【正文】 BPSK 解調(diào) 本地載波 學(xué)士學(xué)位論文 17 在發(fā)送端輸入信息碼元 m（ t），它是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，圖中為 0、 1 兩個(gè)碼元，其碼元寬度為 bT 。 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(hào)的頻譜。 = 輸出端的信噪比， SL = 系統(tǒng)損耗 由此可見，抗干擾容限 jM 與 擴(kuò)頻處理增益 pG 成 正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。一般把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 W與信息帶寬 △F 之比稱為處理增益PG ， 即 P WG F? (47) 它表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。 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(hào)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。 綜上所述：將信息帶寬擴(kuò)展 100 倍，甚至用 1000 倍以上的帶寬信號(hào)來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全的通信。設(shè)信息持續(xù)時(shí)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(hào)功率 S為 1S T? （ 44） 已調(diào)（或 已擴(kuò)頻）信號(hào)的寬度為 B，則噪聲功率為 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(cuò)概率 Pe 是輸入信號(hào)與噪 聲功率之比（ S/N）和信號(hào)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)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處 。 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(shí)現(xiàn)，既加大帶寬 B或提高信噪比 S/N。為什么要用寬頻帶信號(hào)來傳輸窄帶信息呢？主要是為了通信的安全可靠性。 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(hào)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。 學(xué)士學(xué)位論文 14 4． 直接序列擴(kuò)頻 通信 技術(shù) 直接序列擴(kuò)頻的概念及理論基礎(chǔ) 直接序列擴(kuò)頻的概念 所謂直接序列 (DS： Direct Sequence)擴(kuò) 頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送 端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。因?yàn)榭偣灿?2n－ 1個(gè)不同的相對(duì)位移，加上原來的兩個(gè) m 序列本身，所以，兩個(gè) m 級(jí)移位寄存器可以產(chǎn)生 2n＋ 1個(gè) Gold序列。其旁辯的極大值滿足上式表示的優(yōu)選對(duì)的條件。這兩個(gè) 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)。 例如 n=5， m序列 只有 6 個(gè)，而 Gold 序列數(shù)為 52 1 33?? 。因?yàn)榭偣灿?21n? 個(gè)不同的相對(duì)位移，加上兩個(gè) n 級(jí)移位寄存器可以產(chǎn)生 21n? 個(gè) Gold 序列。 圖中碼發(fā)生器 1 和碼發(fā)生器 2 為 m序列優(yōu)選對(duì)。 學(xué)士學(xué)位論文 12 如果把兩個(gè) m序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對(duì)序列模二相加，則產(chǎn)生一個(gè)新的碼序列，即 Gold 序列。 如有兩個(gè) m序列，它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值有界，且滿足以下條件： ? ? ? ?12122 1 ,21nnnRn???? ??? ?? ??為 奇 數(shù)， 為 偶 數(shù) 不 是 4 的 倍 數(shù) （ 37） 我們稱這一對(duì) m 序列為優(yōu)選對(duì)。Gold 提出了一種基于 m 序列的碼序列 ,稱為 Gold 碼序列。 GoId 碼序列 m序列雖然 性能優(yōu)良，但同樣長度的 m序列個(gè)數(shù)不多，且序列之間的互相關(guān)值并不都好。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(gè)數(shù) )。 如 7 位 m序列中順序出現(xiàn)的狀態(tài)為 111， 110， 101， 010， 100， 00l 和 011，然后再回到初始狀態(tài) 111。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。 m 序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算： ? ? ADR AD? ?? ? ， A“ 0”的位數(shù)； D“ 1”的位數(shù) （ 33） 令 p =A + D = 2n － 1 則： ? ? 1 , 01 ,0RP?????????????????? ????? ? ??? ??? ??? ? ??? （ 34） 設(shè) n = 3, p = 23 － 1 ＝ 7， 則： ? ? 1 , 01 ,07R ?? ???????????????? ???? ? ? ?? ?? ?? ?? ?? ??? （ 35） 它正是圖 31 (d)中所示的二值自相關(guān)函數(shù)。 在表 32中列出長為 15位的游程分布。例如上述 7 位碼中有 4 個(gè)“1” 和 3個(gè) “0” 。 3. 一個(gè)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。只有一個(gè)包含 n 個(gè) “l(fā)” 的游程，也只有一個(gè)包含 (n— 1)個(gè)“0” 的游程。 一個(gè)碼序列的隨機(jī)性由以下三點(diǎn)來表征： 1. 一個(gè)周期內(nèi) “l(fā)” 和 “0” 的位數(shù)僅相差 1 位。 例如 4級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的 15 位的 m序列之一為 111101011001000。對(duì)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。不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列。因 7位為所能產(chǎn)生的最長的碼序列， 1110010 則為 m 序列。在輸出周期為 32 － 1＝ 7 的碼序列后， D D D3 又回到 111 狀態(tài)。 D3 的變化即輸出序列。圖 (a)中 D D3 輸出的模二和反饋為 Dl 的輸入。移位寄存器的作用為在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，能將所暫存的 “1” 或 “0” 逐級(jí)向右移。 圖 32 (a)為一最簡單的三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的 m 序列發(fā)生器。在二進(jìn)制移位寄存器發(fā)生器中，若 n 為級(jí)數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為 2n－ 1位。 m 序列在擴(kuò)展頻譜及碼分多址技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，并在 m序列基礎(chǔ)上還能夠成其它碼序列，因此無論從 m序列直接應(yīng)用還是從掌握偽隨機(jī)序列基本理論而言，應(yīng)該熟悉 m序列的產(chǎn)生及其主要特性 。 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。通常希望兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)值越小越好，則它們?cè)饺菀妆粎^(qū)分，且相互之間的干擾也小。如果有一定的相似性，則不完全為 0。換句話說，就是要選用互相關(guān)性小的信號(hào)來表示不同的用戶。 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。自然這種碼序列就被稱為偽隨機(jī)碼或偽噪聲碼。而其它延遲時(shí)，自相關(guān)函數(shù)值 為－ 1/7, 即碼位長的倒數(shù)取負(fù)值。 ? 0/2 范圍內(nèi)呈學(xué)士學(xué)位論文 8 三角形。這樣我們很容易求出這兩個(gè)脈沖序列波形的自相關(guān)函數(shù)，如圖 31 (d)中。例如二元碼序列1110l00 為碼長 為 7位的 PN 碼。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(hào)。遺憾的是這種理想的情況在現(xiàn)實(shí)中是不能實(shí)現(xiàn)的。利用這種特性，就很容易地判斷接收到的信號(hào)與本地產(chǎn)生的相同信號(hào)復(fù)制品之間的波形和相位是否完全一致。在其他 t 時(shí)，其值為 0。如果稍微延遲一 t，對(duì)于完全的隨機(jī)噪聲，相乘以后正負(fù)抵消，積分為 0。圖 31(b)為其自相關(guān)函數(shù)。 現(xiàn)在來看看隨機(jī)噪聲的自相關(guān)性。 上式的物理概念是 f(t)與其相對(duì)延遲的 ? 的 ? ?ft?? 來比較 : 如二者不完全重疊，即 0?? ，則乘積的積分 ??a??為 0； 如二者完全重疊，即 0?? ；則相乘積分后 ??a??為一常數(shù)。 在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號(hào)與它自身相移以后的相似性的。理想的傳輸信息的信號(hào)形式應(yīng)是類似噪聲的隨機(jī)信號(hào)，因?yàn)槿∪魏螘r(shí)間上不同的兩段噪聲來比較都不會(huì)完全相似。 為什 么要選用隨機(jī)信號(hào)或噪聲性能的信號(hào)來傳輸信息呢？許多理論研究表明，在信息傳輸中各種信號(hào)之間的差別性能越大越好。但是，真正的隨機(jī)信號(hào)和噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能。并未涉及碼的結(jié)構(gòu)和如何產(chǎn)生等問題。 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) 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。 在向第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)中，靠目前的 GSM和模擬系統(tǒng)已遠(yuǎn)不能滿足要求， 第三代 CDMA2021的開發(fā)策略是對(duì)以 IS95標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本的 CDMA系統(tǒng)的平滑升級(jí)， CDMA2021 1X在商用化進(jìn)程方面處于領(lǐng)先階段， CDMA2021 1X 技術(shù)使得運(yùn)營商可以靈活地引入多種先進(jìn)數(shù)據(jù)服務(wù)來滿足逐漸增長的市場需求，而且運(yùn)營商可以在當(dāng)前的 頻帶內(nèi)就享用 3G的能力。 CDMA 的應(yīng)用前景 CDMA 以其本身所具有的特點(diǎn)及優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)通信和個(gè)人通信系統(tǒng)中。本地偽隨機(jī)碼與擴(kuò)頻信號(hào)中中的偽隨機(jī)碼一致，因此可以還原成原始窄帶信號(hào)，能順利通過窄帶濾波器，恢復(fù)話音數(shù)據(jù)，再通過 D/A 轉(zhuǎn)換器恢復(fù)原始話音。在接收端，接收機(jī)不但接收到有用的信號(hào)，同時(shí)還接收到各種干擾和噪聲。接收端經(jīng)過解調(diào)、解擴(kuò)恢復(fù)出話音數(shù)據(jù)。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。 4. 線性調(diào)頻（ Chirp） 如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)脈沖在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的的頻率做線性變化，則稱為線性調(diào)頻。我們先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片，在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。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(hào)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(hào)還原成原來的信號(hào)。所以又被稱為“綠色手機(jī)”。 ： 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。 音 質(zhì)量好： CDMA 系統(tǒng)話音質(zhì)量很高，其通話質(zhì)量已經(jīng)接近了固定電話的效果。 系統(tǒng)的軟切換和自動(dòng)跟蹤多徑信號(hào)技術(shù)，降低切換時(shí)通話中斷的可能性，這便于用戶在移動(dòng)中進(jìn)行通話和數(shù)據(jù)傳輸。我們可以不斷地增加用戶直到整個(gè)背景噪音限制住我們的通話。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(gè)大房子。 f Ci 碼 t 圖 21 CDMA的示意圖 學(xué)士學(xué)位論文 5 2. 系統(tǒng)容量配置靈活：這是由 CDMA 的原理決定的。 CDMA 的特點(diǎn)： ：理論上， CDMA 移動(dòng)網(wǎng)的容量比模擬網(wǎng)大 20 倍。 4. CDMAPCS： CDMA 個(gè)人通訊服務(wù)系統(tǒng)。 2. B－ CDMA：寬帶碼分多址系統(tǒng)，包括 W－ CDMA、 CDMA2021 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(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。 1. N－ CDMA：窄帶碼分多址系統(tǒng)，在美國又稱為 IS－ 95。 CDMA 的示意圖如 21 所示，用戶信號(hào)是用 Ci 來區(qū)分的。也就是 說，每個(gè)用戶有自己的地址碼，地址碼彼 此之間是互相獨(dú)立、互相不影響的。 它為每個(gè)用戶分配各自特定的地址 碼，利用公共信道來傳輸信息。與使用時(shí)分多路的 GSM 技術(shù)不同， CDMA 并不給每一個(gè)通話者分配一個(gè)確定的頻率，而是讓每一個(gè)通信都使用全部的頻率，使大量用戶能夠共享同一個(gè)無線頻率。 CDMA是根據(jù)現(xiàn)代移動(dòng)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(jì)的一種移動(dòng)通訊技術(shù)。