【正文】 2M， 8M， 11M，無須申請頻率資 源，建網(wǎng)簡單，網(wǎng)絡(luò)性能好。 ： 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 3 直擴(kuò)系統(tǒng)除了一般通信系統(tǒng)所要求的同步以外，還必須完成偽隨機(jī)碼的同步，以便接受機(jī)用此同步后的偽隨機(jī)碼去對接受信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)。上世紀(jì) 80 年代末，晶體電子技術(shù)的先進(jìn)程度已經(jīng)足以提供商用的、成本效益好的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。 根據(jù) ITU 的標(biāo)準(zhǔn)，世界各大電信公司聯(lián)盟均提出了自己的第三代移動 通信系統(tǒng)方案， 雖然 第三代移動通信系統(tǒng) 的標(biāo)準(zhǔn)差異很大，但 采用碼分多址技術(shù)已經(jīng)達(dá)成共識 。因此，應(yīng)用的驅(qū)動一直是擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力，未來的無線通信系統(tǒng)，如移動通信、無線局域網(wǎng)、 全球個人通信等，擴(kuò)頻技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。 CDMA是根據(jù)現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、國際漫游等要求而設(shè)計的一種 移動通訊技術(shù)。 它為每個用戶分配各自特定的地址 碼，利用公共信道來傳輸信息。 CDMA 的示意圖如 21 所示，用戶信號是用 Ci來區(qū)分的。 2. B－ CDMA：寬帶碼分多址系統(tǒng)，包括 W－ CDMA、 CDMA20xx 和 TD－ SCDMA，它們分別是歐洲、美國（高通）和中國（大唐電信與西門子合作）所提出并開發(fā)的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)。 CDMA 的特點： ：理論上， CDMA 移動網(wǎng)的容量比模擬網(wǎng)大 20 倍。這就好像系統(tǒng)的帶寬是一間大房子，所有的人都將進(jìn)入這個大房子。 系統(tǒng)的軟切換和自動跟蹤多徑信號技術(shù)，降低切換時通話中斷的可能性，這便于用戶在移動中進(jìn)行通話和數(shù)據(jù)傳輸。 ： CDMA 系統(tǒng)中的通話保護(hù)措施可提供最佳的保密特性，防止通信過程中被竊聽和手機(jī)密碼被盜。目前擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為： 1. 直 接 序 列（ DS） 擴(kuò)頻 所謂直接序列擴(kuò)頻 （ DS： Ddirect Sequence） ，就是使用具有高碼率的擴(kuò)頻序列，在發(fā)射端擴(kuò)展信號的頻譜，而在接收端用相同的 擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號還原成原來的信號。我們先把時間軸分成許多時片，在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá)中，在通信中也有應(yīng)用。在接收端，接收機(jī)不但接收到有用的信號，同時還接收到各種干擾和噪聲。 CDMA 的應(yīng)用前景 CDMA 以其本身所具有的特點及優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于數(shù)字移動通信和個人通信系統(tǒng)中。 話音數(shù)據(jù) 話音數(shù)據(jù) PN 碼 載頻 本地載波 本地 PN碼 圖 22 CDMA 通信系統(tǒng) 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 7 3． 擴(kuò)頻碼序列 碼序列的相關(guān)性 在擴(kuò)展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列。這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號的性能。 為什么要選用隨機(jī)信號或噪聲性能的信號來傳輸信息呢？許多理論研究表明，在信息傳輸中各種信號之間的差別性能越大越好。 在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號與它自身相移以后的相似性的。 現(xiàn)在來看看隨機(jī)噪聲的自相關(guān)性。如果稍微延遲一 t，對于完全的隨機(jī)噪聲，相乘以后正負(fù)抵消，積分為 0。利用這種特性，就很容易地判斷接收到的信號與本地產(chǎn)生的相同信 號復(fù)制品之間的波形和相位是否完全一致。我們所能做到的是產(chǎn)生一種具有類似自相關(guān)特性的周期性信號。這樣我們很容易求出這 兩個脈沖序列波形的自相關(guān)函數(shù)，如圖 31 (d)中。而其它延遲時，自相關(guān)函數(shù)值為－ 1/7, 即碼位長的倒數(shù)取負(fù)值。 擴(kuò)頻碼序列除自相關(guān)性外，與其他同類碼序列的相似性和相關(guān)性也很重要。如果有一定的相似性，則不完全為 0。 二進(jìn)制的 m序列 是一種重要的偽隨機(jī)序列，有優(yōu)良的自相關(guān)特性。在二進(jìn)制移位寄存器發(fā)生器中，若 n 為級數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為 2n－ 1位。移位寄存器的作用為在時鐘脈沖驅(qū)動下，能將所暫存的 “ 1” 或 “0” 逐級向右移。 D3 的變化即輸出序列。因 7 位為所能產(chǎn)生的最長的碼序 列， 1110010 則為 m序列。對于何種抽頭能產(chǎn)生何種長度和結(jié)構(gòu)的碼序列，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作。 一個碼序列的隨機(jī)性由以下三點來表征： 1. 一個周期內(nèi) “l(fā)” 和 “0” 的位數(shù)僅相差 1位。 3. 一個周期長的序列與其循環(huán)移位序列 比較，相同碼的位數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差 l位 。 在表 32中列出長為 15位的游程分布。例如 1110100 與向右移三位后的序列 1001110 逐位模二相加后的序列為 0111010，相當(dāng)于原序列向右移一位后的序列，仍是 m 序列。理論分析指出，產(chǎn)生的 m序列數(shù)由下式?jīng)Q定 ? ?2 1 /F n n? （ 36） 其中由 F(X)為歐拉數(shù) (即包括 1在內(nèi)的小于 X 并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個數(shù) )。Gold 提出了一種基于 m 序列的碼序列 ,稱為 Gold 碼序列。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 12 如果把兩個 m 序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對序列模二相加，則產(chǎn)生一個新的碼序列，即 Gold 序列。因為總共有 21n? 個不同的相對位移，加上兩個 n 級移位寄存器可以產(chǎn)生 21n? 個 Gold 序列。這兩個 m序列雖然碼長 相同，但相加以后并不是 m 序列，也不具備 m 序列的性質(zhì)。因為總共有 2n－ 1 個不同的相對位移，加上原來的兩個 m 序列本身，所以，兩個 m 級移位寄存器可以產(chǎn)生 2n＋ 1 個 Gold序列。 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) 長期以來，人們總是想方 設(shè)法使信號所占的頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源利用率。 由式中可以看出： 為了提高信息的傳輸速率 C，可以從兩種途徑實現(xiàn)，既加大帶寬 B 或提高信噪比 S/N。設(shè)信息持續(xù)時間為 T，或數(shù)字信息的碼元寬度為 T，則信息的帶寬 Bm 為 1mB T? （ 43） 信號功率 S 為 1S T? （ 44） 已調(diào)（或已擴(kuò)頻）信號的寬度為 B，則噪聲功率為 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 15 0N nB? （ 45） 將式（ 43） ~（ 45）代入式（ 42），可得 e mS T S BP f B fN N B????? ? ? ??????? ?? （ 46） 上面公式指出，差錯概率 Pe 是輸入信號與噪聲功率之比（ S/N）和信號帶寬與信息帶寬之比（ B/Bm）二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。 擴(kuò)頻增益和抗干擾容限 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，這樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個重要性能指標(biāo)。 直接序列擴(kuò)頻的基本原理 所謂直接序列擴(kuò)頻（ DS），就是直接用具有高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號的頻譜。偽碼的波形如圖 42 中的第（ 2）個波形，其碼元寬度為 pT ，且取 bT =16 pT 。由圖可見，當(dāng)信碼 m（ t）為 0 時， c（ t）與 p（ t）相同；而當(dāng)信碼 m（ t）為 1 時，則 c（ t）為 p（ t）取反既是。圖中采用二相相移鍵控方式。這里假定平衡調(diào)制器是理想對稱，碼序列取 + ? 1 的概率相同，即調(diào)制信號無直流分量，這樣平衡調(diào)制器輸出的已調(diào)波中，無載波分量。對于 PSK 來說，主要是看清楚已調(diào)波與調(diào)制信號之間的相位關(guān)系。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 18 接收端的工作原理： 假設(shè)發(fā)射的信號經(jīng)過信道傳輸，不出現(xiàn)差錯，經(jīng)過接收機(jī)前端電路（包括輸入電路、高頻放大器等），輸出仍為 ??1st 。假定收端的偽碼（ PN）與發(fā)端的 PN碼相同。對二元制的 0、 ? 而言，同號模 2 加為 0，異號模 2 加為 ? 。 這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對信號進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。 下面就來分析直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理 圖 43 為直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 。 對單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。 直擴(kuò)信號的抗截獲性 截獲 敵方信號的目的在于： 1. 發(fā)現(xiàn)敵方信號的存在， 2. 確定敵方信號的頻率， 3. 確定敵方發(fā)射機(jī)的方向。 如果滿足直擴(kuò)信號在接收機(jī)輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機(jī)本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機(jī)發(fā)現(xiàn)不了直擴(kuò)信號的存在。 直擴(kuò)碼分多址通信系統(tǒng) 多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的一個通信網(wǎng)，網(wǎng)中任何兩個用戶都可以通信，而且許多對用戶同時通信時互不不擾。對于其他用戶發(fā)來的別的信號，因 PN 碼不同時互相關(guān)值很小，不會被解擴(kuò)出來。 A A 解擴(kuò)后的有用信 號 干擾被擴(kuò)展頻譜 有用信號 窄帶干擾信號 2cR f if f cf cf （ a） 未解擴(kuò)的功率譜 （ b） 解擴(kuò)后的功率譜 圖 44 直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 20 實現(xiàn)直擴(kuò)碼分多址通信值得注意的問題有： 1. 是要選擇有優(yōu)良互相關(guān)特性的碼。 2. 是要注意克服“遠(yuǎn)－近”問題。 因此，直擴(kuò)碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。不同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達(dá)時間的延遲也不同。另外，如果采用不同時延的匹配濾波器，把多徑信號分離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號在相位上對齊相加，起到增加接收信號能量的作用。如果測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。 此外 ，有了精確的測距的定時系統(tǒng)，不難形成一個精確的定位系統(tǒng)；按照簡單的幾何關(guān)系，已知兩個點的位置 (座標(biāo) )和距離，及其在某一平面上分別與第三點的距離，也就能確定第三點的座標(biāo)位置。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調(diào)的相位同步而言。但引起不確定性的因素有以下一些： 1. 收發(fā)信機(jī)的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差 。 同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的 PN 碼與接收到的信號中的 PN 碼同步，即頻率上相同，相位上一致。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調(diào)整，使收發(fā)信號仍然保持同步。此時搜捕器件，調(diào)整壓控鐘源，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重復(fù)頻率和相位，以搜捕有用信號。因此，整個同步過程是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調(diào)整過程。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范 圍內(nèi)，即在 PN 碼一個時片內(nèi)。 3. 收發(fā) 信機(jī)相對運動引起的多普勒頻移； 4. 以及多徑傳播也會影響中心頻率的改變。因此，這里我們只需討論 PN 碼碼元和序列的同步。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 21 同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。當(dāng)采用一個較長周期的 PN碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉(zhuǎn)發(fā)回來的 PN 碼序列的相位進(jìn)行比較，即比較兩個碼序列相差的時片數(shù)，就可以看出其時間差，也就能換算出發(fā)射機(jī)與目的地之間的距離。 直擴(kuò)測距定時系統(tǒng) 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。其它有延遲到達(dá)的電波，由于相關(guān)解擴(kuò)的作用，只起到噪聲干擾的作用。 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機(jī)和 接收機(jī)之間電波傳播的路徑不止一條。解決的辦法是采用自動功率控制，自動調(diào)節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達(dá)到接收機(jī)時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機(jī)輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。同時還需要有一定的數(shù)量。此時相互之間干擾很小，可以當(dāng)作噪聲處理。 具體的做法是給每一個用戶分配一個 PN 碼作為地址碼。因此，直擴(kuò)信號可以用來進(jìn)行隱藏通信。直擴(kuò)信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間內(nèi)的能量就很小，同時它的頻帶很寬。對干擾來說，相關(guān)器起到擴(kuò)解擴(kuò)后的有用信號信息帶寬 B A 有用信號 干擾電平 白限熱噪聲電平 cR cR 功率頻譜 干擾信號 cf f cR f 圖 43 直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 （ a）接收機(jī)輸入的信號及干擾的功率譜 （ b）相關(guān)器輸出的信號及干擾的功率譜 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 19 展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對信號有害的干擾分量只有落入信息帶寬部分，從而抑制了大部分干擾。相關(guān)處理前，信號頻譜是很寬的，經(jīng)相關(guān)處理后，有用信息被解擴(kuò)，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關(guān)器，其功率譜密度基本不變。 直擴(kuò)系統(tǒng)的性能 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性 直擴(kuò)系統(tǒng)最早應(yīng)用是在軍事通信中作