频信号不具有解扩功能。虽 然扩频通信占据的带宽很宽，但是在同样的带宽内可以支持许多用户同时通 信，所以平均下来每个用户的带宽占用量是很小的，这就大大的提高了系统 的频带利用率。 2 1 3 扩频系统的参数指标与基本类型 信号经过扩频之后传输到接收端被解扩出来必然会带来信号能量的变 化，如何表示这种改善程度，以及扩频系统抗干扰的性能如何评价，本小节 给出了瓶个衡量扩频通信系统性能的参数2 0 l 。 1 、扩频处理增益 扩频处理增益g p 是衡量系统输入输出信噪比关系的参数，定义为 式( 2 - 8 ) 也可写为 q = 而( s n 町l , ( 2 8 ) 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论 g 。( d 8 ) = 。g ( 熹) 。埘一t 。，g ( 导) 。( r i b ) c2 9 ) q 的大小决定了系统抵抗干扰能力的强弱2 1 1 。q 越大，系统抵抗干扰的 能力越强，反之则越小。例如，若某个扩频通信系统的扩频处理增益可以达 到8 0 d b ，由式( 2 - 9 ) 可知，如果输出信噪比为5 d b ，那么此系统的输入信噪 比为- 7 5 d b ，这意味着扩频系统能够在信号功率低于干扰功率7 5 d b 的恶劣通 信环境下正常工作。 2 、抗干扰容限 抗干扰容限是指系统正常工作能够承受干扰信号功率的最大值，数学定 义式为 m j = g p 一 ( s ) 删+ 丘 ( 2 一l o ) 式( 2 1 0 ) 中丘表示信号能量在系统内的损耗，( ) 。是系统输出信噪 比的最小值。所以干扰信号要想影响系统的正常工作，其功率必须大于鸠， 因此m j 比q 反映系统的抗干扰能力更加直观。 扩频通信系统的扩频方式有很多种，主要以跳频扩频和直接序列扩频两 种方式为主，还包括线性调频和跳时扩频，其中跳时扩频主要是辅助直扩和 跳频扩频组成混合的扩频方式，而线性调频在民用领域极少使用，主要在雷 达系统中获得广泛应用。跳频系统是用扩频伪随机序列控制系统下一跳的频 率，而扩频码本身不参与信息的传输( 2 2 1 ，本论文研究的扩频方式为直接序列 扩频，对其它的扩频方式不予赘述。 2 2 直接序列扩频通信系统 在直接序列扩频通信中，扩频伪随机码直接与基带信号相乘在频域上展 宽其频谱，所以扩频码是参与通信传输的，在加密技术中所使用的密钥一般 黑龙江大学硕士学位论文 也是具有伪随机特性的序列，尤其使用序列密码对明文加解密的过程与扩频 解扩过程是及其相似的【2 3 1 ，因此可以说这种处理在某种程度上利用了伪随机 序列的伪随机特性对信号进行了加密的处理，同时，也正是伪随机码的正交 特性，直接序列扩频可以构成码分多址系统，使其具有广泛的应用空间 2 2 1 直接序列扩频通信系统的原理分析 直接序列扩频就是用较高速率的扩频码序列直接扩展基带信号频谱的一种 扩频通信方式，接收端的扩频码需要与发送端的扩频码同步才能正确解扩出原 始的窄带信号。图2 2 表示了直扩系统的基本通信过程。 干扰与噪声 图2 - 2 直扩系统的原理图 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i co fd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds y s t e m 发送端的基带信号d ( t ) 与扩频码序列c ( r ) 相乘得到g ( ，) ，g ( ，) 的频谱已经被 扩展，之后经过载波调制发射出去。在接收端，接收到的信号首先经过混频器 得到中频信号g ( ，) ，接收端的复现码对其解扩，最后载波解调恢复原始信号。 由于移相键控的频率利用率较高，而且抗噪声性能强，所以在各种数字通 信系统中得到了广泛的应用【2 4 1 ，因此以b p s k 调制为例，分析直扩系统的基本通 信过程。设载波为a c o s 2 x f j ，扩频伪随机码为c ( f ) ，基带信息为d ( f ) ，则b p s k 调制的调相波表示为 s ( f ) = a c o s 2 n f j + k g ( o 】 ( 2 1 1 ) 其中，4 为载波的幅度，z 是发射载波的频率，七g ( r ) 是移相键控的相位 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论 偏移，定义g ( t ) = d ( t ) c ( t ) 是基带信号与扩频码在时域的乘积，或者也可以是序 列之间的模2 相加运算，那么在b p s k 调制过程中，g ( f ) 是值为“0 ”和“l ” 的二值序列。若我们规定g ( f ) = 0 时，相位偏移k g ( t ) = 万0 = 0 ；g ( f ) = 1 时， k g ( o = 万1 = 万，则有 sc ，= 。一+ 爿a c c 。o 。s 2 2 丌z r z f 。，t ，, 荔薹；三? ( 2 - 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 我么可以看出，经过相位调制产生的信号可以等效为抑制载 波的双边振幅调制。如果g ( f ) 的取值为l ，那么式( 2 - 1 1 ) 变为 s ( t ) = a g ( t ) e o s ( 2 ，r f j ) ( 2 1 3 ) 而实际的直接序列扩频系统产生的信号就是式( 2 1 3 ) 的模型。假设和频 项被滤波器滤除，接收端经过混频之后得到 r ( t ) = 爿d o ) c ( f ) c ( t ) c o s ( 2 z c f w t + 妒) ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中矗= 五- l 为中频的频率，五是接收端本地振荡器的频率，z 为载波的发射频率；妒= 吃一织，伤为本地载波复现的初始相位，鲲为发送载波 的初始相位；d ( r ) 是发送的基带信号；c ( r ) 和c + ( t ) 分别是发送端和接收端的扩 频码；a = a , i 2 2 。当c ( f ) 和c ( t ) 完全一样达到同步时，有 c ( f ) c ( t ) = 1 ( 2 - 1 5 ) 即扩频被解扩，再经过滤波整形之后就可以还原窄带原始信号。 2 2 2 直扩信号的频谱分析 求式( 2 1 3 ) 的自相关函数，有 足( r ) = 专巴忡( ) 衍= 扛( f ) c o s 2 n f 。f ( 2 - 1 6 ) 由于d ( ，) 和c ( f ) 是由不同信号源产生的相互独立信号，那么 r g ( f ) = 玛( f ) r ( f ) ( 2 1 7 ) 黑龙江大学硕士学位论文 g ( ，) 的功率谱密度为 名( f ) = 另( f ) + 只( f )( 2 1 8 ) 其中忍( ) 为m 序列的功率谱密度，将在2 4 节中具体分析。式( 2 1 8 ) 表 明复合信号的功率谱就是信息的功率谱乞( 厂) 被搬移到( ) 功率谱中离散谱 线的位置。 直序扩频对干扰的抑制正是在解扩的过程中实现的，接收端在对接收到 的数据进行解扩时，将有用信号的频带还原为窄带的同时也会将干扰信号的 频谱扩展，干扰信号的能量就被分散在很宽的频带上，带通滤波器就会滤除 大部分的干扰信号，达到抑制干扰的目的。 2 3 同步的基本理论 在数字通信系统中，要想正确的解调出信息就必须要求系统的收发端在 信号频率与相位上保持同步，而直接序列扩频通信系统在这些同步的基础上 还需要扩频码的同步。而同步却始终是数字通信技术领域一个重要而又令人 头痛的技术问题。若不能实现精确的同步，就无法发挥系统的优越性能，其 先进性更是无从谈起，因此同步的重要性在当今通信和网络技术迅猛发展的 今天显得尤为重要。如前所述，对载波相位的估值和码定时的估值是同步的 基本功能，而最大似然函数估计准则无论在载波同步还是码同步的参数估计中 的作用都是举足轻重的【2 5 】。 2 3 1 参数估值理论 在参数估值理论o t 2 6 1 ，将接收到的信号x ( f ) 表示为 x o ) = s ( t ，0 ，f ) + ，z ( f )( 2 1 9 ) 式( 2 一1 9 ) 中0 和r 是需要估计的参数。用矢量的形式表示这两个参数为 伊，r ) ，记为、i ，则将s ( t ，目，r ) 表示为j ( f ，、i ，) 。 第2 章直接序列扩频通信系统与同步理论 若认为矢量参数、l ，是随机的，并且用先验概率密度函数p ( 、i ，) 表示，那么 这种参数估计准则就是最大后验概率的估计准则；如果认为、i ，是确定的但却 是未知的，那么就是最大似然函数估计准则。 为了进一步分析准则，我们假定存在一组函数 f a t ) ，i = l ，2 ，n ) ，使其满 足正交性 肌删衍= 譬曷 协2 0 ) 那么这组函数的线性组合就可以近似地表示x ( f ) 为 衲= 墨z ( f ) ( 2 2 1 ) ，= l 加权系数葺的选取应使信号误差p ( f ) = x ( f ) 一；( f ) 的均方值 疋= e x c 力一三c 力 2 出= e x c 。一喜薯z c ， 2 防( 2 - 2 2 ) 的值最小，来得到薯的值。 最大似然估计为使m a x p ( x i 、| ，) 下估计、l ，的值。这样，最大似然估计值的计 算就转化成求微分学中最大值27 1 。而最大后验概率准则是使 m 叫、i ，j x ) _ 等 ( 2 - 2 3 ) 下估计、l ，的值。一般在对参数0 和f 的处理过程中认为它们是未知的但却 是确定的，因此最大似然估计准则是比较常用的。 2 3 2 似然函数 p ( x i 、i ，) 为在参数、i ，一定的情况下，随机矢量x 的概率密度函数即为似然函 数。用n 个独立的矢量系数表示x 为 _ ，x 2 ，x n 】，如果存在加性的高斯噪声 ，z ( f ) ，且取均值为零，那么每个矢量参数是服从高斯分布的随机变量。它们的 联合概率密度函数为 m = ( 击 唧 一善照掣 2 4 ， 薯= e 坪) f a f ) a t ( 2 2 5 ) 轳l 印) 肫) d r ( 2 2 6 ) 弛i 咖( 去) 斗一驴i 乳nx ( t ) f , ；( t ) d t - s ( t , v ) f ，( t ) d t 2 2 腻唧够肛似w 汗n 俄触 倍2 7 ， = ( 击) e x p 怯肛一 叫2 驴，出) v 。叫 n 伽) z ( f ) f j ( t ) d t ：l ( 2 - 2 8 ) 那么，p c x i v ) 就可表示为 雕i 、，m e x p 一瓦1 肌忡也、i ，) 】2 0 ( 2 - 2 9 ) 其中，c 、o 是常数。若使式( 2 2 9 ) 最大则等同于其指数部分最大， 所以定义 撕阳斗击胍一以、，) 】2 q ( 2 - 3