【正文】 載波 圖 29 序列相位搜索捕獲系統(tǒng) 若擴(kuò)頻碼序列長(zhǎng)為 N，碼元寬度為 Tc，則擴(kuò)頻碼序列信號(hào)的周期為 T=NTc。為了減少并行捕捉的相關(guān)器數(shù)量，一般采用順序搜索的捕捉方法，只需要一個(gè)相關(guān)器即可。在串行捕獲方案中，利用一些新的搜索算法，進(jìn)一步縮短捕獲時(shí)間，改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。 以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但捕獲速度不能滿足要求。通常， 把整個(gè)未知相位區(qū)間分成有限個(gè)小區(qū)間，每次檢測(cè)一個(gè)小區(qū)間。常用的無(wú)源相關(guān)法多使用聲表面波器件 (SAW)或數(shù)字匹配濾波器。如果檢測(cè)不到相關(guān)峰，則時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)本地碼移向下一個(gè)搜索區(qū)間并重復(fù)上述的相關(guān)過(guò)程，一直到檢測(cè)到正確的相關(guān)峰為止。 PN碼捕獲方法可分為有源相關(guān)和無(wú)源相關(guān)兩種。例如， m序列的自相關(guān)函數(shù)相移為零時(shí)為序列周期 N；當(dāng)相移不等于零時(shí)，相關(guān)函數(shù)值為 1。在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中，偽 碼的同步捕獲是構(gòu)成碼同步系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，也是直擴(kuò)系統(tǒng)中必不可少的部分，因此在本論文中只討論幾種同步捕獲的方法。 當(dāng)偽碼捕獲完成后，系統(tǒng)將控制權(quán)交給偽碼跟蹤電路，對(duì)本地偽碼序列相位進(jìn)行精確調(diào)整，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步；當(dāng)偽碼跟蹤電路失步時(shí)，再將控制權(quán)交給偽碼捕獲電路，重新進(jìn)行同步捕獲。捕獲方法的共同特 點(diǎn)是用本地信號(hào)與收到的信號(hào)相乘，即進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲得二者相似性的量度，并與一個(gè)門限相比較，以判斷其是否捕獲到有用信號(hào)。也就是說(shuō)，無(wú)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，進(jìn)一步減小收端碼元與發(fā)端碼元的相位誤差，一般誤差要小于十分之一碼元時(shí)間，并使收端碼元跟蹤發(fā)端碼元的變化。 同步捕獲 是 調(diào)整時(shí)鐘 搜索 是否捕獲 停止搜索 否 轉(zhuǎn)入同步跟蹤 失步 同步鎖定 同步跟蹤 是 否 圖 28偽隨機(jī)碼同步流程圖 一是同步捕獲 (又稱粗同步 )，主要是捕獲偽碼。引起同步這兩個(gè)不確定性因素的原因主要有以下幾個(gè)方面：頻率源的漂移、擴(kuò)頻序列的啟動(dòng)時(shí)差、電波傳播的時(shí)延、多普勒頻偏、多徑效應(yīng)等，這些原因?qū)⒃斐墒瞻l(fā)兩端的不同步。所以擴(kuò)頻信號(hào)的同步是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性。接收機(jī)若要把偽碼擴(kuò)展的信號(hào)解出，接收方就必須能產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)方一樣的偽碼序列 (保證最大相關(guān)值 )，而且該本地偽碼速率、相位要與接收到的偽碼保持一致。能產(chǎn)生 m序列的特征多項(xiàng)式必是不可約的，且是本原多項(xiàng)式，一個(gè)本原特征多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)一個(gè)最大長(zhǎng)度序列，也就是對(duì)應(yīng)一個(gè) m序列。 若初始狀態(tài)為全 0 時(shí)，則線性移位寄存器輸出的狀態(tài)將不會(huì)改變，因此在實(shí)際應(yīng)用中全 0 這種狀態(tài)應(yīng)避免。當(dāng) Ci=0 時(shí)表示反饋線斷開(kāi)；當(dāng) ci=l 時(shí)表示反饋存在。 圖 25 m 碼的自相關(guān)函數(shù)曲線 由相關(guān)函數(shù)理論可得知，信號(hào)的自相關(guān)函數(shù) R(τ )與功率譜密度函數(shù) G(f)構(gòu)成一對(duì)傅里葉變換，因此我們很容易由 m碼的自相關(guān)函數(shù)經(jīng)過(guò)傅里葉變換得出功率譜密度，如圖 26所示 ，其趨于白噪聲的功率譜特性。它的自相關(guān)函數(shù)曲線如圖 25 所示。經(jīng)過(guò)這樣變換后，周期為 N的 m序列就變?yōu)榇a元寬度為 Tc、周期為 NTc 的 m碼。 ④移位相加特性： 一個(gè) m 序列與其任意移位序列模 2 相加，所得序列仍是該 m 序列的另一個(gè)位移序列。在一個(gè)游程中元素的個(gè)數(shù)稱為游程長(zhǎng)度。 ②均衡性：在 m序列的一個(gè)周期內(nèi)，“ 1”與“ 0”的個(gè)數(shù)基本相等，準(zhǔn)確地說(shuō)，“ 1”的個(gè)數(shù)比“ 0”的個(gè)數(shù)多一個(gè)，且“ 1”的個(gè)數(shù)為 2n1個(gè)，“ 0”的個(gè)數(shù)為 2n1個(gè)。 （ 2） m 序列 m 序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列，這種序列易于產(chǎn)生與復(fù)制，有優(yōu)良的自 相關(guān)特性，是擴(kuò)頻系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種偽隨機(jī)碼。 理想的擴(kuò)頻碼主要應(yīng)具有以下特性： ①有尖銳的自相關(guān)特性，而互相關(guān)特性應(yīng)接近 0值； ②有足夠長(zhǎng) 的碼周期，以確?？箓善婆c抗干擾的要求； 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 ③碼的數(shù)量足夠多，以實(shí)現(xiàn)碼分多址的要求； 在 cdmaOne 通信系統(tǒng)中采用的用戶地址碼是周期為 242— 1 的 m 序列，在 W— CDMA通信系統(tǒng)中采用的用戶地址碼是周期為 241— 1的 Gold序列等，其中最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的偽隨機(jī)序列是 m序列。大部分偽隨機(jī)碼都是周期碼，通常由二進(jìn)制移位寄存器來(lái)產(chǎn)生，在工程上常用二元域 {0， 1}內(nèi)的 0 元素與 1 元素的序列來(lái)表示。 但是對(duì)于白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制，迄今為止仍存在著許多技術(shù)問(wèn)題和困難，然而人們已經(jīng)找到一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽隨機(jī)碼 序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性近似于或逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因此在工程上與實(shí)踐中，用偽隨機(jī)碼信號(hào)來(lái)逼近，并作為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。同時(shí)香農(nóng)又指出：在高斯白噪聲的干擾下，在平均功率受限的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。 擴(kuò)頻序列 在擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)中，擴(kuò)頻運(yùn)算是通過(guò)偽隨機(jī)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此在系統(tǒng)中有一個(gè)偽隨平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 機(jī)碼發(fā)生器，它是構(gòu)成擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)不可 缺少的一部分，偽隨機(jī)碼性能的好壞，直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞，是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。 (5) 便于實(shí)現(xiàn)多址通信 由于不同的擴(kuò)頻碼是正交或接近正交的，彼此相互影響很小，所以可以把不同的擴(kuò)頻碼作為用戶的地址碼，則很容易實(shí)現(xiàn)碼分多址 (CDMA)通信。簡(jiǎn)單的說(shuō)：由于信息信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制后頻譜被大大擴(kuò)展，使信號(hào)的功率譜密度大大降低，接收端接收到的信號(hào)譜密度比接收機(jī)噪聲低，即信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲中，這樣對(duì)其他同頻段電臺(tái)的接收不會(huì)形成干擾，信號(hào)也就不容易被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步檢測(cè)出信號(hào)就更難，所以有非常高的隱蔽性，特別適合應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的保密通信 [6]。直擴(kuò)信號(hào)正好具有這兩方面的優(yōu)勢(shì)，它的功率譜密度很低，單位時(shí)間內(nèi)的能量就很小，同時(shí)它的頻帶很寬。由擴(kuò)頻序列的自相關(guān)函數(shù)的特性知道，當(dāng)兩個(gè)接收信號(hào)序列相對(duì)時(shí)間超過(guò)碼元寬度時(shí)，相關(guān)器輸出只為碼長(zhǎng)的倒數(shù)，故被很大程度地抑制掉 [3]。反射和折射信號(hào)的傳播時(shí)問(wèn)比直射信號(hào)長(zhǎng)，就會(huì)對(duì)直射信號(hào)產(chǎn)生多徑干擾。 綜上所述，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 抗干擾能力強(qiáng) 擴(kuò)頻解調(diào)器實(shí)際上是一個(gè)相關(guān)器，擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)相關(guān)器后能有效地恢復(fù)，干擾信號(hào) (包括瞄準(zhǔn)性窄帶干擾和寬帶干擾 )由于與本地 PN碼不相關(guān)而被相關(guān)器抑制掉 。 圖 24 解擴(kuò)前后信號(hào)功率譜密度示意圖 如圖 24所示，解擴(kuò)前，假設(shè)所有信號(hào)的功率譜是均勻分布在 B=2Rc的帶寬之內(nèi)，各信號(hào)的功率相同，在圖中各部分的面積均為 Po；解擴(kuò)后的信號(hào)功率譜各部分面積保持不變，通過(guò)相關(guān)解擴(kuò)后，有用信號(hào)的頻帶被壓縮在很窄的 帶寬內(nèi)，可以無(wú)失真地通過(guò)帶寬為Bb=2Rb的中頻濾波器，其他信號(hào)與本地偽隨機(jī)序列不相關(guān)，根據(jù)頻域卷積定理，頻帶被擴(kuò)展為本地偽隨機(jī)序列帶寬的兩倍，即 B=4Rc，所以進(jìn)入中頻濾波器的能量很少，大部分能量落在中頻濾波器的通頻帶之外，被中頻濾波器濾除了。 由于有用信號(hào)和本地偽隨機(jī)碼有良好的相關(guān)性，在通過(guò)相關(guān)處理后被壓縮到中心頻率為 fIF，帶寬為 Bb 的頻帶內(nèi)，又因?yàn)橄嚓P(guān)器后的中頻濾波器通頻帶很窄，通常為 Bb=2Rb，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號(hào) d,(t)調(diào)制的中頻信號(hào)和落 在濾波器通頻帶內(nèi)的那部分干擾信號(hào)和噪聲，而絕大部分的干擾信號(hào)和噪聲的功率被中頻濾波器濾除，這樣大大地改善了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾目的。解擴(kuò)的過(guò)程與擴(kuò)頻過(guò)程相同，用本地的偽隨機(jī)序列 c,(t)與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相乘后為 r’(t)=r(t)c’(t)=sI’(t)+nI’(t)+JI’(t)+sJ’(t) （ 2— 8） 對(duì)噪聲分量、干擾分量和不同網(wǎng)干擾，因與本地偽隨機(jī)碼不相關(guān)，經(jīng)相關(guān)處理后其頻平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 帶在接收端被擴(kuò)展，即干擾信號(hào)的能量被擴(kuò)展到整個(gè)傳輸頻帶之內(nèi)，使落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低。 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 圖 22 理想擴(kuò)頻系統(tǒng)波形示意圖 圖 23 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的功率譜 在傳播過(guò)程中，傳輸信號(hào)受到各種干擾信號(hào)與噪聲的污染，在不考慮傳輸過(guò)程中信號(hào)電平衰減的情況下，接收端天線上感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)高放的選擇放大和混 頻后，收到的信號(hào)用r(t)表示為 r(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) （ 2— 7） 式中 sI(t)為有用信號(hào)， nI(t)為信道噪聲， JI(t)為干擾信號(hào)， sJ(t)為其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)。 直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益為碼片速率與信息數(shù)據(jù)速率的比值，即 RbcR ，其值越大， 說(shuō)明抗干擾能力就越強(qiáng)。直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào) s(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： s(t)=Ad(t)c(t)cos(2π fct+φ ) （ 2— 5） 因?yàn)樵谌魏螘r(shí)刻 t都有 d(t)c(t)=177。稱為碼片速率 Rc，通常發(fā)送信號(hào)的帶寬取決于碼片速率，一般擴(kuò)頻序列的速率 Rc是 Mb／ s的量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾百 Mb／ s，而待傳輸信號(hào)源 擴(kuò)頻 調(diào)制器 時(shí)鐘源 擴(kuò) 頻碼發(fā)生器 載 波發(fā)生器 高放放 混頻器 解擴(kuò) 解調(diào)器 本振 時(shí)鐘源 擴(kuò) 頻碼發(fā)生器 同 步 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 的信息流數(shù)據(jù)的碼速率 Rb較低，如數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)一般為 16～ 32kb／ s。 直擴(kuò)系統(tǒng)的組成原理框圖如圖 21 所示： 圖 21直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的組成原理框圖 由信源產(chǎn)生的信息流通過(guò)編碼器變換為二進(jìn)制基帶信號(hào) d(t)，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)中所包含的兩個(gè)符號(hào)的先驗(yàn)概率相同 ，均為 1/2， 且兩個(gè)符號(hào)相互獨(dú)立，二進(jìn)制基帶信號(hào)是寬為 Tb的+1或 1值的矩形波信號(hào)， 1／ Tb為信息數(shù)據(jù)的傳輸速率，用 Rb表示；擴(kuò)頻編碼是碼長(zhǎng)為 N、碼元寬度為 Tc、 +1或 1取值的矩形波信號(hào) c(t)，擴(kuò)頻序列脈沖 c(t)通常稱為碼片 (chip)， 其持續(xù)時(shí)間 Tc。 直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽隨機(jī)編碼序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過(guò)信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模 2 和生成 復(fù)合碼去調(diào)制載波。 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 直擴(kuò)系統(tǒng)是最典型、應(yīng)用較為廣泛的一種擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)。不同方式結(jié)合起來(lái)的優(yōu)點(diǎn)有時(shí)能夠得到單用其中一種方式所得不到的特性 [3]。 在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式基礎(chǔ)上，可以組合起來(lái)構(gòu)成多種混合方式。 是指系統(tǒng)的工作頻率在一給定的脈沖時(shí)間間隔內(nèi)線性地掃過(guò)一個(gè)很寬的頻帶，形成一個(gè)帶寬很寬的掃頻信號(hào)。 就是采用特定的偽隨機(jī)碼控制的多時(shí)片的時(shí)移鍵控，使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上離散地跳變，由于采用了窄很多的時(shí)隙去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)來(lái)說(shuō)信號(hào)的頻譜也展寬了。它是用二進(jìn)制偽隨機(jī)碼控制射頻載波振蕩器輸出信號(hào)的頻率隨著偽隨機(jī)碼的變化而跳變。 就是采用高速率的直接序列偽隨機(jī)碼與待傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)波形相乘后，去直接控制載波信號(hào)的某個(gè)參量，在發(fā)送端來(lái)擴(kuò)展傳輸信號(hào)的帶寬，在接收端采用相同的偽碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)出傳送的信息。 例如，某系統(tǒng)擴(kuò)頻處理增益