【正文】 輸帶寬 B 的辦法來保持信道容量 C 不變，而 C 是系統(tǒng)無差錯(cuò)傳輸信息的速率。 可見，擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。 擴(kuò)頻通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的：一是信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸。二是相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。 正是由于這兩大持點(diǎn)，使擴(kuò)頻通信系統(tǒng)比常規(guī)的通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗平頂山學(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 窄帶干 擾、抗多徑干擾能力。 2． 2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的指標(biāo) 衡量擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能好壞的性能指標(biāo)主要有兩個(gè)：處理增益和干擾容限。在直擴(kuò)系統(tǒng)中，處理增益也等于偽隨機(jī)碼速率 Rc與信息碼的碼速率 Rb的比值。它反映經(jīng)過擴(kuò)頻接收機(jī)處理后，使信號(hào)增強(qiáng)的同時(shí)抑制輸入到接收機(jī)干擾信號(hào)能力的大小。 目前國外在工程上能實(shí)現(xiàn)的處理增益對直擴(kuò)系統(tǒng)來說可以達(dá)至 70dB，如果系統(tǒng)的基帶濾波器輸出信噪比為 10dB，則這個(gè)系統(tǒng)的輸入端信噪比為 60dB，也就是說，信號(hào)功率可以在低于干擾功率 60dB的惡劣條件下正常工作。 處理增益表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)對干擾的抑制程度，但系統(tǒng)能否正常工作僅靠處理增益是不能描述的，它主要取決于干擾容限。它定義為在保證系統(tǒng)正常工作條件下 (系統(tǒng)輸出信噪比一定 )，接收機(jī)輸入端能夠正常承受的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝數(shù)，用 Mj表示： ]( db))NS(+[LG=Mouts yspj （ 2— 4） 式中： Gp 為系統(tǒng)的處理增益， Lsys 為擴(kuò)頻系統(tǒng)的內(nèi)部損耗 ， (S／ N)out 為系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比。因此它往往比處理增益更確切表征了系統(tǒng)的抗干擾能力 [2]。 2． 3 擴(kuò)頻通信的種類 按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信基本方式分為：直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)、線性調(diào)頻以及上述幾種方式的組合。 形象地說就是采用特定偽碼控制的多頻率頻移鍵控。頻率跳變 系 統(tǒng)可供隨機(jī)選取的載波頻率數(shù)通常是幾千～幾萬個(gè)離散頻率。跳時(shí)方式主要用于時(shí)分多址 (TDMA)通信中。由于線性脈沖調(diào)頻信號(hào)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，從而也可以獲得較好的抗干擾性能。例如： FH／ DS、DS／ TH、． FH／ TH 等。 因本課題是針對直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的研究，所以對直擴(kuò)系統(tǒng)做一下重點(diǎn)介紹。人們對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的研究最早，研制出了許多直擴(kuò)系統(tǒng)，比如美國的國防衛(wèi)星通信系統(tǒng) (Av． VSC． 28)、 全球定位系統(tǒng) GPS 等等 [3]。接受機(jī)在收到發(fā)射信號(hào)后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來的精確偽碼相位，并由此產(chǎn)生跟發(fā)送端偽碼相位完全一致的偽碼作為本地解擴(kuò)信號(hào)，以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個(gè)直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收 [3]。被稱為碼片間隔，其倒數(shù) l／ T。 基帶信號(hào)與高速率的擴(kuò) 頻編碼序列時(shí)域相乘或者模 2加得到頻譜擴(kuò)展后的復(fù)合信號(hào)d(t)c(t)，經(jīng)載波 Acos(2π fct+φ )進(jìn)行調(diào)制 (直接序列擴(kuò)頻一般采用 PSK調(diào)制 )，然后通過發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸，發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)用 s(t)表示。 1,則信號(hào)可表示為： S(t)=Acos(2πfct+θ(t)+φ) (2— 6) 其中 A為載波信號(hào)振幅， fc為載波頻率， φ 為初始相位，當(dāng) d(t)c(t)=+1時(shí) ，θ (t)=0； 當(dāng)d(t)c(t)=1時(shí)， θ (t)=π ，其相位變化速率為 1／ Tc 。 擴(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度函數(shù)如圖 23所示，它等于信息碼和擴(kuò)頻碼兩信號(hào)功率譜密度函數(shù) 在頻域內(nèi)的卷積積分，包絡(luò)是 (sinx／ x)2型的，其帶寬等于功率譜的主瓣寬度 Rc， 即直擴(kuò)系統(tǒng)的射頻帶寬在二元 PSK調(diào)制下 BRF=2Rc，而與數(shù)字基帶信號(hào)的碼速率 Rb無關(guān) [4]。接收端偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與發(fā)送端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相同，但起始時(shí)間或初始相位可能不同，為 c,(t)。 而有用信號(hào)分量 sJ,(t)=sI(t)c,(t)=Ad(t)c(t)c,(t)cos(2π fct+φ ) （ 2— 9） 若本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列 c,(t)與發(fā)端的偽隨機(jī)序列 c(t)同步時(shí)，有 c,(t)=c(t)，則c,(t)c(t)=1，這樣信號(hào)分量 sJ,(t)= Ad(t)cos(2π fct+φ ) （ 2— 10） 經(jīng)后面解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)后，將有用信號(hào) d,(t)解 調(diào)出來。 下面以解擴(kuò)前后信號(hào)功率譜密度示意圖來說明這一問題 ?？梢远ㄐ缘乜闯觯鈹U(kuò)前后的信噪平頂山學(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 比發(fā)生了顯著的改善。 (2) 具有強(qiáng)的抗多徑干擾能力 無線電波在傳播的過程中，除了直接到達(dá)接收天線的直射信號(hào)外，還會(huì)有各種反射體(如大氣對流層、建筑物、高山、樹木、水面、地面 )等引起的反射和折射信號(hào)被接收天線接收。多徑干擾會(huì)造成通信系統(tǒng)的嚴(yán)重衰落甚至無法工作。 (3) 對其他電臺(tái)干擾小，抗截獲能力強(qiáng) 理論分析表明，信 號(hào)的檢測概率與信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號(hào)的頻帶寬度成反比。因此它具有很強(qiáng)的抗截獲性。 (4) 可以同頻工作 由 于采用相關(guān)解擴(kuò)，所以只要每部通信機(jī)的解擴(kuò) PN碼不同，幾部通信機(jī)就可以使用同一載頻而不會(huì)有互相干擾，只是多增加點(diǎn)背景噪聲而已。移動(dòng)通信系統(tǒng)采用 CDMA方式，理論上可以使通信容量比目前的蜂窩式通信容量大 [6]。 (1) 偽隨機(jī)碼的要求 香農(nóng)編碼定理指出：只要信息速率 Rb小于信道容量 C，則總可以找到某種編碼方法，在碼周期相當(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)中恢復(fù)出原發(fā)送的信息。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜為 S(f)= 2No ∞ f∞ （ 2— 11） 其自相關(guān)函數(shù)為： ? ? ? ? ? ???? ?? ?? 2SR 0f2 Ndfef （ 2— 12） 其中τ為時(shí)延， ???? 定義為： ? ???? ??? 00 01 ???? （ 2— 13） 白噪聲是一種平穩(wěn)隨機(jī)過程，它具有如下特性： ①瞬時(shí)值服從高斯分 布 (或正態(tài)分布 )； ②功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的，其值為 N0/2； ③自相關(guān)函數(shù)具有類似 δ函數(shù)的形狀，即具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)。 偽隨機(jī)碼又稱為偽噪聲碼，簡稱 PN碼。由于這種碼具有類似白噪聲的性質(zhì)，相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，因此易于從其他信號(hào)或干擾中分離出來，具有良好的抗干擾特性。因此，本文采用的擴(kuò)頻序列也是 m序列，故對 m 序列作重點(diǎn)介紹。 m 序列有如下性質(zhì)： ①周期性： m序列的周期為 N=2n1,n為移位寄存器的階數(shù)。 ③游程特性：游程就是一個(gè)序列中取值相同的連在一起的元素。在周期為 N=2n1的 m序列中，總游程數(shù)為 2n1個(gè)，其中元素 0的游程與元素 1的游程數(shù)目各占一半；長度為 k（ 1≤k≤n2)的游程占游程總數(shù)的 2k，最后還有一個(gè)長度為 n的全 1游程和一個(gè)長度為 n1的全 0游程。 m 序列的自相關(guān)特性： ? ? ????????? 0101R jNjf (2— 14) 將 m序列的每一比特變換為寬度為 Tc（ Tc=1/Rc）、幅度為 1的波形函數(shù)， 當(dāng) m序列為 0元素時(shí)，波形函數(shù)取正極性，否則取負(fù)極性。 m 碼的自相關(guān)函數(shù)為： ?????????????TcNTcTcNN????111)(R （ 2— 15） 式中， N=2nl 為 m 序列的周期。由圖可以看出，當(dāng)周平頂山學(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 期很長及碼元寬度很小時(shí)， R(τ )近似于沖激函數(shù)δ (τ )的形狀。 圖 26 m碼的功率譜密度示意圖 m序列的生成是由移位寄存器加上反饋后所產(chǎn)生的，其結(jié)構(gòu)如圖 27所示 C0 1 C2 C3 ?? Cn 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 序列輸出 a1 a2 a3 ... an 圖 27 m序列生成器結(jié)構(gòu)示意圖 圖中 ai(i=1， 2，?， n)為移位寄存器中每位寄存器的狀態(tài)， Ci(i=0， 1， 2，?， n)為第 i位寄存器的反饋連線系數(shù)。在此結(jié)構(gòu)中 co==1，不同的反饋邏輯，即 ci取不同的值將產(chǎn)生不同的移位寄存器序列。 n 級(jí)線性移位寄存器的反饋邏輯可用特征 多項(xiàng)式表示為： ?????????niii XC0nn2210 xcxcxccf(x) （ 2— 16） 若 n 級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的非零序列周期為 N=2n1，則稱這個(gè)序列為 n級(jí)最大周期線性移位寄存器序列，簡稱 m序列。 擴(kuò)頻序列的同步捕獲 擴(kuò)頻序列的偽碼同步 對于常規(guī)數(shù)字通信，接收端有了相干載波，即可解調(diào)出基帶數(shù)字信 號(hào)，然而對于擴(kuò)頻信號(hào)，首先要完成解擴(kuò)才能進(jìn)行解調(diào)。對于約定好的收、發(fā)方用同一個(gè)偽碼很容易辦到，但是，如果要從解擴(kuò)相關(guān)器得到傳送的信息，僅僅保證一樣的碼型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)榧词瓜嗤膫坞S機(jī)碼，當(dāng)相位差大于一個(gè)碼片時(shí)，它們的相關(guān)峰就完全消失。 在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，對同步來說存在兩類不確定的因素， 即偽碼延時(shí) (偽碼相位 )和載波頻率的不確定性。 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 偽碼同步一般分為兩步進(jìn)行，偽碼同步流程見圖 28。接收機(jī)在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號(hào)，因此需要有一個(gè)搜捕過程，即在一定的頻率和時(shí)間 范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號(hào)，找到接收信號(hào)中偽碼的起始相位，使收端偽碼與發(fā)端偽碼的相位差小于二分之一個(gè)碼元；二是同步跟蹤 (又稱精同步 )，一旦完成捕獲后， 則進(jìn)入跟蹤過程，即繼續(xù)保持 同步，不因外界影響而失去同步。 同步捕獲的方法很多，由于解擴(kuò)過程通常都在載波同步之前進(jìn)行，載波相位在這時(shí)是未知的，大多數(shù)捕獲方法都利用非相干檢測。如果認(rèn)為捕獲到有用信號(hào)，則開始跟蹤過程，使系統(tǒng)保持同步 ， 否則又開始繼續(xù)搜捕。 跟蹤與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)的跟蹤方法類似，一般采用鎖相環(huán)原理來完成跟蹤過程，關(guān)鍵還是在第一步的同步捕獲。 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 擴(kuò)頻序列的同步捕獲 應(yīng)用中擴(kuò)頻碼大部分是偽隨機(jī)序列，偽隨機(jī)序列的一項(xiàng)基本特性是其自相關(guān)函數(shù)的旁瓣極低。擴(kuò)頻序列的捕捉與跟蹤便是依據(jù)此特性而實(shí)現(xiàn)的，只要檢測發(fā)送擴(kuò)頻序列與本地序列在 2N個(gè)相位狀態(tài)下的相關(guān)函數(shù)值，便可判斷二者相位是否對齊，即是否捕捉成功。有源相 關(guān)時(shí)采用了在不同的搜索區(qū)間，用不同相位的本地碼與輸入碼相關(guān)的方法。常用的有源相關(guān)法有滑動(dòng)相關(guān)法、序列相位搜索法等；而無源相關(guān)是采用一種與已知的擴(kuò)頻碼相匹配的無源濾波器，只有當(dāng)輸入碼與接收機(jī)的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)相匹配時(shí)，才可得到最大的相關(guān)輸出，否則就沒有相關(guān)輸出。 捕獲的過程是檢測器采用某種特定算法遍歷整個(gè)未知相位區(qū)間的過程。遍歷算法可以是串行也可以是并行，或者串并結(jié)合，或者從某個(gè)特定的區(qū)域開始，逐漸擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域。而現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使并行捕獲方案成為可能，但系統(tǒng)的復(fù)雜度很高，因此研究的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)碼捕獲時(shí)間性能和系統(tǒng)復(fù)雜度之間的折衷。 (1) 序列相位搜索捕獲法 當(dāng)擴(kuò)額序列周期 Nl時(shí)，并行捕 捉法需要 2N個(gè)相關(guān)器，電路設(shè)備量過大。 順序搜索捕捉的基本原理是：使用一個(gè)相關(guān)器，在 0一 TD期間內(nèi)積分，在 TD時(shí)刻將積分器的輸出送給一門限比較器，當(dāng)積分器的輸出值小于設(shè)定的門限值時(shí)，說明本地參考擴(kuò)頻碼序列的相位與接收擴(kuò)頻