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直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真與實(shí)現(xiàn)學(xué)士學(xué)位論文-文庫吧資料

2025-07-20 09:43本頁面
  

【正文】 如有兩個 m 序列,它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對值有界,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 m 序列為優(yōu)選對。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“1” 和 3個 “0” 。 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 。只有一個包含 n個 “l(fā)” 的游程,也只有一個包含 (n— 1)個“0” 的游程。 一個碼序列的隨機(jī)性由以下三點(diǎn)來表征: 1. 一個周期內(nèi) “l(fā)” 和 “0” 的位數(shù)僅相差 1位。 例如 4 級移位寄存器產(chǎn)生的 15 位 的 m 序列之一為 111101011001000。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。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鐘脈沖驅(qū)動下,能將所暫存的 “ 1” 或 “0” 逐級向右移。 圖 32 (a)為一最簡單的三級移位寄存器構(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。通常希望兩個信號的互相關(guān)值越小越好,則它們越容易被區(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,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)呈中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 8 三角形。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。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。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。在其他 t 時,其值為 0。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。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)來表示信號與它自身相移以后的相似性的。理想的傳輸信 息的信號形式應(yīng)是類似噪聲的隨機(jī)信號,因?yàn)槿∪魏螘r間上不同的兩段噪聲來比較都不會完全相似。 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。但是,真正的隨機(jī)信號和噪聲是不能重復(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) 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。 在向第三代移動通信標(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 CDMA20xx的開發(fā)策略是對以 IS95標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本的 CDMA系統(tǒng)的平滑升級, CDMA20xx 1X在商用化進(jìn)程方面處于領(lǐng)先階段, CDMA20xx 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)字移動通信和個人通信系統(tǒng)中。本地偽隨機(jī)碼與擴(kuò)頻信號中中的偽隨機(jī)碼一致,因此可以還原成原始窄帶信號,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,同時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)射的射頻脈沖信號脈沖在 一個周期內(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。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。 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。我們可以不斷地增加用戶直到整個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)入這個大房子。 f Ci 碼 t 圖 21 CDMA 的示意圖 中北大學(xué)分校學(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 移動網(wǎng)的容量比模擬網(wǎng)大 20 倍。 4. CDMAPCS: CDMA 個人通訊服務(wù)系統(tǒng)。 2. B- CDMA:寬帶碼分多址系統(tǒng),包括 W- CDMA、 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)。 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,用戶信號是用 Ci來區(qū)分的。也就是 說,每個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。與使用時分多路的 GSM 技術(shù)不同, CDMA 并不給每一個通話者分配一個確定的頻率,而是讓每一個通信都使用全部的頻率,使大量用戶能夠共享同一個無線頻率。 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(jì)的一種 移動通訊技術(shù)。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 4 2. CDMA 數(shù)字蜂窩移動通信的介紹 2. 1 CDMA 簡介 技術(shù)背景 CDMA 的英文全稱為 ( Code Division Multiple Access) ,中文意思是碼分多址。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。 無線擴(kuò)頻通信作為另一種有效的補(bǔ)充通信手段 ,已在金融系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 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 。 擴(kuò)頻技術(shù)在發(fā)展的初始階段,就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論和技術(shù)上的重大突破,在此后的發(fā)展過程中主要是硬件的改善和性能的提高。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)。 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展 由于它的抗噪聲的特性,直接序列擴(kuò)頻技術(shù)非常適合商業(yè)應(yīng)用。 : 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)。 對于直擴(kuò)系統(tǒng)而言,射頻帶寬很寬,譜密度很低,甚至淹沒在噪音中,就很難檢查到信號的存在。 5) 直擴(kuò)通信速率高 直擴(kuò)通信速率可達(dá) 2M, 8M, 11M,無須申請頻率資 源,建網(wǎng)簡單,網(wǎng)絡(luò)性能好。另外,擴(kuò)頻碼分多址還易于解決隨時增加新用戶的問題。充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性,分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼,就可以區(qū)別不同的用戶的信號,眾多用戶,只要配對使用自己的擴(kuò)頻編碼,就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信,從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用,使擁擠的頻譜得到充分利用。 3) 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址( CDMA) 直擴(kuò)通信占用寬帶頻譜資源通信,改善了抗干擾能力,是否浪費(fèi)了頻段?其實(shí)正相反,擴(kuò)頻通信提高了頻帶的利用率。正因?yàn)閿U(kuò)頻技術(shù)抗干擾性強(qiáng),美國軍方在海灣戰(zhàn)爭等處廣泛采用擴(kuò)頻技術(shù)的無線網(wǎng)橋來連接分布在不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 1. 2 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的特 點(diǎn) : : 1) 抗干擾性強(qiáng) 抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一,比如信號擴(kuò)頻寬度為 100 倍,窄帶干擾基本上不起作用,而寬帶干擾的強(qiáng)度降低了 100 倍,如要保持原干擾強(qiáng)度,則需加大 100 倍總功率,這實(shí)質(zhì)上是難以實(shí)現(xiàn)的。一次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制,二次調(diào)制為射頻調(diào)制,以及相應(yīng)的解擴(kuò)和射頻解調(diào)?;謴?fù)成原輸入的信息輸出。 在接收端收到的信號進(jìn)行解調(diào)(一般采用相干解調(diào))。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理 如圖 11所示 。 直序擴(kuò)頻 解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)、如:衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)、 3G 移動通信系統(tǒng)、 WLAN (, , )和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問題?;趯︳~雷控制的安全無線通信的思路,他們申請了美國專利 。即便探測到信號,如果不知道正確的編碼 ,也不可能將噪聲信號重新匯編成原始的信號。 它是二戰(zhàn)期間開發(fā)的,最初的用途是為軍事通信提供安全保障 , 是美軍重要的無線保密通信技術(shù) 。 ................................................................................................................................................................................................... 1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用背景 ................................................... 1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的特點(diǎn) ....................................................... 2 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展
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