【導讀】等眾多優(yōu)點，而被廣泛應用于許多領域中。針對頻通信廣泛的應用，直接序列擴頻通信系統(tǒng)進行了分析和仿真，使其更加形象和具體。師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位。印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。

　　

【正文】 4— 9） 當 m（ t）與 p（ t）符號相同時， c（ t）為 0；而當 m（ t）與 p（ t）不同時，則為 1。 c（ t）的波形如圖 42 所示中的第（ 3）個波形。由圖可見，當信碼 m（ t）為 0 時， c（ t）與 p（ t）相同；而當信碼 m（ t）為 1 時，則 c（ t）為 p（ t）取反既是。顯然，包含信碼的 c（ t）其碼元寬度已變成了 pT ，即已進行了頻譜擴展。其擴展處理增益也可用下式表示 1 0 l gbp pTG T? （ 4— 10） 在 bT 一定的情況下，若偽碼速率越高，即偽碼寬度（碼片寬度） pT 越窄，則擴頻處理增益越大。 經(jīng)過擴頻，還要載頻調(diào)制，以便信號在信道上有效的傳輸。圖中采用二相相移鍵控方式。調(diào)相器可由環(huán)行調(diào)制器完成，即將 c（ t）與載頻 1cosAt? 相乘，輸出為 ??1st 。即 ? ? ? ?11c o ss t c t A t?? （ 4— 11） 式中， ? ? 1011ct ????????????? ? ? ?????????? 當 二 進 制 序 列 為 碼當 二 進 制 序 列 為 碼 （ 4— 12） 因此，經(jīng)過擴頻和相位調(diào)制后的信號 ??1st為 ? ? ? ? 1111c o sc o sc o sAts t A c t tAt??????????? ???????? （ 4— 13） 由上面討論可知，經(jīng)過擴頻調(diào)制信號 c（ t）可看作只取 ? 1 的二進制波形，然后對載頻進行調(diào)制，這里是采用調(diào)相（ BPSK）。所謂調(diào)制，就是指相乘過程，可采用相乘器，環(huán)行調(diào)制器（或平衡調(diào)制器），最后得到的是抑制載波雙邊帶振幅調(diào)制信號。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。 ??1st 通過發(fā)射機中推動級、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。 通常載波頻率較高，或者說載波周期 cT 較小，它遠小于偽碼的周期 pT ，即滿足 cT pT 。但圖 42 中（ 4）示出的載波波形 cT =寬度為 pT ，這是為了便于看清楚一些，否 則要在一個 pT期間內(nèi)畫幾十個甚至幾百個正弦波。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系。圖 42 中的第（ 5）個圖為已調(diào)波 ??1st 的波形。這里，當 c（ t）為一碼時，已調(diào)波與載波取反相；而當 c（ t）為 0 碼時，取同相。已調(diào)波與載波的相位關系如圖 42 中的第（ 6）個圖所示。 中北大學分校學士學位論文 18 接收端的工作原理： 假設發(fā)射的信號經(jīng)過信道傳輸，不出現(xiàn)差錯，經(jīng)過接收機前端電路（包括輸入電路、高頻放大器等），輸出仍為 ??1st 。這里不考慮信道衰減問題，因為對 PSK 調(diào)制信號而言，重要的是相位問題，這里的假定對分析工作原理是不受影響的。相關器完成相干解調(diào)和解擴。接收機中的本振信號頻率與載波相差為一個固定的中頻。假定收端的偽碼（ PN）與發(fā)端的 PN碼相同。接收端本地調(diào)相情況與發(fā)端相似，這里的調(diào)制信號是 p（ t），即調(diào)相器輸出信號 ??2st的相位僅取決于 p（ t），當 p（ t） =1 時， ??2st的相位為 ? ；當 p（ t） =0 時， ??2st的相位為0。 信號 ??2st的相位如圖 42 中（ 7）所示。 相關器的作用在這里可等效為對輸入相關器的 ??1st 、 ??2st相位進行模 2 加。對二元制的 0、 ? 而言，同號模 2 加為 0，異號模 2 加為 ? 。因此相關器的輸出的中頻相位如圖 42 中的（ 8）所示。然后通過中頻濾波器。濾除不相關的各種干擾，經(jīng)解調(diào)恢復出原始信息。 這一過程說明了直擴系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對信號進行擴頻與解擴處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴系統(tǒng)的抗干擾能力。 直擴系統(tǒng)的性能 直擴系統(tǒng)的抗干擾性 直擴系統(tǒng)最早應用是在軍事通信中作為很強抗干擾性的通信手段。直擴系統(tǒng)對窄帶干擾、寬帶干擾等，都具有抗干擾能力，其抗干擾能力大小就是前面提出的擴頻處理增益 PG ， PG 越大，抗干擾能力就越強。 下面就來分析直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理 圖 43 為直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 。 這里的寬帶干擾是泛指的與擴頻信號不相關的，在 CDMA 通信網(wǎng)中，其它用戶的信號就是一種寬帶干擾。相關處理前，信號頻譜是很寬的，經(jīng)相關處理后，有用信息被解擴，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關器，其功率譜密度基本不變。由于解擴后必然連接窄帶濾波器，保證信號能順利通過，對信號頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。 對單頻或窄帶干擾，直擴系統(tǒng)有很強的抗干擾能力。圖 44（ a）為解擴前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地擴頻碼（ PN 碼）是不相關的。對干擾來說，相關器起到擴解擴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 直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 （ a）接收機輸入的信號及干擾的功率譜 （ b）相關器輸出的信號及干擾的功率譜 中北大學分校學士學位論文 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。由于有用信號能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。 直擴信號的抗截獲性 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)射機的方向。 理論分析表明，信號的檢測概率與信號能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴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。因此，它具有很強的抗截獲性。 如果滿足直擴信號在接收機輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機發(fā)現(xiàn)不了直擴信號的存在。另外，由于直擴信號的寬頻帶特性，截 獲時需要在很寬的頻率范圍進行搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直擴信號可以用來進行隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴信號的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴信號的檢測與估值問題。 直擴碼分多址通信系統(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。應用直擴系統(tǒng)就很容易組成這樣一個多址通信系統(tǒng) (網(wǎng) )。 具體的做法是給每一個用戶分配一個 PN 碼作為地址碼。首先，利用直擴信號中 PN碼的相關特性來區(qū)分不同的用戶，每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信 號，此時自相關特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發(fā)來的別的信號，因 PN 碼不同時互相關值很小，不會被解擴出來。其次，利用直擴信號中頻譜擴展，功率譜密度很低的特性，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時相互之間干擾很小，可以當作噪聲處理。另外，每個用戶占用的頻寬很窄，相對說來，頻譜利用率也是高的。 A A 解擴后的有用信 號 干擾被擴展頻譜 有用信號 窄帶干擾信號 2cR f if f cf cf （ a） 未解擴的功率譜 （ b） 解擴后的功率譜 圖 44 直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 中北大學分校學士學位論文 20 實現(xiàn)直擴碼分多址通信值得注意的問題有： 1. 是要選擇有優(yōu)良互相關特性的碼。 一般多采用有二值或三值相關特性的碼作為地址碼。同時還需要有一定的數(shù)量。 Gold 碼就可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關特 性，也有足夠的數(shù)量可供選。 2. 是要注意克服“遠－近”問題。 所謂“遠一近”問題指的是距離近的用戶的信號強，它會干擾距離遠的弱信號的接收。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，使達到接收機時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。 3. 是同時通話的用戶數(shù)，決定于整個網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。 因此，直擴碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。 直擴系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機和 接收機之間電波傳播的路徑不止一條。例如由于大氣層的反射和折射，以及由于建筑物等對電波的反射都是形成多徑信道的原因。不同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達時間的延遲也不同。 直擴系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強的直達路徑的電波上。其它有延遲到達的電波，由于相關解擴的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用 PN 碼的自相關特性，只要延遲超過半個PN碼時片，其相關值就很小，可作為噪聲來對待。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。 因此，直擴系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 直擴測距定時系統(tǒng) 直擴系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。 用直擴信號來測取和定時有獨特的優(yōu)點。當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)射機與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，基本的分辨率即一個碼片。 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)；按照簡單的幾何關系，已知兩個點的位置 (座標 )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位置。 擴 頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調(diào)出信息。擴頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、 PN 碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴系統(tǒng)才能正常的工作。可以說沒有同步就沒有擴頻通信系統(tǒng)。 中北大學分校學士學位論文 21 同步系統(tǒng)是擴頻通信的關鍵技術。信息碼元時鐘可以和 PN 碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關系，一個實現(xiàn)了同步，另一個自然也就同步了。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。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實現(xiàn)載頻同步。因此，這里我們只需討論 PN 碼碼元和序列的同步。 一般說來，在發(fā)射機和接收機中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素有以下一些： 1. 收發(fā)信機的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差 。 2. 收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性引起的頻差 。 3. 收發(fā) 信機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，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進一步提高同步速率和精度的方法。 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。同步過程一般說來包含兩個階段： 1. 接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號。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)。 2. 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。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。 如果由于采種原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。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。 圖 45 為同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖 ，圖中 接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN 碼進行相關運算。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頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN碼發(fā)生器與外來信號保持同步 接收信號 圖 45 同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖 輸出出 寬帶濾波器 碼跟蹤器 PN碼發(fā)生器 壓控鐘源 搜捕器件 解調(diào)器 中北大學分校學士學位論文 22 5. 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 矩陣實驗室（ MATLAB:Matrix Laboratory）是一種以矩陣運算為基礎的交互式的程序語言。