【文章內(nèi)容簡介】 tSM G L d BN? ? ? () 上式中， jM 表示抗干擾容限， pG 為系統(tǒng)擴(kuò)頻處理增益， ()outSN則為信息數(shù)據(jù)正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比， sL 為接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部工作損耗。 干擾容限的實(shí)際意義在于它反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)能在何種強(qiáng)度的干擾環(huán)境下正常工作的能力和可以抵抗極限干擾的強(qiáng)度。因此，干擾容限往往比擴(kuò)頻處理增益更能確切反映系統(tǒng)的抗干擾能力。 三、干擾門限 干擾容限是建立在較為理想的工作環(huán)境下的參數(shù)指標(biāo)，而實(shí)際中的通信系統(tǒng)往往更為復(fù)雜：系統(tǒng)的非線性特性和偽隨機(jī)碼的跟蹤誤差都會(huì)引起信噪比的損失，導(dǎo)致通信質(zhì)量的下降；且在輸入信號(hào)信噪比很低時(shí)存在門限效應(yīng)（輸入信噪比降低到一個(gè)特定的數(shù)值后，輸出信噪比出現(xiàn)急劇惡化的現(xiàn)象）。 定義：系統(tǒng)輸出信噪比比大輸入信噪比下的輸出信噪比下降 1dB時(shí)的 ()inSN為 ―門限信噪比 ‖，定義系統(tǒng)實(shí)際允許輸入的輸入干擾電平為 ―干擾門限 ‖。 設(shè)系統(tǒng)輸入干擾功率為 J，用 JS 代換（ ）中的干擾容限 jM ， 整理可得： 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 ( ) [ ( ) ]o u t p s inSJG L d BNS? ? ? （ ） 故在設(shè)計(jì)擴(kuò)頻接收機(jī)時(shí)，還應(yīng)使干擾門限有如下關(guān)系： [ ( ) ] [ ( ) ] = 1 dp s in o u tJSG L BSN? ? ?設(shè) 計(jì) 值 輸 出 值 （ ） 實(shí)際系統(tǒng)均存在干擾門限，通過合理設(shè)計(jì)和器械的而優(yōu)化可以把門限點(diǎn)搬移至系統(tǒng)正常工作區(qū)域外，消除影響。 四、射頻帶寬 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中還有一項(xiàng)很關(guān)鍵的參數(shù)就是系統(tǒng)的射頻帶寬，其將直接影響系統(tǒng)性能，系統(tǒng)帶寬和傳送的信息速率決定了直擴(kuò)系統(tǒng)的擴(kuò)頻處理增益，也決定了系統(tǒng)的抗干擾能力。在任何情況下，直擴(kuò)通信系統(tǒng)的射頻帶寬都幾乎嚴(yán)格地是所用擴(kuò)頻碼速率的函數(shù)。在采用 BPSK 方式時(shí)，系統(tǒng)的射頻帶寬為擴(kuò)頻碼傳輸速率的 2 倍。實(shí)際系統(tǒng)中，在確定直接序列帶寬時(shí)，必須考慮功率損失 、 處理增益 、 待傳信息速率及系統(tǒng)抗干擾能力的要求。 第四節(jié) 擴(kuò)頻通信技術(shù)現(xiàn)狀 3G 通信強(qiáng)勢襲來，擴(kuò)頻通信不可或缺。這其中，以碼捕獲技術(shù)和多用戶檢測（ MUD）技術(shù)代表了目前擴(kuò)頻技術(shù)研究的現(xiàn)狀。 同步的實(shí)現(xiàn)是直擴(kuò)系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵問題。只有實(shí)現(xiàn)偽碼同步才有可能實(shí)現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻通信的各種優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)碼捕獲的研究主要集中在對(duì)周期較長的碼實(shí)現(xiàn)捕獲的問題，也即快速捕獲問題。以往采用的串行捕獲方法簡單易實(shí)現(xiàn)，但捕獲速度不能滿足求，而并行捕獲方案系統(tǒng)復(fù)雜度很高，因此研究目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)碼捕獲時(shí)間性能和系統(tǒng)復(fù)雜度中間的折中，利用一些新的搜索算法進(jìn)一步改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能成為研究的熱點(diǎn)。 限制 CDMA 系統(tǒng)容量的是來自其他用戶的多址干擾，而多用戶檢測技術(shù)能夠利用這些多址干擾來改善接收 機(jī)的性能，是一種提高系統(tǒng)容量的有效方法。傳統(tǒng)的 CDMA 接收機(jī)是由一系列單用戶檢測器組成，每個(gè)檢測器都是與特定擴(kuò)頻碼對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)的相關(guān)器，把來自其他用戶的干擾當(dāng)成加性噪聲，因此當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，其性能急劇下降。最優(yōu)的多用戶接收機(jī)可以解決這個(gè)問題帶來的不利影響，與此同時(shí)，其復(fù)雜度隨用戶數(shù)量成指數(shù)增長，故在世紀(jì)通信系統(tǒng)中幾乎不重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 可能實(shí)現(xiàn)。不言而喻，這樣尋找在性能和復(fù)雜度之間折中的次最優(yōu)多用戶檢測器成為研究的熱點(diǎn)。 由此可見，擴(kuò)頻技術(shù)自身的理論和技術(shù)都已趨于完善，其再一次實(shí)現(xiàn)大發(fā)展的機(jī)遇存在于與其他新技術(shù)的結(jié)合之中。 展望未來，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（ 4G）的驅(qū)動(dòng)無疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的擴(kuò)展。 第五節(jié) 本章小結(jié) 本章主要介紹了擴(kuò)頻通信概況，主要內(nèi)容包括了擴(kuò)頻通信的歷史背景和發(fā)展歷程，以及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用；擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式的介紹；現(xiàn)有擴(kuò)頻通信的幾種基礎(chǔ)分類和簡單介紹；擴(kuò)頻通信的幾項(xiàng)基本性能參數(shù)以及當(dāng)代通信發(fā)展方向和擴(kuò)頻通信面臨的挑戰(zhàn)。從實(shí)際運(yùn)用角度闡述了擴(kuò)頻通信的基本知識(shí)概念，為直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的介紹做一個(gè)鋪墊。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二章 直接序列擴(kuò)頻通信 第一節(jié) 直接序列擴(kuò)頻原理及調(diào)制 過程 一、直接序列擴(kuò)頻基本原理 直接序列擴(kuò)頻，顧名思義就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。擴(kuò)展頻譜的特性取決于所采用的擴(kuò)頻碼序列的碼型和碼片速率。為了獲得具有近似噪聲的頻譜，采用偽噪聲（ PN）序列作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。為了實(shí)現(xiàn)簡單，我們這里選擇采用易產(chǎn)生和復(fù)制的 m序列作為 PN 碼調(diào)制信息碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。如下圖所示： 圖 直接序列擴(kuò)頻原理框圖 如上圖所示，左邊部分為發(fā)射端，右邊部分為接收端。信源發(fā)出數(shù)字信號(hào) a(t)與高速擴(kuò)頻碼 c(t)相乘得到頻譜展寬信號(hào) d(t)，再經(jīng)過頻率為 Cf 的高頻載波調(diào)制就得到高頻的寬頻帶信號(hào) s(t)， s(t)通過無線傳輸?shù)竭_(dá)接收端。 接收端處通過高頻放大器對(duì)信號(hào) s(t)進(jìn)行接收個(gè)放大，接收端的本振可以產(chǎn)生高頻載波，其產(chǎn)生的本振信號(hào)的頻率為 Lf ，且有 ?? LC ff 中頻。接收端產(chǎn)生的與發(fā)送端同步的擴(kuò)頻碼 )(39。tc 與本振信號(hào)相乘得到 )(39。te ， )(39。te 再與 s(t)相乘后經(jīng)過低通濾波器得到信號(hào) )(39。tr ， )(39。tr 再經(jīng)過信息解調(diào)就可恢復(fù)出原始信號(hào) )(39。ta 。如下圖是BPSK 調(diào)制的直擴(kuò)信號(hào)各階段波形圖。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 直接序列擴(kuò)頻過程各部分波形圖 這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理 ，以及 它是怎樣通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理 ， 從而達(dá)到提高輸出信噪比的目的。 二、 直擴(kuò)系統(tǒng)的調(diào)制方式 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信息的傳輸，是把信源輸出的數(shù)字信號(hào)調(diào)制到偽隨機(jī)碼序列中，含有原始信號(hào)信息的偽隨機(jī)序列經(jīng)高頻載波進(jìn)行調(diào)制后由發(fā)射端發(fā)出。 在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中，對(duì)高頻載波通常采用的調(diào)制方式是對(duì)載波進(jìn)行相移鍵控。用的最多的是二進(jìn)制相移鍵控（ BPSK），較為復(fù)雜的有四相移相鍵控（ QPSK）和最小頻移鍵控（ MSK）等，本設(shè)計(jì)中選用 BPSK 調(diào)制方式。 由于直擴(kuò)基帶信號(hào)采用雙極性 NRZ 波形，因此實(shí)際上直擴(kuò)基帶信號(hào)與正弦載波相乘就是 PSK 調(diào)制。載波、數(shù)據(jù)與 PN 碼三者之間都是相乘關(guān)系，相乘次序的變化不影響結(jié)果，因此實(shí)際發(fā)送的設(shè)備中可以是先將數(shù)據(jù)進(jìn)行 PSK 調(diào)制得到窄帶的射頻信號(hào)，再進(jìn)行擴(kuò)頻，同樣接收設(shè)備也可能是先解擴(kuò)，再進(jìn)行 PSK 解調(diào)。本設(shè)計(jì)中采用先擴(kuò)頻調(diào)制后載波調(diào)制的方式，接收端同理。 如 圖 所示。 利用二進(jìn)制 PSK 的一個(gè)二進(jìn)制信息序列的傳輸問題。信息的速率是 sbR 比特區(qū)間是 1bTR? 。可用信道是 ? ?HzBC ， CBR?? 。在調(diào)制器中，按照 PN 碼的變化形式，以每秒 W 次的速度，偽隨機(jī)地將載波相位移項(xiàng)，將信號(hào)的帶寬擴(kuò)展到 ? ?HzBW C? 。這樣所得到的以調(diào)信號(hào)稱為直接序列 (DS)擴(kuò)頻信號(hào)。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 判決輸出 取樣脈沖 載波基準(zhǔn) PSK 波形 相乘輸出 低濾輸出 圖 BPSK 調(diào)制過程各部分波形圖 三、直擴(kuò)系統(tǒng)的解擴(kuò)調(diào)制 擴(kuò)頻信號(hào)一般分兩步解調(diào)，首先是對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)，一般采用相關(guān)檢測的方法進(jìn)行接擴(kuò)，也可采用匹配濾波器的方法進(jìn)行解擴(kuò)。 在直擴(kuò)系統(tǒng)中，常用信號(hào)的相干性來檢測淹沒在噪聲中的有用信號(hào)。所謂信號(hào)的相干性，就是指信號(hào)的某個(gè)特定標(biāo)記 (如振幅、頻率、相位等 )在時(shí)間坐標(biāo)上有規(guī)定的時(shí)間關(guān)系，我們把具有這種性質(zhì)的信號(hào)稱為相干信號(hào)。由于相干信號(hào)具有這樣的特性，就可以對(duì)相干信號(hào)與噪聲 (或干擾 )的混合波形進(jìn)行某種時(shí)域的運(yùn)算，然后再根據(jù)某種法則進(jìn)行判斷，從而把原來的相干信號(hào)與噪聲 (或干擾 )加以分離。 如圖所示，設(shè)信號(hào)為 s(t),噪聲為 n(t),則信號(hào)與噪聲的混合波形為 r(t)。 r(t)=s(t)+n(t) （ ） 圖 相干檢測原理框圖 相干檢測的基礎(chǔ)是互相關(guān)運(yùn)算。主要就是用一個(gè)與 s(t)有密切相干關(guān)系的本地參考信號(hào) )(tsr 與 r(t)相乘后的積分。如下圖（相干檢測原理圖）所示，本地參考信號(hào) )(tsr 與信號(hào) s(t)頻率相同，相位相干。其中，相乘器可以用鑒相器來實(shí)現(xiàn)，濾波器 低通濾波器 S ( t ) n ( t ) Sr ( t ) 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 低通濾波器起到積分的作用。 相干檢測中還有一個(gè)很重要的部分就是本地參考信號(hào)。本地參考信號(hào)由鎖相環(huán)路產(chǎn)生。如下圖 （相干參考信號(hào)產(chǎn)生原理圖）所示： 相位比較 低通濾波器壓控振蕩器r ( t )Sr ( t ) 圖 鎖相環(huán)路原理框圖 用一個(gè)與輸入信號(hào)頻率相近的振蕩器，把它的相位與輸入信號(hào)相位作比較（可以用鑒相器實(shí)現(xiàn)），將獲得的誤差電壓稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過濾波平滑后在作用于振蕩器，以此不斷糾正它的相位與輸入信號(hào)相位的誤差。循環(huán)往復(fù)，這個(gè)受輸入電壓控制的振蕩器的輸出相位就逐漸逼近于輸入信號(hào)的相位，達(dá)到―同頻、同相 ‖的結(jié)果，它們之間的近似程度取決于跟蹤誤差。 第二節(jié) 偽隨機(jī)編碼 一、偽隨機(jī)編碼概述 隨機(jī)噪聲是影響傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通信質(zhì)量和限制信道容量的重要因素，它使模擬信號(hào)產(chǎn)生失真發(fā)生畸變，使數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)誤碼。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)都想法設(shè)法消除系統(tǒng)中的隨機(jī)噪聲，減小其對(duì)通信質(zhì)量的影響。直到 20 世紀(jì) 60 年代，提出了偽隨機(jī)噪聲理論。利用偽隨機(jī)噪聲的類似隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，實(shí)現(xiàn)信息頻譜的擴(kuò)展和信息隱藏，在高可靠保密通信中日漸得到應(yīng)用，并從開始的軍事運(yùn)用發(fā)展到后來的民用化。 香農(nóng)編碼定理指出：只要信息速率 bR 小于信道容量 C，則總可以找到某種編碼方法，可以再碼周期相當(dāng)長的條件 下，能夠幾乎無差錯(cuò)地從受到高斯噪聲干擾的信號(hào)中復(fù)制出原始信息。我們知道高斯白噪聲是一種隨機(jī)的模擬信號(hào)，它的瞬時(shí)值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的，具有極其優(yōu)良的自相關(guān)特性，但是至今卻都無法重復(fù)產(chǎn)生和處理它，因此只能用具有類似于帶限白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的偽隨機(jī)碼來無限逼近它，并作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。 二元偽隨機(jī)序列中只有 ―0‖和 ―1‖兩種元素，因此無法從信號(hào)的幅度分布上逼重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 近白噪聲，主要從碼元分布、相關(guān)特性等方面逼近隨機(jī)白噪聲。 對(duì)于偽隨機(jī)碼，我們用如下定義：凡自相關(guān)函數(shù)具有如下形式的碼，稱為偽隨機(jī)碼，又 稱為狹義偽隨機(jī)碼。 2111 1 , 0( p )()11 , 0( p )piix pi i jixjpRjx x jpp???? ????? ?? ? ? ?????模模 （ ） 由此可見，擴(kuò)頻系統(tǒng)中所用的偽隨機(jī)碼都需具備以下基本性能： （ 1） 具有尖銳的自相關(guān)特性，且互相關(guān)函數(shù)應(yīng)接近于 0。 （ 2） 有足夠長的碼周期和復(fù)雜度，以確?？菇孬@和抗干擾的要求。 （ 3） 滿足要求的序列數(shù)足夠多，以實(shí)現(xiàn)碼分多址的要求。 （ 4） 序列易于產(chǎn)生和復(fù)制及處理。 二、 m序列 m 序列也稱最長線性反饋移位寄存器序列 ,可由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生。 n級(jí)二進(jìn)制線性反饋移位寄存器排除輸出為 0 的狀態(tài)外，產(chǎn)生的周期為 21n? 的最大可能長度序列。二元 m 序列是一種偽隨機(jī)序列，具有優(yōu)良的自相關(guān)函數(shù)，屬于狹義偽噪聲序列。由于 m 序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、性能優(yōu)良等特性，被廣泛應(yīng)用于 DS 系統(tǒng)中用于擴(kuò)展基帶信號(hào)。 X n 1 X nX n 3模 二 加 法 器X n 2C o C 1 C 2 C 3 C n 1 C n 圖 n 級(jí)線性反饋移位寄存器工作原理圖 n 階移位寄存器的反饋函數(shù)是： )(),( 1n21 模二和???? ni ii XCXXXF （ ） 顯然， iC 的取值決定了反饋形式和輸出序列結(jié)構(gòu)，可用方程表示如下： ???????? ni iinn XCxCxCxCCxf 02210 ...)( （ ） )1( 0 ?? nCC 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 該方程成為特征多項(xiàng)式。其中 x 本身取值并無實(shí)際意義， iX 項(xiàng)的有無僅僅表明 iC 取 1 或是 0。例如特征多項(xiàng)式為 5421)( xxxxxf ????? ，它表明543210 , xxxxxx 和的系數(shù) 543210 ,, CCCCCC 都等于 1，其余為 0。 擴(kuò)頻通信中對(duì)擴(kuò)頻序列常有如下基本要求： ① 尖銳的自相關(guān)特性； ② 盡可能小的互相關(guān)值； ③ 足夠多的序列數(shù)； ④ 較好的均衡性； ⑤ 工程上簡單易實(shí)現(xiàn)。通常采用為隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻序列，常用的有 m序列和 Gold 序列。本設(shè)計(jì)中我們采用 m序列作為擴(kuò)頻序列。 m序列是一種偽隨機(jī)序列，它滿足如下三個(gè)特性： （ 1）平衡特性： 每一周期 p= 21n? 內(nèi)， 0 出現(xiàn) 121n?? 次， 1